Khảo sát và kiểm nghiệm HT lái ô tô LAND CRUISER 200
LỜI NÓI ĐẦU
Kể từ khi ra đời đến nay ngành cơ khí động lực không ngừng phát triển và đạt
được thành tựu to lớn.
Ngày nay với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp ôtô
đã chế tạo ra nhiều loại ôtô với hệ thống lái có tính năng kỹ thuật rất cao để đảm bảo
vấn đề an toàn và tính cơ động của ôtô.
Trong tập đồ án tốt nghiệp này em được nhận đề tài ”Khảo sát và tính toán
kiểm tra hệ thống lái ô tô LAND CRUISER 200”. Nội dung của đề tài này giúp em hệ
thống được những kiến thức đã học, nâng cao tìm hiểu các hệ thống của ôtô nói chung
và hệ thống lái của ôtô Land Cruiser nói riêng; từ đây có thể đi sâu nghiên cứu về
chuyên môn.
Tập đồ án này trang bị cho người sử dụng, vận hành ôtô có những kiến thức cơ
bản về hệ thống lái trên ôtô. Trong quá trình làm việc của hệ thống lái không thể tránh
khỏi những hư hỏng hao mòn các chi tiết. Vì vậy đề tài này còn đề cập đến vấn đề bảo
dưỡng, sửa chữa.
Được sự hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo Phan Minh Đức, cùng với sự nổ
lực của bản thân, em đã hoàn thành nhiệm vụ của đề tài này. Vì thời gian và kiến thức
có hạn nên trong tập đồ án này không thể tránh khỏi những sai sót nhất định. Vì vậy
em mong các thầy, cô trong bộ môn đóng góp ý kiến để đề tài của em được hoàn thiện
hơn.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phan Minh Đức. Qua đây em
cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong bộ môn đã truyền đạt cho em rất
nhiều kiến thức quý bấu trong quá trình học tập ở trường và thời gian làm đồ án tốt
nghiệp.
Đà nẵng, ngày 18 tháng 5 năm 2009.
Sinh viên thực hiện.
Trần Bảo Cường
1
Khảo sát và kiểm nghiệm HT lái ô tô LAND CRUISER 200
3.3.7.3. Góc nghiêng ngang của trụ xoay đứng 25
3.3.7.4. Độ chụm đầu 25
3.4. Cường hoá lái 26
3.4.1. Công dụng, phân loại, yêu cầu 26
3.4.1.1. Công dụng 26
3.4.1.2. Phân loại 26
3.4.1.2. Yêu cầu 27
3.4.2. Các thông số đánh giá 27
3.4.3. Các sơ đồ bố trí 28
2
Khảo sát và kiểm nghiệm HT lái ô tô LAND CRUISER 200
3.5. Liên hệ giữa hệ thống lái và hệ thống treo 30
4. Hệ thống lái ôtô LAND CRUISER 200 32
4.1. Giới thiệu tổng quát về hệ thống lái ô tô LAND CRUISER 200 32
4.2. Các thông số kỹ thuật chính của các chi tiết của hệ thống lái ô tô LAND
CRUISER 200 33
4.3. Kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống lái ô tô LAND CRUISER 200 34
4.3.1. Vành tay lái 34
4.3.2. Trục lái và trục các đăng của hệ thống lái LAND CRUISER 200 35
4.3.3. Cơ cấu lái 36
4.3.4. dẫn động lái 41
4.3.5. Bơm trợ lực lái 41
5. Tính toán kiểm tra hệ thống lái ô tô LAND CRUISER 200 42
5.1. Các thông số chính của hệ thống lái ô tô LAND CRUISER 200 42
5.2. Xác định mômen cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng 43
5.3. Xác định lực cần thiết tác dụng lên vô lăng 46
5.4. Tính toán kiểm nghiệm bền dẫn động lái 46
5.4.1. Tính toán kiểm nghiệm bền dẫn động lái khi ô tô quay vòng tại chỗ 46
5.4.1.1. Tính bền đòn quay đứng 47
sau:
- Khảo sát hệ thống lái.
- Tính toán kiểm tra.
- Bảo dưỡng sửa chữa.
Các nội dung trên được trình bày theo các mục, nhằm mục đích nghiên cứu kết
cấu và nguyên lí làm việc cũng như công dụng, phân loại, yêu cầu chung của các chi
tiết cũng như từng cụm chi tiết. Sự ảnh hưởng của các chi tiết hay từng cụm chi tiết
đến quá trình làm việc cũng như các thông số kỹ thuật, để đảm bảo cho ôtô vận hành
an toàn trên đường. Ngoài ra đề tài này còn đề cập đến vấn đề bảo dưỡng sửa chữa
một số hiện tượng hư hỏng thường xuyên xảy ra của hệ thống lái.
Đề tài này còn có thể giúp các cơ sở hình thành các tài liệu giảng dạy, đào tạo
nghề và giúp cho bạn đọc hiểu biết thêm về hệ thống lái của ôtô. Đặc biệt là ô tô
LAND CRUISER.
2. Giới thiệu ô tô LAND CRUISER
Ô tô Land Cruiser là loại xe được sản xuất tại Nhật Bản vào năm 1951 và xuất
hiện tại Việt Nam lần đầu tiên vào năm 2000. Suốt hơn 50 năm thống lĩnh trên khắp
mọi địa hình, Land Cruiser danh tiếng đã trở thành một phương tiện thiết yếu cho khát
khao chinh phục những vùng đất hiểm trở nhất.
Danh tiếng toàn cầu với sức mạnh và độ tin cậy tuyệt đối, Land Cruiser khẳng
định những giá trị truyền thống dựa trên nền tảng mới của thiết kế và công nghệ một
cách thiết phục. Cấu trúc thân xe cực kỳ chắc chắn cùng động cơ mạnh mẽ vượt trội
mang đến khả năng vận hành ưu việt. Dù trên đường cao tốc hay địa hình hiểm trở, với
các tính năng an toàn hàng đầu, Land Cruiser đem lại cho chủ nhân sự an tâm và hài
lòng tuyệt đối. Ấn tượng và thuyết phục, Land Cruiser luôn là sự lựa chọn tối ưu cho
những ai thực sự am hiểu dòng xe hai cầu đích thực.
Hình dáng tổng thể của ô tô Land Cruiser 200 được thể hiện trên hình 2.1.
4
Khảo sát và kiểm nghiệm HT lái ô tô LAND CRUISER 200
1970
sở Trước/sau mm 1640/1635
4 Kích thước
nội thất
Dài mm 2715
Rộng mm 1640
Cao mm 1200
5 Khoảng sáng gầm xe mm 225
6 Bán kính quay vòng tối thiểu m 5,9
7 Trọng lượng không tải KG 2675
8 Trọng lượng toàn tải KG 3300
9 Kiểu động cơ
4,7 lít, 2UZ-FE, V8, 32 van,
DOHC, VVT-i
10 Loại động cơ xăng
11 Dung tích công tác cc 4664
12
Công suất cực đại/số vòng
quay HP/rpm 271/5400
13
Mô men xoắn cực đại/số
vòng quay KG.m/rpm 41,8/3400
14 Tối độ cực đại Km/h 200
15 Hộp số 5 số tự động
16 Tiêu chuẩn khí thải Euro Step 3
17 Công thức bánh xe 4x4 (có thể cắt cầu sau)
Phụ thuộc, loại 4 điểm, lo xo
cuộn và tay đòn bên
19
Hệ thống
phanh Trước/Sau Đĩa thông gió 17"
bấm Có
33 Ăng ten In trên kính
34
Hệ thống chống bó cứng
phanh (ABS)
Có
36
Hỗ trợ lực phanh khẩn cấp
(BA) Có
39 Túi Khí rèm hai bên cửa sổ Có
2.2. Khái quát hệ thống lái trên ô tô LAND CRUISER 200
Hệ thống lái trên ô tô Land Cruiser 200 là hệ thống lái có trợ lực lái kiểu bánh
răng thanh răng nên giúp giảm nhẹ lao động cho người lái và tăng tính an toàn lao
động. Dẫn động hệ thống lái thông qua trục lái, khớp các đăng và các khâu khớp trong
7
Khảo sát và kiểm nghiệm HT lái ô tô LAND CRUISER 200
hình thang lái, cơ cấu lái và bơm trợ lực lái được bố trí riêng, cơ cấu lái được bắt chặt
vào khung xe và nối với trục lái bằng khớp các đăng.
Tay lái có thể điều chỉnh theo 4 hướng: gật gù và xa gần làm tăng sự thỏa mái
cho người lái.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái iω = 16,5.
Bơm dầu trợ lực lái là loại bơm cánh gạt tác dụng kép, số cánh gạt là 10 cánh,
trên thân bơm có bố trí van an toàn.
3. Lý thuyết chung về hệ thống lái
3.1. Công dụng, phân loại, yêu cầu
3.1.1. Công dụng
Hệ thống lái là tập hợp các cơ cấu dùng để giữ cho ôtô máy kéo chuyển động
theo một hướng xác định nào đó và để thay đổi hướng chuyển động khi cần thiết theo
yêu cầu cơ động của xe.
+ Cường hoá khí (khi nén hoặc chân không);
+ Cường hoá điện;
+ Cường hoá cơ khí;
+ Ngoài ra còn có thể phân loại theo: Số lượng các bánh xe dẫn hướng (các
bánh dẫn hướng chỉ ở cầu trước, ở cả hai cầu hay tất cả các cầu), theo sơ đồ bố trí
cường hóa lái.
3.1.3. Yêu cầu
Hệ thống lái phải đảm bảo những yêu cầu chính sau:
- Đảm bảo chuyển động thẳng ổn định:
+ Để đảm bảo yêu cầu này thì hành trình tự do của vô lăng tức là khe hở trong
hệ thống lái khi vô lăng ở vị trí trung gian tương ứng với chuyển động thẳng phải nhỏ
(không lớn hơn 150 khi có trợ lực và không lớn hơn 50 khi không có trợ lực).
+ Các bánh dẫn hướng phải có tính ổn định tốt.
+ Không có hiện tượng tự dao động các bánh dẫn hướng trong mọi điều
kiện làm việc và mọi chế độ chuyển động.
- Đảm bảo tính cơ động cao: tức xe có thể quay vòng thật ngoặt trong một
khoảng thời gian rất ngắn trên một diện tích thật bé.
- Đảm bảo động học quay vòng đúng: để các bánh xe không bị trượt lê gây mòn
lốp, tiêu hao công suất vô ích và giảm tính ổn định của xe.
- Giảm được các va đập từ đường lên vô lăng khi chạy trên đường xấu hoặc
chướng ngại vật.
- Điều khiển nhẹ nhàng, thuận tiện lực điều khiển lớn nhất cần tác dụng lên vô
lăng (Plmax) được qui định theo tiêu chuẩn quốc gia hay tiêu chuẩn ngành:
+ Đối với xe du lịch và tải trọng nhỏ: P
lvmax
không được lớn hơn 150 ÷ 200 N;
+ Đối với xe tải và khách không được lớn hơn 500 N.
+ Đảm bảo sự tỷ lệ giữa lực tác dụng lên vô lăng và mô men quay các bánh xe
dẫn hướng (để đảm bảo cảm giác đường) cũng như sự tương ứng động học giữa góc
quay của vô lăng và của bánh xe dẫn hướng.
tròn của vô lăng thành chuyển động góc (lắc) của đòn quay đứng và bảo đảm tăng mô
men theo tỷ số truyền yêu cầu.
3.3.3.1. Các thông số đánh giá cơ bản
a. Tỷ số truyền động học
Hình 3-3 Các quy luật đặc trưng cho sự thay đổi tỷ số truyền động học
Tỷ số truyền động học:
n
v
d
d
i
ω
ω
ω
ω
ϕ
θ
ϕ
ω
===
0
(3-1)
Ở đây:
11
Khảo sát và kiểm nghiệm HT lái ô tô LAND CRUISER 200
θ, ϕ- Các góc quay tương ứng của trục vào (vô lăng) và trục ra (đòn
quay đứng).
ω
0
có dạng như trên hình
3-3 đường 4 là hợp lý nhất.
Trong phạm vi góc quay θ≤ 90
0
÷120
0
, tỷ số truyền i
ω
cần phải lớn để tăng
độ chính xác điều khiển và giảm lực cần tác dụng lên vô lăng. Khi xe chạy trên đường
thẳng với tốc độ lớn, theo số liệu thống kê thì đa số thời gian hệ thống lái làm việc với
góc quay nhỏ của vô lăng quanh vị trí trung gian. Ngoài ra i
ω
tăng còn làm giảm được
các va đập từ mặt đường.
Ở các góc quay θ> 900 - 1200 tỷ số i
ω
cần giảm để tăng tốc độ quay vòng,
tăng tính cơ động của xe.
Đối với các xe tốc độ thấp và trọng tải toàn bộ lớn, quy luật thay đổi i
ω
được
làm theo đường 2, để khi quay vòng không ngoặt tương đối thường xuyên thì lực cần
tác dụng nhỏ.
Trên các xe tốc độ rất lớn: thường sử dụng qui luật như đường 1. Khi đó, trong
thời gian chuyển động thẳng với tốc độ rất lớn điều khiển ô tô được nhạy, còn khi quay
vòng ngoặt với tốc độ vừa phải thì giảm được lực tác dụng.
Đối với các xe có cường hoá lái: thì i
ω
được làm không đổi (đường 3) vì lúc này
M
v
r
ω
ω
=
ω
i
i
F
(3-3)
Ở đây:
M
r
, M
v
- Các mô men đo ở đầu ra và đầu vào của cơ cấu lái;
r
ω
,
r
ω
- Các tốc độ góc tương ứng ở đầu ra và đầu vào của cơ cấu lái;
i
F
- Tỷ số truyền lực;
i
ω
- Tỷ số truyền động học.
Do hiệu suất của cơ cấu lái có giá trị khác nhau tuỳ theo chiều truyền lực từ trên
3- Sau khi đã điều chỉnh khe hở trung gian.
3.3.4. Các loại cơ cấu lái thông dụng
3.3.4.1. Loại trục vít - Cung răng
Loại này có ưu điểm là kết cấu đơn giản, làm việc bền vững. Tuy vậy có nhược
điểm là hiệu suất thấp η
th
= 0,5-0,7; η
ng
=0,4-0,55, điều chỉnh khe hở ăn khớp phức tạp
nếu bố trí cung răng ở mặt phẳng đi qua trục trục vít.
Cung răng có thể là cung răng thường đặt ở mặt phẳng đi qua trục trục vít
(hình 3-5) hoặc đặt ở phía bên cạnh (hình 3-6). Cung răng đặt bên có ưu điểm là
đường tiếp xúc giữa răng cung răng và răng trục vít khi trục vít quay dịch chuyển trên
toàn bộ chiều dài răng của cung răng nên ứng suất tiếp xúc và mức độ mài mòn giảm,
do đó tuổi thọ và khả năng tải tăng. Cơ cấu lái loại này thích hợp cho các xe tải cỡ lớn.
Trục vít có thể có dạng trụ tròn hay glôbôít (lõm). Khi trục vít có dạng glôbôit thì số
răng ăn khớp tăng nên giảm được ứng suất tiếp xúc và mài mòn.
Ngoài ra còn cho phép tăng góc quay của cung răng mà không cần tăng chiều
dài của trục vít.
14
Khảo sát và kiểm nghiệm HT lái ô tô LAND CRUISER 200
Hình 3-5 Trục vít lăn - cung răng đặt giữa
1- Ổ bi; 2- Trục vít; 3- Cung răng; 4-Vỏ.
Hình 3-6 Cơ cấu loại trục vít hình trụ - cung răng đặt bên
1- Ổ bi ; 2 - Trục vít; 3- Cung răng ; 4- Vỏ.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái trục vít - cung răng không đổi và xác định theo công
thức:
i
ω
+ Kết cấu gọn nhẹ;
+ Hiệu suất cao do thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn;
+ Hiệu suất thuận: η
t
= 0,77 - 0,82;
+ Hiệu suất ngịch: η
n
= 0,6;
+ Điều chỉnh khe hở ăn khớp đơn giản và có thể thực hiện nhiều lần.
Để có thể điều chỉnh khe hở ăn khớp, đường trục của con lăn đươc bố trí lệch
với đường trục của trục vít một khoảng 5-7 mm. Khi dịch chuyển con lăn dọc theo trục
quay của đòn quay đứng thì khoảng cách A sẽ thay đổi. Do đó khe hở ăn khớp cũng
thay đổi.
16
Khảo sát và kiểm nghiệm HT lái ô tô LAND CRUISER 200
Sự thay đổi khe hở ăn khớp từ vị trí giữa đến vị trí biên được thực hiện bằng
cách dịch chuyển trục quay O
2
của đòn quay đứng ra khỏi tâm mặt trụ chia của trục vít
O
1
một lượng x =2,5-5 mm.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái trục vít - con lăn được xác định theo công thức sau:
0
0
01
0
1
2
0
- Tỷ số truyền giửa bánh răng cắt và trục vít.
Theo công thức trên ta thấy i
ω
thay đổi theo góc quay trục vít. Tuy vậy sự thay
đổi này không lớn khoảng từ 5-7% (từ vị trí giữa ra vị trí biên). Nên có thể coi như i
ω
= const.
3.3.4.3. Trục vít - chốt quay
Trên hình 3-8 là kết cấu của cơ cấu lái trục vít - chốt quay.
Ưu điểm: có thể thiết kế với tỷ số truyền thay đổi, theo quy luật bất kỳ nhờ cách
chế tạo bước răng trục vít khác nhau.
Nếu bước răng trục vít không đổi thì tỷ số truyền được xác định theo công thức:
i
ω
=
t
R
π
2
.cosϕ (3 - 6)
Ở đây :
ϕ - Góc quay của đòn quay đứng;
R
2
- Bán kính đòn dặt chốt.
Hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch của cơ cấu loại này vào khoảng 0,7. Cơ cấu
lái này dùng nhiều ở hệ thống lái không có cường hoá và chủ yếu trên các ôtô tải và
khách. Tuy vậy do chế tạo phức tạp và tuổi thọ không cao nên hiện nay ít sử dụng.
17
Trên hình 3-11 là kết cấu cơ cấu loại trục vít - êcu bi - thanh răng cung răng.
Êcu (5) lắp lên trục vít (6) qua các viên bi nằm theo rảnh ren của trục vít cho phép thay
đổi ma sát trượt thành ma sát lăn. Phần dưới của êcu bi có cắt các răng tạo thành thanh
răng ăn khớp với cung răng trên trục (4).
19
Khảo sát và kiểm nghiệm HT lái ô tô LAND CRUISER 200
Hình 3-11 Cơ cấu lái liên hợp trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng
1- Trục cung răng; 2- Vít điều chỉnh; 3- Đệm tỳ; 4- Ống dẫn hướng bi;
5- Êcu ; 6- Trục vít.
Tỷ số truyền động học của cơ cấu lái loại này không đổi và xác định theo công
thức :
i
ω
=
t
R
2
2
π
(3- 7)
Ở đây: R
2
- Là bán kính chia cung răng;
t - Bước răng trục vít.
+ Ưu điểm:
- Hiệu suất cao: hiệu suất thuận
t
η
= 0,7 - 0,85, hiệu suất nghịch
ϕ
- là các góc quay của vô lăng,
vl
ϕ
phải đảm bảo cho góc quay cần
thiết của vô lăng để quay các bánh dẫn hướng từ vị trí trung gian đến các vị trí biên
không lớn hơn 1,8 vòng (tương ứng với 640
0
),
vl
ϕ
= 1,8 vòng;
bx
ϕ
- là góc quay của bánh xe dẫn hướng,
bx
ϕ
= 40
0
.
+ Tỷ số truyền của cơ cấu lái:
Gọi i
c
là tỷ số truyền của cơ cấu lái thống lái. Xác định i
c
theo công thức:
5,16
98,0
2,16
===
vl
dq
v
r
F
(3-9)
Trong đó:
M
r
(M
dq
) - Mômen trên trục ra (hay trên đòn quay đứng);
M
v
(M
vl
) - Mômen trên trục vào (hay trên vô lăng).
+ Hiệu suất:
- Hiệu suất thuận (
th
η
): tính theo chiều truyền lực từ trên trục lái xuống.
- Hiệu suất nghịch (
ng
η
): tính theo chiều truyền lực từ bánh xe lên.
- Với cơ cấu bánh răng-thanh răng ta có:
th
η
Khảo sát và kiểm nghiệm HT lái ô tô LAND CRUISER 200
- Giảm tải theo phương thẳng đứng: Nếu góc doãng bằng không tải trọng tác
dụng lên trục sẽ đặt vào giao điểm giữa đường tâm lốp và trục (F’ trên hình 3-14). Nó
dễ làm trục hay cam quay bị cong. Việc đặt góc doãng dương sẽ làm tải tác dụng vào
phía trong của trục, ký hiệu F, giảm lực tác dụng lên trục và cam quay.
- Ngăn ngừa sự tụt bánh xe: Phản lực F có độ lớn bằng tải trọng xe, tác dụng lên
bánh xe theo phương vuông góc với mặt đường. F được phân tích thành F
1
vuông góc
với đường tâm trục và F
2
song song với đường tâm trục. Lực F
2
đẩy bánh xe vào trong
ngăn cản bánh xe tụt khỏi trục. Vì vậy ổ bi trong làm lớn hơn ổ bi ngoài để chịu tải
trọng này.
- Ngăn cản góc doãng âm ngoài ý muốn do tải trọng gây ra: khi chất đầy tải lên
xe, phía trên các bánh xe có xu hướng nghiêng vào trong do sự biến dạng của chi tiết
của hệ thống treo và các bạc tương ứng. Góc doãng dương giúp chống lại hiện tượng
này.
- Giảm lực đánh tay lái: Khi bánh xe quay sang phải hay trái quanh trục quay
đứng với khoảng lệch là bán kính. Khoảng lệch lớn sẽ sinh ra mômen lớn quanh trục
quay đứng do sự cản lăn của lốp, vì vậy làm tăng lực đánh tay lái. Do đó khi khoảng
cách này nhỏ thì giảm lực đánh tay lái.
Hình 3-14 Tác dụng của góc doãng dương
+ Tác dụng của góc doãng âm:
- Khi tải thẳng đứng tác dụng lên lốp có đặt góc doãng, lốp có xu hướng lún
xuống. Tuy nhiên do bị chặn bởi mặt đường nên gai lốp sẽ bị biến dạng. lúc đó tính
đàn hồi của lốp sẽ chống lại sự biến dạng này và vì vậy tác dụng lên mặt đường theo
3.3.7.3. Góc nghiêng ngang của trụ xoay đứng
Là góc đo giữa trục xoay và đường thẳng góc với mặt đường khi ta nhìn từ đầu
xe.
+ Tác dụng góc nghiêng ngang của trụ xoay đứng:
- Góc nghiêng ngang của trụ xoay đứng có tác dụng làm giảm mômen cản quay
vòng, tức là giảm khoảng cách từ tâm trụ xoay đứng đến điểm tiếp xúc của bánh xe
với mặt đường.
- Ô tô có khả năng tự ổn định trở về vị trạng thái chuyển động thẳng.
- Khi ô tô quay vòng với góc quay vành tay lái lớn (bán kính quay vòng càng
nhỏ), lực tác động lên vành tay lái càng lớn, tức tạo điều kiện cảm nhận được mức độ
quay vòng của ô tô trên vành tay lái và khả năng trả về chuyển động thẳng càng lớn.
Hình 3-18 Góc nghiêng ngang của chốt chuyển hướng
3.3.7.4. Độ chụm đầu
Khi phía trước của hai bánh xe gần nhau hơn phía sau của hai bánh xe khi nhìn
từ trên xuống thì gọi là độ chụm đầu (sự bố trí ngược lại gọi là độ mở). Độ chụm được
25
Copyright: Tài liệu đại học ©