TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Ngành công nghệ kỹ thuật ô tô hiện đại ngày càng chú trọng đến tính an toàn và tiện nghi, nhằm mang lại trải nghiệm thoải mái cho người tiêu dùng Hệ thống lái đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi và ổn định hướng di chuyển của ô tô, ảnh hưởng trực tiếp đến tính an toàn chủ động Nhờ vào sự phát triển của công nghệ, hệ thống lái trên các dòng xe hiện đại ngày càng được cải tiến và nâng cao.
Việc ứng dụng công nghệ điện tử vào hệ thống lái – Hệ thống lái Steer by wire
SBW là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao an toàn di chuyển cho ô tô, đồng thời mang lại sự thoải mái và linh hoạt cho người lái Hệ thống này còn đáp ứng hiệu quả các yêu cầu cho những chiếc xe ô tô tự lái trong tương lai.
Việc ứng dụng công nghệ điện tử vào hệ thống treo khí nén điện tử đánh dấu bước tiến lớn trong phát triển công nghệ xe điện, giúp hoàn thiện hệ thống treo hoàn toàn bằng điện tử Điều này không chỉ nâng cao tính tiện lợi mà còn tăng cường sự linh động cho các mẫu ô tô thế hệ mới.
Nghiên cứu và cải tiến hai hệ thống này có ý nghĩa quan trọng, tạo nền tảng cho sự phát triển công nghệ ô tô trong tương lai Điều này không chỉ đảm bảo an toàn cho người sử dụng mà còn thúc đẩy công nghệ điều khiển điện, góp phần bảo vệ môi trường - một vấn đề cấp thiết và ưu tiên hàng đầu, đồng thời nâng cao hiệu suất sử dụng xe.
Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh các dây chuyền sản xuất ô tô hiện đại ngày càng phát triển, nhiều giáo sư và tiến sĩ trong và ngoài nước đang nỗ lực nghiên cứu và hoàn thiện hệ thống lái SBW, đóng vai trò quan trọng cho sự phát triển công nghệ lái tự động trong tương lai Công nghệ lái này dự kiến sẽ trở thành xu hướng phổ biến trên các phương tiện vận tải tại các thành phố lớn Bên cạnh đó, hệ thống treo cũng giữ vai trò quan trọng trong hiệu suất của ô tô, với một trong những bước tiến đáng kể là hệ thống treo khí nén điện tử Do đó, việc nghiên cứu hệ thống lái và hệ thống treo là rất cần thiết cho sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp ô tô.
Hệ thống treo khí nén điện tử và SBW không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn quan trọng, góp phần xây dựng nền tảng cốt lõi cho sự phát triển ô tô và các thiết bị máy móc khác, đồng thời mở ra con đường cho việc làm chủ công nghệ trong tương lai.
Tình hình nghiên cứu của đề tài
Công nghệ điện tử X-by-wire được áp dụng trong ô tô cho nhiều hệ thống như động cơ phun nhiên liệu trực tiếp, phanh điện tử, treo chủ động và lái trợ lực điện Việc ứng dụng công nghệ này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm nâng cao tính tiện nghi, cải thiện hiệu suất, tăng độ tin cậy và an toàn, cũng như giảm chi phí sản xuất và vận hành Hơn nữa, công nghệ này đánh dấu một bước tiến lớn cho ngành công nghệ ô tô, nhờ vào tính tối ưu và khả năng sử dụng năng lượng điện, góp phần vào sự phát triển của ô tô điện trong tương lai.
Xu hướng phát triển hệ thống lái ô tô hiện nay là chuyển sang công nghệ Steer-By-Wire, loại bỏ hoàn toàn trục lái cơ khí Hệ thống này không chỉ cải thiện an toàn mà còn nâng cao hiệu suất điều khiển, do đó cần được nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa và đảm bảo độ an toàn trong thực tế Steer-By-Wire sử dụng bộ chấp hành dẫn hướng như động cơ điện và thủy lực, kết hợp với bộ điều khiển điện tử bao gồm cảm biến và ECU Nghiên cứu chuyển đổi từ hệ thống lái truyền thống sang Steer-By-Wire mang tính ứng dụng cao, liên quan đến động lực học và điều khiển tối ưu, góp phần nâng cao công nghệ ô tô và tạo ra giá trị lớn cho ngành.
Năm 2013, Nissan đã giới thiệu hệ thống lái SBW trên mẫu xe Infiniti Q50, đánh dấu bước tiến mới trong công nghệ lái xe Hệ thống này không sử dụng trụ lái và bao gồm các thành phần chính như cảm biến lực đánh lái, bộ ly hợp, hộp điều khiển và động cơ trợ lực Mặc dù cần thêm đánh giá từ người dùng và cải tiến từ nhà sản xuất, nhưng đây là dấu hiệu tích cực cho sự phát triển công nghệ lái xe trong tương lai.
Hệ thống lái điện tử Steer by wire cho phép điều khiển xe thông qua tín hiệu điện tử và truyền động thủy lực, thay vì sử dụng các kết nối cơ khí truyền thống Mặc dù công nghệ Drive by wire đã được các nhà sản xuất ô tô nghiên cứu và phát triển từ lâu, nhưng vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong thực tế.
3 thử nghiệm, và vẫn chưa có nhà sản xuất này áp dụng vào xe thương mại để có thể đưa đến tay người dùng
Khi ô tô di chuyển trên những con đường không bằng phẳng, xe thường phải chịu tải trọng dao động do bề mặt đường gồ ghề, điều này không chỉ làm giảm tuổi thọ của xe mà còn gây cảm giác khó chịu cho hành khách Nghiên cứu cho thấy, việc tiếp xúc lâu dài với dao động từ ô tô có thể dẫn đến các vấn đề về thần kinh và não bộ Do đó, tính êm ái trong chuyển động là một trong những tiêu chí quan trọng cần được xem xét khi đánh giá chất lượng xe.
Hệ thống treo của xe con hiện đại đóng vai trò quyết định trong việc giảm rung xóc khi di chuyển trên đường không bằng phẳng Có hai loại hệ thống treo chính: hệ thống treo phụ thuộc và hệ thống treo độc lập, mỗi loại có cấu tạo khác nhau nhưng đều nhằm mục đích tạo điều kiện cho bánh xe dao động theo phương thẳng đứng, đồng thời tránh dao động lắc ngang và lắc dọc Để tối ưu hóa hiệu suất, cần có sự cân bằng giữa độ mềm và độ cứng của hệ giảm chấn; nếu quá mềm sẽ gây ra rung động đàn hồi, trong khi quá cứng sẽ làm xe bị xóc mạnh Do đó, hệ thống treo khí nén - điện tử đã được phát triển để kết hợp những ưu điểm này.
Hệ thống treo ôtô, bao gồm nhíp lá và lò xo xoắn, đã xuất hiện từ lâu nhưng chưa đáp ứng được yêu cầu về độ êm ái cho xe con Hệ thống treo khí nén, ra đời từ những năm 1950 cùng với hệ thống treo McPherson, sử dụng gối cao su chứa khí nén thay vì lò xo truyền thống Tuy nhiên, do công nghệ vật liệu thời kỳ đó chưa đủ mạnh, lò xo xoắn và nhíp lá vẫn được sử dụng Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ vật liệu và kỹ thuật cơ - điện tử, hệ thống treo khí nén điện tử EAS đã ra đời, phục vụ cho các dòng xe cao cấp như Audi và Lexus Hệ thống này vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển nhằm cải thiện những hạn chế của các phiên bản trước, đồng thời áp dụng công nghệ mới để tối ưu hóa trải nghiệm lái và cảm giác ngồi cho người sử dụng.
Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống lái trợ lực điện không trụ lái Steer By Wire
Hệ thống treo khí nén điện tử EAS.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và tính toán động lực học trên hệ thống lái Steer By Wire áp dụng trên xe Nissan Infiniti Q50
Nghiên cứu lý thuyết và tính toán động lực học trên hệ thống treo khí nén điện tử EAS áp dụng trên xe Mitsubishi Pajero 2020.
Ý nghĩa khoa học của nghiên cứu
Bài nghiên cứu này trình bày tổng quan về hệ thống lái Steer By Wire và hệ thống treo khí nén điện tử, những công nghệ đang được phát triển mạnh mẽ trong hiện tại và dự kiến sẽ có nhiều ứng dụng trong tương lai gần.
Xây dựng mô hình động lực học và thực hiện tính toán dựa trên các thông số chính xác của hệ thống lái Steer By Wire và hệ thống treo khí nén điện tử tích hợp, đã được ứng dụng trên các dòng xe hiện đại.
Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu
Hệ thống lái SBW điện tử tích hợp và hệ thống treo khí nén điện tử EAS trên ô tô đã trải qua các thử nghiệm không tải, có tải tại chỗ và vận hành trên đường giao thông nội bộ Mặc dù chưa được ra mắt và sản xuất rộng rãi, nhưng chúng đóng vai trò quan trọng trong việc giới thiệu và mở ra tầm nhìn cho công nghệ ô tô hiện đại trong tương lai.
Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng cho việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ
Nghiên cứu mới đang mở ra hướng chuyển đổi từ hệ thống lái ô tô thông thường sang hệ thống lái điện tử (SBW), đồng thời phát triển hệ thống treo khí nén điện tử hướng tới việc điều khiển hoàn toàn bằng điện tử Điều này góp phần quan trọng vào sự tiến bộ của công nghệ xe điện trong tương lai.
Phương pháp thực hiện
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các bài báo khoa học liên quan đến những cập nhật mới nhất trong công nghệ hiện đại, đặc biệt là hệ thống lái Steer By Wire và hệ thống treo khí nén điện tử EAS.
Chọn lọc và phân tích nội dung nghiên cứu phù hợp
Tổng hợp tài liệu và tính toán sơ bộ về hệ thống.
Đóng góp của nghiên cứu
Hệ thống lái Steer By Wire và hệ thống treo khí nén điện tử EAS là hai công nghệ tiên tiến trong ngành ô tô, mang lại hiệu suất và trải nghiệm lái xe tối ưu Steer By Wire hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển điện tử, loại bỏ cơ cấu truyền động cơ học, giúp tăng cường độ chính xác và linh hoạt trong việc điều khiển Trong khi đó, hệ thống treo khí nén điện tử EAS sử dụng công nghệ điều khiển điện tử để điều chỉnh độ cứng và chiều cao của hệ thống treo, mang lại sự êm ái và ổn định cho xe Cả hai hệ thống này đều thể hiện sự tiến bộ trong thiết kế ô tô, hướng đến việc nâng cao an toàn và tiện nghi cho người lái.
Mô hình động lực học đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả và giới thiệu hệ thống lái Steer By Wire cùng với hệ thống treo khí nén điện tử EAS, hiện đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG LÁI VÀ HỆ THỐNG TREO 5 2.1 Cơ sở lý thuyết về hệ thống lái
Tổng quan về hệ thống lái
Hệ thống lái là hệ thống điều khiển hướng chuyển động của xe, nên hệ thống lái có các công dụng sau:
Hệ thống lái của xe có chức năng điều chỉnh hướng chuyển động bằng cách quay các bánh xe dẫn hướng, giúp duy trì phương chuyển động thẳng hoặc chuyển động cong khi cần thiết.
- Tạo ra momen quay vòng khi xe chuyển động trên đường vòng, momen này phát sinh nhờ phản lực bên khi quay bánh xe dẫn hướng
Việc quay vòng xe hiện nay có thể được thực hiện bằng các phương pháp sau đây:
+ Thay đổi phương chuyển động của các bánh xe dẫn hướng:
Phương pháp quay vòng bằng cách thay đổi phương chuyển động của các bánh xe dẫn hướng là phương pháp phổ biến nhất trong cơ cấu lái ô tô Trong phương pháp này, bánh xe dẫn hướng quay quanh trụ đứng, với các trục bánh xe cắt nhau tại một điểm gọi là tâm quay vòng tức thời Hầu hết các cơ cấu dẫn động lái cơ khí không đảm bảo góc quay chính xác cho các bánh xe, mà chỉ cung cấp giá trị gần đúng; điều này có nghĩa là khi bán kính quay vòng nhỏ, tính linh hoạt của xe sẽ cao hơn Để nâng cao tính linh hoạt, thiết kế hiện nay thường cho phép cả bánh xe phía trước và bánh xe phía sau đều có khả năng dẫn hướng.
Phương pháp quay vòng theo kiểu xe xích cho phép truyền lực với các momen quay khác nhau tới các bánh xe dẫn hướng bên phải và bên trái Bằng cách sử dụng phanh hãm để kiểm soát bánh xe dẫn hướng phía trong, phương pháp này tạo ra bán kính quay vòng linh hoạt Kết quả là xe có khả năng quay quanh một điểm một cách dễ dàng, nâng cao tính linh hoạt và khả năng điều khiển của phương tiện.
Để thực hiện các yêu cầu này, cấu trúc của bộ phận dẫn động lái và bộ phận truyền lực rất phức tạp Khuyết điểm lớn nhất của phương pháp quay vòng là năng lượng cần thiết để thực hiện quay vòng rất cao, dẫn đến sự mài mòn lớn ở các chi tiết.
+ Phương pháp quay vòng các phần khác nhau của xe:
Quay một phần khung xe hoặc dầm cầu cho phép bánh xe phía ngoài xoay quanh tâm quay với bán kính lớn hơn bánh xe phía trong, trong khi vẫn giữ hai bánh song song Điều này được thực hiện nhờ khớp nối bản lề, cho phép xe quay vòng bằng cách gập quanh khớp nối Trong tình huống này, lực ngang tác dụng lên bánh xe là nhỏ nhất.
Phương pháp quay vòng tích hợp ba phương pháp khác nhau tạo nên một cấu trúc phức tạp cho các bộ phận Dù có độ phức tạp cao, ô tô sử dụng phương pháp này lại mang lại tính linh hoạt vượt trội.
Biện pháp quay vòng này thường được sử dụng trên các xe chuyên dụng, các loại máy kéo bánh xe có khung rời
Hệ thống lái giúp cho ôtô có thể:
+ Quay vòng bánh xe mà ít bị trượt bên
+ Lực trên vành lái hợp lý và tạo cảm giác đánh lái phù hợp
+ Đảm bảo ôtô có khả năng tự trở về trạng thái chuyển động thẳng
+ Giảm các va đập từ mặt đường lên vành lái tạo thuận lợi cho việc điều khiển chính xác hướng chuyển động
Cầu dẫn hướng chịu toàn bộ trọng lượng phía trước của ô tô, bao gồm động cơ, hộp số và khung xe Nó kết nối các bánh dẫn hướng với khung, đồng thời chịu đựng các lực tác động từ mặt đường lên khung xe.
Hệ thống lái có chức năng điều khiển hướng chuyển động của xe nên hệ thống lái có các yêu cầu sau:
Đảm bảo việc điều khiển xe dễ dàng, nhanh chóng và an toàn là rất quan trọng Các cơ cấu điều khiển bánh xe dẫn hướng cùng với quan hệ hình học của hệ thống lái cần được thiết kế sao cho không gây ra dao động và va đập trong quá trình điều khiển.
- Tay lái nhẹ, nghĩa là lực tác dụng lên vô lăng phải nhỏ
- Động lực học quay vòng đúng, quay vòng thật ngoặt trong một thời gian ngắn trên diện tích rất nhỏ
- Khi ra khỏi đoạn đường quay vòng, các bánh xe dẫn hướng phải tự động trả về trạng thái chuyển động thẳng ban đầu
- Hệ thống lái phía đặt trên phần được treo để kết cấu của hệ thống treo bánh trước không ảnh hưởng đến động học của cơ cấu lái
- Giảm tối thiểu lực truyền từ mặt đường lên hệ thống lái, để giảm lực đánh lái và ổn định chuyển động
- Đối với hệ thống lái có trợ lực, yêu cầu đặt ra khi có sự cố hư hỏng hệ thống trợ lực thì vẫn điều khiển xe được
Hệ thống lái ngày càng được hoàn thiện nhờ vào các yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn khi di chuyển.
Một số hệ thống lái thường gặp trên ô tô
2.1.2.1 Hệ thống lái thuần cơ khí
Hệ thống lái thuần cơ khí đã trải qua nhiều cải tiến, tập trung vào khả năng quay vòng ô tô nhanh chóng trong không gian hạn chế Những cải tiến này giúp giữ cho xe ổn định khi di chuyển thẳng, giảm lực tác động lên vành tay lái, và đảm bảo động lực quay vòng chính xác để tránh tình trạng trượt của bánh xe.
Hệ thống lái cơ khí đơn thuần bao gồm hai bộ phận chính: dẫn động lái và cơ cấu lái Cơ cấu lái có nhiệm vụ chuyển đổi momen giữa góc quay của bánh xe dẫn hướng và góc quay của vành lái lớn Dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến bánh xe dẫn hướng, đồng thời đảm bảo rằng các bánh xe này quay quanh trục đứng với vận tốc và góc quay khác nhau, giúp tránh hiện tượng trượt khi quay vòng.
Hình 2.1: Hệ thống lái thuần cơ khí
1.Vành tay lái; 2 Trục lái; 3 Cơ cấu lái;
4 Đòn quay đứng; 5 Thanh kéo dọc; 6 Tay đòn;
7 Thanh kéo ngang; 8 Cam quay; 9 Chốt chuyển hướng
+ Khả năng quay vòng ô tô trong thời gian ngắn nhất trên một diện tích bé
+ Giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng
+ Lực tác dụng lên vành tay lái nhỏ
+ Đã là chi tiết cơ khí thì khi sử dụng chắc chắn phải bảo trì – bảo dưỡng thường xuyên và có kết cấu phức tạp
Người lái xe cần sử dụng toàn bộ năng lượng của mình để quay vòng bánh xe trong khi di chuyển, đồng thời phải đối mặt với những phản hồi không mong muốn từ mặt đường, điều này dẫn đến cảm giác mệt mỏi khi lái.
Quỹ đạo chuyển động quay vòng của xe bị ảnh hưởng bởi góc quay của thân xe và tình trạng đánh lái Hệ thống lái hiện tại chỉ tập trung vào góc quay dẫn hướng bánh xe theo vô lăng, do đó, sự dịch chuyển của thân xe, đặc biệt khi đánh lái ở tốc độ cao, trở nên rõ rệt và khó kiểm soát.
Việc chưa tối ưu hóa khối lượng và kích thước của các chi tiết cơ khí dẫn đến cấu trúc cồng kềnh và nặng nề, chiếm nhiều không gian bố trí Điều này làm tăng khả năng va đập trong trường hợp xảy ra sự cố, gây ảnh hưởng rõ rệt đến người sử dụng.
2.1.2.2 Hệ thống lái có trợ lực
Với nhu cầu ngày càng tăng về tải trọng và vận chuyển, ôtô hiện đại được thiết kế lớn hơn, nặng hơn và có công suất cao hơn, dẫn đến việc nhiều xe sử dụng lốp lớn hơn.
Việc sử dụng hệ thống lái thông thường có thể khiến việc điều khiển tay lái trở nên khó khăn do lực tác động lớn lên vô lăng Để khắc phục vấn đề này, hệ thống trợ lực lái được thiết kế nhằm cải thiện độ êm ái trong chuyển động.
Hệ thống trợ lực lái cho phép người lái chỉ cần một lực nhỏ để điều khiển vành tay lái, mang lại sự nhạy bén và dễ dàng trong việc kiểm soát chuyển động của xe, đặc biệt là đối với những xe có khối lượng lớn.
Có nhiều loại trợ lực lái:
- Trợ lực lái loại thủy lực
- Trợ lực lái loại điều khiển bằng điện
- Trợ lực điện – thủy lực
Trên các xe ô tô tải trọng lớn, xe du lịch cao cấp và các xe khách hiện đại thường có trang bị trợ lực lái để:
+ Giảm nhẹ lao động cho người lái
+ Tăng an toàn cho chuyển động
Khi xe di chuyển với tốc độ cao và một bên lốp bị thủng, hệ thống trợ lực lái giúp người lái duy trì khả năng điều khiển, giữ cho ô tô ổn định trên đường và ngăn không cho xe bị lệch sang một bên.
Việc sử dụng trợ lực lái có thể dẫn đến một số nhược điểm như lốp xe mòn nhanh hơn do việc lạm dụng trợ lực khi quay vòng tại chỗ Hơn nữa, hệ thống lái trở nên phức tạp hơn và yêu cầu khối lượng công việc bảo dưỡng tăng lên.
Trợ lực lái phải đảm bảo các yêu cầu chính sau:
+ Khi trợ lực lái hỏng thì hệ thống lái vẫn làm việc bình thường cho dù lái nặng hơn + Thời gian chậm tác dụng nhỏ
+ Đảm bảo sự tỷ lệ giữa góc quay vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng
+ Khi sức cản quay vòng tăng lên thì lực yêu cầu tác dụng lên vô lăng cũng tăng theo, tuy vậy không được vượt quá 100 ÷ 150 N
+ Không xảy ra hiện tượng tự trợ lực khi xe đi qua chỗ lồi lõm, rung xóc
Khi một bánh xe dẫn hướng bị hỏng hoặc bị nổ, người lái cần phải biết cách phanh gấp mà vẫn giữ được hướng di chuyển của xe Việc này đòi hỏi kỹ năng điều khiển tốt để đảm bảo an toàn và ổn định cho phương tiện trong tình huống khẩn cấp.
2.1.2.2.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực (Hydraulic Power Steering)
Hệ thống lái trợ lực (HPS) là sự cải tiến vượt bậc của hệ thống lái cơ khí, giúp hỗ trợ một phần năng lượng cho người lái, mang lại cảm giác thoải mái khi điều khiển xe Tùy thuộc vào thiết kế và chế độ vận hành của xe, bộ trợ lực có thể cung cấp tới 80% năng lượng cần thiết cho việc đánh lái Việc trang bị HPS giúp giảm thiểu năng lượng tiêu hao khi quay vòng và hạn chế va đập từ bánh xe lên vô lăng, đồng thời nâng cao tính năng an toàn khi bánh xe gặp sự cố Đây là những ưu điểm nổi bật của hệ thống lái trợ lực thủy lực.
Ngoài các bộ phận chính đã nêu ở phần trên, trong hệ thống trợ lực này còn có các bộ phận chính sau:
Ngoài các bộ phận chính trên, hệ thống này còn có bình dầu, van điều khiển lưu lượng, bộ làm mát dầu…
Hình 2.2: Sơ đồ bố trí hệ thống lái với trợ lực lái thủy lực
Khi không tác động vào vô lăng, dầu từ bơm được cấp đến van điều khiển, mở van để cung cấp dầu cho hai buồng xilanh bên trái và bên phải, đồng thời dầu hồi trở về bơm Vì áp suất trong hai buồng xilanh gần như bằng nhau, nên không xảy ra sự dịch chuyển của piston, dẫn đến việc không có trợ lực lái.
Khi điều khiển vô lăng sang một bên, van điều khiển mở ra bên đó và đóng lại bên kia, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hai buồng Sự chênh lệch này khiến piston di chuyển về buồng có áp suất thấp, đồng thời giúp dầu hồi lại về bơm.
Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động của trợ lực lái bằng thủy lực
Tỷ lệ trợ lực của hệ thống lái cần được điều chỉnh phù hợp với điều kiện di chuyển và góc đánh lái Cụ thể, khi xe di chuyển với tốc độ thấp, cần nhiều trợ lực, trong khi ở tốc độ cao, trợ lực cần được hạn chế Tại vị trí trung hòa của vô lăng, tức là khi xe chạy thẳng, lượng trợ lực cần thiết là ít, nhưng khi đánh lái xa khỏi vị trí này, tỷ lệ trợ lực sẽ tăng lên Do đó, hệ thống trợ lực thủy lực cần được thiết kế để thay đổi tỷ lệ trợ lực dựa trên hai yếu tố chính: góc đánh lái và vận tốc xe.
Cơ sở lý thuyết về hệ thống treo
2.2.1 Giới thiệu hệ thống treo Độ êm ái và thoải mái là một trong những yếu tố được quan tâm hàng đầu của nhiều khách hàng khi chọn mua ô tô Có nhiều tác nhân và thành phần ảnh hưởng đến độ thoải mái của một chiếc xe, trong đó tác nhân đầu tiên và quan trọng nhất chính là hệ thống treo của xe
Khi ô tô di chuyển, bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đường, và nếu trục bánh xe liên kết cứng với thùng xe, thùng xe sẽ bị ảnh hưởng bởi các biến đổi của mặt đường, dẫn đến tải trọng động lớn Tải trọng này không chỉ làm giảm tính tiện nghi cho hành khách mà còn ảnh hưởng đến độ bền kết cấu và an toàn giao thông Để giảm thiểu những tác động tiêu cực này, ô tô được trang bị bộ phận đàn hồi giữa thùng xe và bánh xe, giúp cải thiện khả năng liên kết và giảm thiểu rung lắc.
Bánh xe có khả năng dịch chuyển tương đối so với thùng xe, giúp giảm tải trọng động tác lên thùng xe theo phương thẳng đứng Điều này có thể hiểu là thùng xe được "treo" trên bộ phận đàn hồi, tạo sự linh hoạt và êm ái trong quá trình di chuyển.
Hình 2.13: Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống treo
Ô tô có thể được phân chia thành hai phần chính: phần được treo và phần không được treo, với bộ phận đàn hồi đóng vai trò kết nối giữa chúng Mối liên kết mềm của hệ thống treo được mô tả một cách đơn giản và thể hiện rõ ràng trong hình ảnh đi kèm.
Phần treo của xe bao gồm khung xe, thùng xe, hàng hóa hoặc hành khách, cùng các hệ thống lắp trên khung, trong khi phần không treo bao gồm bánh xe và cầu xe Khối lượng được treo và không được treo là hai khái niệm quan trọng trong cơ cấu này Khi xe di chuyển trên mặt đường không bằng phẳng, sự dao động xảy ra giữa phần treo và không treo theo phương thẳng đứng do tác động của mặt đường.
Chuyển động êm dịu theo phương thẳng đứng của xe phụ thuộc vào khối lượng các bộ phận trong hệ thống treo và độ cứng của bộ phận đàn hồi Điều này cho thấy sự ảnh hưởng của cấu trúc ô tô và hệ thống treo đến trải nghiệm lái xe.
Hình 2.14: Hệ thống treo trên ô tô
Hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định cho xe khi di chuyển với tốc độ cao, quay vòng hoặc phanh đột ngột Cơ cấu giảm chấn giúp hấp thụ rung động từ mặt đường, chuyển hóa chúng thành năng lượng khác, mang lại cảm giác êm ái cho hành khách trên xe.
Khi ô tô di chuyển trên đường, thân xe phải chịu tác động của nhiều lực, dẫn đến dao động theo các phương nhất định Điều này ảnh hưởng đến người ngồi trong xe, gây ra những tình trạng không tốt cho sức khỏe Do đó, cần thiết phải có một hệ thống liên kết linh hoạt giữa thân xe và bánh xe để giảm thiểu những tác động này.
Hệ thống treo xe cần đáp ứng đầy đủ các điều kiện động lực học trong quá trình di chuyển trên đường, cho phép các chuyển động tương đối giữa các bộ phận mà không gây biến dạng cho thân xe hay các chi tiết liên quan Do đó, hệ thống treo phải đảm bảo những yêu cầu cơ bản sau đây.
Hệ thống treo của xe cần được thiết kế phù hợp với điều kiện sử dụng và tính năng kỹ thuật, cho phép xe hoạt động hiệu quả trên cả nền đường tốt và các địa hình khác nhau.
Bánh xe có chuyển động không mong muốn hạn chế
Không gây tải trọng lớn tại các mối liên kết khung và vỏ
Quan hệ động học của bánh xe cần được thiết lập hợp lý để đảm bảo hệ thống treo hoạt động hiệu quả, giúp giảm chấn theo phương thẳng đứng mà không làm ảnh hưởng đến các quan hệ động học và động lực học của chuyển động bánh xe.
Ngoài các yêu cầu nêu trên, hệ thống treo phải đảm bảo các yêu cầu đặc biệt sau đây:
Có tần số dao động riêng của vỏ thích hợp, tần số dao động này được xác định bằng độ võng tĩnh (ft)
Có độ võng động (fđ) đủ để cho không sinh ra va đập lên các ụ đỡ cao su
Có độ dập tắt dao động của vỏ và bánh xe thích hợp
Khi quay vòng hoặc phanh thì ôtô không bị nghiêng trục đứng của bánh xe dẫn hướng không đổi
Đảm bảo cho chiều rộng cơ sở và góc đặt các trục đứng của bánh xe dẫn hướng không đổi
Đảm bảo cho sự tương ứng giữa động học các bánh xe và động học của truyền động lái
Hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của xe khi di chuyển, hoạt động đồng bộ với hệ thống lái và phanh Góc king-pin và caster được thiết kế thông qua khâu khớp của hệ thống treo, giúp cải thiện khả năng điều khiển vô lăng và bánh xe dẫn hướng Các phuộc giảm chấn và lò xo giảm xóc trong hệ thống treo có chức năng hấp thụ rung động từ mặt đường, nhanh chóng dập tắt dao động, mang lại cảm giác lái êm dịu và sự thoải mái cho hành khách.
2.2.2 Công dụng, yêu cầu và phân loại hệ thống treo
Hệ thống treo có những chức năng như sau:
● Hệ thống treo thực hiện các nhiệm vụ chung sau:
Liên kết mềm giữa bánh xe và thân xe giúp giảm tải trọng thẳng đứng tác động lên thân xe, đồng thời đảm bảo bánh xe lăn êm ái trên bề mặt đường.
Truyền lực từ bánh xe lên thân xe và ngược lại là yếu tố quan trọng giúp xe chuyển động, đồng thời đảm bảo sự điều chỉnh hợp lý vị trí của bánh xe so với thùng xe.
● Dập tắt nhanh các dao động của mặt đường tác động lên thân xe
Hệ thống treo của xe gồm các bộ phận có chức năng hấp thụ và dập tắt những dao động, rung động và va đập từ mặt đường, nhằm đảm bảo sự êm dịu trong chuyển động của xe.
● Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ thuật của xe (xe chạy trên đường tốt hay các loại đường khác nhau)
● Bánh xe có thể dịch chuyển trong một giới hạn nhất định
NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG LÁI STEER BY WIRE CỦA XE
Nghiên cứu về hệ thống lái SBW của xe Nissan Infiniti Q50 2013
Hệ thống lái không trục lái (SBW) lần đầu tiên được áp dụng trên xe Infiniti Q50 vào năm 2013, mang đến những đặc điểm kết cấu an toàn cho người sử dụng SBW sở hữu các thành phần đặc biệt, cho phép thay thế trục lái như trong hệ thống lái truyền thống Trong chương này, tôi sẽ phân tích cấu trúc của các bộ phận chính của hệ thống lái không trục lái, bao gồm cảm biến mô men, động cơ điện, hộp điều khiển (ECU) và cơ cấu lái.
3.1.1 Kết cấu và hoạt động của hệ thống
3.1.1.1 Giới thiệu chung về xe Infiniti Q50 2013
Infiniti là thương hiệu xe sang của công ty Nissan Motor, Nhật Bản, bắt đầu hoạt động sản xuất từ tháng 11/1989 tại Bắc Mỹ Hiện nay, Infiniti đã mở rộng thị trường toàn cầu, bao gồm Trung Đông, Hàn Quốc, Nga, Thụy Sĩ, Trung Quốc và Ukraine Đặc biệt, vào cuối năm 2008, Infiniti đã chính thức xâm nhập thị trường Châu Âu.
Infiniti hiện có 230 chi nhánh tại 15 quốc gia trên toàn cầu, bao gồm cả một đại lý chính thức tại Việt Nam Logo của hãng được thiết kế với hình ảnh một xa lộ hướng tới đường chân trời, kết hợp với biểu tượng thể hiện ý nghĩa “vô hạn”.
“con đường vô tận” nổi tiếng
Infiniti Q50 lần đầu tiên xuất hiện tại triển lãm ôtô quốc tế Bắc Mỹ 2013 ở Detroit, là mẫu xe thay thế cho Infiniti G sedan và nhỏ hơn mẫu Infiniti M Được xây dựng dựa trên nền tảng sedan thể thao, Q50 2013 không chỉ chú trọng vào hiệu suất mà còn tích hợp công nghệ tiên tiến Thiết kế của Infiniti Q50 thể hiện cam kết mạnh mẽ đối với khách hàng thông qua hệ thống giao diện Infiniti InTouch, định hướng thương hiệu này tới việc cung cấp trải nghiệm hiệu suất cao cấp độc đáo.
Bảng 3.1: Một số thông số kỹ thuật về xe Infiniti Q50 2013
Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
Chiều dài cơ sở 2.850 mm
Khoảng sáng gầm xe 150 mm Động cơ Xăng, 4 xylanh thẳng hàng
Công suất 211/5.500 Mã lực/ vòng/phút
Momen xoắn 350/3.500 Nm/ vòng/phút
Hộp số Tự động , 7 cấp
Tăng tốc từ 0-100km/h 7,2 Giây
3.1.1.2 Định nghĩa hệ thống lái Steer By Wire
Hệ thống Steer By Wire thay thế liên kết cơ học giữa thiết bị điều khiển như vô lăng và hệ thống lái bằng giao tiếp điện tử Theo tài liệu Steer By Wire (Bifet-Kul, 2001), các lực liên kết giữa điều khiển lái và thiết bị truyền động như thủy lực hoặc khí nén cũng được đề cập Tuy nhiên, định nghĩa này không được chấp nhận ở đây do sự khác biệt công nghệ và chức năng giữa các hệ thống Một hệ thống chỉ đạo cần có ít nhất một cảm biến để nhận diện đầu vào, một điều khiển điện tử với đơn vị tính toán lệnh lái, và một cơ cấu chấp hành để điều chỉnh góc hệ thống lái.
Độ chính xác trong vận hành phụ thuộc vào từng cá nhân với các yêu cầu cụ thể về thiết bị, chức năng, truyền động và phản hồi lái Để đảm bảo khả năng lái khi xảy ra lỗi hệ thống, cần thiết lập chế độ dự phòng rõ ràng, sử dụng các hệ thống điện thuần túy hoặc điện dự phòng, kết hợp với các giải pháp thủy lực, khí nén hoặc cơ khí.
3.1.1.3 Lịch sử của hệ thống lái Steer By Wire
Braess (2001) chỉ ra rằng từ những năm 1950, nhu cầu trên hệ thống lái đã tăng lên do công suất động cơ cao hơn, mặt đường được cải thiện và tốc độ xe tăng Để đáp ứng nhu cầu này, thiết kế hệ thống lái đã được cải tiến, bao gồm việc giới thiệu các công nghệ như lái điện thủy lực, trợ lực lái điện (EPS) và lái chồng lên nhau.
Hệ thống lái phía trước cho ô tô chở khách đang tiến tới sự phát triển của công nghệ Steer By Wire, dựa trên ý tưởng từ hệ thống fly-by-wire Các hệ thống này có thể bao gồm các phương pháp cơ khí, thủy lực, điện hoặc tích hợp dự phòng, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả cao trong việc điều khiển phương tiện.
Trong hai thập kỷ qua, nhiều nguyên mẫu nghiên cứu và xe concept với hệ thống lái bằng dây cáp đã được phát triển Một trong số đó là Saab 9000, chiếc xe với thiết kế độc đáo, sử dụng cần điều khiển có phản hồi lực, được giới thiệu vào năm 1991 Khái niệm thanh bên, ban đầu được thiết kế cho máy bay quân sự, cho phép di chuyển theo hướng bên, kết hợp với hệ thống lò xo-van điều tiết và động cơ điện để cung cấp lực phản hồi hiệu quả.
Chiếc DaimlerChrysler F200 Imagination, ra mắt tại Paris Motor Show năm 1996, là một mẫu xe nghiên cứu với hệ thống lái thay thế bằng hai thanh bên thủy lực Nghiên cứu của Eckstein (2000) đã tập trung vào các thuật toán điều khiển và yếu tố con người trong nguyên mẫu Mercedes-Benz SL500 (R129) với hai cần điều khiển Các lệnh điều khiển cho lái, ga và phanh dựa trên bộ truyền lực, trong khi thanh bên cung cấp phản hồi tích cực theo hướng bên và là isometric theo chiều dọc Năm 2002, General Motors giới thiệu GM Hywire, một khái niệm lái bằng dây cáp, cho phép điều khiển bằng cách lướt lên hoặc xuống tay nắm, mang lại cảm giác giống như vô lăng thông thường Đến năm 2003, DaimlerChrysler đã giới thiệu sản phẩm Steer By Wire đầu tiên trong F500 Mind tại Triển lãm Ô tô Tokyo.
3.1.1.4 Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống lái SBW
Hệ thống lái SBW, như thể hiện trong Hình 3.2, sử dụng hai động cơ điện làm bộ chấp hành để quay bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải Mỗi động cơ được trang bị bộ điều khiển riêng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong việc điều khiển hướng di chuyển.
Hệ thống điều khiển điện tử bao gồm 27 thành phần riêng biệt, cho phép điều chỉnh các góc quay của bánh dẫn hướng trái và phải, đảm bảo động lực học quay vòng chính xác cho ô tô, loại bỏ hiện tượng hình thang lái Cụm ly hợp được thiết kế để đảm bảo an toàn trong trường hợp xảy ra hư hỏng hệ thống, trong khi một động cơ điện cung cấp cảm giác lái mượt mà và bộ điều khiển giúp tối ưu hóa hiệu suất.
Hình 3.2: Hệ thống lái SBW có 3 động cơ điện
Hệ thống lái SBW sử dụng một động cơ điện để quay cơ cấu lái bánh răng thanh răng, thông qua hình thang lái, nhằm điều khiển các bánh xe dẫn hướng Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến và điều chỉnh hoạt động của động cơ điện.
Hình 3.3: Hệ thống lái SBW có 1 động cơ điện
Hệ thống lái SBW, như mô tả trong Hình 3.4, sử dụng động cơ điện để quay cơ cấu lái Hệ thống này bao gồm một bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến, từ đó điều chỉnh hoạt động của động cơ điện Mô hình này đã được chọn để nghiên cứu trong bài viết.
Hình 3.4: Hệ thống lái SBW trợ lực thủy lực
3.1.1.5 Chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW
Hệ thống lái Steer by wire (SBW) là công nghệ hiện đại thay thế trục lái cơ khí truyền thống bằng bộ chấp hành lái sử dụng hai động cơ điện một chiều Một động cơ tạo cảm giác lái, trong khi động cơ còn lại thực hiện việc quay cơ cấu lái Bộ điều khiển điện tử nhận tín hiệu từ cảm biến góc trên vành lái và cơ cấu lái, từ đó điều khiển hoạt động của các động cơ điện một chiều.
Hình 3.5: Chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW a) Hệ thống lái SBW b) Hệ thống lái thông thường
Nghiên cứu về hệ thống treo khí nén điện tử EAS áp dụng trên xe Mitsubishi
3.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống trên xe
3.2.1.1 Giới thiệu xe MITSUBISHI PAJERO SPORT 2020
Hình 3.15: Xe Mitsubishi Pajero Sport 2020
Mitsubishi Pajero Sport 2020 được trang bị hệ thống treo chắc chắn và khoảng sáng gầm 218mm, giúp xe vượt qua địa hình khó khăn một cách dễ dàng Bán kính quay vòng tối thiểu 5,6m là điểm cộng lớn, mang lại sự linh hoạt khi di chuyển trong thành phố Khả năng vận hành mạnh mẽ của Pajero Sport, với “Mã gen SUV” và “Chất-Mitsubishi”, đã được khẳng định qua những cuộc đua Rally khắc nghiệt Xe sử dụng động cơ với công nghệ điều khiển van biến thiên điện tử, cho công suất 181PS tại 3.500v/ph và mô-men xoắn cực đại 430Nm tại 2.500v/ph Động cơ hợp kim nhôm giúp tối ưu trọng lượng và phân bổ hợp lý giữa cầu trước và cầu sau, mang lại sự ổn định trong vận hành Tỷ số nén thấp giúp giảm rung động, tăng cường sự êm ái Động cơ 2.4L DIESEL MIVEC kết hợp với hộp số tự động 8 cấp và chế độ thể thao, mang đến trải nghiệm chuyển số mượt mà và phấn khích cho người lái, đặc biệt khi cần tăng tốc hoặc vượt xe trên đường đèo dốc.
Mitsubishi Pajero Sport 2020 được trang bị hệ thống truyền động 2 cầu Super Select 4WD-II, nổi bật với khả năng vận hành linh hoạt và an toàn Khác với hệ dẫn động 4WD gián đoạn, Super Select 4WD-II cho phép người lái sử dụng chế độ 2 cầu mà không lo trượt bánh khi đánh lái nhờ vào vi sai trung tâm, giúp triệt tiêu độ lệch tốc giữa cầu trước và cầu sau Hệ thống này cung cấp 4 chế độ gài cầu (2H-4H-4HLc-4LLc), cho phép Pajero Sport vận hành tiết kiệm với chế độ 1 cầu (2H) và linh hoạt trong điều kiện đường mưa trơn trượt như một mẫu xe AWD, đồng thời tự tin chinh phục địa hình phức tạp, offroad.
43 các chế độ gài cầu 4HLc (2 cầu nhanh với khóa vi sai trung tâm) hoặc 4LLc (2 cầu chậm với khóa vi sai trung tâm)
Bảng 3.2: Bảng thông số kĩ thuật của xe Mitsubishi Pajero Sport 2020
Thông số GT 2WD GT Premium
Chiều dài cơ sở (mm) 2.800
Bán kính vòng quay tối thiểu (mm)
Dung tích bình nhiên liệu
68 Động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng, DOHC 16V MIVEC VG
Dung tích động cơ (cc) 2.442
Hệ dẫn động 2WD 2 cầu Super Select 4WD-II
Hệ thống treo trước Độc lập, tay nhún kép, lò xo cuộn với thanh cân bằng
Hệ thống treo sau Lò xo liên kết 3 điểm với thanh cân bằng
Phanh trước/ sau Đĩa thông gió
Mâm xe 18 inch, 2 tông màu
3.2.1.2 Lịch sử hình thành hệ thống treo
Hệ thống treo ô tô ban đầu chỉ bao gồm các bộ phận như lò xo và nhíp lá, nhưng sau này đã được cải tiến bằng cách sử dụng các gối cao su chứa khí nén Dù vậy, hệ thống này vẫn chưa đáp ứng đủ yêu cầu về khả năng giảm xóc và tạo sự êm ái cho xe.
Lịch sử phát triển hệ thống treo thủy lực trên ô tô bắt đầu từ năm 1954 với chiếc ô tô đầu tiên trang bị công nghệ này Mô hình này sử dụng các phần tử hấp thụ va chạm thủy lực thay vì lò xo ở phần sau, mang lại hiệu suất vượt trội Sự cải tiến này sau đó đã được áp dụng trong các mẫu xe DS, đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô.
Các nhà thiết kế xe hơi đã áp dụng công nghệ vật liệu và kỹ thuật cơ - điện tử để phát triển hệ thống treo khí nén điện tử, mang lại hiệu suất cải tiến vượt trội.
Hệ thống treo khí điều khiển điện tử cho phép điều chỉnh lực giảm chấn, độ cứng lò xo và độ cao xe, đồng thời tích hợp chức năng dự phòng và chẩn đoán Được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1989 trên xe LEXUS LS400, hệ thống này mang lại sự tiện lợi và hiệu suất vượt trội cho người sử dụng.
3.2.2 Khái niệm và nguyên lí hoạt động hệ thống treo khí nén điện tử
Hệ thống treo khí nén điện tử bao gồm các thành phần chính như giảm xóc khí nén tự động điều chỉnh độ giảm chấn, cảm biến gia tốc của xe, ECU (hộp điều khiển điện tử), cảm biến độ cao của xe, cụm van phân phối và cảm biến áp suất khí nén, máy nén khí, bình chứa khí nén và đường dẫn khí Các thành phần này phối hợp chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất và sự ổn định của hệ thống treo.
Hệ thống treo khí nén tự động thay thế lò xo bằng khí nén điện tử, giúp điều chỉnh độ cao của xe khi cần thiết Các van khí nén tại xi lanh nạp hoặc xả khí tương ứng với tình trạng của xe, giảm lực tác động lên bánh xe nhờ vào đệm khí cao su nhẹ Khi xe vào cua, hệ thống tự động điều chỉnh để phù hợp với độ nghiêng và tốc độ, nâng cao tính linh hoạt và an toàn cho người lái.
Hệ thống treo khí nén - điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý đàn hồi của không khí khi bị nén, mang lại ưu điểm vượt trội trong việc giảm chấn và hấp thụ rung động, tạo cảm giác êm dịu hơn so với lò xo kim loại Hệ thống cho phép điều chỉnh độ cao sàn xe và độ cứng của lò xo giảm chấn một cách linh hoạt Máy nén cung cấp khí đến từng xi lanh qua các đường dẫn riêng, làm tăng độ cao xe tương ứng với lượng khí cấp vào Khi không khí được giải phóng qua các van, độ cao xe sẽ giảm Mỗi xi lanh khí nén được trang bị van điều khiển hoạt động theo chế độ bật - tắt, cho phép nạp hoặc xả khí theo lệnh của ECU Nhờ vào sự điều khiển của ECU, độ cứng và độ đàn hồi của từng giảm chấn trên các bánh xe có thể tự động điều chỉnh theo điều kiện mặt đường, giúp duy trì chiều cao ổn định cho xe.
Tổ hợp chế độ "giảm chấn, độ cứng lò xo, chiều cao xe" mang lại sự êm dịu tối ưu cho xe khi vận hành Chẳng hạn, khi chọn chế độ "Comfort", ECU sẽ điều chỉnh lực giảm chấn và độ cứng lò xo ở mức "mềm", đồng thời điều chỉnh chiều cao xe để tối ưu hóa trải nghiệm lái.
Ở chế độ "Sport", cần nâng cao tính ổn định của xe khi di chuyển với tốc độ cao và khi vào các khúc cua Mặc dù lực giảm chấn được đánh giá là "trung bình", nhưng độ cứng của lò xo cũng cần được cải thiện để tăng cường khả năng xử lý và độ bám đường của xe.
"cứng", chiều cao xe "thấp"
Mỗi xi lanh được trang bị một giảm chấn có khả năng điều chỉnh lực giảm chấn theo ba chế độ: mềm, trung bình và cứng Bên cạnh đó, xi lanh còn có một buồng khí chính và một buồng khí phụ, cho phép thay đổi độ cứng của lò xo theo hai chế độ: mềm và cứng Ngoài ra, còn có một màng điều chỉnh độ cao của xe.
Hệ thống hoạt động với 2 chế độ (bình thường, cao) hoặc 3 chế độ (thấp, bình thường, cao), điều chỉnh lượng khí vào buồng chính của 4 xi lanh khí thông qua van điều khiển độ cao Van này có nhiệm vụ cấp và xả khí nén vào và ra khỏi buồng chính của 4 xi lanh khí nén, bao gồm phía trước bên phải, bên trái, và phía sau bên phải, bên trái Nguồn cung cấp khí nén cho hệ thống được đảm bảo bởi máy nén khí.
* Nhiệm vụ các bộ phận chính trên hệ thống:
Cảm biến độ cao xe là thiết bị quan trọng, với cảm biến điều khiển độ cao phía trước được gắn vào thân xe và đầu thanh điều khiển kết nối với giá đỡ dưới của giảm chấn Hệ thống treo sử dụng cảm biến này để đảm bảo sự ổn định và an toàn khi vận hành.
Các cảm biến được gắn vào thân xe và đầu thanh điều khiển, kết nối với đòn treo dưới, liên tục theo dõi khoảng cách giữa thân xe và các đòn treo Điều này giúp phát hiện độ cao gầm xe và quyết định điều chỉnh lượng khí trong mỗi xi lanh khí.
Cảm biến tốc độ: Cảm biến này gắn trong công tơ mét, nó ghi nhận và gửi tín hiệu tốc độ xe đến ECU hệ thống treo
TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ NHỮNG HƯ HỎNG, SỬA CHỮA CỦA HỆ THỐNG
Tính toán, xây dựng mô hình động lực học và những hư hỏng sửa chữa của hệ thống lái SBW
4.1.1 Tính toán, xây dựng mô hình động lực học
4.1.1.1 Các trạng thái quay vòng của ô tô
Phương pháp quay vòng trên ô tô thông dụng sử dụng sự quay của các bánh xe cầu trước xung quanh trụ đứng O để thực hiện Tại một thời điểm nhất định, quá trình quay vòng cần đảm bảo rằng véc tơ vận tốc dài của các bánh xe lăn trên nền có cùng tâm quay P Tâm quay P đơn giản nhất nằm trên đường kéo dài của trục ngang cầu sau, trong khi các bánh xe cầu trước được điều khiển bởi vành lái quay với các góc khác nhau xung quanh tâm quay P.
Hình 4.1: Nguyên lý cơ sở của sự quay vòng ô tô
Bánh xe ô tô được điều khiển từ vành lái và quay quanh tâm trụ đứng (điểm O), tạo ra mối quan hệ giữa các góc quay bánh xe nhằm thiết lập tâm quay tức thời P Điều này giúp các bánh xe lăn mà không bị trượt bên, cho phép người lái điều khiển hướng chuyển động của ô tô theo ý muốn.
Các bánh xe dẫn hướng và không dẫn hướng đều đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hướng di chuyển của ô tô Hiệu quả của quá trình điều khiển này phụ thuộc vào việc bánh xe lăn và tiếp xúc với mặt đường Nếu bánh xe dẫn hướng bị nhấc khỏi mặt đường, ô tô sẽ mất khả năng chuyển hướng.
Khi ô tô quay vòng, lực quán tính ly tâm gây ra sự biến dạng bên của lốp, ảnh hưởng đến hiệu suất lái Sự biến dạng này dẫn đến bán kính quay vòng thực tế của ô tô có thể khác biệt so với bán kính lý thuyết, ảnh hưởng đến khả năng kiểm soát và an toàn khi di chuyển.
Bán kính quay vòng mong muốn của lái xe là 75, tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến mất ổn định quỹ đạo chuyển động, gây nguy hiểm cho người và phương tiện Khi lốp xe không bị biến dạng, đặc biệt là khi ô tô quay vòng với tốc độ thấp, bán kính quay vòng thực tế sẽ trùng với bán kính quay vòng lý thuyết R Bán kính này được xác định gần đúng dựa trên góc quay của bánh xe dẫn hướng δ và chiều dài cơ sở L của ô tô theo công thức (4.1).
Rt = R = 𝐿 tan 𝛿 = 𝐿 𝛿 (4.1) Trong trường hợp này, trạng thái quay vòng của ô tô được gọi là quay vòng đúng (neutral steering) Tuy nhiên, do tính đàn hồi của lốp, các phản lực ngang từ mặt đường tác động lên bánh xe khi ô tô quay vòng dẫn đến sự xuất hiện của các góc lệch hướng phía trước (α f) và phía sau (α r), như thể hiện trong Hình 4.1.
Hình 4.2: Mô hình quay vòng ô tô a) Quay vòng khi lốp xe không biến dạng; b) Quay vòng khi lốp xe biến dạng bên
Các góc lệch bên được xác định như sau:
Các lực F yf và F yr sẽ làm cho bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau lăn lệch khỏi phương chuyển động ban đầu, tạo ra các góc lệch bên α f và α r.
Độ cứng bên tổng cộng của các bánh xe cầu trước (C αf) và cầu sau (C αr) ảnh hưởng đến bán kính quay vòng thực tế của ô tô Khi các góc quay nhỏ (δ, α f, α r 𝛼 𝑟 → 𝑅t > 𝑅: Quay vòng thiếu (Under steering)
Hiện tượng quay vòng thừa xảy ra khi bán kính quay vòng thực tế của xe nhỏ hơn bán kính quay vòng mong muốn theo góc quay của vành lái, tức là Rt < R.
Khi lái xe, người lái cần nhanh chóng điều chỉnh tay lái để đưa ô tô về quỹ đạo chuyển động mong muốn, vì nếu thao tác chậm, lực quán tính ly tâm sẽ tăng đột biến, ảnh hưởng đến quá trình quay vòng Sự thay đổi tải trọng giữa các bánh xe trong và ngoài tâm quay vòng làm giảm phản lực thẳng đứng lên bánh xe trong, dẫn đến giảm khả năng bám ngang của ô tô và có thể gây trượt ra khỏi quỹ đạo ban đầu Nếu mặt đường có hệ số bám lớn, ô tô có nguy cơ bị lật quanh vết tiếp xúc giữa các bánh xe ngoài và mặt đường.
Hình 4.3: Hiện tượng quay vòng thừa
Hiện tượng quay vòng thiếu xảy ra khi bán kính quay vòng thực tế của xe lớn hơn bán kính quay vòng mong muốn, dẫn đến việc xe không quay được theo hướng mong muốn Điều này có nghĩa là bán kính quay vòng thực tế (Rt) lớn hơn bán kính quay vòng lý tưởng, gây khó khăn trong việc điều khiển xe khi thực hiện các thao tác quay.
R Khi quay vòng thiếu, các phản lực bên tác dụng lên bánh xe sau có xu hướng làm
77 cho phần đuôi xe lệch về phía trong Để ô tô chuyển động đúng quỹ đạo mong muốn, người lái phải đánh thêm tay lái một góc quay phù hợp
Hình 4.4: Hiện tượng quay vòng thiếu
4.1.1.2 Mô hình động lực học đổi hướng chuyển động ô tô
Mô hình chuyển động của ô tô trong mặt phẳng đường được mô tả qua Hình 3.3 Áp dụng định luật 2 của Newton, ta xây dựng phương trình chuyển động cho ô tô với bánh dẫn hướng phía trước Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động theo phương dọc 𝑥, phương ngang 𝑦 và góc quay thân xe 𝜃𝑉.
78 Ở đây 𝑚, 𝐼𝑧: khối lượng và quán tính xe; 𝜃𝐹𝑊: góc quay của bánh xe dẫn hướng;
Lực tác dụng lên các bánh xe của xe được phân chia thành hai nhóm: nhóm bánh xe bên phải với các lực 𝐹𝑥𝑓𝑟, 𝐹𝑦𝑓𝑟 cho bánh trước và 𝐹𝑥𝑟𝑟, 𝐹𝑦𝑟𝑟 cho bánh sau, và nhóm bánh xe bên trái với các lực 𝐹𝑥𝑓𝑙, 𝐹𝑦𝑓𝑙 cho bánh trước và 𝐹𝑥𝑟𝑙, 𝐹𝑦𝑟𝑙 cho bánh sau Khoảng cách từ trọng tâm xe đến trục bánh xe trước và sau được ký hiệu lần lượt là 𝐿𝑓 và 𝐿𝑟 Góc quay của thân xe được biểu thị bằng 𝜃𝑉, trong khi 𝑦 và 𝑥 đại diện cho dịch chuyển của thân xe theo phương ngang và phương dọc.
Hình 4.5: Mô hình động lực học đổi hướng chuyển động ô tô
Với giả thiết vận tốc dọc không đổi (𝑣𝑥 = 𝑥̇ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡; 𝑥̈ = 0), phương trình vi phân chuyển động của ô tô được rút gọn như sau:
Trong đó lực ngang tác dụng lên lốp được sử dụng như dưới đây:
𝑣 𝑥 ) (4.10) Với 𝑣𝑥: vận tốc dọc của xe; 𝐶𝑓, 𝐶𝑟: độ cứng lốp trước, sau khi quay vòng
Phương trình (4.7) và (4.8) được sử dụng để khảo sát đổi hướng chuyển động cho xe ô tô với hệ thống lái SBW
Bảng 4.1: Các thông số đầu vào tính toán kiểm nghiệm
Thông số đầu vào Giá trị Đơn vị
Chiều dài cơ sở xe (L) 2850 mm
Khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng (m)
Tải trọng phân bố lên cầu trước dẫn hướng
Tỉ số truyền của cơ cấu lái (iω)
Tỉ số truyền của dẫn động lái (id)
Kích thước lốp xe 245/40 R19 Đường kính vành tay lái 360 mm
Chiều dài thanh kéo bên
Chiều dài đòn bên (cam quay) (l1)
Góc hợp bởi đòn bên hình thang lái và đường tâm cầu trước (θ)
4.1.1.4 Xác định momen cản quay vòng
Khi ô tô quay vòng tại chỗ, lực tác dụng lên vành tay lái đạt giá trị cực đại Lúc này, momen cản quay vòng trên bánh xe dẫn hướng Mc bằng tổng momen cản chuyển động M1, momen cản do bánh xe trượt M2, và momen cản cần thiết để ổn định dẫn hướng M3 Tuy nhiên, khi xác định giá trị lực cực đại Plmax, có thể bỏ qua momen cản M3.
Momen cản chuyển động: M1 = Gbx fc (4.11)
Trong đó: Gbx – Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng
2; G1: là tải trọng tác dụng lên cầu trước dẫn hướng;
Thay số vào ta được:
2 10 = 4605 (N) f – Hệ số cản lăn: f = 0,015 c – Chiều dài cánh tay đòn: c = 0,03 (m), cánh tay đòn c thường xác định theo thực nghiệm, với ô tô con thường c = 30 ÷ 60mm
Thay số vào (4.11) ta được:
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 so với mặt phẳng bánh xe Điểm đặt của lực này sẽ di chuyển một đoạn x về phía sau trục bánh xe, với đoạn x được xác định bằng một phần tư chiều dài bề mặt tiếp xúc giữa lốp và đường Công thức tính đoạn x là: x = 0,5.√𝑟² − 𝑟𝑏𝑥².
Trong đó: rbx: là bán kính làm việc của bánh xe r: là bán kính tự do của bánh xe: r = ( B+ 𝑑
2 ) Với bánh xe có cỡ lốp là 245/40 R19 ta được : r = ( 245 + 19.25,4
Hình 4.6: Đặc điểm lực ngang tác dụng lên bánh xe khi quay vòng
Nếu thừa nhận rbx = 0,96r ta có x = 0,14r thì:
M2 = Yx = 0,14.Gbx.1.r = 0,14.4605.0,85.486,3.10 -3 = 266,5 (N.m) Ở đây: 1 – Hệ số bám ngang, lấy 1 = 0,85
Tổng momen cản quay vòng ở cả hai bánh dẫn hướng là:
4.1.1.5 Xác định lực vành tay lái
4.1.2 Kiểm nghiệm động học hình thang lái (Điều kiện quay vòng đúng)
Tính toán, xây dựng mô hình động lực học và những hư hỏng sửa chữa của hệ thống treo khí nén điện tử
hệ thống treo khí nén điện tử
4.2.1 Tính toán, xây dựng mô hình hệ thống treo trên xe
4.2.1.1 Mô hình không gian cả xe Ô tô là một hệ cơ học, bao gồm nhiều khối lượng như: thân vỏ, bánh xe, trục, động cơ, hệ thống truyền lực Giữa chúng có mối liên hệ rất phức tạp với nhau thông qua các phần tử đàn hồi và giảm chấn Khối lượng của ô tô được chia thành khối lượng được treo và khối lượng không được treo Tuy nhiên khi nghiên cứu về hệ thống treo của ô tô ta có thể chia thành những bộ phận, khối lượng của xe thành hai khối lượng chính đó là khối lượng được treo (là toàn bộ khối lượng của xe nằm bên trên hệ thống treo – lò xo giảm chấn) và hệ thống không được treo (là khối lượng nằm dưới hệ thống treo và bên trên bánh xe)
Số bậc tự do của mỗi khối lượng là số toạ độ đủ để xác định vị trí của nó ở từng thời điểm trong không gian
Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, mô hình dao động có thể được xây dựng trong mặt phẳng dọc và mặt phẳng ngang Trong mặt phẳng dọc, dao động thẳng đứng và quay quanh trục ngang đi qua trọng tâm của khối lượng treo ảnh hưởng đến độ êm dịu của chuyển động xe Ngược lại, trong mặt phẳng ngang, chuyển vị góc của khối lượng treo quanh trục dọc qua trọng tâm xe quyết định tính dẫn hướng và ổn định chuyển động của ô tô Nghiên cứu cho thấy ô tô có phân bố khối lượng đối xứng qua mặt phẳng dọc sẽ có dao động trong hai mặt phẳng này độc lập với nhau.
Mô hình dao động ô tô cần được thiết kế để đảm bảo tính chính xác cao, đồng thời phải đơn giản và thuận tiện cho việc tính toán Việc xây dựng mô hình này phải phản ánh sát với thực tế để mang lại kết quả đáng tin cậy nhất.
Để đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe, cần thực hiện phân tích trong mặt phẳng dọc thân xe nhằm xác định chất lượng hệ thống treo Mô hình vật lý của thân xe được xây dựng với hệ thống treo cầu trước và cầu sau độc lập.
Bảng 4.2: Các thông số đầu vào tính toán kiểm nghiệm
STT Tên gọi Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Khối lượng được treo ms 1360 Kg
2 Khối lượng không được treo trước mu1 418 Kg
3 Khối lượng không được treo sau mu2 337 Kg
4 Momen quán tính với trục y Jy 6721 Kg.m 2
5 Khoảng cách cầu trước đến tâm a 1,385 m
6 Khoảng cách cầu sau đến tâm b 1,415 m
7 Độ cứng lò xo cầu trước Ks1 166200 N/m
8 Độ cứng lò xo cầu sau Ks2 822500 N/m
9 Độ cứng lốp trước Kt1 265091 N/m
10 Độ cứng lốp sau Kt2 320968 N/m
11 Hệ số giảm chấn cầu trước Cs1 25318 N.s/m
12 Hệ số giảm chấn cầu sau Cs2 27100 N.s/m
13 Hệ số giảm chấn lốp trước Ct1 2850 N.s/m
14 Hệ số giảm chấn lốp sau Ct2 5320 N.s/m
Hình 4.14: Mô hình không gian cả xe của hệ thống treo cầu trước và sau độc lập
Thông số chủ yếu của hệ thống:
Ks1, Ks2: độ cứng của các phần tử đàn hồi hệ thống treo ở trục trước và sau
Cs1, Cs2: hệ số cản giảm chấn hệ thống treo ở trục trước và sau
Ct1, Ct2: hệ số cản của lốp trước và sau
Kt1 và Kt2 đại diện cho độ cứng của lốp trước và sau, trong khi q1l và q1r là biên dạng đường ở bánh trước bên trái và bên phải Tương tự, q2l và q2r thể hiện biên dạng đường ở bánh sau bên trái và bên phải Khoảng cách từ trục trước tới trọng tâm được ký hiệu là a, còn khoảng cách từ trục sau tới trọng tâm là b.
2d1: khoảng cách giữa hai phần tử đàn hồi cầu trước
2d2: khoảng cách giữa hai phần tử đàn hồi cầu sau
2dp1: khoảng cách giữa hai tâm vết lốp trước
2dp2: khoảng cách giữa hai tâm vết lốp sau
Khi thiết lập mô hình dao động ô tô, cần đưa ra một số giả thiết nhằm đơn giản hóa quá trình nghiên cứu và tính toán mà vẫn đảm bảo tính tổng quát và độ chính xác của bài toán Các giả thiết cơ bản này đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng mô hình.
Khối lượng ô tô phân bố đối xứng qua mặt phẳng dọc;
Phần khối lượng treo được xem như cứng tuyệt đối với khối lượng M, có momen quán tính J đối với trục ngang đi qua trọng tâm và momen quán tính Jx đối với trục dọc đi qua trọng tâm.
Phần khối lượng không treo được xem là cứng tuyệt đối, với khối lượng tương ứng tại cầu thứ i là mui (i = 1,2) Momen quán tính đối với trục dọc đi qua trọng tâm được ký hiệu là Ii (i = 1,2).
Bỏ qua các nguồn kích thích dao động khác trên xe, coi lực kích thích từ mặt đường là nguồn kích thích dao động duy nhất
Mặt đường được coi là cứng tuyệt đối
Tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường là tiếp xúc điểm, trong các mô hình phi tuyến cho phép bánh xe tách khỏi mặt đường
Chọn hệ trục tọa độ
- Hệ trục tọa độ cố định:
Gốc tọa độ nằm trùng với hình chiếu của trọng tâm khối lượng, được treo xuống nền đường Trục tọa độ x chạy dọc theo thân xe, trong khi trục z vuông góc với nền đường.
- Hệ tọa độ suy rộng:
Hệ tọa độ có gốc tại trọng tâm của các khối lượng trong hệ
Khối lượng được treo M bao gồm:
Zs: dịch chuyển thẳng đứng của thân xe
sx: chuyển vị góc của khối lượng được treo M quang trục Ox
sy: chuyển vị góc của khối lượng được treo M quang trục Oy
Khối lượng không được treo cầu trước mu1:
Zu1: dịch chuyển thẳng đứng theo trục Z của khối lượng không được treo cầu trước mu1
Khối lượng không được treo cầu sau mu2:
Zu2: dịch chuyển thẳng đứng theo trục Z của khối lượng không được treo cầu sau mu2.
4.2.1.2 Mô hình xe trong mặt phẳng dọc
Hình 4.15: Mô hình hệ thống treo của xe trong mặt phẳng dọc
Zu1, Zu2, Zs, và sy là tọa độ suy rộng của khối lượng không được treo ở cầu trước, cầu sau và khối lượng được treo mu1 và mu2 đại diện cho khối lượng không được treo ở cầu trước và cầu sau ms và Jy là khối lượng được treo cùng với momen quán tính theo trục ngang của khối lượng đó a và b là khoảng cách từ trọng tâm khối lượng được treo tới cầu trước và cầu sau, trong khi q1 và q2 là mấp mô mặt đường tại cầu trước và cầu sau.
Ct1, Kt1, Ct2, Kt2: hệ số giảm chấn và độ cứng của lốp trước và sau
Cs1, Ks1, Cs2, Ks2: hệ số giảm chấn và độ cứng của hệ thống treo cầu trước và sau
Ta tiến hành phân tích các lực tác dụng lên hệ thống treo:
Hình 4.16 trình bày sơ đồ phân tích lực trong mặt phẳng dọc Bằng cách áp dụng phương pháp tách vật và nguyên lý của Dalambe, chúng ta có thể tính toán các lực cụ thể một cách chính xác.
F1, F2: lực tác dụng từ mặt đường lên khối lượng không được treo cầu trước và cầu sau
F3, F4: lực tác dụng từ khối lượng không được treo cầu trước và cầu sau lên khối lượng được treo và ngược lại
ZA = Zs – a.sy: chuyển vị của điểm A
ZB = Zs + b.sy: chuyển vị của điểm B
=> Ż B = Ż s + b φ̇ sy Áp dụng đinh luật 2 Newton với từng khối ta có các phương trình cân bằng lực:
+ Khối lượng không được treo bánh trước: mu1.Z̈ u1 = F3 – F1 (1)
+ Khối lượng không được treo bánh sau: mu2.Z̈ u2 = F4 – F2 (2)
Khối lượng được treo: ms.Z̈ s = – F3 – F4 (3)
Từ 4 phương trình (1), (2), (3), (4) ta có hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ thống treo trong mặt phẳng dọc thân xe: mu1.Z̈ u1 = F3 – F1 mu2.Z̈ u2 = F4 – F2 ms.Z̈ s = – F3 – F4
Như vậy ta đã mô hình hóa hệ thống thống treo của xe Mitsubishi Pajero Sport
2020 thành các mô hình toán học để thuận tiện cho việc mô phỏng trên simulink và đánh giá các kết quả đạt được
4.2.2 Kiểm tra, sửa chữa hư hỏng của hệ thống treo khí nén điện tử
4.2.2.1 Chất lượng của hệ thống treo
* Chất lượng của hệ thống treo được quyết định bởi hai chỉ tiêu quan trọng:
Chỉ tiêu độ êm dịu là yếu tố quan trọng đảm bảo sự tiện nghi cho hành khách và hàng hóa trên xe, đồng thời phản ánh độ bền của ô tô thông qua chỉ số gia tốc dao động thẳng đứng của thân xe trên các loại đường khác nhau Các nhà sản xuất rất chú trọng đến chỉ tiêu này, vì nó có thể bị ảnh hưởng bởi sự hư hỏng của các bộ phận trong hệ thống treo trong quá trình sử dụng Do đó, việc theo dõi và bảo trì hệ thống treo là cần thiết để duy trì hiệu suất và độ êm dịu của xe.
Chỉ tiêu về độ bám dính đường là yếu tố quan trọng đảm bảo khả năng động lực học và an toàn giao thông của ô tô, được đánh giá qua chỉ số độ bám dính của bánh xe trên các loại đường khác nhau Chỉ tiêu này được xác định bằng cách đo độ cứng động của hệ thống treo và độ bám dính khi tần số kích động thay đổi, chủ yếu do mặt đường tác động Nhờ vào chỉ tiêu này, chất lượng các bộ phận trong hệ thống treo như phần tử đàn hồi, giảm chấn và các liên kết có thể được xác định.
4.2.2.2 Độ bám dính bánh xe trên nền đường
Chúng ta nghiên cứu lực tác dụng thẳng đứng lên bánh xe ôtô Khi bánh xe ở trạng thái đứng yên, nó chịu tác dụng của lực tĩnh Zt Khi bánh xe lăn trên bề mặt mấp mô, lực thẳng đứng sẽ thay đổi.
Zđ (gọi là lực động) chịu tác động của nhiều thông số Trong chẩn đoán thông số có
Thông số lực động là một yếu tố quan trọng trong hệ thống treo, và nó sẽ thay đổi theo chất lượng của các bộ phận trong quá trình sử dụng Việc theo dõi và cải thiện thông số này là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống treo.
HƯỚNG DẪN KHAI THÁC HỆ THỐNG LÁI, HỆ THỐNG TREO VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN, TIỀM NĂNG TRONG TƯƠNG LAI
Hướng dẫn khai thác hệ thống lái và xu hướng phát triển, tiềm năng trong tương lai
Hệ thống Steer By Wire mang lại giải pháp cho nhiều vấn đề trong lắp đặt hệ thống lái truyền thống Những tiềm năng của công nghệ này đã được nghiên cứu và thảo luận trong nhiều năm Binfet-Kull (2001) đã liệt kê một cách chi tiết các tiềm năng mà hệ thống Steer By Wire có thể mở khóa.
Cấu hình tỷ lệ lái và hệ thống lái hỗ trợ được thiết kế tự do
Cải thiện các biện pháp an toàn chủ động và thụ động
Tiềm năng tối đa về chức năng
Thiết kế hệ thống treo không liên quan đến phản hồi lái
Đơn giản hóa việc lắp ráp
Giới thiệu giao diện người-máy (HMI) mới
Steer-by-wire cho phép đơn giản hóa các chức năng lái mà không cần phần cứng bổ sung, đồng thời cải thiện khả năng giao tiếp với các hệ thống khác, nâng cao chức năng tổng thể của xe Các chức năng liên quan bao gồm hệ thống lái cơ bản, động lực học của xe, hỗ trợ nâng cao cho người lái và lái xe tự động sẽ được giới thiệu trong các phần tiếp theo.
5.1.2 Kiểm soát động lực học của phương tiện
Hệ thống Steer By Wire tích hợp cảm biến tốc độ thân xe cho phép điều khiển tốc độ góc trượt bên mà không cần lực hãm phanh Khác với các hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (ESC) thông thường, can thiệp kiểm soát trong hệ thống này có thể diễn ra trong các trạng thái lái xe ít quan trọng hơn và ít bị ảnh hưởng bởi hành vi của người lái.
Trong các tình huống giám sát quá mức, việc can thiệp kiểm soát thông qua các biện pháp hệ thống lái hiệu quả hơn là cần thiết Điều này dẫn đến việc lốp xe tiếp xúc với trọng tâm lâu hơn, ảnh hưởng lớn đến hoạt động của phương tiện so với lực phanh Đồng thời, cả hai lốp của cầu trước đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định, nhờ vào sự phát triển của hệ thống lái.
(2006) cho thấy tiềm năng của một hệ thống lái khi phanh trên bề mặt chia μ Trong
Trong tình huống này, người điều khiển phương tiện cần điều chỉnh động lượng bằng cách sử dụng hệ thống lái bánh xe để đảm bảo sự ổn định của xe.
Chương trình điều khiển tiêu chuẩn có thể dẫn đến việc mất kiểm soát phương tiện, do đó cần giảm thiểu tình trạng thiếu hụt động lượng Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) có thể làm giảm lực hãm ở phía cao μ, dẫn đến quãng đường phanh dài hơn Bằng cách kiểm soát góc lái, động lượng có thể được bù đắp, giúp tối đa hóa lực kéo và đạt được khoảng cách phanh tối thiểu Dự án EU PETIT cho thấy những lợi ích này cũng áp dụng cho xe thương mại Để khai thác tối đa tiềm năng động lực học của hệ thống Steer By Wire, cần tích hợp hệ thống điều khiển lái vào hệ thống kiểm soát khung gầm toàn cầu (GCC) Với cách tiếp cận toàn diện này, tất cả các mức độ tự do của hệ thống kiểm soát khung gầm tích hợp có thể được sử dụng để tối ưu hóa động lực lái xe.
Hệ thống Steer By Wire mang lại sự thay đổi động lượng chệch hướng trong mọi tình huống lái xe, kết hợp hiệu quả với các hệ thống khung gầm khác Nó không chỉ hỗ trợ trong những tình huống lái xe khẩn cấp mà còn cải thiện trải nghiệm lái xe hàng ngày, như bù đắp cho gió tạt hoặc đường gây nhiễu Việc cài đặt hệ thống Steer By Wire phức tạp, đặc biệt với kích hoạt vô lăng riêng lẻ, giúp mở rộng giới hạn và tối ưu hóa khả năng ma sát ở từng bánh xe.
5.1.3 Hệ thống hỗ trợ người lái nâng cao (ADAS)
Hệ thống Steer By Wire tạo ra nền tảng lý tưởng cho việc tích hợp các hệ thống lái nâng cao và hỗ trợ người lái (ADAS) Các ứng dụng tiềm năng bao gồm chức năng giữ làn đường, hỗ trợ chuyển làn và hỗ trợ lùi xe rơ moóc.
Tính năng khả thi của bãi đậu xe tự động cho phép xe được trang bị hệ thống đỗ xe tự động tự động hóa quá trình đỗ xe So với các phương pháp truyền thống như hệ thống lái cơ điện tử hay hệ thống lái xếp chồng, hệ thống lái Steer By Wire mang lại khả năng thực hiện mà không cần sự can thiệp của người lái vào chuyển động của bánh xe hay momen xoắn, nhờ vào công nghệ hỗ trợ tiên tiến.
Lái xe tự động đã được chứng minh khả năng thực hiện bởi Deutsche (2006) Hệ thống lái Steer By Wire hoàn toàn có thể đáp ứng mọi yêu cầu của lái xe tự động, vì nó được thiết kế để thực hiện tất cả các thao tác lái cần thiết.
5.1.4 Những thách thức về kỹ thuật
Dựa trên yêu cầu pháp lý, nhu cầu của khách hàng và mục tiêu thiết kế của OEM, các kỹ sư phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp Một số thách thức quan trọng nhất bao gồm đảm bảo mức độ an toàn chức năng, cảm giác lái chấp nhận được, cùng với việc giảm chi phí và trọng lượng sản phẩm.
5.1.5 Độ an toàn của hệ thống lái Steer By Wire
Các hệ thống cơ học thường được coi là an toàn vì lỗi có thể được phát hiện bằng mắt thường và không có nguy cơ hỏng đột ngột nếu được thiết kế và sử dụng đúng cách Ngược lại, hệ thống cơ điện tử có thể gặp lỗi mà không có dấu hiệu hư hỏng hay hao mòn trước đó.
Khi thiết kế hệ thống, cần đảm bảo hoạt động an toàn và độ tin cậy cao Để xe đạt trạng thái an toàn khi xảy ra lỗi, việc dừng xe ở vị trí thích hợp như làn đường khẩn cấp là cần thiết Quan trọng là lỗi không gây ra phản ứng không ổn định và xe vẫn có thể được điều khiển bởi tài xế trong các tình huống khẩn cấp.
1 Ảnh hưởng ban đầu của một lỗi phải được giới hạn
2 Nguyên nhân của lỗi được phát hiện và giải quyết trong thời gian hữu hạn (thường là vài mili giây)
3 Hành vi kết quả của phương tiện có thể được kiểm soát một cách an toàn của người lái xe
Khách hàng hiện nay yêu cầu nhiều hơn chỉ một hệ thống an toàn theo tiêu chuẩn, mà còn đòi hỏi độ tin cậy cao trong tất cả các chức năng của hệ thống và xe Điều này ảnh hưởng lớn đến sự chấp nhận công nghệ mới của khách hàng và chi phí bảo hành cho các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM).
Nhà phát triển cần xác định các biện pháp đối phó dựa trên khả năng xảy ra lỗi và hậu quả giả định để đảm bảo hệ thống có độ tin cậy và tính khả dụng cao So với các giải pháp hiện tại trong ngành hàng không, cách tiếp cận phổ biến là duy trì kiểm soát phương tiện mà không thể hoặc chỉ có thể quản lý sự gián đoạn Việc giới thiệu nguồn dự phòng có khả năng hoàn thành chức năng ban đầu mà không bị giới hạn thời gian sẽ giúp ngăn chặn sự thất bại trong hoạt động vận hành.
Hướng dẫn khai thác hệ thống treo và xu hướng phát triển, tiềm năng trong tương lai
Tiềm năng công nghệ ô tô hiện nay đang được các nhà khoa học nghiên cứu nhằm cải tiến và nâng cấp các hệ thống ngày càng hiện đại Việc phát triển này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn cải thiện trải nghiệm người dùng trong ngành ô tô.
Công nghệ xe điện đang trở thành xu hướng hàng đầu trong ngành ô tô hiện đại, mang lại nhiều tiện ích và lợi ích cho người tiêu dùng Việc cập nhật và cải tiến liên tục các sản phẩm ô tô là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.
Hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự thoải mái và êm dịu cho khách hàng khi di chuyển, đặc biệt là trên những địa hình gồ ghề Hiện nay, việc cải tiến từ hệ thống treo khí nén điện tử sang hệ thống treo hoàn toàn điều khiển bằng điện tử đang trở thành ưu tiên hàng đầu cho các thế hệ xe điện tương lai Qua nhiều lần cải tiến từ hệ thống treo cơ khí, sự ra đời của hệ thống treo khí nén điện tử đã tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển công nghệ ô tô vận hành và điều khiển hoàn toàn bằng điện tử trong tương lai.
5.2.2 Độ an toàn của hệ thống treo khí nén điện tử
Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống treo hiện đại luôn được đặt lên hàng đầu với mục tiêu đảm bảo an toàn cho người sử dụng Các nhà khoa học tập trung vào việc điều chỉnh hệ thống treo để phù hợp với nhu cầu của khách hàng, đồng thời duy trì sự ổn định trong suốt quá trình hoạt động Đặc biệt, việc ứng dụng công nghệ mới trong hệ thống treo phải cam kết mang lại độ an toàn cao nhất, nhằm hạn chế các sự cố không mong muốn và đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Các nhà khoa học cần nghiên cứu và mô phỏng các thông số kỹ thuật một cách cẩn trọng trong quá trình điều chỉnh động cơ ô tô Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho xe và xử lý kịp thời các sai sót có thể xảy ra.
5.2.3 Hệ thống kiểm soát thứ bậc của chiều cao xe thông qua hệ thống treo khí nén điện tử dựa trên cấu trúc biến đổi và lý thuyết điều khiển mờ
Gần đây, một trong những cải tiến đáng chú ý là hệ thống kiểm soát chiều cao xe thông qua treo khí nén điện tử Hệ thống này dựa trên cấu trúc biến đổi và lý thuyết điều khiển mờ, mang lại hiệu suất tối ưu cho việc điều chỉnh chiều cao xe.
Các nghiên cứu hiện nay về hệ thống treo khí chủ yếu tập trung vào các đặc điểm và thiết kế của lò xo khí nén Hệ thống treo khí nén điện tử đang ngày càng được cải tiến để nâng cao hiệu suất và độ ổn định của phương tiện.
114 khiển điện tử có hiệu suất tuyệt vời trong việc điều chỉnh độ cao linh hoạt trong các điều kiện lái xe khác nhau
Sự phi tuyến tính trong hệ thống điều chỉnh độ cao của xe cùng với việc phân bố không đồng đều trọng tải đã ảnh hưởng đến độ chính xác trong việc kiểm soát độ cao và tính linh hoạt khi xe di chuyển.
Hệ thống đo ba điểm từ ba cảm biến độ cao được sử dụng để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống điều chỉnh độ cao đi xe Thiết kế hệ thống kiểm soát độ cao cho ECAS bao gồm kiểm soát phi tập trung về chiều cao và kiểm soát tập trung cho thái độ cơ thể Phương pháp tuyến tính hóa phản hồi chính xác được áp dụng cho mô hình toán học phi tuyến tính của hệ thống chiều cao đi xe.
Theo lý thuyết điều khiển phân cấp, kỹ thuật điều khiển cấu trúc biến đổi (VSC) được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển có khả năng điều chỉnh chiều cao di chuyển cho từng phần tư xe độc lập Hệ thống kiểm soát chiều cao của mỗi phần tư xe hoạt động độc lập, trong khi ba cảm biến độ cao thu thập tín hiệu để tính toán cao độ cơ thể và thái độ cuộn theo thời gian Qua việc tính toán độ lệch của cao độ, cuộn và tốc độ của chúng, điều khiển độ cao được điều chỉnh lại dựa trên thuật toán mờ.
Để xác minh hiệu quả của chiến lược kiểm soát kết hợp, hệ thống kiểm tra xác nhận độ cao của xe khi di chuyển trên đường có bị nhiễu động hay không Kết quả cho thấy thời gian điều chỉnh chiều cao khi nâng và hạ là hơn 5 giây, với góc nghiêng và góc lăn của xe nhỏ hơn 0,15 độ Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp kiểm soát phân cấp, đảm bảo sự ổn định của thân xe và đáp ứng nhu cầu theo dõi hệ thống điều khiển chiều cao.
Hệ thống treo khí nén điều khiển điện tử (ECAS) tự động điều chỉnh chiều cao đi xe, giúp phù hợp với các trạng thái lái xe khác nhau Việc điều chỉnh chiều cao thường diễn ra trong điều kiện lái xe trên đường thẳng, nhưng không xảy ra trong các tình huống đặc biệt như tăng tốc, phanh và vào cua do độ trễ của khí nén Gần đây, đặc điểm của hệ thống treo khí đã thu hút nhiều sự chú ý, hỗ trợ việc tích hợp lò xo khí nén và khung gầm Chiều cao đi xe được điều chỉnh thông qua quá trình nạp/xả khí nén từ lò xo không khí, liên quan đến khí động học và động lực học của phương tiện, và là một trong những tính năng quan trọng nhất của hệ thống ECAS.
Hệ thống ECAS được áp dụng rộng rãi trên các phương tiện, đã thu hút nhiều nghiên cứu về mô hình chiều cao điều chỉnh BURTON và cộng sự đã thực hiện phân tích đầu tiên về hệ thống treo chủ động tự cân bằng cho xe giao thông Tiếp theo, BEMPORAD và nhóm của ông đã đề xuất một phương pháp mới để xác minh các hệ thống kết hợp dựa trên lập trình tuyến tính và tập hợp số nguyên CHEN đã áp dụng PID và thuật toán điều khiển biến để điều chỉnh hệ thống treo khí nén điện tử, giúp loại bỏ dao động và nâng cao độ chính xác Hệ thống điều khiển mờ (Fuzzy Control) cũng đã được áp dụng cho hệ thống treo khí nén, cho thấy cải tiến đáng kể khi thay đổi các tham số cấu trúc Cuối cùng, SONG đã xây dựng mô hình động học đa thể cho phương tiện treo khí nén dựa trên phương pháp Lagrange và thực hiện mô phỏng chiều cao khi lái xe bằng cách sử dụng PID và chiến lược điều khiển.
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Jiangsu Air đã tiến hành nghiên cứu sâu về hệ thống nạp/xả khí của ECAS, phân tích tính ổn định phi tuyến của hệ thống chiều cao khi lái xe Họ đã giới thiệu một phương pháp PID/PWM tích phân có thể thay đổi để nâng cao độ ổn định của hệ thống điều chỉnh chiều cao Gần đây, FENG và cộng sự đã áp dụng thuật toán Mờ/PWM cho hệ thống treo khí nén điều khiển trên một sơ mi rơ moóc, giúp cải thiện hiệu quả mức độ dao động của hệ thống KIM đã phát triển một thuật toán điều khiển chế độ trượt nhằm tăng cường độ chính xác theo dõi và khắc phục sự phi tuyến cũng như không chắc chắn trong hệ thống treo khí nén điện tử, mặc dù mô hình sử dụng phức tạp Mặc dù đã có một số nghiên cứu về thiết kế kiểm soát độ cao đi xe, nghiên cứu về ECAS, đặc biệt là sự ổn định của thái độ cơ thể, vẫn còn hạn chế Bài viết này sẽ trình bày việc sử dụng Thuật toán điều khiển cấu trúc biến (VSC) để thiết kế hệ thống điều khiển chiều cao cho các dòng xe tứ quý, với tất cả các đầu vào kiểm soát độ cao được xác định lại dựa trên lý thuyết điều khiển phân cấp, nhằm đảm bảo sự ổn định chiều cao của toàn bộ xe.