Lời nói đầu
Ngành giao thông vận tải nói chung và ô tô nói riêng đóng vai trò
hết sức quan trọng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân nh
trong- Giao thông vận tải, Công nghiệp, Nông nghiệp, Lâm nghiệp, Xây
dựng, Thuỷ lợi, Quốc phòng.v.v Ngành ô tô chiếm vị trí rất quan trọng
đối với sự hoạt động chung và sự phát triển của các ngành khác, đồng
thời giải quyết phần lớn nhu cầu đi lại trong xã hội cũng nh chuyên chở
hàng hoá.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cùng với sự phát
triển của lu thông hàng hoá trong cơ chế thị trờng và nhu cầu đi lại của
con ngời ngày càng tăng, điều đó yêu cầu phải nâng cao chất lợng vận
tải, chất lợng phục vụ ngày càng hiện đại hơn, độ an toàn chuyển động
của ô tô cũng phải cao hơn.
Xuất phát từ những yêu cầu trên trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp
này em đợc giao đề tài: "Thiết kế cải tiến hệ thống lái cho xe tải IFA-
W50" nhằm mục đích giảm cờng độ cho ngời lái, làm tăng thêm tính cơ
động và độ an toàn chuyển động của xe.
Đặc điểm kỹ thuật của xe IFA - W50
Xe IFA -W50 do nớc Cộng hoà dân chủ Đức chế tạo năm 1969, là
loại xe tải thùng vạn năng. Trên xe lắp đặt động cơ tổng thành kiểu 4VD
14,5/12ISRW.
Các thông số tính năng cơ bản của xe IFA-W50
STT Thông số Trị số Đơn vị
1 Tự trọng 5.200 KG
2 Tải trọng 5.000 KG
3 Trọng lợng toàn bộ xe 10.200 KG
- Phân bố trọng lợng lên cầu
Toàn tải: - Cầu trớc 3.400 KG
- Cầu sau 6.800 KG
4 Vận tốc lớn nhất khi toàn tải 90 Km/h
5 Tiêu hao nhiên liệu trên đờng tốt (l/100km) 17 lít

1
- Tỷ số truyền số lùi: i
hlùi
6,38
11 Chiều dài toàn bộ xe 6.480 mm
12 Chiều dài cơ sở: L
0
3.200 mm
13 Chiều cao xe 2.600 mm
14 Chiều rộng xe 2.500 mm
- Chiều rộng cơ sở: B 1.760 mm
- Khoảng cách giữa 2 tâm trụ quay đứng 1.500 mm
15 Chiều dài đòn bên 200 mm
16 Chiều dài đòn kéo ngang 1.376 mm
17 Chiều dài đòn kéo dọc (L
d
) 780 mm
18 Chiều dài đòn quay ngang 220 mm
19 Chiều dài đòn quay đứng 210 mm
20 Bán kính vành tay lái 250 mm
21 Ký hiệu lốp 9,00-20 in
2
Chơng I
Tổng quan về hệ thống lái
1. Công dụng - yêu cầu - phân loại
1.1. Công dụng
Hệ thống lái của ô tô dùng để thay đổi hớng chuyển động học giữ
cho ô tô chuyển động theo một hớng nhất định nào đấy, thông qua các bộ
phận dẫn động của hệ thống lái.
1.2. Yêu cầu

- Loại cờng hoá bằng khí nén
- Loại cờng hoá bằng điện
2. Đặc điểm kết cấu một số cơ cấu lái
2.1. Cơ cấu lái loại trục vít êcubi - thanh răng - cung răng
- Ưu điểm của loại này là: Trục vít ăn khớp với êcu, thông qua các
viên bi, do vậy giảm nhiều lực ma sát song không cho phép điều chỉnh để
tránh mòn. Cần phải sử dụng vật liệu có độ bền mòn cao và nhiệt luyện
tốt. Đai ốc đồng thời là thanh răng ăn khớp với cung răng, do đó răng
trên thanh răng có độ rộng thay đổi để có thể điều chỉnh khi bị mòn.
Tỷ số truyền không đổi và đợc tính nh sau:
i
ccl
=
t
r.2
0

Trong đó: t - Bớc răng của trục vít
r
0
- Bán kính vòng tròn cơ sở của cung răng
i
c
- Tỷ số truyền cơ cấu lái
Hiệu suất của cơ cấu lái tơng đối cao (0,75 ữ 0,85) cơ cấu lái loại
này nhỏ gọn cho phép có tỷ số truyền lớn. Rất thuận tiện cho việc kết
hợp với hệ thống trợ lực thuỷ lực.
- Nhợc điểm: là cơ cấu lái phức tạp, nhiều chi tiết, giá thành cao.
4


- Số đờng ren của trục vít
5
Tỷ số truyền của cơ cấu lái i
c
sẽ tăng lên từ vị trí giữa đến vị trí rìa
khoảng (5 ữ 7%) nhng sự tăng này không đáng kể, có thể bỏ qua và coi
nh tỷ số truyền không đổi.
Hiệu suất thuận
th
= 0,65 và hiệu suất nghịch
ng
= 0,5. Cơ cấu lái
này đợc dùng rộng rãi trên các ô tô các cỡ khác nhau nh: Pô-đê-đa, ZIM,
ZIC 110, GAZ 51, GAZ - 53, ZIL 150
2.3. Cơ cấu lái trục vít chốt quay
Loại này có u điểm là: Có thể có tỷ số truyền thay đổi theo quy
luật nào đấy.
Nếu bớc của trục vít là t không đổi thì tỉ số truyền đợc xác định
theo công thức:
i
c
=
.t
r.2
2

. cos
Trong đó: - góc quay của đòn quay đứng
r
2

Trong đó: r
0
- Bán kính ban đầu của cung răng
t - Bớc của trục vít
Hiệu suất thuận khoảng 0,7, hiệu suất nghịch khoảng 0,85. Do hiệu
suất nghịch của cơ cấu lái loại liên hợp lớn cho nên khi lái trên đờng mấp
mô sẽ nặng nhọc, nhng nó có khả năng làm cho ô tô chạy ổn định ở hớng
thẳng nếu vì một nguyên nhân nào đấy làm bánh xe quay vòng khỏi vị trí
trung gian.
Cơ cấu lái loại liên hợp có đặc điểm nổi bật là có khả năng làm
việc dự trữ rất lớn. Vì vậy nó đợc dùng trên ô tô cỡ lớn nh KPA - 255,
MA - 500, EAZ - 540, trên ô tô - 130, - 131.
7
Hình 1.3
Cơ cấu lái trục vít chốt quay
Hình 1.4
Cơ cấu lái loại liên hợp
3. Dẫn động lái
Dẫn động lái bao gồm tất cả các chi tiết của hệ thống lái. Dẫn
động lái gồm hệ thống các đòn để truyền lực từ cơ cấu lái đến cam quay
bánh xe, đồng thời đảm bảo cho các bánh xe của ô tô quay vòng với
động học đúng.
Bộ phận quan trọng của dẫn động lái là hình thang lái. Hình thang
lái làm nhiệm vụ đảm bảo động học cho các bánh xe dẫn hớng của ô tô,
với mục đích làm cho các lốp xe khỏi bị trợt lê khi lái, do đó hạn chế đợc
hao mòn lốp. Ngoài ra kết cấu của hình thang lái còn phải phù hợp với
bộ phận dẫn hớng của hệ thống treo, để khi bánh xe dao động thẳng
đứng thì không ảnh hởng tới động học của dẫn động lái.
3.1. Dẫn động lái cho dầm cầu cứng (ô tô có hệ thống treo phụ
thuộc)

bố trí cùng cơ cấu lái trên khung xe.
Các cơ cấu dẫn động lái đều có đòn ngang nhằm làm nhiệm vụ dẫn
động lái, đồng thời làm cơ cấu điều chỉnh độ chụm của bánh xe dẫn h-
ớng.
9
Hình 1.7. Dẫn động lái cho hệ thống treo độc lập
với cơ cấu lái có chuyển động tịnh tiến
4. Trợ lực lái
Khi điều khiển ô tô nhất là với xe có tải trọng lớn và có nhiều cầu
thì cần phải có một lực lớn tác dụng lên vành tay lái. Trong những trờng
hợp ô tô hoạt động ở địa hình xấu, khi áp suất khí trong lốp không đủ
hoặc xe bị h hỏng, thì việc điều khiển ô tô càng trở nên khó khăn và nặng
nề hơn. Song nếu trong điều kiện đó có bố trí trợ lực lái thì việc điều
khiển ô tô sẽ nhẹ nhàng hơn, dễ dàng hơn và đặc biệt là làm tăng độ an
toàn khi chuyển động. Ngày nay trợ lực lái đợc sử dụng ngày càng rộng
rãi trên các loại xe tải, xe du lịch, xe ca
4.1. Tác dụng của trợ lực lái
- Làm giảm các va đập do đờng không bằng phẳng và đồng thời
tránh va đập lên vành tay lái.
- Rút ngắn thời gian quay vòng, giảm nhẹ lao động của ngời lái.
- Trợ lực lái có tác dụng cao đặc biệt là tính chất tuỳ động (chép
hình) kích thớc và khối lợng nhỏ gọn, tốc độ tác động cao, đóng vai trò
nh là một bộ giảm chấn để giảm va đập từ mặt đờng tác động vào hệ
thống lái.
- Cho phép giữ đợc hớng chuyển động xác định của xe trong trờng
hợp bị vỡ lốp.
* Khi thiết kế bộ trợ lực lái phải thoả mãn yêu cầu sau:
- Nếu hỏng bộ trợ lực thì hệ thống lái vẫn làm việc đợc.
- Bộ trợ lực chỉ làm việc ở một giá trị mômen cản quay vòng nhất
định (tức là không bắt đầu từ 0) để tránh tự trợ lực.

khiển
Đối t ợng
điều khiển
Liên hệ phản hồi
Chơng II
Kiểm nghiệm hệ thống lái xe IFA - W50
1. Hệ thống lái xe IFA - W50
Để tính toán thiết kế cải tiến hệ thống lái cho xe IFA - W50, trớc
tiên ta tìm hiểu hệ thống lái của xe IFA - W50.
Hình 2.1 Sơ dồ hệ thống lái của xe IFA - W50
1. Vành tay lái
2. Trục tay lái
3. Cơ cấu lái
4. Đòn quay đứng
5. Đòn kéo dọc
6. Đòn quay ngang
7. Đòn kéo ngang
8. Đòn bên
9. Dầm cầu trớc
10. Bánh xe dẫn hớng
12
1.1. Đặc điểm
Hệ thống lái lắp trên xe IFA - W50 là hệ thống lái cơ khí, không
có cờng hoá lái. Cơ cấu lái loại trục vít - con lăn 3 răng, tỉ số truyền
i
c
=23,4.
Dẫn động lái gồm: Đòn quay đứng, đòn kéo dọc, đòn quay
ngang.
Hình thang lái gồm có: Dầm cầu trớc, đòn kéo ngang và đòn bên,

Nhiệm vụ của việc tính động học hình thang lái là xác định
những thông số tối u của hình thanh lái. Sự chuyển động của ô tô là quá
trình kết hợp hài hoà giữa bánh xe dẫn hớng với những góc quay khác
nhau. Để nhận đợc sự lăn tinh của các bánh xe dẫn hớng khi quay vòng,
các bánh xe dẫn hớng bên trái và bên phải khi quay vòng lăn trên vòng
13
tròn đồng tâm. Do đó cơ cấu hình thang lái sẽ giải quyết tốt những yêu
cầu trên.
2.1. Quan hệ lý thuyết của góc quay bánh xe trong và ngoài
Nh ta đã biết từ lý thuyết quay vòng đã chứng minh rằng muốn
các bánh xe ô tô quay vòng đúng thì quan hệ giữa chúng phải thoả mãn
điều kiện sau:
cotg - cotg =
L
B
0
(2.1)
Trong đó: - Góc quay bánh xe dẫn hớng bên ngoài
- Góc quay bánh xe dẫn hớng bên trong
B
0
-Khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng,
B
0
=1.500mm
L - Chiều dài cơ sở, L = 3.200mm
Cho từ 0
o
ữ 40
o

(2.2)
Từ đó ta lập đợc bảng đặc tính lý thuyết sau:
(độ)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
(độ)
0 4,804 9,251 13,391 17,273 20,941 24,436 27,797 31,06
2.2. Xây dựng đờng đặc tính thực tế và tính toán hình thang lái
Xe tải IFA - W50 có cấu tạo hình thang lái là cơ cấu 4 khâu hay
còn gọi là hình thang lái kiểu Đan - tô.
Hình 2.3 Sơ đồ hình thang lái
Thông qua hình thang lái, từ mối quan hệ hình học chúng ta rút ra
đợc về mối quan hệ giữa các góc quay của bánh xe dẫn hớng bên ngoài
và bên trong, đợc xác định theo công thức:
= + arctg









++
++






B
0
- Khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng
* Các bớc tiến hành xây dựng đờng đặc tính thực tế
15
L
B
m
n


Chọn sơ bộ chiều dài đòn bên hình thang lái: m = 200mm, m th-
ờng chọn theo kinh nghiệm: m = (0,11 ữ 0,16)B
0
với m = 0,135B
0
. Nh
vậy là thoả mãn điều kiện trên.
Tính sơ bộ theo công thức:
cotg (90
o
- ) =
0
0
L.X.2
B
(2.4)
với X = 0,7
= 90
o


t
(độ)
0 4,8597 9,445 13,764 17,811 21,5732 25,0328 28,1633 30,9336
(
lt
-
t
)
0 - 0,0557 - 0,23 - 0,373 - 0,538 - 0,6312 - 0,5968 - 0,3663 0,1264
Bảng 2: ứng với
2
= 18
o
(độ)
0 5 10 15 20 25 30 35 40

lt
(độ)
0 4,804 9,251 13,391 17,273 20,942 24,436 27,797 31,06

t
(độ)
0 4,8495 9,4092 13,686 17,677 21,3702 24,7468 27,782 30,4454
(
lt
-
t
)
0 - 0,0455 - 0,1942 - 0,295 - 0,44 - 0,4282 - 0,3108 0,015 0,6146

0 4,804 9,251 13,391 17,273 20,942 24,436 27,797 31,06

t
(độ)
0 4,83046 9,3366 13,4352 17,407 20,9613 24,1735 27,021 29,475
(
lt
-
t
)
0 -0,02646
- 0,0856 - 0,0442 - 0,137 - 0,0193 0,2625 0,776 1,585
Từ công thức (2.2) ta xác định đợc các thông số trong bảng đặc
tính lý thuyết, dựa vào trục toạ độ vuông góc và ta lập đợc đờng
cong biểu thị mối quan hệ = f () lý thuyết. Cho trớc các giá trị của
, chọn trớc m.
Từ biểu thức (2.3) ta xây dựng đợc một họ đờng cong =f(,,
m) cũng trên toạ độ vuông góc nói trên.
Hình 2.4. Đồ thị đặc tính động học hình thang lái
17
Từ bảng số liệu và đồ thị ta có nhận xét sau:
Ta thấy ứng với = 18
o
thì giá trị
t
gần sát với đờng đặc tính
quay vòng lý thuyết hơn. Vì với 35
o
thì sự sai lệch so với đờng đặc
tính lý thuyết là: = (

Vậy n = B
0
- 2m . sin
Trong đó: = 18
o
; B
0
= 1500mm; m = 200mm
Ta có: n = 1500 - 2.200.sin 18
o
= 1376,4mm
Vậy ta lấy chiều dài đòn kéo ngang hình thang lái: n = 1376mm.
3. kiểm nghiệm Động lực học
Việc tính toán động lực học là nhằm mục đích phân phối tỉ số
truyền của cơ cấu lái, làm tăng độ tin cậy cho ôtô khi tham gia giao
thông đồng thời làm phù hợp với tốc độ của ôtô.
3.1. Tính mô men cản quay vòng
Mômen cản quay vòng của bánh xe dẫn hớng đợc xác định khi ô
tô quay vòng trên đờng nhựa khô và đủ tải. Mô men cản quay vòng lớn
nhất khi xe chạy trên đờng xấu, mặt đờng nghiêng hoặc xe quay vòng
tại chỗ.
Mô men cản quay vòng đợc xác định theo công thức:
M
c
= (M
1
+ M
2
+ M
3

bx
. f . e (2.5)
Trong đó:
G
bx
- tải trọng thẳng đứng tác dụng lên 1 bánh xe dẫn
hớng
G
bx
=
2
3400
2
1
=
G
= 1.700KG
f- hệ số cản lăn, chọn f = 0,02
e- Cánh tay đòn lăn của bánh xe dẫn hớng,
e = 130mm = 0,13m
Vậy ta có: M
1
= 1.700 . 0,02 . 0,13 = 4,42 KGm
3.1.2. Xác định mô men cản M
2
do các lực ngang gây ra
Khi quay vòng sẽ xuất hiện lực ngang Y. Tổng hợp các lực thành
phần của lực ngang sẽ dịch chuyển về phía sau so với tâm vết tiếp xúc
một đoạn là x. Giá trị x thừa nhận bằng 1/4 chiều dài vết tiếp xúc.
Vậy ta có công thức sau:

0
=






+
2
d
B
Vậy ta có:
R
bx
= 0,93
4,25.
2
20
9






+
= 449mm = 0,449m
Thay các giá trị vào công thức (2.6) ta có:
X = 0,5 .

Y
Hình 2.6
Sơ đồ lực ngang tác dụng
lên bánh xe khi xe quay vòng.
- Góc nghiêng của trụ quay đứng trong mặt phẳng ngang của xe.
- Góc nghiêng của trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc của xe.
- Góc chụm của bánh xe dẫn hớng.
- Góc nghiêng của bánh xe dẫn hớng.
Tất cả các góc này để làm ổn định cho hệ thống lái nhng chúng làm
xuất hiện mômen cản M
3
. Trong tính toán giá trị mômen cản M
3
đợc kể
đến bởi hệ số .
Nh vậy, tổng mô men quay vòng của bánh xe dẫn hớng đợc xác
định bằng công thức:
M
c
=


).(2
21
MM +
(2.8)
Trong đó:
- hệ số tính đến ảnh hởng của M
3
do đầu trớc của ôtô bị nâng lên

i
- Tỷ số truyền của dẫn động lái
i
i
= i
cc
. i
d
Với : i
cc
- Tỷ số truyền cơ cấu lái, i
cc
= 23,4
i
d
- Tỷ số truyền của dẫn động lái
21
i
d
=
210
220
L
L
n
d
=
= 0,95
L
đ

VL
CVL
R
M
(2.10)
Với: R
VL
- Bán kính vành tay lái: R
VL
= 0,25m
M
CVL
= 15,13 KGm
Vậy ta có: P
VLmax
=
25,0
13,15
=
VL
CVL
R
M
= 60,52 KG
Nh vậy lực của ngời lái tác dụng lên vành tay lái để điều khiển xe
là rất lớn, sẽ gây mệt mỏi cho ngời lái. Vì vậy để khắc phục nhợc điểm
trên cần thiết phải cải tiến hệ thống lái cơ khí thành hệ thống lái có c-
ờng hoá. Nhằm mục đích để giảm sức lao động nặng nhọc cho ngời lái
xe, đồng thời tăng sức cơ động của ô tô đảm bảo an toàn khi chuyển
động.

- Lực tác dụng lên vành tay lái khi không có cờng hoá
P'
VL
- Lực để thắng cản ma sát và lực ép dầu tuần hoàn trong 2
khoang của xi lanh lực.
- Hệ số tăng tải của hệ thống lái khi cờng hoá không làm việc,
chọn = 1,05.
Khi đó ta có: P
*
VL
= 1,05 . 60,52 = 63,55 KG
Nh vậy, khi kiểm tra bền hệ thống lái ta lấy lực cực đại tác dụng
lên vành tay lái là P
VL
= 63, 55KG.
4.1. Kiểm bền cơ cấu lái
Cơ cấu lái xe IFA - W50 là cơ cấu lái loại trục vít - con lăn 2
răng, khi làm việc các răng của trục vít và con lăn tiếp xúc với nhau. Vì
vậy ta kiểm nghiệm bền cơ cấu lái theo:
- ứng suất chèn dập răng trục vít và răng con lăn.
- ứng suất uốn răng trục vít
4.1.1. Tính ứng suất chèn dập răng trục vít và con lăn
Hình 2.7 Sơ đồ tính diện tích tiếp xúc
của cơ cấu lái trục vít con lăn
ứng suất chèn dập răng trục vít đợc tính theo công thức:

chd
=
F
T

VL
= 250mm
r
1
- Bán kính vòng chia trục vít r
1
= 32,4mm
- Góc nâng của đờng ren trục vít r
1
= 32,4mm
= arctg(
1
1
q
Z
) (2.14)
Với:
Z
1
- Mối ren của của trục vít Z
1
= 1
q
1
- Hệ số đờng kính trục vít
q =
m
d
1
d

250.55,63
o
= 4904 KG
F - Diện tích tiếp xúc giữa trục vít với con lăn, coi nh tải trọng
tác dụng lên một đờng ren con lăn. Ta có công thức tính nh sau:
F = (
1
- sin
1
)r
1
2
+ (
2
- sin
2
)r
2
2
(2.14)
Trong đó:

1
- Góc của cung tiếp xúc giữa trục vít và con lăn.

1
= 70
o
= 1,22 rad


2
= 6,656cm
2
Thay số vào biểu thức (2.12) ta có:

chd
=
F
T
=
565,6
4904
= 746,99 KG/cm
2
Con lăn đợc chế tạo bằng thép 30XH3A, 20XH, 12 XNA. Trục
vít đợc chế tạo bằng thép 30X, 35XH có ứng suất chèn dập cho phép
là:
[
chd
] = 700 - 800 KG/cm
2
Nh vậy kết quả ta tính đợc:
chd
= 746,99 Kg/cm
2
< [
chd
]
Do đó trục vít và con lăn đủ bền.
4.1.2. Tính ứng suất uốn con lăn

2
= 52,8mm
Thay số vào công thức (2.16) ta có-
P
2
=
8,52
4,23.250.55,63.2
= 14082 KG
K
H
- Hệ số tải trọng
K
H
= K
H

. K
HV
(2.17)
Với :
K
H

- Hệ số phân bố tải trọng không đều trên chiều rộng vành
răng:
K
H