Trong những năm gần đây, sự phát triển của lĩnh vực điện tử được ứng dụng rộng rãi trên ô tô nhằm đáp ứng hầu hết các đòi hỏi ở một ô tô hiện đại như: tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm khí thải độc haị, tăng tính an toàn và tiện nghi của ô tô. Vì tính gọn nhẹ, thời gian đáp ứng nhanh, khả năng xử lý tốt các tình huống là những đặc tính ưu việt của việc ứng dụng điện tử để tự động điều khiển các hệ thống trên ô tô. Chúng đã từng bước thay thế những kỹ thuật điều khiển tự động thuần cơ khí. Hệ thống lái trên ô tô là một điển hình. Hiện nay việc sử dụng hệ thống lái trợ lực điện để dẫn hướng bánh xe trên ô tô ngày càng được quan tâm. Bởi nó góp phần vào việc sử dụng hiệu quả đảm bảo độ tin cậy cao và an toàn trong sử dụng.
TỔNG QUAN
Lý do thực hiện và tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế Việt Nam trong các lĩnh vực như công nghiệp, thương mại, du lịch, và dịch vụ, giao thông, đặc biệt là giao thông đường bộ, cũng đang phát triển không ngừng Ô tô đóng vai trò chủ đạo trong ngành giao thông vận tải, thay thế nhiều phương tiện chuyên chở khác và nâng cao hiệu quả công việc Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật cùng với nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng đã thúc đẩy các nhà sản xuất ô tô cải tiến công nghệ, cho ra đời những dòng xe tiện nghi và chuyên dụng hơn Một trong những hệ thống quan trọng không thể thiếu trên ô tô là hệ thống lái, cần được thiết kế tối ưu để đảm bảo tính tiện nghi, tốc độ tối đa, độ tin cậy cao và an toàn cho hành khách và hàng hóa Tại Việt Nam, nhu cầu vận chuyển hàng hóa và đi lại bằng ô tô hiện đại ngày càng tăng, do đó việc trang bị tài liệu kỹ thuật về các loại xe là rất cần thiết để khai thác hiệu quả phương tiện.
Hiện nay, tài liệu về ngành cơ khí ô tô tại Việt Nam còn thiếu hụt, chủ yếu chỉ có hướng dẫn sử dụng và lý thuyết chung, trong khi tài liệu chuyên sâu về kết cấu xe và hệ thống lái điện tử rất hiếm Điều này gây khó khăn cho việc cải tạo và thiết kế hệ thống lái điện tử mới trên ô tô Do đó, việc bổ sung tài liệu chuyên ngành về ô tô là rất cần thiết để hỗ trợ phát triển ngành công nghiệp ô tô trong nước.
Nhận thức được tầm quan trọng của đề tài, tôi đã quyết định thực hiện nghiên cứu này Qua đó, tôi hy vọng có thể đáp ứng một phần nào đó những nhu cầu đã nêu.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Hệ thống lái điện tử là một công nghệ phức tạp, kết hợp các đặc điểm cấu trúc và ứng dụng khoa học công nghệ tiên tiến Nghiên cứu về hệ thống này cần dựa trên các nghiên cứu cơ bản về hệ thống lái nói chung Nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đã tiến hành nghiên cứu hệ thống lái điện tử và đạt được những thành tựu đáng kể.
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Hiện nay, ngành chế tạo ôtô đang có những bước tiến lớn nhờ vào sự ứng dụng của công nghệ tin học, điều khiển, khoa học mô phỏng và vật liệu mới Sự phát triển này diễn ra song song với các ngành khoa học công nghệ khác như vô tuyến điện tử, chế tạo máy với các bộ phận điều khiển tinh vi và các rô-bốt công nghiệp thế hệ thông minh.
Trong những năm gần đây, hàng trăm công trình khoa học đã được công bố nhằm hoàn thiện Hệ Thống Lái, đặc biệt là trong lĩnh vực động học và động lực học của Hệ Thống Lái bốn bánh (4WS) Các nghiên cứu này chủ yếu nhằm tăng cường tính cơ động và cải thiện khả năng điều khiển của hệ thống Nhiều nhà khoa học Đức cũng đã tập trung vào nghiên cứu hệ thống điều khiển cho các loại xe khác nhau.
Hệ thống lái 4WS đang được nghiên cứu mạnh mẽ tại các trung tâm khoa học công nghệ lớn ở Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản, với sự tham gia của hàng trăm nhà khoa học hàng đầu Hãng Mercedes cũng đang phát triển xe với hệ thống lái tự động, dự kiến sẽ được áp dụng trên các loại đường thông minh trong tương lai Để nâng cao khả năng điều khiển và tiện nghi, các nhà khoa học đang chế tạo bộ cường hóa tích cực PPS (Progressive Power Steering), giúp cải thiện cảm giác lái và tính ổn định của hệ thống lái khi xe di chuyển ở tốc độ cao, đặc biệt là đối với các xe thế hệ mới chạy trên 100 km/h.
Các nhà công nghệ đang phát triển các cấu trúc mới cho Hệ Thống Lái, bao gồm cơ cấu điều khiển góc đặt trục lái và vô lăng TS (Tilt Steering), cùng với ghế ngồi người lái có thể điều chỉnh theo ba chiều để tối ưu hóa vị trí ngồi Xu hướng chung tại các trung tâm công nghiệp ô tô lớn trên thế giới là nghiên cứu Hệ Thống Lái tích cực, ứng dụng các công nghệ điện, điện tử và tin học nhằm kiểm soát các tính năng và đảm bảo hoạt động tối ưu của hệ thống Điều này cho thấy Hệ Thống Lái, với chức năng đảm bảo tính dẫn hướng, đang được các nhà khoa học hàng đầu thế giới nghiên cứu với nhiều nỗ lực đáng kể.
Nghiên cứu động học hệ thống lái tập trung vào mối tương quan hình học giữa các khu độc lập, từ đó xác định sự thay đổi động học của các khâu Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá khả năng sử dụng của các hệ thống lái khác nhau trên xe.
- Xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính toán khả năng tác dụng các hệ thống trợ lực để điều khiển lái
Xây dựng mô hình động học cho hệ thống lái ô tô dưới các giả thiết cơ học sát với điều kiện thực tế giúp nghiên cứu và cải thiện tính năng điều khiển của xe.
- Nghiên cứu các hệ thống lái có điều khiển Điện – Thủy lực hoặc Điện - Điện tử
- Nghiên cứu các hệ thống lái tự động
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã dẫn đến nhiều nghiên cứu hiệu quả về Hệ Thống Lái trợ lực thủy lực, với những cải tiến và tối ưu hóa trong quá trình điều khiển Chương trình và công nghệ chế tạo mô hình phục vụ giảng dạy và nghiên cứu cũng đã được nâng cao đáng kể.
Trong những năm gần đây, nhiều cán bộ khoa học công nghệ đã tập trung nghiên cứu các hệ thống ô tô, đặc biệt là hệ thống truyền lực (HTL) và hệ thống phanh Các nhóm nghiên cứu từ các trường Đại học đã nỗ lực ứng dụng phần mềm chuyên dụng như Alaska 2.3, Sap 90, và Simulik trong quá trình nghiên cứu ô tô Việt Nam đang trong giai đoạn xây dựng nền công nghiệp ôtô với việc lắp ráp CKD và triển khai chương trình nội địa hóa các chi tiết và phụ tùng ô tô, xe máy GS.TSKH Đỗ Sanh đang lãnh đạo một nhóm nghiên cứu về động học và động lực học, trong đó có nghiên cứu động học quay vòng xe ở tốc độ cao.
Trong luận án của mình, TS Nguyễn Khắc Trai đã nghiên cứu sâu về lý thuyết quay vòng Thạc sỹ Nguyễn Xuân Châu đã bảo vệ thành công luận văn Thạc sỹ với đề tài cơ cấu lái đặc biệt cho người tàn tật vào tháng 12 năm 2000 TS Nguyễn Xuân Thiện và TS Lê Hồng Quang đã thử nghiệm thành công bộ trợ lực lái thủy lực do Việt Nam chế tạo cho xe xích T55 trong khuôn khổ đề tài nhà nước KHCN-05-09 TS Nguyễn Thanh Quang nghiên cứu về động học, động lực học và độ bền HTL trên xe Mêkông Star Thạc sỹ Vũ Cao Điền đã thực hiện tính toán ổn định lật cho xe tải nhỏ bằng đồ thị quỹ đạo pha của HTL, trong khi Thạc sỹ Nguyễn Hồng Vũ tập trung vào tính toán động lực học quay vòng cho bánh xe dẫn hướng.
MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đề tài như sau:
Hệ thống lái có điều khiển bằng điện là một công nghệ tiên tiến trong ngành ô tô, giúp cải thiện khả năng điều khiển và độ chính xác khi lái xe Cấu tạo của hệ thống này bao gồm các chi tiết và bộ phận như động cơ điện, bộ điều khiển và cảm biến, hoạt động dựa trên nguyên lý điện tử để điều chỉnh lực lái Hiểu rõ về cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái điện sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ an toàn cho phương tiện.
Phân tích động lực học quay vòng của ô tô từ đó đưa ra giải pháp điều khiển trợ lực lái bằng điện
Ứng dụng giải thuật điều khiển PID để thiết kế bộ điều khiển điện tử cũng như mô hình hệ thống lái có trợ lực bằng điện
Do hạn chế về thời gian nghiên cứu, tài liệu tham khảo và kinh phí, đề tài này chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu cơ bản.
- Phần lý thuyết chỉ nghiên cứu hệ thống lái có trợ lực điện, không nghiên cứu các hệ thống lái có trợ lực khác
- Chỉ nghiên cứu động lực học quay vòng của ô tô nói chung, không nghiên cứu động lực học quay vòng của đoàn xe
Trong phần tính toán thiết kế, bài viết chỉ tập trung vào việc phát triển và tính toán bộ điều khiển điện tử cho hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô, mà không thực hiện tính toán lại cho toàn bộ hệ thống.
Mô hình hệ thống lái trợ lực bằng điện chỉ mang tính chất trực quan và mô phỏng hoạt động của hệ thống, chưa được lắp đặt thực tế trên ô tô Do đó, hiệu quả của nó chưa được kiểm nghiệm thực tế, mà chỉ được đánh giá dựa trên lý thuyết thông qua thiết bị đo kiểm.
1.4 HƯỚNG NGHIÊN CỨU Để đạt được kết quả cũng như mục tiêu của đề tài đề ra, tác giả sẽ nghiên cứu bằng phương pháp sau:
- Tham khảo các tài liệu, các đề tài, dự án có liên quan được thực hiện trong và ngoài nước
- Tham khảo các bài báo nghiên cứu khoa học có liên quan được công bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới, trên mạng Internet
- Sử dụng các phần mềm tính toán, thiết bị đo và phần mềm mô phỏng để đánh giá kết quả nghiên cứu.
Hướng nghiên cứu
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG LÁI
2.1 VAI TRÒ CỦA Ô TÔ ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN KINH TẾ-XÃ HỘI
Kể từ khi con người phát minh ra kỹ thuật biến đổi năng lượng, năng suất lao động đã tăng mạnh mẽ, đặc biệt với sự ra đời của ô tô - phương tiện vận chuyển đường bộ nhanh nhất, giúp vận chuyển hành khách và hàng hóa một cách tiện lợi Chiếc ô tô đầu tiên được chế tạo vào năm 1893, và hiện nay có khoảng 1,143 triệu xe trên toàn cầu, tương đương với 1 chiếc xe cho mỗi 6 người Mỹ dẫn đầu với tỷ lệ 1,2 người sở hữu 1 xe ô tô, sản xuất hơn 14 triệu xe mỗi năm Các hãng ô tô hàng đầu thế giới như GM, FORD, TOYOTA, và MERCEDES đang cạnh tranh mạnh mẽ, đặc biệt từ các nhà máy Nhật Bản như TOYOTA và NISSAN Hàn Quốc cũng nổi bật với các hãng HYUNDAI, DAEWOO, và KIA, sản xuất hơn 2 triệu xe mỗi năm, góp phần đưa đất nước này trở thành một trong những nước phát triển tại khu vực Châu Á Thái Bình Dương Ngành công nghiệp ô tô không chỉ là một ngành công nghiệp khổng lồ mà còn thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác, với mỗi việc làm trong ngành tạo ra bảy việc làm trong các ngành hỗ trợ và dịch vụ.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG LÁI
Vai trò của ô tô đối với sự phát triển kinh tế - xã hội
Kể từ khi con người phát minh ra kỹ thuật biến đổi năng lượng, năng suất lao động đã tăng đáng kể và giá thành sản phẩm giảm Ô tô, ra đời năm 1893, đã trở thành phương tiện vận chuyển đường bộ nhanh nhất, với khoảng 1.143 triệu xe trên toàn thế giới, tương đương mỗi 6 người có một chiếc xe Mỹ dẫn đầu với tỷ lệ 1,2 người/xe, sản xuất hơn 14 triệu xe mỗi năm Các hãng ôtô hàng đầu như GM, FORD, TOYOTA, và MERCEDES đang cạnh tranh quyết liệt, đặc biệt là các nhà máy Nhật Bản như TOYOTA và NISSAN Hàn Quốc cũng không kém cạnh với các hãng như HYUNDAI và KIA, sản xuất hơn hai triệu xe mỗi năm Ngành công nghiệp ôtô không chỉ là một ngành lớn mà còn thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác, tạo ra nhiều việc làm và đóng góp vào sự phát triển kinh tế xã hội nhanh chóng của các quốc gia Mức độ phát triển của một quốc gia thường được đo bằng sự phát triển của ba ngành mũi nhọn trong lĩnh vực này.
- Công nghệ điện tử, tin học và viễn thông
Hiện nay, cả nước có hơn 2,7 triệu ôtô đang lưu hành, với số lượng tập trung nhiều nhất tại Thành phố Hồ Chí Minh Mặc dù điều này đáp ứng nhu cầu công nghiệp hóa của thành phố, nhưng cũng gây ra những vấn đề như ô nhiễm không khí và ùn tắc giao thông.
Việt Nam chưa có nền công nghiệp chế tạo ô tô hoàn chỉnh, chỉ phát triển ngành sửa chữa và bảo dưỡng xe trước năm 1990 Kể từ đó, ngành lắp ráp ô tô và xe gắn máy bắt đầu hình thành với sự tham gia của các liên doanh từ các hãng nổi tiếng thế giới Tuy nhiên, lắp ráp ô tô yêu cầu kỹ thuật và công nghệ cao, đặc biệt trong các lĩnh vực như hàn, sơn, vật liệu cao cấp và thử nghiệm Do thiếu vốn đầu tư và chưa nắm vững công nghệ cũng như quản lý công nghiệp ô tô, Việt Nam cần tìm kiếm các đối tác liên doanh để tiến dần đến việc chế tạo các chi tiết và cụm chi tiết ô tô trong nước.
2.2 VÀI NÉT VỀ VẤN ĐỀ AN TOÀN GIAO THÔNG VÀ VAI TRÒ CỦA
Ngành sản xuất ô tô toàn cầu đang phát triển mạnh mẽ, với ô tô trở thành phương tiện vận chuyển thiết yếu cho hành khách và hàng hóa trong nhiều lĩnh vực kinh tế Đồng thời, ô tô cũng đóng vai trò quan trọng như một phương tiện giao thông cá nhân tại các quốc gia có nền kinh tế phát triển.
Mỹ và Nhật Bản đứng đầu thế giới về sản xuất ô tô, mỗi quốc gia sản xuất khoảng 15 đến 16 triệu chiếc mỗi năm Trong đó, ô tô du lịch chiếm tỷ lệ lớn nhất, từ 78 đến 80%, trong khi ô tô tải chiếm 18 đến 20%, và các loại ô tô khác chỉ chiếm từ 1 đến 3%.
Sự gia tăng số lượng ô tô và mật độ giao thông trên đường đang trở nên nghiêm trọng, cùng với tốc độ di chuyển ngày càng nhanh do hạ tầng giao thông được cải thiện Điều này đã dẫn đến việc tai nạn giao thông trở thành vấn đề cấp bách mà Đảng và Nhà nước đặc biệt quan tâm.
Theo báo cáo của Văn phòng Ủy ban ATGT Quốc gia cho biết, 6 tháng đầu năm
Trong năm 2017, tình hình trật tự an toàn giao thông đã có những chuyển biến tích cực, với 9.593 vụ tai nạn xảy ra trong 6 tháng qua, làm chết 4.134 người và làm bị thương 7.935 người So với cùng kỳ năm 2016, số vụ tai nạn giảm 636 vụ (-6,22%), số người chết giảm 229 người (-5,25%) và số người bị thương giảm 1.004 người (-11,23%).
Trong năm qua, tai nạn giao thông nghiêm trọng ghi nhận 4.797 vụ, khiến 4.134 người tử vong và 2.386 người bị thương So với cùng kỳ năm 2016, số vụ tai nạn đã giảm 244 vụ (-4,84%), số người chết giảm 229 người (-5,25%) và số người bị thương giảm 520 người (-17,9%) Bên cạnh đó, va chạm giao thông xảy ra 4.796 vụ, làm 5.549 người bị thương nhẹ, giảm 392 vụ (-7,56%) và 484 người bị thương (-8,02%) so với cùng kỳ năm trước.
Tai nạn giao thông gây thiệt hại nghiêm trọng về tài sản của Nhà nước và công dân, đồng thời ảnh hưởng lớn đến tính mạng con người Theo thống kê từ các quốc gia, nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng tai nạn giao thông chủ yếu là
- 60 - 70% do yếu tố con người (như lái xe say rượu,mệt mỏi,buôn ngủ,không tuân thủ luật giao thông …)
- 10 - 15% do hư hỏng máy móc, trục trặc về kỹ thuật
- 20 - 30% do tình trạng đường sá
Trong nguyên nhân do hư hỏng máy móc, trục trặc về kỹ thuật qua phân tích cho thấy các cụm của ô tô gây nên được thống kê như sau:
- Hệ thống chiếu sáng, tín hiệu: 2.3 – 8.7%
Dựa trên các số liệu, tai nạn giao thông do hệ thống phanh chiếm tỷ lệ cao, nhưng tai nạn do hệ thống lái cũng không kém phần nghiêm trọng Do đó, hệ thống lái hiện nay đang được cải tiến và tiêu chuẩn hóa về kỹ thuật, nhằm đảm bảo độ tin cậy và an toàn trong quá trình sử dụng.
2.3 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG LÁI
2.3.1 Công dụng, yêu cầu, phân loại
Hệ thống lái của ô tô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ô tô và duy trì chuyển động của ô tô theo một hướng nhất định nào đó
- Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp nhất
- Độ rơ vành lái nhỏ
- Giảm va đập từ bánh xe lên vành lái
- Có khả năng ổn định chuyển động thẳng
+ Theo cách bố trí vành tay lái
- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đi đường là chiều phải)
- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (khi chiều thuận đi đường là chiều trái)
+ Theo kết cấu của cơ cấu lái
- Liên hợp (Trục vít êcu - đòn quay hay trục vít êcu thanh răng - cung răng )
+ Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ trợ lực
- Loại trợ lực khí (gồm cả cường hóa chân không)
+ Theo số lượng cầu dẫn hướng
- Tất cả các cầu dẫn hướng
2.3.2 Đặc điểm kết cấu hệ thống lái
2.3.2.1 Hệ thống lái không có trợ lực:
Trên các ô tô tải nhỏ và ô tô du lịch có công suất nhỏ đến trung bình, thường không trang bị hệ thống trợ lực lái Hệ thống lái của những loại xe này bao gồm cơ cấu lái và dẫn động lái.
Hình 2.1 - Cấu tạo chung hệ thống lái không có trợ lực
1 Vành tay lái; 2 Trục lái; 3,4 Cơ cấu lái; 5 Đòn quay đứng; 6 Thanh kéo dọc; 7 Đòn quay ngang; 8,10 Đòn bên ; 9 Đòn ngang; 11 Moay-ơ bánh xe
Hệ thống lái không sử dụng trợ lực có cấu tạo đơn giản hơn so với hệ thống lái có trợ lực Loại hệ thống lái này thường áp dụng các cơ cấu như trục vít-con lăn, trục vít-cung răng hoặc loại liên hợp.
2.3.2.2 Hệ thống lái có trợ lực: Đối với ôtô tải có trọng tải lớn, xe khách loại vừa và lớn thì lực tác dụng lên vành tay lái rất lớn, để làm giảm nhẹ lực tác dụng lên vành tay lái khi điều khiển hệ thống lái bố trí thêm trợ lực lái, hiện nay để tăng tính an toàn cho ôtô chuyển động ở tốc độ cao thì cả trên các loại ô tô con cũng được bố trí trợ lực
Hình 2.2 - Cấu tạo chung hệ thống lái có trợ lực
Bộ trợ lực có nhiều vị trí đặt tuỳ vào cấu tạo hệ thống lái, thông thường được đặt tại cơ cấu lái, hoặc trên hình thang lái
Cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:
- Nguồn năng lượng (NNL): Là nơi cung cấp năng lượng cho cơ cấu chấp hành trợ lực Có thể phân loại NNL như sau:
Trợ lực thuỷ lực: Trong trợ lực thuỷ lực nguồn cung cấp là bơm thuỷ lực do động cơ dẫn động
Trợ lực khí nén: Trong bộ trợ lực khí là máy nén khí và bình chứa khí nén
Trợ lực điện: Trong bộ trợ lực điện là acquy và máy phát điện
Bộ phận phân phối (VPP) trong hệ thống lái trợ lực thủy lực có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và kiểm soát năng lượng chất lỏng Nó tự động điều chỉnh lượng năng lượng cung cấp đến cơ cấu chấp hành dựa trên lực quay vòng tác động lên vành tay lái, giúp cải thiện khả năng điều khiển và cảm giác lái.
Bộ phận này có nhiều kiểu, trong đó có hai loại được dùng nhiều là:
Bộ phận phân phối kiểu van phân phối xoay sử dụng chủ yếu trên xe ôtô du lịch
Bộ phận phân phối kiểu van phân phối tịnh tiến, hay còn gọi là van trượt, chủ yếu được sử dụng trên các xe ôtô tải Ngoài ra, còn tồn tại một số loại van khác như van con trượt kép và van phân phối kiểu cánh, mặc dù chúng ít phổ biến hơn.
Khái quát về hệ thống lái
2.3.1 Công dụng, yêu cầu, phân loại
Hệ thống lái của ô tô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ô tô và duy trì chuyển động của ô tô theo một hướng nhất định nào đó
- Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp nhất
- Độ rơ vành lái nhỏ
- Giảm va đập từ bánh xe lên vành lái
- Có khả năng ổn định chuyển động thẳng
+ Theo cách bố trí vành tay lái
- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đi đường là chiều phải)
- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (khi chiều thuận đi đường là chiều trái)
+ Theo kết cấu của cơ cấu lái
- Liên hợp (Trục vít êcu - đòn quay hay trục vít êcu thanh răng - cung răng )
+ Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ trợ lực
- Loại trợ lực khí (gồm cả cường hóa chân không)
+ Theo số lượng cầu dẫn hướng
- Tất cả các cầu dẫn hướng
2.3.2 Đặc điểm kết cấu hệ thống lái
2.3.2.1 Hệ thống lái không có trợ lực:
Trên các ô tô tải nhẹ và ô tô du lịch có công suất nhỏ đến trung bình, thường không trang bị hệ thống trợ lực lái Cấu tạo của hệ thống lái bao gồm cơ cấu lái và dẫn động lái.
Hình 2.1 - Cấu tạo chung hệ thống lái không có trợ lực
1 Vành tay lái; 2 Trục lái; 3,4 Cơ cấu lái; 5 Đòn quay đứng; 6 Thanh kéo dọc; 7 Đòn quay ngang; 8,10 Đòn bên ; 9 Đòn ngang; 11 Moay-ơ bánh xe
Hệ thống lái không trợ lực có cấu tạo đơn giản hơn so với hệ thống có trợ lực Thông thường, hệ thống lái không trợ lực sử dụng cơ cấu lái như trục vít-con lăn, trục vít-cung răng hoặc loại liên hợp.
2.3.2.2 Hệ thống lái có trợ lực: Đối với ôtô tải có trọng tải lớn, xe khách loại vừa và lớn thì lực tác dụng lên vành tay lái rất lớn, để làm giảm nhẹ lực tác dụng lên vành tay lái khi điều khiển hệ thống lái bố trí thêm trợ lực lái, hiện nay để tăng tính an toàn cho ôtô chuyển động ở tốc độ cao thì cả trên các loại ô tô con cũng được bố trí trợ lực
Hình 2.2 - Cấu tạo chung hệ thống lái có trợ lực
Bộ trợ lực có nhiều vị trí đặt tuỳ vào cấu tạo hệ thống lái, thông thường được đặt tại cơ cấu lái, hoặc trên hình thang lái
Cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:
- Nguồn năng lượng (NNL): Là nơi cung cấp năng lượng cho cơ cấu chấp hành trợ lực Có thể phân loại NNL như sau:
Trợ lực thuỷ lực: Trong trợ lực thuỷ lực nguồn cung cấp là bơm thuỷ lực do động cơ dẫn động
Trợ lực khí nén: Trong bộ trợ lực khí là máy nén khí và bình chứa khí nén
Trợ lực điện: Trong bộ trợ lực điện là acquy và máy phát điện
Bộ phận phân phối (VPP) trong hệ thống lái trợ lực thủy lực có chức năng điều chỉnh và kiểm soát năng lượng chất lỏng cung cấp đến cơ cấu chấp hành, phù hợp với lực quay vòng tác động lên vành tay lái.
Bộ phận này có nhiều kiểu, trong đó có hai loại được dùng nhiều là:
Bộ phận phân phối kiểu van phân phối xoay sử dụng chủ yếu trên xe ôtô du lịch
Bộ phận phân phối kiểu van phân phối tịnh tiến (van trượt) chủ yếu được sử dụng trên các xe ô tô tải Bên cạnh đó, còn tồn tại một số loại van khác ít phổ biến hơn như van con trượt kép và van phân phối kiểu cánh.
Cơ cấu chấp hành (XLL) là xi lanh lực có nhiệm vụ truyền lực đến dẫn động lái, tiếp nhận năng lượng chất lỏng từ NNL và chuyển đổi thành lực cơ năng nhằm tăng cường lực tác động lên hệ thống lái.
Hình 2.3 - Sơ đồ bố trí chung
1 Bộ phận điều khiển là vành lái; 5 Đối tượng cần điều khiển là bánh xe dẫn hướng; 2 Nguồn năng lượng: Thường là bơm dầu, có bình chứa liền khối, các van an toàn, đồng hồ đo áp suất, bầu lọc; 3 Van phân phối: Van phân phối có cơ cấu tùy động để điều khiển và điều chỉnh dòng dầu; 4 Nguồn sinh lực: Xylanh lực để điều khiển bánh xe dẫn hướng
2.3.2.3 Các phương pháp bố trí trợ lực lái
Bố trí CCL, VPP, XLL đặt chung
- Ưu điểm: Kết cấu gọn, dễ bố trí, chiều dài ống dẫn là ngắn nhất
- Nhược điểm: Các chi tiết phần dẫn động chịu tải lớn, khó chế tạo cụm chi tiết, giá thành cao
Hình 2.4 - Bố trí CCL, VPP, XLL đặt chung
Bố trí CCL, VPP đặt chung, XLL đặt riêng
Bộ phận chấp hành XLL được đặt ngay trên đòn ngang liên kết, giúp phần phía sau đòn ngang chịu lực hiệu quả Cụm van phân phối và cơ cấu lái được thiết kế đơn giản hơn, mang lại lợi ích trong việc chế tạo và lắp đặt dễ dàng.
- Nhược điểm: Số đường dầu tăng đồng nghĩa với khả năng hư hỏng tăng, việc kiểm tra sửa chửa sẽ khó khăn hơn trường hợp trên
Hình 2.5 - Bố trí CCL, VPP đặt chung, XLL đặt riêng
Bố trí VPP, XLL , CCL đặt riêng
- Ưu điểm: Tất cả các cụm đều đặt riêng, trong trường hợp cần hoán cải thay thế sẽ dễ dàng Các cụm đơn giản, dễ sửa chữa từng cụm
- Nhược điểm: Số lượng các khâu liên kết tăng lên, tăng chiều dài ống dẫn, giảm độ nhạy của hệ thống lái
Hình 2.6 - Bố trí VPP, XLL, CCL đặt riêng
Bố trí VPP, XLL đặt chung , CCL đặt riêng
Động lực học quay vòng của ô tô
2.4.1 Phương trình động lực học
Hệ thống lái là cơ cấu chịu ảnh hưởng từ hai yếu tố chính: người lái và tải trọng xe tác động lên các bánh xe dẫn hướng, cùng với các lực cản từ mặt đường.
Tải trọng từ mặt đường tác động lên hệ thống lái thông qua bánh xe dẫn hướng bao gồm lực cản chuyển động, lực cản bên và lực cản ổn định Các lực tác dụng này được thể hiện trong sơ đồ lực ở hình 2-8.
Hình 2.8 - Sơ đồ tải trọng tác dụng lên hệ thống lái
F f – Lực cản chuyển động; F b - Lực cản bên; F G - Lực cản ổn định
M c =(F f +F b +F G )*a – Mô men cản tổng cộng trên trục đứng a- Cánh tay đòn lăn của bánh xe dẫn hướng;
R lbx – Bán kính lăn bánh xe dẫn hướng; - Hệ số bám
Trong các tính toán HTL, để đơn giản người ta đưa ra các giả thiết sau:
Bỏ qua ảnh hưởng đàn hồi và khối lượng lốp xe ( lốp xe cứng tuyệt đối)
Bỏ qua các thành phần ma sát trong các khớp và trong hệ thống
Không có ảnh hưởng của các phần tử đàn hồi (cao su, nhựa) trong HTL ( Hệ thống lái)
Mô men quay vành tay lái M vl với tốc độ quay đều
Cánh tay đòn lăn a của hai bên là như nhau
Giá treo dưới của hệ thống treo được gắn chặt với khung gầm
HTL chịu tải nặng nhất khi xe đầy tải và đứng yên, quay hết vành tay lái trên mặt đường nhựa khô với hệ số bám lớn Mô men cản quay vòng do lực cản từ mặt đường tác động vào hai bên trục quay được tính theo công thức 2-1.
Trong đó: M 1 =G 1 *f*a Mô men cản chuyển động quay bánh xe
M 2 =0.14*G 1 **R lbx Mô men cản bên
M 3 =F G *a*4(sin()+sin()) Mô men cản ổn định
Trong công thức, thành phần M 3 được đặc trưng bởi hệ số =1.07-1.15
M 4 =F p *a Mô men cản do lực phanh Fp
htl = k * t k =0.6 Hiệu suất dẫn động lái
t =0.9 Hiệu suất khớp truyền lực
Trong đó là góc tổng cộng của trục đứng và góc nghiêng bánh xe dẫn hướng trong mặt phẳng ngang
Trong quá trình đánh lái, cánh tay đòn lăn a sẽ thay đổi, khiến việc tính toán khoảng cách a trở nên phức tạp do ảnh hưởng của trọng lực và mô men quán tính Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ thông tin giúp đơn giản hóa quá trình tính toán này, tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác Mô phỏng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường được thực hiện qua một liên kết phẳng ba bậc tự do, với ba điểm liên kết, trong đó hai điểm nằm trên lốp và một điểm trên mặt đường.
Khi không có trợ lực, để thắng được lực ở hai bên bánh xe, lực lái trên vành tay lái có giá trị:
Khi có trợ lực, mô men cường hoá được tính bởi công thức sau:
Trong đó: M ch là mô men cường hoá; R 0 chiều dài cánh tay đòn dẫn động;
P ch là lực cường hoá
Trong điều kiện nặng nhọc nhất, để vượt qua lực cản từ mặt đường lên bánh xe dẫn hướng trong quá trình lái xe, lực lái cực đại trên vô lăng cần phải đáp ứng các yêu cầu nhất định.
Trong đó: M d là mô men quay trục quay đứng được quy về cơ cấu lái và được xác định bởi công thức sau:
Trong đó: M L mô men của người lái xe quay vành tay lái, phụ thuộc vào trạng thái, tâm lý của người lái và kết cấu của HTL
M ch là mô mên trợ lực lái Khi HTL không có trợ lực thì
Ngoài ra, các trọng lực, mô men quán tính có sẵn không biến đổi phụ thuộc vào khối lượng và gia tốc đánh lái
Lực lái trên vành tay lái là chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng hệ thống lái (HTL) Lực lái (P L ) do người lái tạo ra cần đủ mạnh để quay vành tay lái và vượt qua lực cản từ mặt đường qua các bánh xe dẫn hướng Giá trị lực lái phải vừa đủ để người lái cảm nhận được độ bám của bánh xe với mặt đường, đặc biệt là khi xe di chuyển với tốc độ cao trên bề mặt trơn trượt Độ nhạy của HTL được xác định bởi thời gian quay của vành tay lái cho đến khi bánh xe dẫn hướng phản ứng theo ý muốn, với độ rơ tổng thể ( TT ) càng nhỏ thì độ nhạy càng cao.
Thông thường, các thông số này được cung cấp bởi nhà thiết kế chế tạo cho các xe đời mới Tuy nhiên, để đánh giá các chỉ tiêu tại thời điểm sử dụng, chúng ta cần dựa vào kết quả thực nghiệm.
Xét trên cấu trúc cơ bản hệ thống lái với 5 phần tử có thể xây dựng mô hình toán học của hệ thống như sau:
Hình 2.9 - Mô hình toán học của hệ thống lái
Trên mô hình toán học có thể thấy: Lực cản quay vòng bánh xe bên trái và bên phải
Pc 1 và Pc 2 khác nhau, được khắc phục nhờ tác động của lực P 1 lực của người lái tác động lên vô lăng 1 và thông qua vô lăng lực này được chuyển đổi thành mô men M1 trên trục lái Từ M 1 , thông qua cơ cấu lái được chuyển đổi thành lực P 2 trên ngõng lái (hoặc thanh răng) và truyền qua các thanh dẫn động lái tới trục quay đứng bánh xe, chia ra lực P3-1 và P 3-2 làm quay các bánh xe 5 a và 5 b để thắng các lực cản quay vòng Pc 1 và Pc 2
Về lý thuyết, P 3-1 và P 3-2 được coi là bằng nhau, nhưng thực tế cho thấy hai bánh xe trái và phải quay với các góc khác nhau xung quanh một điểm O Nếu cả hai bánh xe quay cùng một góc, hiện tượng trượt bên lớn sẽ xảy ra ở bánh xe phía trong khi thực hiện cung quay vòng.
Vì vậy khi quay vòng bánh xe phía trong cung quay vòng thường vừa phải lăn vừa quay và trượt nên P 3-1 và P 3-2 khác nhau
2.4.2 Các trạng thái quay vòng của xe
Bán kính quay vòng là góc quay của bánh xe phía trước bên trái và bên phải khi di chuyển trên đường vòng Khi góc quay của các bánh xe bên phải và bên trái khác nhau, phù hợp với tâm quay của cả bốn bánh xe, độ ổn định của xe sẽ được cải thiện Ví dụ, trong hệ thống lái có thanh nối phía sau trục lái, nếu các đòn cam lái song song với đường tâm xe, góc lái của bánh xe bên phải và bên trái sẽ bằng nhau (a=b), tuy nhiên mỗi bánh xe sẽ quay quanh một tâm quay khác nhau (O1 và O2) mặc dù bán kính quay là giống nhau (r1=r2).
Hình 2.10 - Bán kính quay vòng bánh xe
Khi đòn cam lái nghiêng so với đường tâm xe, sẽ xảy ra sự trượt bên ở một trong hai bánh xe Điều này dẫn đến việc các bánh xe bên phải và bên trái có góc quay khác nhau (ar2) để quay quanh cùng một tâm (O) Nhờ đó, góc lái sẽ được điều chỉnh chính xác.
Sự chuyển động của xe trên đường là một quá trình phức tạp Khi xe di chuyển trên đường vòng với tốc độ thấp, mỗi vị trí góc quay của vành tay lái θ vl tương ứng với một bán kính quay vòng R 0 Trạng thái này được xem là quay vòng tĩnh và được gọi là quay vòng đủ.
Trong thực tế, xe thường di chuyển với tốc độ cao, dẫn đến việc quá trình quay vòng diễn ra không thường xuyên Hai trạng thái chính là quay vòng thiếu và quay vòng thừa, xảy ra do sự thay đổi tốc độ di chuyển, độ đàn hồi của lốp và hệ thống treo.
Khi thực hiện quay vòng xe, nếu quay vòng thiếu, người lái cần tăng góc quay vành lái một lượng θvl để đạt bán kính R0 Ngược lại, khi quay vòng thừa, cần giảm góc quay vành lái một lượng θvl để điều chỉnh theo bán kính R0.
Trạng thái quay vòng thừa và quay vòng thiếu là những tình huống nguy hiểm có thể xảy ra khi lái xe Chúng làm giảm tính ổn định và khả năng điều khiển của xe, do gia tăng lực ly tâm khi vận tốc quay vòng tăng Trong những trường hợp này, người lái cần có kinh nghiệm xử lý tốt để đảm bảo an toàn.
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ
Phân tích đặc điểm và kết cấu
Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện - điện tử có nhiều loại khác nhau, do đó cần phân tích cấu trúc và phương pháp điều khiển riêng biệt cho từng kiểu hệ thống.
3.1.1 Trợ lực thủy lực điều khiển với van điện từ
3.1.1.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực thực hiện điều khiển lưu lượng
Sơ đồ cấu trúc hệ thống được trình bày trên hình 3.1
Hình 3.1 - Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực
Hình 3.2 - Bơm trợ lực lái và van điện - từ
Trong phương pháp này van điện – từ được điều khiển bởi một ECU trợ lực lái (
PS ECU điều chỉnh độ mở van từ cửa cấp đến cửa hồi dầu dựa trên tốc độ ô tô, giúp giảm áp suất trong hệ thống trợ lực lái tương ứng với tốc độ di chuyển Tín hiệu tốc độ ô tô được cung cấp bởi cảm biến tốc độ lắp ở trục thứ cấp của hộp số.
3.1.1.2 Hệ thống trợ lực thủy lực với van điện từ trên mạch dầu van trợ lực lái
Van trợ lực lái được chế tạo theo nguyên lý mạch cầu thuỷ lực gồm 6 cửa:
+ Cửa P: Cửa dầu từ bơm trợ lực đến
+ Cửa R: Cửa dầu từ van trợ lực về bình dầu
+ Cửa A và cửa B: Cửa dầu đến 2 phía của piston xi lanh trợ lực
Cửa C và cửa D liên quan đến việc điều khiển van điện từ, với độ mở được điều chỉnh bởi chuỗi xung từ ECU lái Khi van điện từ mở lớn ở tốc độ cao, nó cản trở dòng dầu từ cửa B về thùng dầu, ảnh hưởng đến sự di chuyển của piston xi lanh trợ lực lái Hệ thống lái (HTL) sẽ trở nên kém nhạy và nặng hơn khi vận hành ở tốc độ cao.
Hình 3.3 - Sơ đồ HTL thay đổi hệ số trợ lực lái bằng van điện từ ở van trợ lực
Hình 3.4 - Sơ đồ mạch cầu thủy lực
Cơ cấu lái và van trợ lực
Cảm biến tốc độ ô tô
PS ECU Van điện từ
Hình 3.5 - (a)- Vị trí bố trí van điện từ (b)- Sơ đồ mạch dầu
(c)- Mối quan hệ giữa áp suất dầu và mô men trợ lực lái
3.1.1.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện - từ tại cửa vào ra của van trợ lực
Bằng cách điều chỉnh độ mở của van điện từ theo tốc độ ôtô, một phần dầu từ bơm trợ lực lái được dẫn qua van điện từ và trở lại bình dầu, dẫn đến sự thay đổi về áp suất và lưu lượng cung cấp cho xi lanh trợ lực, từ đó làm thay đổi lực lái Điều này được minh họa trong hình 3.6.
Hình 3.6 - Sơ đồ thay đổi hệ số trợ lực bằng van điện từ tại cửa vào ra
3.1.1.4 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với cách thay đổi tốc độ bơm trợ lực lái
Trong hệ thống bơm trợ lực lái, bơm không được dẫn động bằng dây đai từ động cơ mà sử dụng động cơ điện điều khiển bởi ECU PS Tốc độ bơm phụ thuộc vào hai yếu tố chính: tốc độ ôtô và tốc độ đánh tay lái, được phản ánh qua tín hiệu từ cảm biến tốc độ ôtô và cảm biến góc đánh lái Việc điều khiển bơm có thể thực hiện theo hai cách, tùy thuộc vào loại động cơ dẫn động bơm.
(a) Sơ đồ hệ thống (b) Cấu trúc và tín hiệu ra
(c) Sơ đồ tổng quát hệ thống
Hệ thống trợ lực lái thủy lực điều khiển tốc độ mô tơ dẫn động bơm bao gồm ba phần chính: tổng quát hệ thống, cảm biến tốc độ ô tô và sơ đồ tổng quát hệ thống.
Hệ thống trợ lực lái sử dụng mô tơ điện một chiều thông thường với cổ góp và chổi than để điều khiển bơm trợ lực Tốc độ của bơm trợ lực lái thay đổi, dẫn đến sự biến đổi về lưu lượng và áp suất trong hệ thống, từ đó ảnh hưởng đến hệ số trợ lực lái.
Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật lập trình trong các hệ thống điều khiển ô tô đã dẫn đến việc áp dụng hệ thống lái trợ lực thủy lực-điện sử dụng động cơ bước không cổ góp và chổi than để điều khiển bơm trợ lực lái.
Xe Ford Focus 2007, được sản xuất bởi liên doanh ôtô Ford – Việt Nam, áp dụng công nghệ bơm được lập trình điều khiển theo tốc độ di chuyển của xe và tốc độ đánh lái.
Hình 3.8 - Bề mặt lập trình cho tốc độ bơm
A - Tốc độ bơm (vòng/ phút)
B - Tốc độ quay lái ( độ/ giây)
Hệ số trợ lực tối ưu trong chuyển động của xe là một vấn đề phức tạp, được nghiên cứu và thử nghiệm để tạo ra bề mặt mạng lưới lập trình Nhờ vào kỹ thuật và công nghệ tiên tiến hiện nay, việc điều khiển hệ số trợ lực phức tạp này đã trở nên khả thi thông qua việc sử dụng mô tơ bước.
Hệ thống trợ lực sử dụng mô tơ điện 12 vôn không chổi than để dẫn động bơm thuỷ lực, với tốc độ bơm cao hơn chỉ khi có tác động đánh lái Điều này giúp tiết kiệm năng lượng trong hầu hết thời gian lái xe Mô tơ được điều khiển bằng điện tử không chổi than và cổ góp, và toàn bộ hệ thống được thiết kế để không cần bảo dưỡng.
Trong hơn 85% tình huống lái xe, bơm trợ lực lái hoạt động ở chế độ chờ với mức tiêu thụ điện dưới 4A Tuy nhiên, khi cần đánh lái khẩn cấp, tốc độ bơm có thể tăng nhanh chóng đến mức tối đa Hệ thống này sử dụng điều khiển tốc độ liên tục và mô tơ không chổi than, giúp tăng độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ bơm Bơm thuỷ lực kiểu bánh răng có buồng cộng hưởng trong thân bơm, giảm thiểu tiếng ồn phát ra Ngoài ra, van hạn chế áp suất trong vỏ bơm giới hạn áp suất dầu thuỷ lực tối đa ở 120 bar.
3.1.2 Hệ thống lái trợ lực điện- điện tử
Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về tốc độ, chất lượng và giảm năng lượng tiêu thụ trong phương tiện, nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển điện - điện tử là cần thiết Việc giới thiệu lôgíc toán học và hệ thống lái chuyên sâu giúp điều chỉnh trợ lực phù hợp với điều kiện giao thông và bề mặt đường, tạo cảm giác nhạy bén khi lái xe Khả năng phản ứng tức thời của trợ lực lái là yếu tố quan trọng, giúp người lái chú ý đến biến đổi do phản lực lái Hệ thống cung cấp thông tin vận tốc, gia tốc và phản lực lái, không chỉ cải thiện mối quan hệ giữa người lái và phương tiện mà còn tạo sự phù hợp giữa cảm giác lái và hệ thống Chức năng tự động bù cho những biến đổi không đồng đều cũng được giải quyết, nâng cao trải nghiệm lái xe.
Hệ thống Trợ lực lái điện (EPS) là một công nghệ tiên tiến giúp giảm sức cản trong hệ thống lái bằng cách cung cấp điện năng từ mô tơ điện trực tiếp tới hệ thống EPS bao gồm các thành phần như cảm biến tốc độ xe, cảm biến lái (mômen và vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và mô tơ Tín hiệu từ các cảm biến được gửi tới ECU, nơi thực hiện tính toán để điều chỉnh hoạt động của mô tơ trợ lực, đảm bảo sự ổn định và linh hoạt trong việc điều khiển xe.
* Nhóm này gồm có 3 kiểu trợ lực cơ bản:
+ Trợ lực trên trục lái ( hình 3.9)
Hình 3.9 - Trợ lực lái điện – điện tử với mô tơ trợ lực bố trí trên trục lái
+ Trợ lực trên cơ cấu lái ( hình 3.10; 3.11)
Kiểu này có 2 cách bố trí mô tơ trợ lực
- Môtơ rời, có trục vít ăn khớp với bánh vít trên thanh răng của cơ cấu lái ( hình 3.10)
Hình 3.10 - Mô tơ trợ lực lắp ở cơ cấu lái
- Môtơ được chế tạo liền ở cơ cấu lái ( hình 3.11)
Hình 3.11 - Trợ lực lái điện-điện tử với môtơ trợ lực bố trí ở cơ cấu lái
3.1.2.1 Trợ lực trên trục lái
Trợ lực lái điện (EPS) là hệ thống điện giúp giảm sức cản khi lái xe bằng cách cung cấp điện trực tiếp cho mô tơ trợ lực Hệ thống bao gồm cảm biến tốc độ xe, cảm biến lái (mô men và vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử EPS-ECU và motor điện Tín hiệu từ các cảm biến được gửi đến EPS-ECU để tính toán chế độ điều khiển, từ đó điều chỉnh hoạt động của motor trợ lực.
Hình 3.12 - Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Scion
Hình 3.13 - Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Corolla
Hình 3.14 - Sơ đồ khối hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Scion
Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ khối (hình 3.14) trên đó có thể nhận thấy các tín hiệu đầu vào của EPS-ECU gồm 4 nhóm tín hiệu chính:
- Nhóm 1: Cảm biến mô men xoắn (mô men lái) và cảm biến góc xoay
- Nhóm 2: Tín hiệu tốc độ xe Tín hiệu này được gửi thông qua ECU và mạng
CAN (CAN – Controller Area Network) truyền tới EPS-ECU
- Nhóm 3: Tín hiệu tốc độ động cơ (xung NE từ cảm biến trục khuỷu) thông qua
ECM động cơ và mạng CAN truyền tới EPS-ECU
- Nhóm 4: Nhóm dữ liệu cài đặt và tra cứu thông qua giắc kết nối dữ liệu DLC3
(Data Link Connector) để truy nhập các thông tin cài đặt và tra cứu thông tin làm việc của hệ thống và báo lỗi hệ thống
Những sự cố trong quá trình vận hành hệ thống được ghi lại trong bộ nhớ của EPS- ECU và cảnh báo bằng đèn P/S trên táplô (Hình 3.15)
Motor trợ lực lái có thể được điều khiển theo 2 cách:
Hình 3.15 - Sơ đồ bố trí hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Scion
Các phương pháp điều khiển
Các phương pháp điều khiển nêu trên có thể được mô tả tóm tắt như sau:
3.2.1 Phương pháp điều khiển lưu lượng ( Flow Control Method)
Trong phương pháp này, van điện từ Solenoid được lắp đặt tại cửa ra của bơm để mở đường dầu tắt về đường hồi dầu Bộ điều khiển điện tử điều chỉnh van mở khi ô tô chạy ở tốc độ cao, giúp giảm lưu lượng dầu cung cấp cho van và xilanh trợ lực, từ đó tăng cường lực lái Việc giảm độ cản giữa bơm và xilanh trợ lực làm giảm yêu cầu về trợ lực Khi lái ở tốc độ cao, dòng dầu thủy lực đến xilanh trợ lực giảm, dẫn đến sự cân bằng giữa tỉ lệ phản hồi và lực phản lái tại điểm cân bằng.
3.2.2 Phương pháp điều khiển mạch tách qua xilanh trợ lực ( Cylinder
Trong phương pháp này, một van điện và mạch rẽ được thiết lập cho hai khoang cửa xilanh trợ lực, giúp kéo dài thời gian mở van nhờ bộ điều khiển điện tử, phù hợp với việc tăng tốc độ ôtô Điều này làm giảm áp suất dầu trong xilanh trợ lực, từ đó tăng hiệu quả lái Tương tự như phương pháp điều khiển lưu lượng, hệ thống này cũng đạt được điểm cân bằng giữa lượng phản hồi lái và lực phản lái.
3.2.3 Phương pháp điều khiển đặc tính van ( Valve Characteristics Control
Phương pháp này sử dụng cơ cấu van xoay để giới hạn áp suất điều khiển, chia lượng và áp suất dầu cung cấp cho xi lanh trợ lực thành ba phần Phần thứ tư được điều khiển bởi tín hiệu từ động cơ, điều chỉnh dòng dầu giữa phần hai và ba của van Hiệu quả lái được cải thiện bằng cách phát hiện biến đổi điều khiển của phần thứ tư, từ đó thay đổi tỉ lệ trợ lực Với cấu trúc hệ thống đơn giản và dòng dầu được cung cấp hiệu quả từ bơm đến xi lanh trợ lực, hệ thống này mang lại phản hồi tốt Khi dòng điện cấp cho van điện từ đạt 0,3A, van sẽ mở hoàn toàn, phù hợp cho việc chạy xe ở tốc độ cao.
3.2.4 Phương pháp điều khiển phản lực dầu ( Hydraulic Reaction Force
Phương pháp này sử dụng cơ cấu phản lực dầu để điều khiển hiệu quả lái, với van xoay (van trợ lực) được lắp đặt Van điều khiển phản lực dầu có nhiệm vụ tăng áp suất dầu cung cấp cho khoang phản lực, phù hợp với tốc độ của xe.
Giới thiệu giải thuật điều khiển PID
PID stands for Proportional, Integral, and Derivative, and it is the most widely used control algorithm in automatic control applications This method is essential for achieving high accuracy, fast response times, and stability with minimal overshoot.
Các hệ thống điều khiển cổ điển thường sử dụng phương pháp điều khiển phản hồi (feedback control) Mặc dù trong một hệ thống có thể có nhiều thông số phụ thuộc, chúng ta sẽ bắt đầu phân tích với một thông số duy nhất.
Hình 3.36 - Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh PID
Trong đó: z(t)_Tín hiệu đầu vào e(t)_Sai lệch điều khiển, e(t)= z(t)-y(t) x(t)_Tín hiệu điều khiển u(t)_ Tín hiệu ra y(t)_Tín hiệu phản hồi
Trong một hệ thống làm việc lý tưởng, giá trị e(t) cần đạt 0 trong khoảng thời gian nhất định, như khi nhiệt độ trong xe đạt mức mong muốn Tuy nhiên, thực tế luôn tồn tại sự chênh lệch giữa hai tín hiệu z(t) và y(t) Bộ vi điều khiển sẽ dựa vào sự chênh lệch này để tạo ra xung x(t), điều khiển cơ cấu chấp hành Sự thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến thông số đầu ra của cơ cấu chấp hành u(t).
Để điều khiển chính xác, cần có thông tin phản hồi để xác định đúng sai và kịp thời khắc phục Các nhà khoa học đã phát triển thuật toán PID, bao gồm ba thông số riêng biệt: tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D) Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng hợp ba tác động này giúp điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển, với P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I dựa vào tích lũy sai số quá khứ, và D dự đoán sai số tương lai từ tốc độ thay đổi hiện tại.
Khâu tỉ lệ, tích phân và vi phân được kết hợp để xác định đầu ra của bộ điều khiển PID Đầu ra của bộ điều khiển được ký hiệu là u(t), và biểu thức tổng quát của PID được xác định như sau:
Khâu tỉ lệ ảnh hưởng đến giá trị đầu ra và tỷ lệ với giá trị sai số hiện tại Để điều chỉnh tỷ lệ, sai số có thể được nhân với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỷ lệ Công thức cho khâu tỷ lệ được xác định như sau:
P out = K P e(t) (3-4) Trong đó: P out : Thừa số tỉ lệ của đầu ra
Độ lợi tỉ lệ là yếu tố quan trọng trong hệ thống điều khiển, được xác định bởi sai số giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế Khi độ lợi của khâu tỉ lệ lớn, sự thay đổi ở đầu ra sẽ lớn hơn so với sai số, nhưng nếu độ lợi quá cao, hệ thống có thể trở nên không ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ dẫn đến phản ứng chậm và kém nhạy của bộ điều khiển trước sai số lớn Nếu độ lợi quá thấp, tác động điều khiển sẽ không đủ mạnh để đối phó với nhiễu trong hệ thống.
Phân phối của khâu tích phân tỷ lệ thuận với biên độ sai số và thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho phép ta tính toán tích lũy bù đã được hiệu chỉnh Tích lũy sai số này được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả các tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân K i Thừa số tích phân được xác định như sau:
I out = K I ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 0 𝑡 (3-5) Trong đó: I out : Thừa số tích phân của đầu ra
K i : Độ lợi tích phân, là một thông số điều chỉnh e: Sai số t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
Khâu tích phân, khi kết hợp với khâu tỉ lệ, giúp tăng tốc độ chuyển động của quá trình đến điểm đặt và loại bỏ sai số ổn định với tỷ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, do khâu tích phân phản ánh sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể dẫn đến việc giá trị hiện tại vượt quá giá trị đặt, gây ra độ lệch và dao động quanh điểm đặt.
Tốc độ thay đổi của sai số trong quá trình được tính bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian, tức là đạo hàm bậc một theo thời gian, và nhân với độ lợi tỉ lệ Kd Biên độ của phân phối khâu vi phân, thường được gọi là tốc độ, trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân Kd Thừa số vi phân được xác định bởi các yếu tố này.
𝑑𝑡 (3-6) Trong đó: D out : Thừa số vi phân của đầu ra
K d : Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh e: Sai số t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
Khâu vi phân giúp làm chậm tốc độ thay đổi đầu ra của bộ điều khiển, điều này rất quan trọng để đạt được điểm đặt mong muốn Do đó, việc sử dụng điều khiển vi phân không chỉ giảm biên độ vọt lố do thành phần tích phân gây ra mà còn tăng cường độ ổn định cho bộ điều khiển hỗn hợp.
Bộ vi điều khiển ARDUINO - UNO
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật Card Arduino UNO
Chip điều khiển chính ATmega328
Nguồn ngoài( cắm từ giắc tròn
Khuyên dùng 7-9V để đảm bảo mạch hoạt động tốt
Số chân Digital 14 (hỗ trợ 6 chân PWM)
Dòng ra trên chân digital Tối đa 40 mA
Dòng ra trên chân 3.3V 50 mA
Dung lượng bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloader
Sơ đồ nguyên lý & Mạch In Sử dụng phần mềm thiết kế PCB
Arduino UNO R3 có thể được cấp nguồn 5V qua cổng USB hoặc từ nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC, và giới hạn là 6-20V Sử dụng pin 9V là lựa chọn hợp lý khi không có nguồn từ cổng USB Lưu ý, việc cấp nguồn vượt quá giới hạn có thể gây hỏng thiết bị.
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị với nguồn điện riêng biệt, cần phải nối các chân GND này với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
- 5V: Cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA
- 3.3V: Cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA
- Vin (Voltage Input): Để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND
IOREF là chân đo điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO, thường có giá trị 5V Tuy nhiên, cần lưu ý rằng chân này không được sử dụng để cấp nguồn 5V cho các thiết bị khác, vì chức năng chính của nó không phải là cung cấp nguồn.
- RESET: Khi nhấn nút Reset trên board để Reset vi điều khiển tương đương với việc chân Reset được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ
Các chân vào ra của Arduino Uno R3:
Arduino UNO R3 có 14 chân digital để đọc và xuất tín hiệu với hai mức điện áp 0V và 5V, dòng vào/ra tối đa là 40mA mỗi chân Mỗi chân được trang bị điện trở pull-up từ trong vi điều khiển ATmega328, nhưng mặc định không kết nối Một số chân digital còn có chức năng đặc biệt.
- Hai chân Serial 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (Transmit – TX) và nhận
Arduino Uno có khả năng giao tiếp với các thiết bị khác thông qua hai chân nhận dữ liệu TTL Serial (RX) Kết nối Bluetooth được coi là một dạng kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng hai chân này trừ khi thật sự cần thiết.
Chân PWM (3, 5, 6, 9, 10, và 11) cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8 bit, tương ứng với giá trị từ 0 đến 255, tạo ra điện áp từ 0V đến 5V thông qua hàm analogWrite() Điều này có nghĩa là bạn có thể điều chỉnh điện áp ra ở các chân này, thay vì chỉ có hai mức cố định là 0V và 5V như những chân khác.
Chân giao tiếp SPI bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK), không chỉ đảm nhiệm các chức năng thông thường mà còn hỗ trợ truyền phát dữ liệu qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
Trên board Arduino UNO, có một đèn LED màu cam ký hiệu chữ L, sẽ nhấp nháy khi bạn nhấn nút Reset, báo hiệu trạng thái hoạt động của thiết bị Đèn LED này được kết nối với chân số trên board.
13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng
- Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu
Arduino UNO sử dụng độ phân giải 10bit để đọc giá trị điện áp trong khoảng từ 0V đến 5V Chân AREF trên board cho phép bạn cung cấp điện áp tham chiếu cho các chân analog, ví dụ, nếu bạn cấp 2.5V vào chân này, các chân analog có thể đo điện áp trong khoảng 0V đến 2.5V với độ phân giải 10bit Ngoài ra, Arduino UNO còn có hai chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp.
I2C/TWI với các thiết bị khác.
THIẾT KẾ,CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN VÀ KIỂM NGHIỆM
Thiết kế,chế tạo bộ điều khiển hệ thống lái trợ lực điện
Hình 4.1 – Lưu đồ giải thuật
l Mục đích xây dựng mô hình
4.2.1.MỤC ĐÍCH XÂY DỰNG MÔ HÌNH
Hệ thống lái trợ lực điện là một công nghệ hoàn chỉnh với nhiều ưu điểm nổi bật, đã được áp dụng rộng rãi trên các loại xe du lịch Do đó, việc nghiên cứu và tìm hiểu về hệ thống này là vô cùng cần thiết.
Xuất phát từ ý tưởng nghiên cứu lý thuyết hàn lâm, tác giả đã thiết kế và chế tạo mô hình để kiểm chứng kết quả nghiên cứu Mô hình này không chỉ phục vụ cho việc giảng dạy mà còn mang đến trải nghiệm mô phỏng trực quan, sinh động, giúp sinh viên dễ dàng hơn trong hoạt động nghiên cứu và học tập Nó còn là giáo cụ trực quan hữu ích để tìm hiểu về kết cấu, nguyên lý làm việc và điều khiển của hệ thống lái có trợ lực điện.
Mô hình thực nghiệm hệ thống lái trợ lực với các chế độ điều khiển khác nhau hỗ trợ sinh viên ngành cơ khí ô tô tìm hiểu quy trình cân chỉnh và lắp ráp hệ thống lái trợ lực điện cho xe ô tô.
Mô hình được thiết kế dựa trên các bộ phận thực của hệ thống lái xe TOYOTA Yaris, sử dụng cơ cấu lái thanh răng – bánh răng Bên cạnh đó, mô hình cũng tích hợp may-yơ bánh xe cùng với hệ thống treo được giải lập.
4.2.2 THIẾT KẾ KHUNG MÔ HÌNH
4.2.2.1 Các kích thước cơ bản của khung xương:
Dựa vào hoạt động và điều kiện không gian của xưởng, cùng với kích thước các chi tiết, một mô hình cần đáp ứng các yêu cầu cụ thể Mặc dù mô hình có thể chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khác, nhưng việc đảm bảo các tiêu chí này là rất quan trọng để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình sản xuất.
- Mô tả gần như chính xác trạng thái hoạt động của các thiết bị trong hệ thống
- Cần bố trí tương đối hợp lý, hài hòa để thuận tiện cho quan sát
- Thể hiện đúng tính năng và phương pháp vận hành trên xe thực tế
- Giới hạn kích thước nhỏ, gọn và khối lượng nhẹ, đủ sức chịu tải để thuận tiện cho việc di chuyển
Hệ thống lái của xe ô tô được lắp đặt trên khung xương, với khung làm từ thép hình hộp chữ nhật 40x40 mm và dày 1,5 mm Khung có kích thước bề rộng 600 mm và chiều dài 1000 mm, được trang bị 4 bánh xe để di chuyển Trên khung, các bộ phận của hệ thống lái như cơ cấu lái, trục lái, vô lăng và may-yơ bánh xe được bố trí hợp lý để đảm bảo chức năng hoạt động hiệu quả.
Hình 4.2 – Khung mô hình sau khi thiết kế
Kích thước của khung xương được thiết kế để đảm bảo rằng khi hoạt động, các góc quay của bánh xe không bị hạn chế Điều này có nghĩa là khi bánh xe quay hết về một phía, nó sẽ không chạm vào khung vỏ, giúp các cơ cấu hoạt động một cách linh hoạt và không bị cản trở.
Lắp đặt các bộ phận trên mô hình thoả mãn tính năng hoạt động của hệ thống giống với thực tế
4.2.2.2 Kiểm tra và chạy thử mô hình Để mô hình hệ thống lái có thể hoạt động được giống với hệ thống lái thực tế ta phải kiểm tra và chạy thử mô hình Sau bước gá lắp và cân chỉnh các bộ phận của hệ thống lái trên mô hình, mô hình hệ thống lái cơ bản đã hình thành và cần kiểm tra một số thông số cơ bản như vị trí trung gian của cơ cấu lái, kiểm tra độ rơ của các kết cấu, độ vững chắc của kết cấu
Kiểm nghiệm độ ổn định và tin cậy
Máy oscilloscope cho phép đo trực tiếp trên mô hình hệ thống với khả năng đo nhiều kênh tín hiệu, đảm bảo độ chính xác cao và đáp ứng nhanh Trong thí nghiệm, thiết bị này được sử dụng để theo dõi sự thay đổi điện áp theo thời gian.
Trong thí nghiệm này, tác giả sử dụng thang đo thời gian 1ms, với khoảng cách giữa hai lưới bề đứng là 1ms, và thang đo điện áp 5V, tương ứng với khoảng cách giữa hai lưới ngang là 5V.
Máy Oscilloscope có những chức năng chính sau:
Xác định các tín hiệu xung của các cảm biến và các xung điều khiển
Xác định cường độ dòng điện
Xác định dao động của mạch
Để xác định các tín hiệu đầu ra của hệ thống lái trợ lực điện, cần kiểm tra lại các cơ chế hoạt động của hệ thống nhằm đảm bảo tính tương thích với xe thực tế.
4.3.2.1 Xung tín hiệu từ cảm biến
Hình 4.5 – Tín hiệu cảm biến mô men
Máy đo hiện sóng cho phép đo tín hiệu từ cảm biến mô men lái khi đánh lái và không đánh lái Tín hiệu ngõ ra của cảm biến là điện áp, thay đổi theo mô men Khi người lái không tác động lên vành lái, điện áp ngõ ra đạt 2,5V, được xem là điện áp chuẩn Khi đánh lái sang phải, điện áp tăng, trong khi khi đánh sang trái, điện áp giảm Mô men lớn sẽ làm thay đổi giá trị điện áp nhiều hơn.
4.3.2.2 Đo các xung tín hiệu điều khiển Motor trợ lực ở các chế độ Để đánh giá kết quả đạt được của bộ điều khiển mà ta chế tạo có đáp ứng được hệ thống hay không, ta sẽ dùng máy hiện sóng và đo các tín hiệu ngõ ra điều khiển motor trợ lực lái Sau đó ta cũng thực hiện tương tự điều này đo các tín hiệu ngõ ra điều khiển motor của lực lái trên bộ điểu khiển chuẩn (EPS-ECU) chuẩn của hãng sản xuất ở các chế độ đánh lái khác nhau và so sánh kết quả
(a) (b) Hình 4.6 – Tín hiệu điều khiển Motor khi đánh lái sang phải
(a) – Tín hiệu từ bộ điều khiển chuẩn (b) – Tín hiệu từ bộ điều khiển ta chế tạo
Hình ảnh cho thấy rằng dạng sóng tín hiệu điều khiển của hai bộ điều khiển khác nhau do sử dụng các thuật toán khác nhau Tuy nhiên, cả hai dạng sóng đều điều khiển motor thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung Màn hình máy hiện sóng cho thấy độ rộng và tần số của các xung điện áp giữa hai bộ điều khiển tương đối giống nhau, mặc dù có một chút sai số so với bộ chuẩn, nhưng sai số này không đáng kể và bộ điều khiển vẫn hoạt động hiệu quả trong hệ thống Khi kiểm nghiệm tín hiệu điều khiển ngõ ra khi đánh lái sang trái, kết quả vẫn tương tự như phân tích trước đó Hình 4.7 minh họa dạng sóng điều khiển khi đánh lái sang trái.
(a) (b) Hình 4.7 – Tín hiệu điều khiển Motor khi đánh lái sang trái
(a) – Tín hiệu từ bộ điều khiển chuẩn (b) – Tín hiệu từ bộ điều khiển ta chế tạo