o BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI ĐA HƯỚNG Ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Phụ Thượng Lưu Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Trần Trung Kiên 1711251063 17DOTB2 Trần Lê Công 1711250690 17DOTB2 Nguyễn Trọng Hiếu 1711250711 17DOTB2 TP Hồ Chí Minh, 09 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG L.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, hầu hết các vụ tai nạn giao thông liên quan đến ô tô trên thế giới đều xuất phát từ hệ thống lái, chủ yếu do hiện tượng thừa lái và thiếu lái Để giảm thiểu tình trạng này, các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển hệ thống lái bốn bánh (4WS), cho phép cả bốn bánh hỗ trợ lái thay vì chỉ hai bánh như thông thường Mặc dù nghiên cứu về hệ thống này chỉ mới bắt đầu trong hơn 10 năm qua và còn nhiều vấn đề cần giải quyết, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc nắm bắt công nghệ lái tiên tiến trong tương lai Tại Việt Nam, chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào về hệ thống lái bốn bánh, vì vậy đây là một nghiên cứu mới nhằm làm rõ cơ sở lý luận và thực tiễn của công nghệ này Nhóm chúng tôi đã tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái bốn bánh, từ đó chế tạo mô hình mô phỏng phục vụ cho đồ án tốt nghiệp của mình.
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu về hệ thống lái trợ lực thủy lực trên xe đã được thực hiện bởi ông Nguyễn Thanh Quang vào năm 2001, tập trung vào động học, động lực học và độ bền của các chi tiết hệ thống lái trên xe Mekong Đến năm 2004, Mai Khoa tiếp tục nghiên cứu tính điều khiển của ô tô tải với hệ thống lái có trợ lực thủy lực Vào năm 2010, Nguyễn Tuấn Anh công bố công trình nghiên cứu về điều khiển tối ưu hệ thống lái tích cực trên ô tô Đến năm 2015, ông đã công bố nghiên cứu về thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống này.
Ông đã nghiên cứu về hệ thống lái trợ lực điện ESP và phát triển mô hình hệ thống lái trong đề tài thạc sỹ năm 2008 Tác giả thiết kế giao diện điều khiển và quan sát hệ thống bằng phần mềm LabVIEW, cho phép theo dõi tình trạng phản hồi trên vô lăng Tuy nhiên, đây chỉ là nghiên cứu ban đầu, do đó các thông số và bộ điều khiển chưa được chú trọng nhiều.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ô tô ngày nay được sử dụng ở tốc độ cao, vấn đề an toàn chuyển động ngày càng được các nhà khoa học của các trung tâm nghiên cứu lớn ở các nước đầu tư nghiên cứu Đã có những công trình khoa học được được công bố nhằm hoàn thiện hệ thống lái Tác giả Samkr Moham USA đã công bố công trình về loại xe có hệ thống lái ở cả bốn bánh tháng
Vào năm 2000, nhiều nhà khoa học Đức đã nghiên cứu hệ thống điều khiển cho xe có hệ thống lái bốn bánh, trong đó hãng Mercedes đã trình diễn xe với hệ thống lái tự động, hứa hẹn ứng dụng trên các đường thông minh trong tương lai Để nâng cao tính năng điều khiển và tiện nghi, các nhà nghiên cứu đã phát triển bộ cường hóa tích cực PPS (Progressive Power Steering), giúp tăng cường cảm giác của người lái với mặt đường và cải thiện khả năng điều khiển khi xe vận hành ở tốc độ cao.
Mục đính nghiên cứu
- Hiểu rõ được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trên ô tô nói chung và hệ thống lái bốn bánh xe (4WS)
- Tìm hiểu các thành phần, phân loại và nguyên lý hoạt động của các bộ phận có trong hệ thống lái
- Biết được cách tìm các tài liệu chuyên ngành
- So sánh được ưu và nhược điểm của hệ thống lái hai bánh (2WS) và hệ thống lái bốn bánh (4WS)
- Xây dựng và hoàn thiện được mô hình về hệ thống lái đa hướng 4WS.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu lịch sử hình thành hệ thống lái
- Tìm các nguồn tài liệu chuyên ngành ô tô liên quan đến đề tài
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết và hệ thống lái bốn bánh, hiểu được cấu tạo, nguyên lý của hệ thống lái bốn bánh
- Thiết kế tính toán cơ cấu điều khiển lái
- Tính toán, thiết kế hệ thống lái và cơ cấu lái đa hướng
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống lái đa hướng.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài này, nhóm em đã đưa ra các vấn đề và các phương pháp để giải quyết:
- Tìm kiếm tài liệu về hệ thống lái sau
- Tìm hiểu lịch sử ra đời của hệ thống lái, phân loại hệ thống lái, đánh giá ưu và nhược điểm của hệ thống lái
- Tham khảo các tài liệu của các hãng xe, các video liên quan đến đề tài
- Tham khảo các giáo trình.
Các kết quả đạt được của đề tài
- Hiểu được nguyên lý hoạt động
- Hệ thống lái bốn bánh này sẽ làm giảm thiểu các tai nạn xảy ra do hiện tượng thừa lái và thiếu lái gây ra
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Nội dung của đồ án tốt nghiệp bao gồm 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương 2: Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng
Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống lái
Chương 4: Quy trình thiết kế và mô phỏng
Chương 5: Đánh giá kết quả và kết luận
Tổng quan giải pháp
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu khoa học đã được thực hiện nhằm hoàn thiện hệ thống lái bốn bánh, tập trung vào động học và động lực học để nâng cao tính năng cơ động và khả năng điều khiển Các trung tâm nghiên cứu lớn ở Mỹ và Tây Âu đang đầu tư vào việc phát triển hệ thống điều khiển cho xe bốn bánh, với sự tham gia của hàng trăm nhà khoa học hàng đầu Các nghiên cứu này bao gồm việc phân tích động học thông qua mối tương quan hình học giữa các khâu độc lập, xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính toán khả năng áp dụng hệ thống trợ lực, xây dựng mô hình động học trong các giả thiết cơ học thực tế, và phát triển các hệ thống lái điều khiển bằng điện hoặc điện tử.
Tại Việt Nam, trình độ kỹ thuật và công nghệ còn hạn chế, dẫn đến việc chỉ dừng lại ở khai thác, vận hành, kiểm tra và sửa chữa hệ thống lái bốn bánh Do đó, nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ này là cần thiết để phát triển và làm chủ công nghệ lái bốn bánh tại Việt Nam Mục tiêu là nắm bắt công nghệ một cách sâu sắc nhằm nâng cao hiệu quả và khả năng ứng dụng trong thực tiễn.
Nhóm sinh viên đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái đa hướng” cho đồ án tốt nghiệp, nhằm tiến tới làm chủ công nghệ và phát triển các công nghệ mới tại Việt Nam.
HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG
Hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng
- Four-wheel steering hay 4WS đều là tên gọi của hệ thống tất cả các bánh xe dẫn hướng
Hệ thống lái 4 bánh là công nghệ tiên tiến cho phép điều khiển cả bánh xe trước và sau khi người lái quay vô lăng, mang lại sự linh hoạt cao cho xe Ở tốc độ thấp, các bánh xe sau quay ngược lại với bánh trước, giúp giảm bán kính quay vòng Trong khi đó, ở tốc độ cao, bánh sau quay cùng hướng với bánh trước, tạo điều kiện cho việc thay đổi làn đường nhanh chóng và ổn định Hệ thống này bao gồm ba loại chính: cơ khí, thủy lực và điện tử, góp phần nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt của ô tô.
Hình 2.1: Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng
Lịch sử hình thành
Hệ thống lái bốn bánh đầu tiên được chế tạo vào giữa những năm 1930, với mẫu xe Mecerdes-Benz 170VL (W139) ra mắt vào năm 1936, mặc dù chỉ sản xuất 42 chiếc cho Wehrmacht (Oswald 1987) Từ đó, hệ thống lái bốn bánh đã được áp dụng trong nhiều loại ô tô qua các thập kỷ.
Hình 2.2: Chiếc Mecerdes-Benz 170VL (W139) sử dụng hệ thống lái bốn bánh
Nissan đã tiên phong trong việc phát triển hệ thống lái bốn bánh và sản xuất một số lượng lớn xe sử dụng công nghệ này vào những năm 1980.
Vào tháng 4 năm 1987, hệ thống lái bốn bánh đã được giới thiệu trên mẫu xe Honda Preludes, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ ô tô Mẫu xe này đã được bán ra tại Hoa Kỳ vào cuối thập niên 80 và đầu thập niên 90, thu hút sự chú ý của người tiêu dùng.
- Vào cuối năm 1985 Ở thị trường Nhật bản chiếc Nissan R31 Shyline đã được ra mắt đầu tiên
- Mazda cũng giới thiệu hệ thống đầu tiên trên chiếc Capella-626-MX-6
- Hệ thống này cũng được Mitsubishi ra mắt trên Galant VR-4 vào cuối năm 1987
- Toyota cũng giới thiệu hệ thống lái bốn bánh trên chiếc Celica tại thị trường Nhật Bản vào cuối năm 1989
- Honda thế hệ thứ 4, cũng ra mắt trên chiếc Prelude thế hệ tiếp theo vào tháng 9 năm
Bảng 2.1: Tổng quan về hệ thống lái tất cả các bánh xe
Góc chỉ đạo Dòng Xe
Kết nối với vô lăng bánh trước, hộp số
Bơm thủy lực, van thủy lực, bộ truyền động định tâm
WKR 15° MegaCruiser (1995) Điện- thủy lực
Bơm thủy lực, van thủy lực, bộ truyền động định tâm
Hộp số động cơ điện, ổ trục chính
Bơm thủy lực, bộ truyền động định tâm van thủy lực
Cơ điện Động cơ điện, hộp số, ổ trục chính
Cơ điện Động cơ điện, hộp số, ổ trục chính
Kết nối với vô lăng bánh trước, hộp số
Accord(1990) Điện cơ Động cơ điện, ổ trục chính
Bơm thủy lực, động cơ điện, hộp số
Bơm thủy lực, động cơ điện, hộp số
Bơm thủy lực, van thủy lực, thiết bị truyền động định tâm
(1988), GTO/ 3000GT (1991) Điện- thủy lực
Bơm thủy lực, van thủy lực, thiết bị truyền động định tâm
Subaru Cơ điện Động cơ điện, hộp số FS (VS) 1.5° Alcyone (1991)
Kết nối với vô lăng bánh trước, hộp số
Bơm thủy lực, van thủy lực, bộ truyền động định tâm
Cơ điện Động cơ điện, ổ trục chính
Renault Cơ điện Động cơ điện, hộp số, ổ trục chính
WKR, FS(VS), FS(FDR)
GM Cơ điện Động cơ điện, hộp số, ổ trục chính
Hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng cơ khí
Hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng cơ khí kết nối trực tiếp trục trước và bánh sau thông qua một trục cơ học Trục này có số bậc lên xuống tương ứng, giúp khóa các góc lái của trục trước và trục sau Mỗi góc lái ở trục sau được gán cho góc lái tương ứng ở trục trước, tạo ra sự đồng bộ trong quá trình điều khiển.
Hình 2.3: Hệ thống lái hoàn toàn bằng cơ của Honda Prelude
Hệ thống lái cơ khí của Honda Prelude được thiết kế với góc lái nhỏ ở trục trước và bánh sau quay cùng hướng, giúp tăng tính ổn định ở tốc độ cao nhờ giảm xung lực ngang Khi góc lái vượt quá 127°, tỷ số truyền cơ học thay đổi, bánh sau quay ngược với bánh trước, cải thiện sự nhanh nhẹn ở tốc độ thấp Tuy nhiên, sự kết nối cứng với trục trước có thể làm giảm sự nhanh nhẹn ở các góc lái nhỏ trước khi tăng cường ở góc lái lớn hơn Nếu yêu cầu góc lái lớn ở tốc độ cao, hệ thống này có thể tạo ra phản ứng vượt mức do góc lái "đối trọng".
Hình 2.4: Cơ cấu lái bánh sau của Honda Prelude
Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của cơ cấu lái bánh sau
Cơ cấu lái trước sử dụng kiểu bánh răng-thanh răng, với hộp tích lực truyền động đến cầu sau thông qua bánh răng khớp với thanh răng Tỷ số truyền giữa vành lái và trục các đăng là hai, trong khi trục chủ động mang theo bánh răng hành tinh Dầm trục của bánh răng hành tinh được đặt lệch trục, cho phép bánh răng quay một cách trơn tru.
Bánh răng ngoại luân được thiết kế với 14 khớp và có một trục AA được bố trí trên đó Con trượt sẽ quay mượt mà quanh trục AA và trượt trên máng trượt, trong khi máng trượt chỉ tiếp nhận chuyển động tịnh tiến thông qua đòn quay.
Hình 2.6: Cấu tạo hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng
1-Vành tay lái; 2- Trục lái; 3- Hộp số lái của hai bánh trước;
4,5 – Dẫn động lái đến hai bánh xe sau; 6- Hộp số lái bánh sau
Hình 2.7: Cơ cấu lái các bánh xe sau
1- Trục chủ động; 2- Bánh răng ngoại luân ; 3- Máng trượt ; 4 – Con trượt;
5- Đòn ngang ; 6 – Bánh răng hành tinh
Hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng hoạt động bằng cách điều chỉnh chuyển động của bánh xe trước và sau tùy theo tốc độ và góc quay của vô lăng Khi xe di chuyển với tốc độ cao, vô lăng được xoay nhỏ, khiến cả bánh xe trước và sau quay cùng chiều Ngược lại, khi xe di chuyển chậm hoặc khi vào chỗ đỗ, vô lăng có thể xoay lớn, dẫn đến bánh xe trước và sau quay ngược chiều Trong quá trình này, khi trục chủ động quay, bánh răng hành tinh kết hợp với bánh răng ngoại luân, làm cho trục AA chuyển động từ phải sang trái Giá trị tối đa của góc quay bánh xe cùng chiều đạt 17° và sau đó giảm dần Khi trục chủ động tiếp tục quay, bánh xe sau sẽ quay ngược chiều với bánh xe trước, với sự đảo chiều xảy ra khi vô lăng quay 120°; khi bánh xe trước đạt 35°, bánh xe sau quay một góc -5°.
Hệ thống lái 4 bánh hiện nay đang phát triển mạnh mẽ trong ngành công nghệ ôtô, trước đây chủ yếu được sử dụng trên xe tải và xe nhiều cầu Ngày nay, hệ thống này trở nên phổ biến và được ưa chuộng nhờ vào nhiều tính năng mới, giúp xe dễ dàng ra vào chỗ đậu trong không gian hạn chế và quay vòng linh hoạt ở tốc độ cao Khi di chuyển qua đường vòng, các bánh xe tự động điều chỉnh để trở về trạng thái chuyển động thẳng, cho phép xe quay vòng dễ dàng hơn trên diện tích mặt đường nhỏ.
Hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng thủy lực
Hệ thống lái tất cả các bánh có thể được điều khiển bằng thủy lực hoặc điện tử, với ví dụ nổi bật là hệ thống lái cầu sau chủ động AHK của BMW, được áp dụng trong 8 mẫu xe từ năm 1992 Mục tiêu chính của hệ thống này là nâng cao khả năng lái xe an toàn trong mọi tình huống Để đạt được điều này, hệ thống lái bánh sau cần kiểm soát lực bên tác động lên trục sau trong điều kiện gia tốc bên cao, liên quan đến biên độ và pha Cấu trúc của hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng thủy lực được chia thành ba hệ thống chính.
16 con: Bộ truyền động và cung cấp thủy lực, điều khiển và giám sát hệ thống, cấu trúc điều khiển trục sau
Bộ thủy lực của hệ thống bao gồm một bơm piston hướng tâm kết hợp với bơm kiểu cánh gạt cho tay lái trợ lực cầu trước, cùng với bộ phận cung cấp áp suất, bộ tích trữ thủy lực, bộ nạp van tích lũy và cảm biến áp suất để duy trì áp suất hoạt động cho bộ truyền động thủy lực Thiết bị điều khiển nhận tín hiệu đầu vào từ tốc độ lái và góc vô lăng để tính toán góc lái đặt trước của bánh sau, đồng thời sử dụng các cảm biến về tốc độ lái, góc đánh, vị trí bánh lái sau và bộ vi xử lý để đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Hình 2.8: Động học hệ thống lái bánh sau
Bộ phận thủy lực được bố trí ở giữa dầm ngang phía sau tại trục sau, cho phép chuyển động thẳng của bộ truyền động định tâm thông qua khớp trục kép Chuyển động này được truyền tới đĩa đệm, nơi nhận điểm chịu lực bên trong của lò xo truyền động, hỗ trợ tải trọng bánh xe tại giá đỡ trục sau Tỷ số truyền giữa hành trình của bộ truyền động và di chuyển ổ lò xo được xác định qua các điểm truyền động của khớp trục kép và ổ lò xo.
Hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng điện tử
Các hệ thống cơ điện đã khẳng định vị thế của mình trong phát triển nhờ vào tính phức tạp cao của hệ thống thủy lực và những hạn chế của hệ thống cơ khí Lợi ích của hệ thống lái này bao gồm: cấu trúc xây dựng đơn giản hơn, khả năng điều chỉnh độc lập góc lái ở trục sau so với góc bánh xe ở trục trước, dễ dàng điều khiển, và độ nhạy cảm với lỗi thấp.
Hệ thống bánh sau của xe cơ điện được điều khiển bởi một cơ cấu truyền động điện, với ECU tính toán giá trị bộ truyền động dựa trên các đầu vào khác nhau để kích hoạt động cơ điện Động cơ BLDC được ưa chuộng hơn động cơ chổi than vì không bị mài mòn và dễ kiểm soát Cảm biến giám sát vị trí chính xác của động cơ, chuyển đổi chuyển động quay của động cơ điện thành chuyển động hành trình thông qua một tỷ số truyền cơ học phù hợp.
Hình 2.9: Bộ truyền động bánh sau của Honda Prelude 1991
1- Trục chính của trục lái; 2- Cảm biến góc lái chính phía sau; 3- Cuộn stator; 4- Vỏ thiết bị truyền động; 5- Cảm biến góc lái phụ phía sau; 6- Lò xo hồi vị;
7- Chổi than; 8- Rotor; 9- Vít bi
Honda đã phát triển hệ thống lái cầu sau cơ điện từ năm 1991, với cấu trúc phức tạp bao gồm một động cơ điện truyền chuyển động đến bánh răng tuần hoàn bi, giúp chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động của trục lái Hệ thống này được trang bị cảm biến góc lái dự phòng để đảm bảo an toàn Trong trường hợp hệ thống gặp lỗi, bánh sau sẽ tự động được đưa về vị trí trung tâm nhờ lò xo hồi vị.
Hình 2.10: Hệ thống lái bánh sau của Nissan
Nhà cung cấp Kayaba Industry đã phát triển một hệ thống cơ điện cho hệ thống lái bánh sau, đặc biệt phục vụ thị trường Nhật Bản với nhiều ứng dụng cho Nissan, bao gồm cả Nissan Skyline Hệ thống này chuyển đổi chuyển động quay của động cơ trợ lực điện thành chuyển động lái của bánh sau, như được thể hiện trong hình 2.10.
Vào năm 1990, hầu hết các hệ thống lái bốn bánh đã biến mất khỏi thị trường do chi phí bổ sung cao và thiếu chức năng trong việc cải thiện động lực lái xe.
Tính đến tháng 3 năm 2010, ba nhà sản xuất ô tô toàn cầu đã áp dụng hệ thống lái tất cả các bánh xe, trong đó bao gồm các mẫu xe như Renault Laguna GT (2008), BMW 7 (2008), 5GT (2009), 5 (2010) và Nissan Infinity FX50 cùng G37.
Hình 2.11: Bố trí bộ truyền động lái ở trục sau của BMW 5 (BMW 1991/2008)
2.5.1 Bộ truyền động trung tâm so với bộ truyền động một bánh
Trong các hãng xe như Nissan, Infiniti, BMW và Renault, hệ thống truyền động của bánh sau được thiết kế đồng tâm trên trục sau Thiết bị truyền động trung tâm cho phép điều khiển hai bánh xe thông qua một kết nối cứng, đảm bảo rằng các góc lái của cả hai bánh xe đều giống nhau.
Bộ truyền động trung tâm yêu cầu không gian để chuyển động liên tục từ trái sang phải, điều này không phải lúc nào cũng khả thi trong các cấu trúc xe Để khắc phục tình huống này, thiết kế bộ truyền động bánh đơn đã được phát triển như một giải pháp thay thế hiệu quả cho bộ truyền động trung tâm.
Hỡnh 2.12: Thiết bị truyền động một bỏnh của ZFLemfửrder
Giải pháp kỹ thuật sử dụng bộ truyền động riêng cho mỗi bánh sau cho phép điều chỉnh độ chụm của từng bánh xe, hỗ trợ trong quá trình lắp ráp trục và cải thiện khả năng điều khiển động lực học Tuy nhiên, phương án này gặp phải sự phản đối do độ phức tạp cao hơn so với thiết bị truyền động trung tâm, vì không chỉ cần truyền tải thiết bị mà còn phải cài đặt biến cảm và thiết bị điện tử hai lần.
Để đảm bảo sự điều khiển đồng bộ, cần duy trì liên kết giữa các góc chỉ đạo Hệ thống truyền động một bánh có chi phí sản xuất gần gấp đôi do độ phức tạp cao và việc sử dụng phần cứng nhiều hơn Ngoài ra, nguy cơ lỗi trong quá trình vận hành trên xe của khách hàng cũng tăng cao, điều này có thể tác động tiêu cực đến chi phí dịch vụ.
Hình 2.13: Cấu tạo hệ thống 4WS điều khiển điện tử
Hệ thống lái bốn bánh điều khiển điện tử không có kết nối cơ học giữa thiết bị lái phía trước và bộ truyền động lái phía sau Bộ truyền động lái phía sau được điều khiển bởi hộp điều khiển 4WS, nhận tín hiệu từ cảm biến góc vô lăng, cảm biến tốc độ xe và thông tin góc lái phía trước để tính toán và kiểm soát góc lái phía sau.
2.5.2.1 Bộ truyền động phía sau
Hình 2.14 : Cơ cấu lái phía sau
Bộ truyền động phía sau hoạt động như một thiết bị lái điện, với động cơ điện điều khiển thanh răng lái qua cơ cấu vít bi Thanh giằng kết nối bộ truyền động lái với tay lái và trục chính phía sau, trong khi lò xo hồi vị bên trong giúp đưa các bánh sau về vị trí ban đầu khi có lỗi trong hệ thống lái 4WS Ngoài ra, cảm biến góc bánh sau chính và phụ được gắn trên đỉnh cơ cấu lái phía sau để theo dõi hoạt động chính xác.
- Các cảm biến đầu vào trong hệ thống:
+ Cảm biến góc bánh sau chính trong bộ truyền động lái sau
+ Cảm biến góc bánh sau phụ trong bộ truyền động lái sau
+ Cảm biến góc vô lăng chính trong cột lái dưới tổ hợp công tắc điện
+ Cảm biến góc lái bánh trước ở giá trước và bánh lái bánh răng
+ Cảm biến tốc độ bánh sau
+ Cảm biến tốc độ xe thông thường (VSS)
2.5.2.2 Cảm biến vị trí góc lái chính phía trước
Hình 2.15: Vị trí cảm biến góc lái phía trước
Cảm biến vị trí góc lái phía trước (SWPS) được lắp đặt ở đầu dưới của cần tay lái và hoạt động dựa trên việc xoay trục lái Thiết bị này cung cấp tín hiệu analog cùng ba tín hiệu số cho mô-đun điều khiển, trong khi mô-đun điều khiển gửi tín hiệu tham chiếu 5 V đến cảm biến.
Cảm biến vị trí góc lái phía trước sử dụng một chiết áp để gửi tín hiệu điện áp tương tự đến BCM, phản ánh vòng quay của vô lăng Tín hiệu này dao động từ 0,25 V khi tay lái quay sang trái đến 4,75 V khi quay sang phải, với giá trị 2,5 V ở vị trí trung tâm Khi vô lăng quay quá một vòng sang trái, tín hiệu từ cảm biến không thay đổi BCM sau đó chuyển tiếp tín hiệu điện áp này đến cảm biến thông qua các liên kết dữ liệu loại 2 đến mô-đun điều khiển tay lái bánh sau.
Hình 2.16: Cảm biến vị trí góc lái phía trước
Chế độ hoạt động của hệ thống lái 4WS
- Chế độ rẽ, vào cua ở tốc độ thấp
Hình 2.28: Hai bánh ngược chiều
Hệ thống lái 4 bánh hoạt động dựa vào việc đánh lái và tốc độ của xe, với các cảm biến góc đánh lái và cảm biến tốc độ truyền tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý này điều khiển hai bánh sau, tạo ra góc lái phù hợp với từng điều kiện vận hành của xe.
Khi xe di chuyển dưới tốc độ 40 km/h, hệ thống sẽ điều khiển bánh sau đánh lái ngược chiều với hai bánh trước, giúp xe chuyển hướng linh hoạt ở những đoạn đường gắt và trong các ngõ hẹp Tùy thuộc vào tốc độ, bánh sau có khả năng bẻ lái một góc từ 2,8 đến 3 độ, tạo điều kiện cho xe di chuyển dễ dàng hơn trong đô thị và khi đỗ xe.
- Chế độ rẽ, vào cua ở tốc độ cao
Hình 2.29: Hai bánh cùng chiều
Khi xe di chuyển với tốc độ trên 40 km/h, bộ xử lý trung tâm tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến góc đánh lái và cảm biến tốc độ Sau đó, nó xử lý thông tin và truyền tín hiệu đến cơ cấu lái phía sau, điều khiển hai bánh sau cùng chiều với hai bánh trước Điều này giúp giảm hiện tượng thừa lái, nâng cao khả năng chuyển hướng và tránh chướng ngại vật một cách ổn định và an toàn hơn.
Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng
- Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng giúp xe tăng độ ổn định khi vào cua
- Hệ thống điều khiển nhanh và nhạy sẽ cho phép lái nhẹ nhàng hơn
- Bán kính quay vòng nhỏ và linh hoạt ở tốc độ thấp
- Kiểm soát tốt hơn khi xe chạy ở tốc độ cao
- Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng có thể điều khiển bằng điện tử hoặc thủy lực
- Ở tốc độ chậm, bánh sau di chuyển ngược chiều của các bánh trước Điều này giúp cho việc đậu xe dễ dàng hơn
Nhược điểm hệ thống lái bốn bánh
- Hệ thống lái bốn bánh khá đắt tiền do chúng có nhiều thành phần cấu tạo hơn so với hệ thống lái hai bánh
Hệ thống có khả năng hư hỏng cao do được cấu tạo từ nhiều thành phần, đặc biệt là các linh kiện điện tử Chỉ cần một thành phần nhỏ bị hư hỏng, toàn bộ hệ thống sẽ ngừng hoạt động.
- Mất nhiều thời gian và chi phí sửa chữa nếu như hệ thống bị hư.
Ảnh hưởng của hệ thống lái bốn bánh đối với động lực học của xe
Nhằm nâng cao sự nhanh nhẹn và khả năng điều khiển, các phát minh mới không chỉ tập trung vào tốc độ mà còn cải thiện phản ứng kích hoạt và độ ổn định của xe khi lái Hệ thống lái bốn bánh cơ khí mô tả góc lái của bánh sau 𝛿 ℎ là một hàm số đơn giản dựa trên góc lái của bánh trước 𝛿 𝑣 hoặc góc của tay lái.
Hệ thống lái tất cả các bánh xe được điều khiển điện tử đầu tiên cho phép điều chỉnh góc lái của bánh sau 𝛿 ℎ, phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của ô tô và góc lái của bánh trước 𝛿 𝑣 hoặc góc của tay lái 𝛿 𝐻.
Trong quá trình phát triển, hệ thống lái bánh sau đã được cải tiến bằng cách tích hợp hệ thống lái tất cả các bánh vào chương trình ổn định điện tử của xe Sự cải tiến này trở nên khả thi nhờ vào các cảm biến thông minh có khả năng theo dõi tốc độ, gia tốc dọc và ngang.
Các chất lượng động học của hệ thống lái bốn bánh
Tỉ số truyền của hệ thống lái tất cả các bánh, được biểu thị bằng hệ số 𝑘 𝑝, là tỷ lệ giữa góc lái của bánh sau và góc lái của bánh trước.
- Đối với hệ thống lái tất cả các bánh, hai nguyên tắc hoạt động thường được phân biệt: hướng song song và lái theo hướng ngược lại
Hình 2.30 : Đánh lái hướng ngược lại: 𝑘 𝑝 < 0, lái hướng song song: 𝑘 𝑝 > 0
Khi đánh lái ngược chiều với 𝑘 𝑝 < 0, bánh sau sẽ quay ngược lại so với bánh trước, khiến trọng tâm của xe di chuyển về phía trước Hiện tượng này tạo ra hiệu ứng rút ngắn chiều dài cơ sở của xe.
Vòng cua thu hẹp lại, trục sau của xe di chuyển trên quỹ đạo khác, điều này làm cho chiếc xe trở nên nhẹ nhàng và nhanh hơn
Khi đặt bánh sau cùng chiều với bánh trước và có 𝑘 𝑝 > 0, trọng tâm sẽ dịch chuyển về phía sau, dẫn đến sự gia tăng độ ổn định nhờ vào việc mở rộng ảo chiều dài cơ sở.
Hình 2.31: Sự thay đổi của vòng cua và sự thay đổi ảo của chiều dài cơ sở
- Khi bánh xe sau đánh lái ngược với bánh trước thì nó sẽ rút ngắn chiều dài cơ sở ảo
- Làm giảm bán kính góc cua
- Khi bánh xe sau cùng chiều với bánh xe trước thì nó sẽ mở rộng chiều dài cơ sở ảo.[6]
Ảnh hưởng của hệ thống lái tất cả các bánh đối với các điểm đặc biệt của xe không chuyển động
Hệ thống lái tất cả các bánh ảnh hưởng đến các tính năng đặc biệt của xe trong trạng thái không chuyển động, đặc biệt là khi thảo luận về chuyển động lái vòng tròn ở trạng thái ổn định Gia tốc bên cao nhất đạt được gần như tương đương giữa xe có và không có hệ thống lái tất cả các bánh, nhưng sự khác biệt nổi bật nằm ở sự phát triển của góc trượt bên của xe.
Hình 2.32: Thay đổi góc trượt bên của xe có hệ thống lái tất cả các bánh (phạm vi gia tốc từ giữa đến cao hơn)
Khi 𝑘 𝑝 > 0, góc trượt trong của xe sẽ giảm theo kích thước của góc lái Trong một số ứng dụng trước đây, 𝑘 𝑝 được lựa chọn để đảm bảo rằng góc trượt luôn được duy trì ở mức bằng không Điều này xuất phát từ quan điểm rằng khi góc trượt bằng 0, xe sẽ đạt được trạng thái lái ổn định.
Ảnh hưởng của hệ thống lái tất cả các bánh đối với các điểm đặc biệt của xe không cố định
Hệ thống lái bốn bánh có ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng lái xe không cố định Bài viết sẽ phân tích các đặc điểm phản ứng khi chuyển góc lái và khi chuyển làn để làm rõ những tác động này.
Hình 2.33: Phản ứng của xe đối với góc lái cố định, bên trái 𝑘 𝑝 > 0, bên phải 𝑘 𝑝 < 0
Hình 2.33 minh họa rằng việc điều khiển bằng cách thay đổi góc lái một cách nhanh chóng và ổn định sẽ tạo ra lực bên tại cả trục trước và trục sau, giúp giảm thiểu phản ứng chệch hướng của xe Tốc độ chệch hướng tăng chậm hơn trong khi gia tốc ngang lại tăng nhanh hơn, với hàm truyền giữa góc lái và gia tốc bên có độ lệch pha thấp Sự tác động của góc lái đối diện ở bánh sau tạo ra lực bên ngược lại tại các trục, dẫn đến độ lệch và gia tốc bên ban đầu thấp hơn Kết quả là khả năng lái xe trở nên nhanh nhẹn hơn, đặc biệt trong dải tốc độ thấp.
Hình 2.34: Mô phỏng chuyển động theo ISO (kp > 0), hệ thống lái tất cả các bánh màu xanh, hệ thống lái thông thường màu vàng
Thao tác lái xe như thay đổi làn đường cho thấy rõ ràng rằng hệ thống lái bốn bánh nâng cao khả năng điều khiển Góc trượt bên dưới thể hiện sự khác biệt rõ rệt (Hình 2.34), với sự dư thừa góc trượt bên trong làn thứ ba khi thay đổi làn đường thấp hơn nhiều Tốc độ ngang và gia tốc ngang ổn định hơn qua từng giai đoạn so với góc vô lăng.
Kết hợp hệ thống lái bánh sau với hệ thống lái ở bánh trước
Hệ thống lái tất cả các bánh với khả năng tự chọn cho phép bánh sau điều chỉnh góc lái dựa trên tốc độ và góc lái của bánh trước, mang lại lợi ích vượt trội trong việc cải thiện khả năng điều khiển và ổn định của xe.
Hình 2.35: Hệ thống lái chủ động trên BMW 5 (2010)
Khi góc trượt bên được điều chỉnh bằng cách chọn 𝑘 𝑝 bằng 0, xe sẽ trượt nhiều hơn so với trường hợp không có hệ thống lái tất cả các bánh Các ô tô bốn bánh với góc lái thẳng hàng khi di chuyển ở tốc độ cao sẽ thể hiện sự giảm tốc rõ rệt Để hoàn thiện khả năng lái, không chỉ cần xem xét các đặc tính của xe đứng yên mà còn phải chú ý đến các đặc tính động Nếu xe đứng yên có đặc tính lái nhạy cảm với tốc độ không đổi, thì tỷ số cầu trước cũng cần nhạy cảm với tốc độ.
BMW đã tiên phong trong việc giới thiệu hệ thống lái tất cả các bánh vào năm 2008 với "Hệ thống lái chủ động tích hợp (IAS)", đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật Hệ thống này được thiết kế để cải thiện khả năng điều khiển và ổn định cho xe, như thể hiện qua các thành phần trong BMW 5.
Hệ thống lái trợ lực cơ điện 42 được tích hợp với hệ thống lái ở cầu trước, trong khi ở trục sau, hệ thống lái bánh sau cơ điện được áp dụng với các điểm kích hoạt nằm ở các bộ phận vận chuyển trung tâm ECU quản lý khung gầm tích hợp không được hiển thị.
Nissan đã giới thiệu hệ thống lái 4WAS cho Infinity G37 từ năm 2007, kết hợp hệ thống lái cầu sau và cầu trước Hệ thống 4WAS cho phép sự phối hợp đánh lái giữa cầu trước và cầu sau ở tốc độ cao, trong khi ở tốc độ thấp, bánh sau không di chuyển.
Hình 2.36: Tính trung lập tĩnh tại của hệ thống lái chủ động tích hợp
Hệ thống lái bốn bánh cho phép lựa chọn độc lập các góc lái ở cả hai trục dựa trên đầu vào của người lái Khi bánh sau quay ở tốc độ thấp, hệ thống điều khiển chủ động tạo ra sự gia tăng chuyển động hướng dẫn, giúp cải thiện sự nhanh nhẹn nhờ vào việc rút ngắn ảo chiều dài cơ sở Tỉ số truyền của hệ thống lái ở tốc độ này làm cho việc điều khiển xe trở nên dễ dàng hơn, đặc biệt là trong những góc hẹp.
Khi tốc độ vượt quá 50 km/h, bánh sau sẽ thẳng hàng với bánh trước, dẫn đến việc góc lái ổn định tăng dần theo tốc độ và góc tay lái Nhu cầu về góc lái cao hơn sẽ được bù đắp bởi hệ thống lái ở trục trước Hệ thống lái tất cả các bánh được thiết kế để cải thiện bán kính vào cua so với ô tô có hệ thống lái thông thường, từ đó nâng cao tính trung lập của hệ thống lái chủ động tích cực.
Góc lái được điều chỉnh từ từ đến giới hạn gia tốc, cho thấy sự phối hợp giữa hệ thống lái bánh sau và bánh trước nhằm tăng tốc độ bên trong, tương tự như mô hình cơ sở Điều này mang lại lợi ích về sự ổn định khi lái xe Với gia tốc ngang 8 m/s², góc trượt trong của xe ô tô trang bị hệ thống lái chủ động nhỏ hơn một nửa so với hệ thống lái thông thường.
Hình 2.37: Hệ thống lái chủ động tích hợp trong BMW 750i
Góc trượt bên β của xe với hệ thống lái thông thường, cùng với góc vô lăng 𝛿 𝐻 và độ lệch tốc độ nghiêng ψ, đều là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và tính ổn định của xe.
Góc trượt bên β, góc vô lăng 𝛿 𝐻 và tốc độ nghiêng ψ của xe được trang bị hệ thống lái chủ động tích hợp đều là những thông số quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và khả năng điều khiển của phương tiện.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI
Các thông số của hệ thống lái
Bảng 3.1: Các thông số tính toán
STT Tên gọi Giá trị Đơn vị
1 Chiều dài cơ sở của xe (L) 1200 mm
2 Chiều dài đòn quay đứng l mm
3 Khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng (B) 591 mm
4 Chiều dài thanh kéo 573 mm
5 Tải trọng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng khi toàn tải
6 Góc doãng bánh xe dẫn hướng Độ
7 Độ chụm bánh xe dẫn hướng c mm
8 Góc nghiêng ngang trụ quay đứng β Độ
9 Góc nghiêng dọc trụ quay đứng γ Độ
11 Bán kính vô lăng 180 mm
12 Tỷ số truyền của cơ cấu lái 18
13 Bán kính quay vòng 2400 mm
15 Khoảng cách từ trục trước đến trọng tâm xe a1 mm
16 Khoảng cách từ trục sau đến trọng tâm xe a2 mm
3.1.1 Xác định mômen quay vòng và lực lái lớn nhất
Lực tác động lên vành lái của ôtô khi quay vòng tại chỗ đạt giá trị cực đại, dẫn đến mômen cản quay vòng trên bánh xe dẫn hướng Mc bằng tổng các mômen cản lăn M1, mômen ma sát M2 giữa bánh xe và mặt đường, cùng với mômen ổn định M3 do các góc đặt của bánh xe và trụ đứng gây ra.
Mô men cản chuyển động M1:
Trong đó: Gbx- Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng
Thay số ta được: Gbx )00 N f- Hệ số cản lăn: f= 0,015 c- Cánh tay đòn.c= 0,03 m
Thay số vào công thức (3.2) ta được: M 1 )00.0,015.0,03=1,305 (Nm)
Hình 3.1: Đặc điểm lực ngang tác dụng lên bánh xe khi quay vòng
Khi lực ngang Y tác động lên bánh xe, sự đàn hồi của lốp khiến diện tích tiếp xúc giữa lốp và mặt đường quay tương đối với mặt phẳng của bánh xe Điểm đặt của lực ngang Y sẽ dịch chuyển một đoạn x phía sau trục bánh xe, trong đó đoạn x được xác định bằng một phần tư chiều dài của bề mặt tiếp xúc giữa lốp và đường.
Ta có: x = 0,5√x 2 − r 2 bx (3.4) Trong đó: r- bán kính tự do của bánh xe dẫn hướng
Thay số vào (3.5) ta được: r=((550+19.25,4)/2)= 516.3 mm rbx - bán kính làm việc của bánh xe, rbx = 0,96.r
Thì mô men cản M2 do ma sát giữa bánh xe và mặt đường:
Thay số vào (3.6) ta được: M2=0,7.2900.0,07226,566 (Nm)
Trong đó: 1 – Hệ số bám ngang
Y- Lực ngang tổng hợp; x- Độ dịch về phía sau của điểm đặt lực ngang tổng hợp so với tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp với mặt đường do sự đàn hồi bên của lốp gây ra
- Tổng mô men cản quay vòng ở cả hai bánh xe dẫn hướng : (3.6)
M c = 2(M 1 + M 2 ) γ η = 2G bx (fc + 0.14φr) γ η (3.7) Thay số vào (3.7): M c = 2(1,305+146,566).1.0716.4 (Nm) γ- Hệ số tính đến ảnh hưởng của M 3 gây ra do cầu trước ô tô bị nâng lên, γ = 1.07 ÷
- Lực cực đại tác dụng lên vô lăng được xác định theo công thức:
Trong bài viết này, chúng ta xem xét các yếu tố quan trọng liên quan đến tỉ số truyền trong cơ cấu lái của ô tô Cụ thể, tỉ số truyền cơ cấu lái được tính là i ω với giá trị i ω 60/20= 18, trong khi tỉ số truyền của dẫn động lái là i d = 0,986 Ngoài ra, hệ số γ được sử dụng để tính đến ảnh hưởng của M 3, do cầu trước ô tô bị nâng lên.
= 1.07 ÷ 1.15 ηt - Hiệu suất thuận cơ cấu lái = 0,75
R - Bán kính của vành tay lái R= 0,18 (m) [1]
3.1.2 Tính động học hình thang lái
Hình 3.2: Quan hệ giữa góc quay của các bánh xe dẫn hướng
Muốn ô tô quay vòng mà không bị trượt thì điều quay vòng: cotgβ = OD ̅̅̅̅̅
Thay số vào (3.10) cotgβ− cotgα= 591
1200 = 0.4925 Trong đó: β: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong α: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài
L: chiều dài cơ sở của ô tô
B: Khoảng cách giữa tâm của các ngỗng quay
Trường hợp khi xe đi thẳng:
Hình 3.3: Sơ đồ hình thang lái khi xe đi thẳng
Từ sơ đồ hình tháng lái trên hình ta có thể tính được mối quan hệ giữa các thông số theo các biểu thức sau:
𝑝 √𝑝 2 − (𝑦 − 𝑚 sin 𝜃) 2 (3.13) Thay vào (3.13) ta được:
Trường hợp khi xe quay vòng:
Hình 3.4: Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vòng
Từ sơ đồ dẫn động trên hình ta có mối quan hệ của các thông số theo quan hệ sau :
Từ quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:
𝐵𝐶 2 = 𝐴𝐶 2 + 𝐴𝐵 2 − 2 𝐴𝐵 𝐴𝐶 cos 𝜓 (3.17) Thay vào biểu thức trên ta có: cos 𝜓 =𝐴𝐶 2 + 𝐴𝐵 2 − 𝐵𝐶 2
Từ mối quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:
Từ (3.18) và (3.19) thay vào (3.21) ta có biểu thức:
3.1.3 Động lực học quay vòng của hệ thống lái 4WS
Khi xe vào đường vòng, để tránh tình trạng trượt lết hoặc trượt quay của các bánh xe dẫn hướng, các đường vuông góc với vecter vận tốc của tất cả bánh xe cần giao nhau tại một điểm O Điểm O này được gọi là tâm quay vòng tức thời của xe, nơi các trục bánh xe kéo dài cắt nhau.
3.1.3.1 Hai bánh quay cùng chiều
Hình 3.5: Mô phỏng xe quay vòng 2 bánh quay cùng chiều
Hình 3.6: Mô hình thông số khi xe quay vòng hai bánh quay cùng chiều
- Từ hình 3.5 và hình 3.6 ta có thể suy ra điều kiện để xe không bị trượt khi quay vòng là: cotδ of - cotδ if = w f
L ∙ cotδ of − cotδ if cotδ or − cotδ ir (3.22)
- Các phương trình của hệ thống lái bốn bánh được minh họa qua hình : tanδ if = c 1
R 1 + ( wf 2 ) (3.24) Khi bỏ R1 thì phương trình sẽ là:
Suy ra : cotδ of - cotδ if = w f c 1 (3.27) tanδ ir = c 2
Tương tự, chúng ta bỏ R1 thì phương trình sẽ là:
Suy ra : cotδ or - cotδ ir = w r c 2 (3.32)
Mà: c 1 = w f cotδ of − cotδ if (3.33) c 2 = w r cotδ or − cotδ ir (3.34) Nên: c 1 − c 2 = L (3.35)
Thay công thức (3.33), (3.34) vào công thức (3.35): w f cot δ of − cot δ if - w r cot δ or − cot δ ir =L (3.36)
- Từ đó ta có thể tính toán được bán kính quay vòng của xe trong trường hợp hai bánh xe quay cùng chiều với nhau:
3.1.3.2 Hai bánh quay ngược chiều
δ if và δ of là các góc lái của bánh xe phía trước bên trong và bên ngoài, trong khi δ ir và δ or là góc lái của bánh sau bên trong và bên ngoài Chiều dài cơ sở của xe được ký hiệu là l, khoảng cách từ trục trước đến trọng tâm là a1, và khoảng cách từ trục sau đến trọng tâm là a2.
Hình 3.7: Mô phỏng xe quay vòng 2 bánh quay ngược chiều
Hình 3.8: Mô hình thông số khi xe quay vòng hai bánh quay ngược chiều
- Từ hình 3.7 và hình 3.8 ta có thể suy ra điều kiện để xe không bị trượt khi quay vòng là: cotδ of - cotδ if = w f
L ∙ cotδ of − cotδ if cotδ or − cotδ ir (3.38)
- Các phương trình của hệ thống lái bốn bánh được minh họa qua hình : tanδ if = c 1
R 1 + ( 𝑤𝑓 2 ) (3.40) Khi bỏ R1 thì phương trình sẽ là:
Suy ra: cotδ of - cotδ if = w f c 1 (3.43) tanδ ir = c 2
Tương tự ta loại bỏ R1:
Suy ra: cotδ or - cotδ ir = w r c 2 (3.48)
Mà: c 1 = w f cotδ of − cotδ if (3.49) c 2 = w r cotδ or − cotδ ir
Thay công thức (3.49) và (3.50) vào công thức (3.51) ta được:
58 w f cotδ of − cotδ if - w r cotδ or − cotδ ir = L (3.52)
- Từ đó ta có thể suy ra công thức tính bán kính quay vòng trong trường hợp hai bánh xe quay ngược chiều với nhau
Sau khi phân tích hai trường hợp bánh xe quay cùng chiều và ngược chiều, ta có thể xác định các phương trình chung cho cả hai hệ thống Cụ thể, phương trình c1 – c2 = L (3.54) mô tả sự khác biệt giữa hai hệ thống Đồng thời, c1 được biểu diễn qua công thức c1 = w f cotδ of − cotδ if (3.55), và c2 được xác định bằng c2 = w r cotδ or − cotδ ir (3.56).
QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
Mô phỏng hệ thống lái bằng phần mềm Solidworks
Công ty Solidworks, được thành lập vào tháng 12 năm 1993 bởi Jon Hirschtick từ Viện Công nghệ Massachusetts, đã đặt trụ sở ban đầu tại Waltham, Massachusetts, Hoa Kỳ Hirschtick đã tập hợp một đội ngũ kỹ sư với mục tiêu phát triển phần mềm CAD 3D dễ sử dụng, giá cả phải chăng và tương thích với hệ điều hành Windows Sau khi chuyển hoạt động về Concord, Massachusetts, Solidworks đã ra mắt sản phẩm đầu tiên, Solidworks 95, vào năm 1995 Năm 1997, công ty đã được Dassault, nổi tiếng với phần mềm CATIA CAD, tiếp quản Kể từ đó, Solidworks đã phát triển mạnh mẽ, trải qua 26 phiên bản, và hiện nay được công nhận là phần mềm CAD 3D phổ biến nhất trên thị trường.
4.1.2 Giới thiệu phần mềm SolidWorks
SolidWorks là phần mềm thiết kế 3D được phát triển bởi Dassault Systèmes SolidWorks Corp và ra mắt lần đầu vào năm 1997, hoạt động trên hệ điều hành Windows Hiện nay, phần mềm này đang được hơn 2 triệu kỹ sư và nhà thiết kế sử dụng tại hơn 165,000 công ty trên toàn cầu.
- Khả năng thiết kế mô hình 3D hoàn hảo
- Tính năng lắp ráp các chi tiết
- Xuất bản vẽ trên phần mềm SolidWorks
- Tính năng gia công trên SolidWorks
- Phân tích động lực học
- Chúng ta có thể tạo 1 file mới bằng 4 cách sau:
1 Nhấp vào New Document tại thanh Task Pane
2 Nhấp vào New tại thanh Menu Bar
3 Để chuột vào mũi tên trên thanh Menu, rồi nhấp vào File New
4 Nhấn tổ hợp phím Ctrl+N
Upon opening a new file, the New SolidWorks Document dialog box appears, featuring three sections: the Part environment for model creation, the Assembly environment for building assemblies, and the Drawing environment for generating drawings.
Khi bạn chọn môi trường Drawing, bảng Sheet Format/Size sẽ xuất hiện để bạn có thể chọn kích thước giấy Tại đây, hãy chọn khổ A4 và nhấn OK để tiếp tục.
Hình 4.2: Bảng Sheet Format/Size
- Tiếp theo là vẽ khung tên ta dùng Corner Rectangle đễ vẽ hình chữ nhật
Để vẽ các đường thẳng và ngang trong khung tên, ta sử dụng lệnh Line Tiếp theo, để đo kích thước, ta áp dụng lệnh Smart Dimension bằng cách nhấp chuột vào điểm bắt đầu và điểm kết thúc, sau đó kéo chuột để hiển thị kích thước.
Hình 4.4: Kích thước tiêu chuẩn của khung tên
Sau khi hoàn tất việc vẽ, bạn cần xuất bản bản vẽ bằng cách nhấn Ctrl + P, chọn Page Setup, sau đó thiết lập kích thước giấy A4 và chế độ Landscape để giấy nằm ngang Cuối cùng, nhấn OK và lưu file dưới dạng PDF.
Hình 4.6: Bản vẽ khung xe
4.1.5 Thiết kế các chi tiết Để thiết kế một chi tiết, ta chọn FileNew hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl + N để mở một File mới Sau đó ta chọn môi trường Part để vẽ, khi vào trong môi trường Part ta chọn Sketch để vẽ Trong Sketch thì có 3 mặt phẳng (Top Plane, Front Plane, Right Plane), ta chọn một mặt phẳng để vẽ Ta dùng các lệnh Line để vẽ các đường thằng, dùng lệnh Circle để vẽ đường tròn, sau đó dùng lệnh Extruded Boss/Base để dựng hình Sau khi vẽ xong, ta tiến hành đo kích thước và xuất bản vẽ bằng cách nhấn Ctrl + P, chọn Page Setup và chọn size khổ giấy A4 tích vào mục Landscape để khổ giấy nằm ngang và chọn OK
Hình 4.7: Bản vẽ chi tiết cùm moay-ơ
Moay-ơ là bộ phận quan trọng trong hệ thống bánh xe của ô tô, giúp liên kết bánh xe với khung xe để đảm bảo hoạt động hiệu quả Vòng bi moay-ơ đóng vai trò then chốt trong việc kết nối bánh xe, giữ cho xe di chuyển êm ái và an toàn Vai trò chính của moay-ơ là duy trì sự cân bằng cho xe, góp phần nâng cao trải nghiệm lái xe.
Thanh răng liên kết trực tiếp với bánh răng và 2 đầu thanh răng nối với thanh dẫn động
Có chức năng chính chuyển đổi chuyển động xoay của bánh răng thành chuyển động thẳng, tăng khả năng giảm tốc, ổn định góc quay vô lăng.
Hình 4.8: Bản vẽ chi tiết thanh răng
Hình 4.9: Bản vẽ thanh dẫn động
Thanh dẫn động được kết nối với các đầu thanh răng trên trục quay, giúp chuyển đổi chuyển động quay của vô lăng thành chuyển động tịnh tiến cần thiết để xoay góc bánh xe khi đánh lái vào cua Cấu trúc hình học của các thanh dẫn động lái cho phép bánh xe phía bên trong quay nhiều hơn so với bánh xe phía bên ngoài, tối ưu hóa khả năng điều khiển khi vào khúc cua.
Hình 4.10: Bản vẽ bánh răng
Bánh răng hình tròn được kết nối trực tiếp với trục tay lái, khi xoay vô lăng, bánh răng quay và kéo theo thanh răng Thanh nối ở hai đầu răng gắn liền với cánh tay đòn trục xoay, giúp chuyển đổi chuyển động của vành tay lái thành chuyển động thẳng để điều chỉnh hướng xe, giảm tốc và tăng lực, giúp bánh xe chuyển hướng dễ dàng và chính xác.
Hinh 4.11 Bản vẽ ro-tuyn lái
Ro-tuyn lái bao gồm hai loại chính: ro-tuyn lái trong và ro-tuyn lái ngoài Ro-tuyn lái trong hoạt động như cánh tay đòn, với một đầu cơ động có khả năng xoay tròn để kết nối với thước lái Trong khi đó, ro-tuyn lái ngoài được gắn vào ngỗng moay-ơ, đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng và điều khiển bánh xe Thiết kế này cho phép chuyển động linh hoạt và êm ái, nhờ vào lớp cao su bảo vệ trục khớp bên trong ro-tuyn.
Sau khi nhận truyền động từ ro-tuyn lái trong, ro-tuyn lái ngoài sẽ chuyển đổi thành các cử động điều khiển ngỗng moay-ơ qua đầu ro-tuyn gắn vào moay-ơ Sự liên kết chặt chẽ giữa ro-tuyn lái ngoài và ro-tuyn lái trong đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru, giúp bánh xe dễ dàng chuyển hướng theo ý muốn.
4.1.6 Lắp ráp các chi tiết
- Đầu tiên chúng ta mở một File mới bằng cách ấn Ctrl + N, sau đó chọn môi trường
Assembly và nhấn OK Môi trường Assembly là môi trường lắp ghép các chi tiết lại với nhau
Trong môi trường Assembly này có các mối lắp ghép:
Coincident: Cho phép 2 mặt phẳng tiếp xúc với nhau
Parallel: Cho phép ghép hai mặt phẳng song song và cách nhau một khoảng d
Perpendicular: Cho phép ghép hai mặt phẳng vuông góc với nhau
Tangent: Cho phép ghép hai bề mặt tiếp xúc với nhau
Concentic: Cho phép hai bề mặt cong, côn đồng tâm với nhau
Hình 4.13: Các mối ghép trong SolidWorks
Để chọn các file chi tiết lắp ghép có sẵn, bạn hãy nhấn vào nút Browse, sau đó lựa chọn các file chi tiết cần thiết Bạn có thể chọn nhiều chi tiết cùng lúc bằng cách giữ phím Ctrl và chọn các file mong muốn, sau đó nhấn OK để xác nhận.
Hình 4.14: Các chi tiết cần lắp ghép
Để di chuyển các đối tượng trong phần mềm, bạn cần nhấn chuột vào đối tượng và kéo đến vị trí lắp ghép mong muốn Tiếp theo, chọn Mate và xác định bề mặt cần lắp ghép Để lắp cùm moay-ơ vào khung, hãy chọn Mate, sau đó chọn bề mặt lắp ghép và sử dụng mối lắp ghép Concentric để đảm bảo hai mặt tròn tiếp xúc chính xác Lặp lại quy trình này cho ba chi tiết còn lại Sau khi hoàn tất việc lắp moay-ơ vào khung xe, bạn có thể tiếp tục lấy các chi tiết khác để thực hiện lắp ghép.
Hinh 4.15: Lắp cùm moay-ơ vào khung xe Chọn Insert ComponentsBrowse để lấy chi tiết lắp ghépnhấn Open để thả chi tiết ra môi trường Assembly Tiếp theo là lắp thanh răng vào khung xe, ta chọn Matechọn mối ghép Tangent để cho mặt lưng của thanh răng tiếp xúc với bề mặt của khung xe Sau khi hai mặt phẳng tiếp xúc với nhau, chọn Matechọn phần mặt dưới của thanh răng để tiếp xúc với phần khung xe để chúng ghép lại với nhau Sau khi lắp xong thanh răng, ta bắt đầu cho bánh răng ăn khớp với thanh răng bằng cách chọn MateMechanicalRack Pinion và chọn mặt tiếp xúc của bánh răng và thanh răng
Hình 4.16: Lắp thanh răng, bánh răng và thanh dẫn động lái
