Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
MỞ ĐẦU
Hệ thống lái là một hệ thống quan trọng đảm bảo tính năng dẫn hướng khi xe chuyển
động trên đường, giúp người vận hành điều khiển xe theo ý muốn. Vì vậy để thuận
tiện cho người vận hành thực hiện các thao tác đó, đòi hỏi hệ thống lái trên ôtô phải
đảm bảo tính năng an toàn cao. Việc quay vòng hay chuyển hướng của ôtô khi gặp các
chướng ngại vật trên đường đòi hỏi hệ thống lái làm việc thật chuẩn xác.
Chất lượng của hệ thống lái phụ thuộc rất nhiều vào công tác bảo dưỡng sửa
chữa. Muốn làm tốt việc đó thì người cán bộ kỹ thuật cần phải nắm vững kết cấu và
nguyên lí làm việc của các bộ phận của hệ thống lái.
Đề tài: Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái ôtô Hyundai Elantra
2010 mong muốn đáp ứng một phần nào mục đích đó. Nội dung của đề tài đề cập đến
các vấn đề sau:
- Khảo sát hệ thống lái.
+ Các chi tiết và bộ phận chính của hệ thống lái.
+ Liên hệ giữa hệ thống lái và hệ thống treo.
- Tính toán nghiệm
+ Xác định mômen cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng.
+ Xác định lực cần thiết tác dụng lên vô lăng.
+ Tính toán kiểm nghiệm bền dẫn động lái.
+ Tính toán kiểm tra hình thang lái
- Chẩn đoán, 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
Hyundai Elantra
+ Bánh răng - Thanh răng;
+ Thanh răng liên hợp (Trục vít - Liên hợp êcu bi - Thanh răng - Cung răng).
- Theo số lượng bánh xe chuyển hướng, chia ra:
+ Các bánh xe dẫn hướng nằm ở cả hai cầu;
+ Các bánh xe dẫn hướng ở tất cả các cầu;
- Theo kết cấu và nguyên lí làm việc của bộ trợ lực lái, chia ra:
2
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
+ Loại trợ lực thủy thuỷ lực.
+ Loại trợ lực khí (khi nén hoặc chân không).
+ Loại trợ lực điện.
+ Loại trợ lực 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.
1.1.1.3. 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 (giữa) tương ứng với chuyển động thẳng
phải nhỏ (không lớn hơn 15 độ khi có trợ lực và không lớn hơn 5 độ 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.
tạo và truyền mô men quay do người lái tác dụng lên trục lái. Các nan hoa có thể bố trí
đối xứng hoặc không, đều hay không đều tuỳ theo sự thuận tiện khi lái.
Bán kính vô lăng được chọn phụ thuộc vào loại xe và cách bố trí chổ ngồi của người
lái, dao động từ 190 mm (đối với xe du lịch cở nhỏ) đến 275 mm (đối với xe tải và xe
khách cở lớn ).
1.2.3.2.Trục lái
Trục lái là một đòn dài có thể đặc hoặc rỗng, có nhiệm vụ truyền mô men từ vô
lăng xuống cơ cấu lái. Độ nghiêng của trục lái sẽ quyết định góc nghiêng của vô lăng,
nghĩa là ảnh hưởng đến sự thoải mái của người lái khi điều khiển.
1.2.3.3. Cơ cấu lái
Cơ cấu lái thực chất là một hộp giảm tốc, có nhiệm vụ biến chuyển động quay
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.
- Các thông số đánh giá cơ bản
+ Tỷ số truyền động học
Hình 1-3: Các quy luật đặc trưng cho sự thay đổi tỷ số truyền động học [7].
5
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
Tỷ số truyền động học:
n
v
d
d
i
ω
ω
ω
ω
ϕ
ω
thay đổi thường được dùng trong hệ thống lái không
có cường hoá. Mặc dù kết cấu không phức tạp nhưng tính công nghệ kém hơn nên đắt
hơn so với loại cơ cấu lái có i
ω
không đổi.
Qui luật thay đổ i
ω
có một số dạng khác nhau tuỳ thuộc vào loại, kích cỡ và tính
năng của xe. Đối với các xe thông thường: Qui luật thay đổi i
ω
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.
M
v
- Mô men vào cơ cấu lái (hay trên vô lăng).
c- Hiệu suất
Hiệu suất của cơ cấu lái có thể xác định theo công thức sau:
t
η
=
v
r
M
M
v
r
ω
ω
=
ω
i
i
F
(1-3)
Ở đây:
M
r
, M
v
- Các mô men đo ở đầu ra và đầu vào của cơ cấu lái;
r
ω
Do lúc này cường hoá vừa đảm bảo lái nhẹ vừa dập tắc những va đập truyền từ bánh
xe lên vô lăng.
d- Khe hở trong cơ cấu lái
Khe hở trong cơ cấu lái cần phải nhỏ ở vị trí trung gian của vô lăng ứng với
chuyển động thẳng của xe. Ở vị trí này, bề mặt làm việc các chi tiết của cơ cấu lái làm
việc nhiều nên cường độ mài mòn lớn và khe hở tang nhanh hơn ở các vị trí khác. Do
vậy, để khi điều chỉnh khe hở không xảy ra kẹt ở các vị trí biên, khe hở ở các vị trí này
được làm tăng lên bằng các biện pháp kết cấu và công nghệ. Trong quá trình sử dụng,
chênh lệch giá trị khe hở sẽ giảm dần.
1
2
3
0
ϕ
Hình 1-4: Sự thay đổi khe hở trong cơ cấu lái [7].
1- cơ cấu lái còn mới; 2- cơ cấu lái đả sử dụng;
3- Sau khi đã điều chỉnh khe hở trung gian.
1.2.3.4. Các loại cơ cấu lái thông dụng
a 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 1-5) hoặc đặt ở phía bên cạnh (hình 1-6). 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,
=
1
0
.
2
Ζt
R
π
(1- 4)
Ở đây:
9
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
R
0
- Bán kính vòng lăn của cung răng;
t - Bước trục vít;
Z
1
- Số mối ren trục vít.
Góc nâng của đường ren vít thường từ 80 ÷ 120. Khe hở ăn khớp khi quay đòn
quay đứng từ vị trí trung gian đến các vị trí biên, thay đổi từ 0,03 ÷ 0,5 mm . Sự thay
đổi khe hở được đảm bảo nhờ mặt sinh trục vít và vòng tròn cơ sở của cung răng có
bán kính khác.
b Loại trục vít - con lăn
x
0
0
1
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
10
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
quay của đòn quay đứng thì khoảng cách A sẽ thay đổi. Do đó khe hở ăn khớp cũng
thay đổi.
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
2
R
R
i
R
R
tZ
R
tZ
3
1
2
Hình 1-8: Cơ cấu lái trục vít - chốt quay[7].
1- chốt quay; 2- Trục vít; 3- Đòn quay.
11
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
Trên hình 1-8 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 (1 - 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.
d Loại bánh răng - thanh răng
D
- Tăng va đập từ mặt đường lên vô lăng.
e Loại liên hợp trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng
Trên hình 1-11 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).
13
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
B-B
Chi?u theo E
31
2
4
5
6
7 8
21
10
11
12
9
B
B
18
19 21
20
22
(1- 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
n
η
= 0,85.
Do hiệu suất nghịch lớn nên khi lái trên đường xấu sẽ vất vả nhưng ôtô có tính
ổn định về hướng cao khi chuyển động thẳng.
- Khi sử dụng với cường hoá thì nhựơc điểm hiệu suất nghịch lớn không quan
trọng.
- Có độ bền cao vì vậy thường được sử dụng trên các xe cở lớn.
1.2.3.5. Dẫn động lái
Bao gồm tất cả các chi tiết làm nhiệm vụ truyền lực từ cơ cấu lái đến các bánh
xe dẫn hướng và đảm bảo cho các bánh xe có động học quay vòng đúng.
a- Các thông số cơ bản:
+ Tỷ số truyền động học:
Gọi i là tỷ số truyền động học của hệ thống lái. Xác định i theo công thức:
dd
2
( )
d
i
d tr d ph
dq
- Mômen trên đòn quay đứng
Tỷ số truyền của dẫn động lái nói chung thay đổi, do sự thay đổi cánh tay đòn
của các thanh đòn. Ngoài ra do sự bất đối xứng của dẫn động, tỷ số truyền còn có thể
khác nhau khi xe quay trái hoặc phải.
15
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
+ Hiệu suất:
dd
η
=
w
F
i
i
(1-10)
Hiệu suất của hệ thống lái
η
=
dd
. 0,7 0,85
cc
η η
=
b- Hình thang lái
Là bộ phận quan trọng nhất của dẫn động lái. Hình thang lái có nhiệm vụ đảm
bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng. Mục đích làm cho các bánh
xe khỏi trượt lê khi quay vòng, dẫn đến giảm sự mài mòn lốp, giảm tổn hao công suất
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 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.
+ 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
hướng A. Kết quả là đường sinh ra phản lực B gọi là lực camber. Lực camber tăng
cùng với sự tăng góc nghiêng với mặt đường cũng như khi tăng tải.
Khi quay vòng lực ở bánh xe phía ngoài có tác dụng giảm lực quay vòng do
tăng góc doãng dương. Lực ly tâm làm nghiêng xe đang chạy vòng do tác động của
các lò xo của hệ thống treo, dẫn đến thay đổi góc doãng. Ở một số xe đã tạo một chút
góc doãng âm do xe khi chuyển động thẳng do đó sẽ giảm được góc doãng dương khi
quay vòng, giảm lực camber và đạt lực quay vòng tối ưu.
Góc doãng cũng có thể bằng không. Lý do chính để đặt góc doãng bằng không
là để ngăn cản sự mòn không đều của lốp. Cả góc doãng dương hay âm đều làm mòn
lốp nhanh. Điều này dễ hiểu khi lốp đặt nghiêng trên đường, tải trọng sẽ tập trung một
bên lốp.
17
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
Trên các xe ô tô tải trọng lớn, xe du lịch cao cấp và các xe khách hiện đại
thường có trang bị cường hoá lái để:
18
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
+ Giảm nhẹ lao động cho người lái
+ Tăng an toàn cho chuyển động.
Khi xe đang chạy một tốc độ lớn mà một bên lốp bị thủng, cường hoá lái đảm
bảo cho người lái đủ sức điều khiển, giữ được ô tô trên đường mà không bị lao sang
một bên.
Sử dụng cường hoá lái có nhược điểm là lốp mòn nhanh hơn (do lạm dụng
cường hoá để quay vòng tại chỗ), kết cấu hệ thống lái phức tạp hơn và tăng khối lượng
công việc bảo dưỡng.
b- Phân loại
Theo nguồn năng lượng:
+ Cường hoá thuỷ lực;
+ Cường hoá khí (khí nén hoặc chân không);
+ Cường hoá điện;
+ Cường hoá cơ khí;
Cường hoá thuỷ lực được dùng phổ biến nhất vì có kết cấu nhỏ gọn và làm việc
khá tin cậy.
Theo sơ đồ bố trí phân ra làm 4 dạng:
+ Cơ cấu lái, bộ phận phân phối, xylanh lực được bố trí chung thành một cụm;
+ Cơ cấu lái bố trí riêng, bộ phận phân phối và xi lanh lực bố trí chung;
+ Cơ cấu lái, bộ phận phân phối, xy lanh lực bố trí riêng;
+ Xy lanh lực bố trí riêng, bộ phận phân phối và cơ cấu lái bố trí chung.
c Yêu cầu
Cường hoá lái phải đảm bảo các yêu cầu chính sau:
+ Khi cường hoá lái hỏng thì hệ thống lái vẫn làm việc bình thường cho dù lái
nặng hơn.
c
- lực tác dụng lên vành tay lái khi đã có cường hoá trong những điều kiện
quay vòng như trên;
ch
p
- Lực do bộ cường hoá đảm nhận qui về vành tay lái.
b Chỉ số phản lực của cường hoá lên vành tay lái:
ρ =
cq
c
dM
dP
(1-12)
Ở đây: dP
c
- số gia lực tác dụng lên vành tay lái đã có trợ lực;
dM
c
– mô men cản quay vòng của các bánh dẫn hướng.
Chỉ số này đặt trưng cho khả năng đảm bảo cảm giác đường của cường hóa.
Đối với cường hóa hiện nay ρ = 0,02- 0,05 [N/Nm].
c Độ nhạy:
Độ nhạy của cường hóa đặt trưng bằng giá trị lực tác dụng lên vành tay lái và
góc quay của vành tay lái cần thiết để đưa cường hóa vào làm việc.
1.2.4.3. Thành phần cấu tạo và sờ đồ bố trí
Bất kỳ cường hoá lái nào cũng có ba bộ phận sau:
- Nguồn lăng lượng:Nguồn năng lượng để cung cấp năng lượng cho cường hóa
có thể là bơm dầu, máy nén + bình chứa hoặc ắc quy.
- Bộ phận phân phối: dùng để phân phối đều chỉnh năng lượng cung cấp cho bộ
phận chấp hành. Đảm bảo sự tỷ lệ giữa các góc quay của vô lăng và góc quay bánh xe
các chi tiết hệ thống lái.
+ Nhược điểm: kết cấu kém cứng vững hơn, chiều dài các đường ống lớn, dẫn
đến tăng khả năng dao động các bánh xe dẫn hướng.
-Theo sơ đồ hình 1-16.
+ Ưu điểm: Kết cấu gọn hơn, vững chắt hơn, chiều dài các đường ống nối ngắn,
giảm hiện tượng dao động của bánh xe dẫn hướng.
22
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
+ Nhược điểm: tất cả các chi tiết của hệ thống lái điều chịu tải lớn, là tổng lực
do người lái và cơ cấu chấp hành tác dụng. Vì vậy trên các xe tải trọng lớn người ta
không dùng sơ đồ bố trí này.
1.3. GIỚI THIỆU XE HYUNDAI ELANTRA 2010
1.3.1. Sơ đồ và thông số kỹ thuật
1480
4505
1775
2650
Hình 1-17: Sơ đồ tổng thể xe Hyundai Elantra.
23
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe Hyundai Elantra 2010
1.3.2. Thông số kỹ thuật xe Hyundai Elantra 2010
Bảng 1-1: Thông số kỷ thuật của xe Hyundai Elantra [9]
STT Tên gọi Ký Hiệu Đơn Vị Thông Số
1 Loại xe SEDAN - -
2 Chiều dài tổng thể L mm 4505
3 Chiều rộng tổng thể B mm 1775
4 Chiều cao tổng thể H mm 1480
5 Chiều dài cơ sở L
7
8
9
9
Hình 1-18: Động cơ dùng trên xe Hyundai Elantra.
1-Xupap; 2-Con độ thủy lực; 3-Cò mổ; 4-Cam; 5-Vòi phun; 6-Môtơ bước
7-Que thăm dầu; 8-Ống nạp
Xe Hyundai elantra 2010 sử dụng động cơ xăng của hãng Hyundai . Động cơ
sử dụng hệ thống phân phối khí DOHC, gồm 16 xu páp. DOHC (Double Overhead
Camshaft) chỉ loại động cơ sử dụng 2 trục cam bố trí trên đỉnh mỗi xi-lanh. Phương án
bố trí 4 van cho mỗi xi-lanh tương đối dễ dàng. Động cơ có thể đạt tốc độ vòng quay
lớn. Đồng thời cho phép đặt xu-páp ở các vị trí tối ưu tăng khả năng vận hành. Tuy
nhiên nhược điểm là trong lượng hệ thống phân phối khí tăng, kết cấu phức tạp, tốn
nhiều công suất quay trục cam và giá thành cao.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©