Có thể các bạn đã biết, hệ thống lái trợ lực điện ESP không chỉ mang đến cho người lái một cảm giác lái thoải mái, an toàn mà còn giúp giảm được mức tiêu hao nhiên liệu và đặc biệt là dễ dàng sửa chữa khi hư hỏng… Đồng hành cùng với hệ thống trợ lực lái trên thì hệ thống trợ lực lái thủy lực HPS, thì cho tới nay hệ thống trợ lực lái điện tử (điều khiển điện tử) EPS được áp dụng rất nhiều trên các dòng xe con, xe du lịch. Hệ thống trợ lực lái thủy lực HPS tuy có ưu điểm là chi phí sản xuất và sửa chữa thấp. Tuy nhiên do kích thước nặng, tốn không gian, tay lái khá nặng nên hệ thống này đã và đang dần được thay thế triệt để bởi hệ thống lái trợ lực điện EPS.
NỘI DUNG HỌC TUẦN BÀI HỆ THỐNG LÁI ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ Khái quát chung hệ thống lái trợ lực điện điều khiển điện tử Có thể bạn biết, hệ thống lái trợ lực điện ESP không mang đến cho người lái cảm giác lái thoải mái, an tồn mà cịn giúp giảm mức tiêu hao nhiên liệu đặc biệt dễ dàng sửa chữa hư hỏng… Đồng hành với hệ thống trợ lực lái hệ thống trợ lực lái thủy lực HPS, hệ thống trợ lực lái điện tử (điều khiển điện tử) EPS áp dụng nhiều dòng xe con, xe du lịch Hệ thống trợ lực lái thủy lực HPS có ưu điểm chi phí sản xuất sửa chữa thấp Tuy nhiên kích thước nặng, tốn không gian, tay lái nặng nên hệ thống dần thay triệt để hệ thống lái trợ lực điện EPS Cấu tạo hệ thống lái điều khiển điện tử 1.2.1 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống trợ lực lái điện Trợ lực lái điều khiển theo đồ lưu trũ sẵn nhớ ECU EPS ECU lưu trũ 16 đồ, đồ kích hoạt nhà máy phụ thuộc vào yêu cầu cho trước (ví dụ trọng lượng tơ) Hình 1.1 Sơ đồ khối nguyên lý trợ lực lái điện 1- Dòng cấp mô tơ; 2- Tốc độ mô tơ; 3- Vận tốc mô tơ; 4- Mô men lái; 6- Điều khiển dịng tối đa cho mơ tơ; 7- Điều khiển bù rung động; 8- Điều khiển phục hồi; 9- Điều khiển bù; 10- Điều khiển chính; 11- Dịng đích; Hạn chế dịng cấp áp tối đa mơ tơ; 13- Điều khiển dịng cấp mơ tơ; 14- Dịng cấp cho mơ tơ Từ hình ta thấy ngun lý làm việc dựa nguyên tắc ECU tiếp nhận tín hiệu chính: tín hiệu đưa vào từ cảm biến mơmen trục lái tín hiệu cảm biến tốc độ xe, tín hiệu B+ , chế độ khơng tải để tính tốn điều khiển mơ tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái Lực đánh lái lớn mơ tơ trợ lực nhiều, mô men trợ lực giảm dần tốc độ xe tăng dần - Trạng thái quay vòng: người điều khiển tác động quay vành lái, xuất hiện tượng xoay tương đối hai đầu xoắn, cảm biến mô men thay đổi điện áp tùy theo chiều quay độ lệch tương đối hai đầu xoắn sau truyền tín hiệu ECU, kết hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU tính tốn dịng điện điều khiển chiều quay mô tơ trợ lực cho phù hợp - Trạng thái thẳng: trục lái không tác động khơng có tượng xoay tương đối hai đầu xoắn, cảm biến mô men khơng thay đổi điện áp, ECU khơng điều khiển mô tơ trợ lực trạng thái thẳng giữ nguyên Ngoài đồ náy kích hoạt cơng cụ qt ECU hệ thống lái sau bảo dưỡng thay ECU hệ thống lái Với xe cho hai đồ tương ứng với xe hạng nặng hạng nhẹ chon Mỗi đồ có đặc tính khác tương ứng với vận tốc chuyển động ô tô Các đồ xác định vùng trợ lực lái làm việc Hình 1.2 Bản đồ điều khiển ECU hệ thống trợ lực lái điện Nguyên lý làm việc trợ lực lái gồm bước: Bước Trợ lực lái bắt đầu làm việc người lái tác dụng lực để quay vô lăng Bước Lực tác dụng lên vành lái làm cho xoắn cấu lái xoay Cảm biến mô men lái xác định góc quay xoắn gửi lực lái tính tốn đến ECU Bước Cảm biến góc quay vơ lăng thơng báo góc quay vành lái tốc độ đánh tay lái thời Bước Phụ thuộc vào lực lái, tốc độ chuyển động, tốc độ động cơ, góc quay vơ lăng, tốc độ đánh tay lái đồ lưu giữ ECU, EPS ECU tính tốn lực trợ lực cần thiết gửi đến động điện Bước Trợ lực lái tác động lên cấu lái lực trợ lực song song với lực đặt lên vành lái.- Bước Tổng lực đặt lên vành lái lực trợ lực tác động lên cấu lái để quay vòng xe 1.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc EPS Tùy thuộc vào vị trí đặt hộp giảm tốc có kiểu trợ lực điện: Kiểu thứ nhất, hộp giảm tốc đặt trực tiếp trục lái vành lái Kiểu thứ hai, hộp giảm tốc tích hợp vào cấu lái (trong trường hợp cấu lái thường loại bánh – đặt trực tiếp lái ngang) 1.1.1 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu Trong hệ thống trợ lực lái kiểu sử dụng xe Kia Mornig, 2009, Toyota Vioss 2008 có môtơ điện trợ lực cấu giảm tốc trục vít- bánh vít bố trí trục lái ( trước đoạn đăng trục lái) (Hình 1.3) Tại bố trí cảm biến mơmen lái Cạnh điều khiển điện tử trợ lực lái điện (EPS ECU) Trên hình 1.4 cấu tạo hộp giảm tốc Hình 1.3 Trợ lực lái điện với moto trợ lực trục lái 1- mô tơ; 2- cảm biến mômen; 3- trục lái; 4- trục vít - bánh vít; 5- cấu lái trục - răng; 6- ly hợp điện từ Hình 1.4 Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái kiểu 1-vịng bi; 2- trục vít; 3- vỏ trục lái; 4- khớp nối; 5- roto; 6- stator; 7- trục môtơ; 8- trục lái chính; 9- bánh vít Để đảm bảo công suất trợ lực cần thiết trợ lực điện sử dụng loại động điện chiều, bao gồm rơto, stato, trục cấu giảm tốc Cơ cấu giảm tốc bao gồm trục vít bánh vít, mơ men rôto động điện tạo truyền tới cấu giảm tốc sau truyền tới trục lái Trục vít đỡ ổ đỡ để giảm độ ồn tăng tuổi thọ làm việc, khớp nối đảm bảo cho việc động bị hư hỏng trục lái cấu giảm tốc khơng bị khóa cứng lại hệ thống lái hoạt động Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống thể hình 1.5 Hệ thống điều khiển theo sơ đồ tổng qt hình 1.5 nhận thấy tín hiệu đầu vào EPS ECU gồm nhóm tín hiệu chính: Hình 1.5 Sơ đồ trợ lực lái kiểu Tín hiệu cảm biến mơ men số 1;B- Tín hiệu cảm biến mô men số2; 1- Giắc nối đa số 1; 2- Giắc nối đa số 2; 3- Táp lô; 4- ABS+TRC ECU; 5- Cảm biến tốc độ ô tô; 6- ECU Mô tơ ; 7- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 8- Đèn báo; 9- Mơ tơ trợ lực;10- EPS ECU; 11- Giắc kết nối liệu số 1; 12- Giắc kết nối liệu số 1- Nhóm tín hiệu (2 tín hiệu) từ cảm biến mơmen lái 2- Tín hiệu vận tốc chuyển động tơ gửi trực tiếp EPS ECU thông qua ECU truyền lực mạng điều khiển vùng ( CAN – Controller Area Network) giắc nối truyền tới EPS ECU 3- Tín hiệu tốc độ mơ tơ ( xung biểu diễn số vịng quay trục khuỷu ne từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECU động mạng CAN truyền tới EPS ECU 4- Nhóm liệu cài đặt tra cứu thông qua giắc kết nối liệu DLC3 (Data Link Connector) để truy nhập thông tin cài đặt tra cứu thông tin làm việc hệ thống báo lỗi hệ thống Hình 1.6 Bố trí cụm Taplô thể đèn báo lỗi P/S 1- Đèn báo; 2-EPS ECU; 3- ECU Mô tơ ; 4- Bảng táp lô;5- Trục lái(cảm biến mô men, Mô tơ điện chiều,cơ cấu giảm tốc);6- ECU điều khiển trượt Những cố trình vận hành hệ thống ghi lại nhớ EPS ECU cảnh báo đèn P/S Bảng táp lô ( Hình 1.6) 1.1.2 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu Kiểu có cách bố trí mơ tơ trợ lực: Thứ loại môtơ chế tạo rời lắp với trục bánh cấu lái ( hình 1.7) sử dụng xe Toyota Lexus Thứ hai loại môtơ chế tạo liền khối với cấu lái Loại sử dụng xe BMW Trong trợ lực lái loại mô tơ trợ lực chế tạo liền với cấu lái phận cấu thành cấu lái ( Hình 1.8) Phương án gọn, nhiên giá thành hệ thống cao Phương án áp dụng cho dòng xe Lexus đời 2006 Hình 1.7 Môtơ trợ lực lắp rời cấu lái 1- Khớp cầu; 2- Chụp cao su; 3- Thanh lái; 4- Mô tơ; 5- Giắc điện; 6- Trục lái Cấu tạo mơ tơ thể hình 1.9 Phần kéo dài 13 chế tạo dạng trục vít trục vít ăn khớp với đai ốc liên kết cứng với rôto 10 mô tơ trợ lực lái thông qua viên bi tuần hoàn Hình 1.8 Sơ đồ trợ lực lái điện cấu lái 1- Cảm biến mơ men; 2- Vành tay lái; 3- Cảm biến góc quay; 4- Mô tơ trợ lực; 5- Tăng điện Hình 1.9 Cụm mơ tơ trục vít, cảm biến góc quay 1-Cảm biến mô men; 2- Stator; 3- Cuộn dây; 4- Bi cầu; 5- Giắc điện; 6- Gioăng làm kín; 7- Đai ốc; 8-Chốt ; 9- Bi cầu; 10- Rô to; 11- Nam châm; 12- Vỏ răng; 13- Thanh cấu lái; 14- Vòng bi Cảm biến mô men loại không tiếp điểm bố trí trục lái, cấu tạo thể hình 1.10 Để điều khiển chế độ trợ lực ( Điều khiển mô tơ trợ lực) cảm biến mơ men lái gửi tín hiệu giá trị mômen EPS ECU EPS ECU tính tốn chế độ trợ lực theo chương trình cài đặt sẵn điều khiển mô tơ trợ lực chuỗi xung để tạo mức điện áp khác tùy theo việc cần trợ lực mạnh hay yếu Trong hệ thống điều khiển để tăng độ nhạy chấp hành giảm kích thước, trọng lượng mơ tơ điều khiển EPS ECU có thêm mạch tăng thế, nâng điện áp điều khiển lên gấp đơi (24V), cụm hình 1.8 Hình 1.10 Cụm mơ tơ trục vít, cảm biến góc quay 1- Trục bánh cấu lái; 2- Thanh xoắn; 3- Trục vào; 4- Thanh răng; 5- Cuộn phân tích 1; 6- Cuộn phân tích Các tín hiệu từ động cơ, hệ thống phanh thông qua mạng CAN gửi EPS ECU, cịn tín hiệu từ cảm biến khác gửi trực tiếp EPS ECU EPS ECU tính tốn đưa lệnh điều khiển mơ tơ lực, tín hiệu cảm biến mơmen đóng vai trị quan trọng Các phận hệ thống lái trợ lực điện 3.1 Các cảm biến hệ thống lái trợ lực điện Trong trợ lực lái điện, có phần tử quan trọng khơng thể thiếu cảm biến Các cảm biếcn có nhiệm vụ truyền thơng tin đến ECU để ECU sử lý thông tin định vịng quay mơtơ trợ lực Các cảm biến hệ thống lái trợ lực điện – điện tử gồm: Cảm biến mômen lái, cảm biến tốc độ đánh lái ( tốc độ quay vành lái ), cảm biến tốc độ ôtô 3.1.1.Cảm biến tốc độ đánh lái có loại: a Loại máy phát điện( Hình 1.11): Được dẫn động từ trục lái thông qua cặp bánh tăng tốc làm tăng tốc độ quay phát điện áp chiều tuyến tính tỉ lệ với tốc độ quay trục lái Tín hiệu máy phát phát hiệu chỉnh khuyếch đại thông qua khuyếch đại Hình 1.11 Cấu tạo tín hiệu cảm biến tốc độ đánh lái 1- Trục răng; 2- Biến vi sai; 3- Mạch giao diện; 4- Trục vào; 5- Thanh xoắn; 6- Bánh trung gian; 7- Mô tơ; 8- Cơ cấu cam; 9- Lõi thép trượt; 10- Cánh b Loại cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall (Hình 1.12): Có cấu tạo đơn giản hơn, dễ lắp đặt đặc tính dạng xung số Vì xe ngày thường sử dụng loại cảm biến Cấu tạo cảm biến gồm rôto nam châm nhiều cực gắn với trục lái Một IC Hall đặt đối diện với vành nam châm ( Cách khe hở nhỏ: 0,2 ÷ 0,4 mm) Cảm biến cấp nguồn điện 12v chiều Khi đánh tay lái, vành nam châm quay từ trường nam châm tác động vào IC Hall tạo chuỗi xung vng 0v ÷ 5v Số xung tăng dần theo góc quay trục lái Tín hiệu gửi EPS ECU phân tích thành góc quay trục lái tốc độ đánh lái ( đặt vào mạch đếm thời gian) Hình 1.12 Cảm biến tốc độ đánh lái ( góc đánh lái) loại Hall 10 a- Cấu tạo; b- Xung cảm biến 1- Vỏ; 2- Rô to nam châm; 3- Ổ bi; 4- IC Hall; 5- Giắc điện; 6- Nhựa từ tính 3.1.1 Cảm biến mơmen lái có loại: a Loại lõi thép trượt ( Hình 1.13): Gồm lõi thép lắp lỏng trượt trục lái, có rãnh chéo, rãnh lắp với chốt trục lái Phía ngồi lõi thép cuộn dây quấn: cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp cấp nguồn điện xoay chiều tần số cao Tùy thuộc vào vị trí lõi thép mà suất điện động cảm ứng hai cuộn dây thứ cấp khác Tín hiệu cuộn thứ cấp chỉnh lưu đưa mạch so sánh để biến đổi thành điện áp tuyến tính tỉ lệ với góc xoắn xoắn đặt trục lái cấu lái ( Như van trợ lực thủy lực loại van xoay) Ba trạng thái rãnh chéo chốt lõi thép tương ứng với trường hợp quay vòng phải, vị trí trung gian quay vịng trái thể hình 1.13 Hình 1.13 Sơ đồ đặc tính vị trí làm việc cảm biến mômen lái loại lõi thép trượt 1- Lái phải; 2- Trung gian; 3- Lái trái; 4- Cuộn sơ cấp;5,7- Cuộn thứ cấp; 6- Lõi thép trượt; b Loại lõi thép xoay ( hình 1.14): Gồm trục vào ( gắn với phần trục lái), trục ( gắn với phần nối tiếp trục lái tới cấu lái), trục vào trục liên kết xoắn Trên trục vào lắp vành cảm ứng số có rãnh để cài với vành cảm ứng số 11 Còn vành cảm ứng số có rãnh lắp trục Phía ngồi vịng cảm ứng cuộn dây chia cuộn dây cảm ứng cuộn dây bù Sơ đồ nguyên lý cảm biến đặc tính trình bày hình 1.22 Hình 1.14 Vị trí lắp, cấu trúc đặc tính cảm biến mơmen lái loại lõi thép xoay 1- Cảm biến mơ men; 2- Trục lái chính; 3- Bộ giảm tốc; 4- Vô lăng; 5- Vành phát 1; 6- Trục sơ cấp;7- Cuộn dây bù;8-Vành cảm ứng 1; 9- Vành cảm ứng 3; 10- Trục thứ cấp; 11- Từ trục lái; 12- Từ cấu lái; 13-Vành cảm ứng c Loại vành dây (Hình 1.15) Hình 1.15 Cấu tạo cảm biến mômen lái loại vành dây 1-Vành 2; 2-Thanh xoắn; 3- Vành 1; 4- Trục vào;5- Vành 1(phần Stator); 6- Vành 2(Stator);7- Trục Cảm biến gồm phần: - Phần stato có vành dây, dây thép định hình - Phần rơto có vành dây: vành gắn với trục răng, phần thứ gắn với cácđăng trục lái Giữa vành thứ thứ hai xoay lệch góc góc xoắn xoắn ( Khoảng độ 58 phút) 12 Sơ đồ bố trí cuộn dây xung cảm biến trình bày hình 1.16 Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý xung cảm biến mômen lái loại vành dây 1.1.3 Cảm biến tốc độ ôtô: Gồm loại: - Loại công tắc lưỡi gà - Loại từ điện - Loại quang điện - Loại mạch từ trở MRE a Loại công tắc lưỡi gà (Hình 1.17): Gồm tiếp điểm đặt ống thủy tinh nhỏ đặt cạnh mâm nam châm quay Mâm nam châm dẫn động dây côngtơmét Khi ô tô chuyển động, thơng qua bánh vít- trục vít trục thứ cấp hộp số làm cho dây côngtơmét quay làm quay mâm nam châm Từ trường nam châm làm cho cơng tắc lưỡi gà đóng, mở theo nhịp quay mâm nam châm tạo chuỗi xung vuông Cảm biến thường lắp sau công tơ mét ( đồng hồ tốc độ ôtô) bảng táplô Hình 1.17 Cảm biến loại công tắc lưỡi gà 1- Nối với cáp đồng hồ tốc độ; 2- Nam châm; 3- Công tắc lưỡi gà 13 b Loại từ - điện (Hình 1.18): Hình 1.18 Hình 1.26 Cảm biến loại từ điện 1- Rơ to; 2- Cảm biến tốc độ; 3- Trục thứ cấp Gồm cánh phát xung lắp trục thứ cấp hộp số cuộn phát xung với phần tử: Lõi thép, nam châm cuộn dây Được đặt cách cánh phát xung khe hở 0,5 ÷ 1,0 mm Mỗi lần cánh phát xung lướt qua đầu cuộn phát xung cuộn dây cảm ứng cặp c Loại quang điện ( Hình 1.19): Được lắp sau đồng hồ cơngtơmét Nó gồm cánh xẻ rãnh dẫn động quay từ dây côngtơmét Cánh xẻ rãnh quay khe đèn LED phototransittor ( Tranzito quang) Tốc độ quay cánh sẻ rãnh tỉ lệ với tốc độ ô tô che thông luồng ánh sáng từ đèn LED sang tranzito quang để tạo nên chuỗi xung vuông 0V– 5V tỷ lệ với tốc độ quay trục thứ cấp hộp số phản ảnh tốc độ ôtô Hình 1.19 Cảm biến loại quang điện 1- Nối với cáp đồng hồ tốc độ; 2- Tranzito; 3- Cặp quang điện; 4- Bánh xe có khía rãnh d Loại mạch từ trở MRE (Hình 1.20): Cảm biến lắp trục thứ cấp hộp số Cảm biến gồm vòng nam châm nạp nhiều cực lắp trục cảm biến Khi vòng nam châm quay, từ trường tác 14 động lên mạch từ trở MRE tạo xung xoay chiều đầu mút mạch MRE Các xung đưa tới so điều khiển tranzito để tạo xung 0v – 12v đầu cảm biến Tần số xung tỉ lệ với tốc độ ôtô Hình 1.20 Cảm biến tốc độ ôtô loại MRE 1- Trục thứ cấp hộp số; 2- Bánh bị động; 3- Cảm biến tốc độ; 4- HIC có gắn MRE bên trong; 5- Các vịng từ tính Tín hiệu cảm biến đưa tới đồng hồ côngtơmét để báo tốc độ ôtô đưa tới ECU PS ECU, ECT ECU để điều khiển cấu chấp hành ( ví dụ van điện từ hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử mô tơ trợ lực lái) 15