Nghiên ứu thiết kế bệ thử để khảo nghiệm đánh giá hất lượng làm việ ủa bộ điều khiển và đặ tính ủa động ơ điện trợ lự lái

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2018 Tác giả Nguyễn Đức Hà Trang 7 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu, viết tắt Đơn vị Ý nghĩaσ độ Góc Kingpin γ độ Góc Camber θ độ Góc quay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐỨC HÀ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỆ THỬ ĐỂ KHẢO NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐẶC TÍNH CỦA

ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRỢ LỰC LÁI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2018

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205066991000000

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐỨC HÀ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỆ THỬ ĐỂ KHẢO NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐẶC TÍNH CỦA

ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRỢ LỰC LÁI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS HOÀNG THĂNG BÌNH

Hà Nội - 2018

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 9

1.1 Hệ thống lái trợ lực hiện nay 9

1.1.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 9

1.1.2 Hệ thống lái trợ lực điện 10

1.2 Đặt vấn đề nghiên cứu 13

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU QU Y LUẬT BIẾN ĐỔI CỦA MÔ MEN CẢN QUAY VÒNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH XE DẪN HƯỚNG VÀ CƠ SỞ CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 15

2.1 Động lực học quay vòng xe tải 15

2.1.1.Đặc điểm quay vòng của xe tải 15

2.1.2 Xây dựng các phương trình động lực học quay vòng xe t i 16ả 2.2 Ảnh hưởng của độ đàn hồi lốp tới tính năng quay vòng của ô tô tải 22

2.3 Ảnh hưởng của các góc đặt của bánh xe dẫn hướng tới tính quay vòng ô tô tải 27

2.3.1 Góc nghiêng ngang bánh xe (Camber) 27

2.3.2 Góc nghiêng ngang của trụ đứng (Kingpin) 31

2.3.3 Góc nghiêng dọc của trụ đứng bánh xe (Caster) 35

2.3.4 Độ chụm bánh xe dẫn hướng (Toe) 38

2.4 Mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng 40

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN VÀ SỰ ĐIỀU KHIỂN SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 42

3.1 Các phần tử cơ bản của trợ lực lái điện 42

3.1.1 Mô tơ 42

3.1.2 Bộ điều khiển trung tâm (ECU) 43

3.1.3 Các cảm biến 44

3.1.4 Hộp giảm tốc 44

3.2 Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống trợ lực lái điện 44

1

3.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của eps 46

3.3.1 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1 46

3.3.2 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2 48

3.4 Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện 51

3.4.1 Cảm biến tốc độ đánh lái loại máy phát điện 51

3.4.2 Loại cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall 52

3.4.3 Cảm biến mô men lái có 3 loại 52

3.4.3.1 Loại lõi thép trượt 52

3.4.3.2 Loại lõi thép xoay 53

3.4.3.3 Loại 4 vành dây 54

3.4.4 Cảm biến vận tốc xe 55

3.4.4.1 Loại công tắc lưỡi gà 56

3.4.4.2 Loại từ điện - 56

3.4.4.3 Loại quang điện 57

3.4.4.4 Loại mạch từ trở MRE 57

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỆ THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐẶC TÍNH MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 59

4.1 Mục tiêu xây dựng mô hình 59

4.2 Nội dung thực hiện 59

4.2.1 Mô men trên vành tay lái 59

4.2.2 Mô men cản quay vòng 59

4.2.3 Đo cường độ dòng điện cấp cho mô tơ trợ lực 59

4.2.4 Đo tải trọng 60

4.3 Mô hình 60

4.3.1 Đo mô men trợ lực và mô men cản quay vòng 60

4.3.1.1 Dùng cảm biến mô men 60

4.3.1.2 Đo mô men trợ lực và mô men cản quay vòng 61

4.3.2 Đo mô men đánh lái 62

4.3.3 Đo cường độ dòng điện 63

4.3.4 Đo tải trọng 64

4.3.4.1 Sử dụng Loadcell 64

4.3.4.2 Vị trí lắp đặt 64

4.3.5 Tín hiệu vận tốc 65

2

4.3.5.1 Sử dụng triết áp để thay đổi điện áp đưa vào modul điều khiển 65

4.3.5.2 Vị trí lắp đặt: giả lập điện áp của cảm biến vận tốc đưa vào mô đul điều khiển 65

4.4 Kết quả đo thí nghiệm 66

4.4.1 Các giá trị đo thực tế 68

KẾT LUẬN CHUNG 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Những nội dung được trình bày trong luận văn do chính tôi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của thầy

Bách Khoa Hà Nội Toàn bộ nội dung trong luận văn hoàn toàn phù hợp với nội dung đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2018

4

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực 9

Hình 1.2 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu bố trí trên trục lái 11

Hình 1.3 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện 12

Hình 2.1 Qu ỹ đạo của ô tô khi quay vòng 15

Hình 2.2 Lực ngang và gia tốc 16

Hình 2.3 Các lực và mô men tác dụng vào ô tô khi quay vòng 19

Hình 2.4 Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng 21

Hình 2.5 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác động của lực ngang 22

Hình 2.6 Đồ thị quan hệ giữa lực ngang và góc lệch bên của lốp 23

Hình 2.7 Quay vòng xe khi lốp có biến dạng ngang 24

Hình 2.8 Mô hình quay vòng 1 dãy 25

Hình 2.9 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác dụng của lực bên 26

Hình 2.10 Góc nghiêng bánh xe dẫn hướng trong mặt phẳng ngang 27

Hình 2.11 Thay đổi cánh tay đòn nkvà xác định thành 28

phần Fzsinγ do góc Camber sinh ra 28

Hình 2.12 Sự thay đổi của góc Camber 29

Hình 2.13 Mòn lốp xe do trị số góc Camber quá lớn 30

Hình 2.14 Góc nghiêng ngang của trụ đứng 31

Hình 2.15 Cách xác định góc Kingpin 31

Hình 2.16 Sự lệch của góc Kingpin 33

Hình 2.17 Xác định khoảng cách r2 33

Hình 2.18 Xác định r3và các thành phần của phản lực thẳng đứng 34

Hình 2.19: Góc Caster và cánh tay đòn nτ 35

Hình 2.20 Tác dụng của gió bên khi góc Caster dương 37

Hình 2.21 Độ chụm và góc chụm bánh xe dẫn hướng 38

Hình 2.22 Mô men làm quay bánh xe dẫn hướng của các lực dọc 39

Hình 2.23 Sự ăn mòn lốp do độ chụm quá lớn 40

Hình 3.1: Sơ đồ khối nguyên lý trợ lực lái điện 44

Hình 3.2: Bản đồ điều khiển ECU trong hệ thống trợ lực lái điện 45

Hình 3.3: Trợ lực lái điện với moto trợ lực trên trục lái 46

Hình 3.4: Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái kiểu 1 47

Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển trợ lực lái kiểu 1 47

6

Hình 3.6: Bố trí các cụm và Taplô thể hiện đèn báo lỗi P/S 48

Hình 3.7: Mô tơ trợ lực lắp rời trên cơ cấu lái 49

Hình 3.8: Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái 49

Hình 3.9: Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay 50

Hình 3.10: Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay 51

Hình 3.11: Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái 51

Hình 3.12: Cảm biến tốc độ đánh lái (góc đánh lái) loại Hall 52

Hình 3.13: Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến 53

mô men lái loại lõi thép trượt 53

Hình 3.14: Vị trí lắp, cấu trúc và đặc tính của cảm biến mô men 54

lái loại lõi thép xoay 54

Hình 3.15: Cấu tạo cảm biến mô men lái loại 4 vành dây 55

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý và xung của cảm biến 55

mô men lái loại 4 vành dây 55

Hình 3.17: Cảm biến loại công tắc lưỡi gà 56

Hình 3.18: Cảm biến loại từ điện 56

Hình 3.19: Cảm biến loại quang điện 57

Hình 3.20: Cảm biến tốc độ ô tô loại MRE 58

Hình 4.1: Mô hình bệ thử 60

Hình 4.2: Cảm biến mô men 61

Hình 4.3: Vị trí đặt cảm biến mô men 61

Hình 4.4: Cảm biến lực 62

Hình 4.5: Vị trí đặt mô men cảm biến lực 62

Hình 4.6: Vị trí cảm biến đo mô men trên vô lăng 63

Hình 4.7: Sơ đồ lắp đặt đo cường độ dòng điện 63

Hình 4.8: Cảm biến đo tải trọng 64

Hình 4.9: Vị trí cảm biến đo tải trọng 64

Hình 4.10: Triết áp 65

Hình 4.11: Sơ đồ giả lập điện áp 65

Hình 4.12: Hình ảnh mô hình thực tế và quá trình triển khai đo đạc 66

Hình 4.13: Biểu đồ quan hệ vận tốc và các mô men đầu vào 67

Hình 4.14: Biểu đồ quan hệ vận tốc và mô men cản 67

Hình 4.15: Sơ đồ quan hệ mô men cản và mô men trợ lực 68

7

MỞ ĐẦU

Ngày nay, nền kinh tế của Việt Nam đang trên đà tăng trưởng mạnh, đời sống của người dân tăng cao, nhu cầu đi lại, mua sắm các phương tiện cá nhân cũng tăng Hệ thống giao thông nước ta ngày càng được hoàn thiện từ đó cho phép vận tốc tối đa của ô tô tăng lên nhằm rút ngắn thời gian di chuyển của con người và hàng hóa, mang nhiều lợi ích về kinh tế Tuy nhiên cùng với sự phát triển đó thì tại nạn giao thông là vấn đề thách thức lớn mang tính thời sự nóng bỏng Trong các vụ tai nạn giao thông thì hệ thống lái đóng một vai trò quan trọng Người ta đã chứng minh được rằng khi vận tốc càng cao thì khả năng mất lái càng lớn do khi vận tốc lớn thì mô men trả lái giảm Do đó để giữ được cảm giác lái của người lái thì yêu cầu đối với ô tô ngày nay phải có hệ thống lái trợ lực có tỷ số truyền lực thay đổi

Ở nước ta, số lượng xe tải tham gia giao thông chiếm một tý lệ tương đối lớn Xuất phát từ yêu cầu thực tế, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của mình liên quan đến động lực học của hệ thống lái xe tải, với mong muốn đóng góp một phần công sức của mình vào vấn đề an toàn giao thông cũng như có được kiến thức về động lực học hệ thống lái xe tải là cơ sở dữ liệu cho việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống lái trợ lực sau này

Trong thời gian làm luận văn tôi luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn khoa học: T.S Hoàng Thăng Bình cùng các thầy giáo trong bộ môn ôtô và xe chuyên dụng trường đại học Bách Khoa Hà nội Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Thăng Bình và các thầy trong bộ môn cùng các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn của mình

8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Hệ thống lái giữ vai trò quyết định đến tính năng điều khiển và dẫn hướng ô

tô Trong hệ thống lái của nhiều ô tô hiện nay vẫn còn sử dụng hệ thống trợ lực thủy lực Tuy nhiên, đặc tính mô men của hệ thống lái trợ lực thủy lực lại không phù hợp với quy luật biến đổi của mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng đặc biệt khi xe chuyển động với vận tốc cao (từ 50 km/h trở lên)

Sử dụng hệ thống lái trợ lực điện có ưu điểm là dễ bố trí các mạch điều khiển điện tử thay đổi trị số mô men trợ lực của động cơ phù hợp với quy luật biến đổi của mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng khi chuyển động ở các tốc độ khác nhau Ngoài ra, hệ thống lái trợ lực điện còn có tính kinh tế, an toàn và thân thiện với môi trường tốt hơn so với hệ thống lái trợ lực thủy lực

1.1 Hệ thống lái trợ lực hiện nay

1.1.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực

công suất động cơ để tạo ra áp suất dầu thủy lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh

xe dẫn hướng để chuyển hướng chuyển động của ô tô Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đường dầu tại van điều khiển

Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực có thể thấy hệ thống có các ưu điểm, nhược điểm như sau:

9

+ Ưu điểm: với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực đã giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực tác động của piston-xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo được an toàn về hướng trong quá trình chuyển động

+ Nhược điểm: trong hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, nguồn năng lượng trợ lực được tạo thành do sự làm việc bơm dầu mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ, sử dụng một phần công suất của động cơ Trong quá trình chuyển động, ngay cả khi xe chuyển động thẳng thì bơm dầu vẫn làm việc, điều này gây lãng phí công suất động cơ trong khi hệ thống lái không cần nguồn trợ lực Để đảm bảo được áp suất dầu trợ lực thì hệ thống cần yêu cầu về độ kín khít cao ở trên đường ống, van do đó thường xuyên phải kiểm tra sự rò rỉ dầu trong hệ thống lái Hệ thống làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống, van Ngoài ra, dầu trợ lực lái khi thải ra còn là nguồn chất thải gây ô nhiểm môi trường

không thay đổi Do đó, không đáp ứng được yêu cầu rất quan trọng đối với hệ thống lái trên xe ô tô hiện đại ngày nay Để cải thiện điều này, người ta đưa ra hệ thống lái trợ lực thuỷ lực hỗ trợ điện tử EHPS bằng cách đưa ra thêm các van điện từ vào sau van phân phối để điều khiển áp suất dầu trợ lực Tuy nhiên, hệ thống EHPS tồn tại nhiều nhược điểm như: hệ thống phức tạp, về bản chất là hệ thống thuỷ lực nên tổn hao công suất do phải dùng bơm thuỷ lực, các yêu cầu về độ kín khít cao, khối lượng lớn

và chiếm diện tích bố trí lớn Cùng với các loại EHPS, trong thời gian gần đây đã xuất hiện các dạng hệ thống lái trợ lực khác hoàn hảo hơn đó là hệ thống lái trợ lực điện EPS

1.1.2 Hệ thống lái trợ lực điện

Hệ thống lái trợ lực điện có cấu tạo như trên Hình 1.2

- Đặc điểm của hệ thống:

10

+ Cảm biến mô men: cảm biến mô men được gắn vào phía trong trục lái, dựa vào hiệu ứng Hall để đưa ra điện áp tùy thuộc vào mô men đánh lái và mô men cản Điện áp ra của cảm biến sẽ được gửi vào ECU để điều khiển môtơ trợ lực

cảm biến tốc độ động cơ, tín hiệu IG, tín hiệu tốc độ xe sau đó tính toán và điều khiển môtơ trợ lực

Hình 1.2 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu bố trí trên trục lái

+ Mô tơ trợ lực: mô tơ trợ lực nối với trục lái bằng bộ giảm tốc trục vít - bánh vít và được điểu khiển bằng ECU, mô tơ có thể đảo chiều và quay ở các tốc độ khác nhau tùy theo mức độ đánh lái của người lái và mô men cản quay vòng

- Nguyên lý hoạt động: ECU tiếp nhận các thông số chính từ cảm biến mô men

và từ tốc độ xe, ngoài ra có các thông số phụ như: tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu B+ , chế độ không tải… để tính toán điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái Lực

tốc độ xe tăng dần

+ Trạng thái quay vòng: khi người điều khiển tác động quay vành lái, xuất hiện hiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men thay đổi điện áp tùy theo chiều quay và độ lệch tương đối giữa hai đầu thanh xoắn sau đó truyền tín hiệu về ECU, kết hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU tính toán ra dòng điện điều khiển và chiều quay của mô tơ trợ lực cho phù hợp

11

Hình 1.3 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện

+ Trạng thái đi thẳng: trục lái không được tác động do đó không có hiện tượng xoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men không thay đổi điện

áp, vì thế ECU không điều khiển môtơ trợ lực và trạng thái đi thẳng được giữ nguyên

- Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện: so sánh kết cấu với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực thì hệ thống lái trợ lực điện không sử dụng bơm dầu để tạo ra năng lượng trợ lực mà sử dụng một motor điện một chiều, do đó giảm tổn hao nhiên liệu

lái trợ lực thuỷ lực Với việc sử dụng motor điện một chiều, hệ thống lái trợ lực điện dễ

xoắn của motor bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cấp vào motor

- Đánh giá: ngoài những ưu điểm vượt trội khi so sánh với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì hệ thống lái trợ lực điện đã đáp ứng được yêu cầu về tỉ số truyền lái thay

nay Nhờ việc dễ dàng thay đổi tỉ số truyền lái mà hệ thống lái trợ lực điện giúp nâng cao tính năng an toàn chuyển động của xe khi xe đi ở tốc độ cao, ngoài ra hệ

12

thống còn giúp cho người lái dễ dàng điều khiển xe khi xe đi vào những đường hẹp, yêu cầu quay vòng với bán kính nhỏ

1.2 Đặt vấn đề nghiên cứu

Khi xe ôtô hoạt động hay chạy trên các mặt đường khác nhau Qua thời gian bào món và quá trình sử dụng ô tô Các thiết bị cơ học hay điện tử có thể bị bào mòn, nguy cơ hỏng hóc Trong khi đó thiết bị trợ lực lái là vô cùng quan trọng.Vì vậy để

có thể đưa ra cảnh báo cho người dung và đưa ra đo lường kịp thời về các thông số chuẩn Hiện nay ở nước ta chưa có công trình nào nghiên cứu các thông số, dữ liệu

để thiết kế hệ thống trợ lực lái này Xuất phát từ đó tác giả đã chọn hướng xây dựng

các thiết bị trợ lực lái sau này

Mụ c đích c ủa đề tài:

Với mục đích trên thì nội dung của đề tài được thể hiện như sau:

Chương I : Tổng quan về đề tài

Chương II: Nghiên cứu quy luật biến đổi của mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng và cơ sở chọn động cơ điện

Chương III: Nghiên cứu thuật toán và sự điều khiển sự hoạt động của động cơ điện

- Các phần tử cơ bản của trợ lực lái điện

- Các cảm biến

Chương IV: Nghiên cứu, thiết kế bệ thử nghiệm đánh giá tính năng làm việc của bộ điều khiển và đặc tính mô men của động cơ điện

- Thí nghiệm đo lường lấy dữ liệu

động cơ điện

13

Nhận xét: Từ những phân tích ở trên tác giả thấy ưu điểm của hệ thống lái trợ lực

điện là rất ưu việt mà cho đến nay các công trình nghiên cứu hệ thống lái trợ lực điện chỉ dừng lại ở lý thuyết Nhưng trên thế giới đã thương mại hóa từ rất lâu Theo xu hướng thế giới đang tiến tới nền công nghiệp 4.0, việc nghiên cứu phát triển hệ thống lái trợ lực điện hiện nay là cấp bách.

14

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU QU Y LUẬT BIẾN ĐỔI CỦA

MÔ MEN CẢN QUAY VÒNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH XE

DẪ N H ƯỚNG VÀ CƠ SỞ CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1.1.Đặc điểm quay vòng của xe tải

Quá trình ô tô đi vào đường vòng được chia làm 3 giai đoạn như hình 2.1:

thì r t nguy hiấ ểm cho xe Chính vì vậy ở giai đoạn này người lái phải đánh lái từ ừ t

15

2.1.2 Xây dựng các phương trình động lực học quay vòng xe t i ả

hoặc trượt quay thì đường vuông góc v i các véctơ v n t c chuyớ ậ ố ển động c a t t c ủ ấ ả

Gia tốc theo phương y của xe:

v: là vận tốc ô tô theo phương x

Lực ngang của ô tô khi đi vào đường vòng:

(2.11)

Các công thức (2.9),(2.10),(2.11) cho thấy:

- L c ngang khi xe bự ắ ầu đi vào đườt đ ng vòng là l n nh t và l c ngang ph thuớ ấ ự ụ ộc vào phân b trố ọng tâm của xe, gia tốc đánh lái, vậ ốc củn t a xe

2 yo

- Khi đi vào đường vòng thì thời điểm dễ làm cho xe lệch khỏi quỹ đạo nhất là

độ, đánh lái từ ừ t , khi bắt đầu đi vào đường vòng

dụng lên lốp xe

Mô men cản lăn do lực quán tính được tính theo công thức:

(2.12)

Từ hình 2.2, viết phương trình cân bằng mô men tại điểm 1 và điểm 2:

d

dt

ωρ

Hình 2.3 Các lực và mô men tác dụng vào ô tô khi quay vòng

Khi chuyển động quay vòng khi đó ô tô chịu thêm các lực do chuyển động tròn, các lực nay sinh ra mô men cản sự quay vòng của ô tô Tổng mô men cản được tính theo công thức:

(2.16) Trong đó:

Mô men do lực cản lăn được tính theo công thức:

L =

20

Hình 2.4 Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng

Từ hình vẽ có được:

Thay (2.19) và (2.32) vào (2.37) được:

(2.33) Phản lực bên của bánh xe dẫn hướng

(2.34) Thay (2.15) và (2.27) vào (2.34) được:

(2.35)

Ở phần trên, nghiên cứu động lực học quay vòng của ô tô tải chưa tính đến ảnh hưởng của độ đàn hồi bên của lốp Trong thực tế sử dụng,nhân tố này có ảnh hưởng

ở mức độ nhất định tới tính năng quay vòng và tính an toàn chuyển động của ô tô tải đặc biệt ở những xe có vận tốc lớn

Hình 2.5 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác động của lực ngang

Sự chuyển động của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào mối quan hệ của bánh xe với nền đường Ngày nay, phần lớn ô tô sử dụng các loại lốp bằng cao su có khí nén, tức là các bánh xe đàn hồi Khi các bánh xe được lắp lốp đàn hồi, thì sự tiếp xúc của lốp xe với mặt đường không phải là điểm tiếp xúc mà là một vùng tiếp xúc Khi xe chạy trên đường vòng, dưới tác dụng của lực ly tâm, lực gió bên, hoặc thành phần

Dưới tác dụng của lực ngang Ry các bánh xe đàn hồi sẽ bị lệch bên và đường tâm vết tiếp xúc của lốp với mặt đường sẽ bị lệch so với mặt phẳng lăn bánh xe một góc

lốp trên mặt đường, thì lốp xe bị biến dạng làm cho bánh xe bị lăn lệch khỏi quỹ đạo chuyển động ban đầu Góc lệch bên phụ thuộc vào kết cấu mành lốp, vật liệu cao su, áp suất lốp, trị số lực ngang, hệ số bám ngang của đường

trình bày trên đồ thị trên hình 2.6

Hình 2.6 Đồ thị quan hệ giữa lực ngang và góc lệch bên của lốp

Đoạn thẳng OA tương ứng với sự lệch tinh của lốp (không có sự trượt bên), đoạn

AB đặc trưng cho sự trượt cục bô từ lúc bắt đầu (điểm A) tới khi trượt hoàn toàn

ngang của lốp tới mặt đường

'

y b

Trong vùng biến dạng nhỏ của bánh xe thì quan hệ giữa góc lệch bên và lực ngang được tính theo công thức:

y

23

Trong đó: là hệ số cản lệch, đơn vị N/độk

Đối với ô tô tải: k = 1150 ÷ 1650N/độ

Khi các đường vuông góc với hướng chuyển động của các bánh xe có thể không gặp nhau tai tâm quay vòng O như trên hình vẽ thì việc khảo sát sự quay vòng của

xe sẽ rất khó khăn Vì thế, để việc khảo sát có tính khả thi ta coi các bánh trước có

hình quay vòng thể hiện trên hình 2.7 sẽ được đơn giản hóa thành mô hình một dãy hình 2.8

bánh xe dẫn hướng θ có giá trị nhỏ

24

Hình 2.8 Mô hình quay vòng 1 dãy

thay đổi và được tính như sau:

Hình 2.9 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác dụng của lực bên

Phần trước của vết tiếp xúc, lốp chịu biến dạng không lớn và độ biến dạng này tăng dần cho tới mép sau cùng của vết Lúc này, điểm đặt của hợp lực sẽ lùi về phía sau so với tâm tiếp xúc O một khoảng s và bị lệch sang bên một khoảng e

Lực li tâm của xe

2 lt

G vF

gR

=

26

Từ (2.37) có được:

2 1 1

2.3.1 Góc nghiêng ngang bánh xe (Camber)

Góc tạo bởi đường tâm của bánh xe dẫn hướng với phương thẳng đứng (vuông góc với mặt đường) trong mặt phẳng ngang gọi là góc nghiêng ngangcủa

xe nghiêng ra phía ngoài thì gọi là “Camber dương” Ngược lại, khi phần trên của bánh xe nghiêng vào trong thì gọi là “Camber âm”

Khi các bánh xe đặt nghiêng trong mặt phẳng ngang sẽ làm nảy sinh các vấn

đề sau:

Hình 2.10 Góc nghiêng bánh xe dẫn hướng trong mặt phẳng ngang

27

- Làm thay đổi mô men của các lực dọc đặt tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường tác dụng lên trụ đứng do làm thay đổi cánh tay đòn của nó

Góc Camber làm giảm được mô men do các phản lực dọc tác dụng làm quay các

sẽ làm cho các bánh xe bị nghiêng và mòn không đều Trong thực tế, góc Camber thường có giá trị rất nhỏ hoặc bằng không

Hình 2.11 Thay đổi cánh tay đòn nkvà xác định thành

phần Fzsinγ do góc Camber sinh ra

Khi quay vòng, lực ly tâm làm toàn bộ khung xe bị kéo về phía cách xa tâm quay vòng, trong khi phần dưới các bánh xe chịu lực bám với mặt đường theo chiều ngược lại làm cho góc Camber của các bánh xe phía ngoài lớn hơn, trong khi góc Camber của bánh xe phía trong giảm xuống Khi chuyển động, các bánh xe dẫn hướng dịch chuyển lên xuống so với khung xe theo một cung tròn nào đó tùy vào kết cấu hệ thống treo Sự giao động này làm cho góc nghiêng của bánh xe so với mặt đường thay đổi.Vì ảnh hưởng không tốt đến mòn lốp nên hệ thống treo được thiết kế để góc Camber thay đổi không quá lớn, trong thực tế sự thay đổi của góc

28

Hình 2.12 Sự thay đổi của góc Camber

Từ hình 2.12 ta có thể biểu diễn các thành phần của phản lực thẳng đứng sinh ra

do góc Camber được như sau:

Như đã phân tích góc Camber thường rất nhỏ hoặc bằng không kể cả khi vận

toán thông thường

Khi giá trị góc Camber của bánh xe bên trái và bên phải khác nhau, sẽ làm cho cánh tay đòn của các mô men do các phản lực dọc tác dụng lên bánh xe dẫn hướng

dọc tác dụng lên bánh xe dẫn hướng, sự chênh lệch này sẽ gây nên hiện tượng các bánh xe dẫn hướng tự động quay quanh trụ đứng Do sự chênh lệch góc Camber là xác định nên giá trị mô men sinh ra có chiều cố định làm cho xe tự động chuyển hướng về một phía khi chạy trên đường thẳng Vì vậy, giá trị chênh lệch cho phép của góc Camber bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải thường rất nhỏ, đồng thời được nhà chế tạo quy định rất chặt chẽ đối với mỗi loại ô tô

29

Ví dụ trên xe Mercedes Benz C250 đời 2004 như sau:Góc Camber : – -0.20±20’

Qua ví dụ này thấy rằng: sự chênh lệch của các góc Camber bên trái và bên phải cho phép là rất nhỏ nên trong kiểm tra vàđiều chỉnh cần lưu ý đến trị số chênh lệch này

Trong vận hành, các chi tiết của hệ thống treo và hệ thống lái bị sai hỏng, biến dạng sẽ làm cho giá trị góc Camber thay đổi Sự thay đổi này có thể dẫn đến sự chênh lệch của góc Camber ở bánh xe bên trái và bên phải hoặc giá trị góc Camber vượt quá giới hạn cho phép mà nhà sản xuất quy định Điều này làm cho xe có thể

tự động chuyển hướng khi chạy thẳng hoặc lốp xe mòn không đều (hình 2.13) Nếu bánh xe có trị số góc Camber âm quá lớn thì phần phía trong của lốp xe sẽ mòn nhanh hơn Ngược lại, nếu bánh xe có trị số góc Camber dương quá lớn thì phần phía ngoài của lốp sẽ mòn nhanh hơn

Hình 2.13 Mòn lốp xe do trị số góc Camber quá lớn

Vì vậy phải thường xuyên kiểm tra góc Camber theo định kỳ để đảm bảo an toàn chuyển động và tránh các hư hỏng phát sinh Hoặc khi thấy các bánh xe có các hiện tượng mòn thì cần đưa đến các cơ sở có thiết bị đo góc đặt bánh xe để được kiểm tra

và sửa chữa

30

2.3.2 Góc nghiêng ngang của trụ đứng (Kingpin)

Góc nghiêng ngang của trụ đứng là góc được tạo bởi đường tâm của trụ đứng với phương thẳng đứng trong mặt phẳng ngang và thường được gọi là góc Kingpin, đo bằng độ, kí hiệu σ Hình 2.15 biểu diễn cách xác định góc Kingpin trên các hệ thống

điểm giữa đường tâm bánh xe và mặt đường được gọi là khoảng Kingpin

(a) Góc Kingpin ở hệ thống treo MACPHERSON (b) Góc Kingpin ở hệ thống treo phụ thuộc

Hình 2.15 Cách xác định góc Kingpin

31

Sự thay đổi góc Kingpin dẫn đến khoảng cách nk thay đổi theo, giá trị nk được quy ước là âm hoặc dương tương ứng với khi giao điểm của đường tâm trụ đứng với mặt đường nằm về phía ngoài hoặc phía trong so với tâm tiếp xúc giữa lốp với mặt đường trong mặt phẳng ngang

Góc Kingpin có tác dụng làm giảm mô men do các phản lực dọc sinh ra tác dụng làm các bánh xe dẫn hướng quay quanh trụ đứng bằng cách giảm cánh tay đòn của

với ban đầu, khi đó mô men sinh ra ở bánh trước và bánh sau có vị trí chéo nhau sẽ cùng chiều với nhau nhằm tạo ra hiện tượng phanh chéo giúp xe ổn định hơn khi phanh Tuy nhiên, khi góc Kingpin quá lớn sẽ làm cho cánh tay đòn âm tăng lên đồng nghĩa với mô men sinh ra cũng tăng lên nên trên mỗi loại xe giá trị góc Kingpin được các nhà chế tạo tối ưu và quy định rất nghiêm ngặt

Khi góc Kingpin của các bánh xe dẫn hướng bên phải và bên trái khác nhau dẫn đến sự chênh lệch mô men sinh ra do các lực dọc làm xe có xu hướng tự động chuyển hướng khi di chuyển trên đường thẳng Để tránh hiện tượng này thì các góc Kingpin ở các bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải có độ lệch cho phép rất nhỏ

mong muốn trêncần phải thường xuyên kiểm tra góc Kingpin theo định kỳ hoặc khi phát hiện hư hỏng liên quan

32

Hình 2.16 Sự lệch của góc Kingpin

Như đã phân tích thì sự tồn tại của góc Kingpin là điều cần thiết, tuy nhiên, khi

có nó thì cũng dẫn đến các thay đổi hoặc xuất hiện các thành phần lực và các mô men tác dụng lên bánh xe dẫn hướng Khi có góc Kingpin sẽ làm khoảng cách từ tâm bánh xe đến trụ đứng thay đổi, nếu xét đến cả góc Camber (hình 2.15) thì có thể

Để tính mô men Mx tác dụng lên trụ đứng do các phản lực dọc Fx sinh ra ta

theo công thức sau:

Khi trụ đứng của bánh xe dẫn hướng được đặt nghiêng trong mặt phẳng ngang

sẽ làm xuất hiện các thành phần phản lực từ tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh

xe dẫn hướng Để xác định các thành phần phản lực này, di chuyển phản lực thẳng

được xác định như sau:

Hình 2.18 Xác định r3và các thành phần của phản lực thẳng đứng

34

Mô men Mz ngược chiều với góc quay của bánh xe dẫn hướng (do các phản lực

từ mấp mô mặt đường làm lệch hướng) nên nó có xu hướng kéo các bánh xe dẫn

ổn định hướng chuyển động thẳng của ô tô trước các tác động của mấp mô mặt đường làm cho xe tự động chuyển hướng khi chạy trên đường thẳng

Góc tạo bởi trụ đứng bánh xe và phương thẳng đứng, nhìn từ cạnh xe trong mặt

về phía sau thì được gọi là góc Caster dương Ngược lại, khi trụ đứng nghiêng về phía trước thì được gọi là góc Caster âm Khoảng cách từ đường tâm trụ đứng giao với mặt đường đến tâm điểm tiếp xúc của lốp xe với mặt đường được gọi là khoảng

trụ đứng với mặt đường nằm phía trước tâm tiếp xúc, ngược lại là âm nếu nằm phía sau

Hình 2.19: Góc Caster và cánh tay đòn n τ

Góc Caster có tác dụng tạo cánh tay đòn đối với các phản lực ngang nhằm tạo mô men làm các bánh xe trở về vị trí chuyển động thẳng sau khi xe ra khỏi đường vòng

35