Khảo sát và mô phỏng mô hình lái ô tô điện phục vụ dạy học

- Cơ cấu lái: là một hộp giảm tốc được bố trí trên khung hoặc vỏ của ôtô đảm nhậnphần lớn tỉ số truyền của hệ thống lái - Dẫn động lái: bao gồm đòn quay đứng, đòn kéo dọc, hình thang lái

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG MÔ HÌNH LÁI Ô TÔ ĐIỆN

PHỤC VỤ DẠY HỌC

Người hướng dẫn: ………

Sinh viên thực hiện: ………

Mã sinh viên: ………

Lớp: ………

Đà Nẵng, … /20…

Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2021 Giáo viên hướng dẫn

Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2021

Giáo viên phản biện

Được làm sinh viên là niềm mong ước của bao người sau khi học hết chương trình phổ thông Em rất may mắn khi được học Công Nghệ Kỹ Thuật Ô TÔ tại Trường

Sư Phạm Kỹ thuật Sau quá trình được học tại trường, với sự hưỡng dẫn tận tình của thầy, chúng em đã tích lũy được những kiến thức cơ bản về ngành Cơ Khí Động Lực Sau quảng thời gian tìm hiểu em thấy được vai trò rất quan trọng của động cơ để ứng dụng cho sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa của đất nước Để hoàn thành môn học, em chọn đề tài “ Khảo sát và mô phỏng mô hình lái ô tô điện phục vụ dạy học” Trong quá trình làm đề tài, do kiến thức còn nhiều hạn chế, không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự giúp đỡ và hướng dẫn của quý thầy cô Đặc biệt nhờ sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Phạm Minh Mận, em đã hiểu thêm được rất nhiều vẫn đề, em nhận thấy mình cần phải học rất nhiều nữa để có thể trở thành người kỹ sư tốt được đào tạo tại trường Cuối cùng, em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy

cô trong trường, trong khoa, đặc biệt là Thầy Phạm Minh Mận đã tạo điều kiện tốt nhất

để em hoàn thành môn học này

Đà Nẵng, ngày 08 tháng 06 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Chúng em xin cam đoan đồ án trên là công trình nghiên cứu của riêng nhómdưới sự hướng dẫn của ThS GVC Phạm Minh Mận Những nhận định được nêu ratrong đồ án cũng là kết quả từ sự nghiên cứu trực tiếp, nghiêm túc, độc lập của bảnthân tác giả dựa và các cơ sở tìm kiếm, hiểu biết và nghiên cứu tài liệu khoa học haybản dịch khác đã được công bố Những phần có sử dụng tài liệu tham khảo trong đồ án

đã được liệt kê và nêu rõ ra tại phần tài liệu tham khảo Đồ án vẫn sẽ giúp đảm bảođược tính khách quan, trung thực và khoa học

Đà Nẵng, ngày 06, tháng 08, năm 2021

Sinh viên thực hiện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 4

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ v

DANH SÁCH CÁC BẢNG VẼ vi

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

Chương 1: Tổng quan về hệ thống lái trên ô tô 2

1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu 2

1.1.1.Công dụng 2

1.1.2 Phân loại 2

1.1.3 Yêu cầu 3

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái 3

1.2.1 Cấu tạo 4

1.2.1 Nguyên lý hoạt động 4

1.3 Các bộ phận chính của hệ thống lái 5

1.3.1 Trục lái 5

1.3.2 Cơ cấu lái 5

1.3.3 Dẫn động lái 6

1.4 Các hệ thống có trợ lực lái 7

1.4.1 Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực 8

1.4.2 Hệ thống lái trợ lực điện 10

Chương 2: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN TRÊN Ô TÔ 12

2.1 Một số loại xe ô tô điện hiện nay 12

2.2 Tính toán thiết kế hệ thống lái cho xe 14

2.2.1 Phân tích phương án thiết kế chọn hệ thống lái cho xe 14

2.2.2 Tính toán động lực học 15

2.2.2.1 Tính mômen cản quay vòng 15

2.2.2.2 Xác định bán kính quay vòng nhỏ nhất 17

2.2.2.3 Xác định lực cần tác dụng lên vô lăng 18

2.3 Tính toán bộ truyền cơ cấu lái 19

2.3.2 Xác định các thông số của bánh răng 19

2.3.3 Xác định kích thước và thông số thanh răng 19

2.4 Tính toán trợ lực điện 19

2.4.1 Xây dựng đặc tính cường hóa lái 19

Chương 3: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ SƠ ĐỒ BỐ TRÍ HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN Ô TÔ 21

3.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống lái điện 21

3.2 Các thành phần và nguyên lý hoạt động của các bộ phận trên hệ thống trợ lực lái điện 22

3.2.1 Thành phần cấu tạo của hệ thống lái trợ lực điện EPS 22

3.2.2 Các tín hiệu vào ra 24

3.2.3 Điều khiển 25

3.2.4 Cảm biến vị trí góc đánh lái 26

3.3 Hệ thống mã lỗi EPS thường gặp 27

Chương 4: ĐÁNH GIÁ VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN Ô TÔ 29

4.1 Tổng quan bộ mô hình mô phỏng lái xe 29

4.2 Xây dựng bộ điều khiển 30

4.2.1 Phần cứng bộ điều khiển 30

4.2.2 Vô lăng 31

4.2.3 Bộ bàn đạp 32

4.2.4 Giới thiêu Arduino Leonardo R3 35

4.2.5 Sensor Encoder 37

4.2.6 Motor DC 12V - RS895 38

4.3 Xây dựng bộ điều khiển mô hình lái xe 38

4.3.1 Ghép nối mạch điều khiển và phần mềm mô phỏng 38

4.3.2 Mô tả chương trình cấu hình bánh xe AI WAVE (WheelConfign) 2016 39 4.3.2 Cài đặt kết nối Arduino Leonardo với phần mềm Wheel Confign 41

4.3.3 Ghép nối mô hình lái xe với bộ điều khiển 44

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 47

5.1 Kết luận 47

5.2 Định hướng phát triển đề tài 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC 1

Hình 1 1: Hệ thống lái 2

Hình 1 2:Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái 4

Hình 1 3: Cấu tạo chung của trục lái 5

Hình 1 4: Cấu tạo hình thang lái điển hình 7

Hình 1 5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống trợ lực 7

Hình 1 6: Cấu tạo hệ thống lái thanh răng trợ lực lái thủy lực 8

Hình 1 7: Sơ đồ hệ thống 10

Y Hình 2 1: Loại xe ô tô điện Battery Electric Vehicle (BEV) 12

Hình 2 2: Xe ô tô điện Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) 13

Hình 2 3: Hybrid Electric Vehicle (HEV) 14

Hình 2 4: Sơ đồ hệ thống lái 14

Hình 2 5: Góc đặt bánh xe dẫn hướng 15

Hình 2 6:Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi quay vòng 16

Hình 2 7: Sơ đồ quay vòng của ôtô 17

Hình 2 8: Đường đặc tính khi chưa có hệ thôings lái 20

Hình 3 1: Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện EPS 21

Hình 3 2: Tổng quan hệ thống lái trợ lực điện 22

Hình 3 3:Các thành phần của hệ thống 23

Hình 3 4: Sơ đồ điều khiển hệ thống 24

Hình 3 5: Cách điều khiển 25

Hình 3 6: Cấu tạo cảm biến vị trí góc đánh lái 26

Hình 4 1: Tổng quan toàn bộ mô hình 30

Hình 4 2: Các thành phần trong bộ điều khiển 31

Hình 4 3: Vô lăng 32

Hình 4 4: Bàn đạp 34

Hình 4 5: Arduino Leonardo R3 35

Hình 4 6: Động cơ DC 12V 38

Hình 4 7: Phần mềm điều chỉnh WheelConfig 39

Hình 4 8: Bảng điều khiển Device Manager 41

Hình 4 9: Giao điện phần mềm WheelConfign 42

Hình 4 10: Phần mềm XLOADER 42

Hình 4 11: Giao diện nâng cao của phần mềm 43

Hình 4 12: Thử nghiệm kết nối với vô lăng 44

Hình 4 13: Sơ đồ điều khiển 45

Hình 4 14: Giao diện điều chỉnh 46

Hình 4 15: Giao diện Force FeedBack Test 46

Bảng 3 1: Các mã lỗi thường gặp 27Y

Bảng 4 1: Thông số kĩ thuật 35Bảng 4 2: Thông số kĩ thuật 38

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên sinh viên:

Lê Thanh Phương - Mã sinh viên: 1711504210234 - Lớp: 17OTO2

Mai Thành Nhân - Mã sinh viên: 1711504210230 - Lớp: 17OTO2

3 Họ và tên người hướng dẫn: GVC ThS Phạm Minh Mận

4 Đề tài:

Tên đề tài: Khảo sát và mô phỏng mô hình lái ô tô điện phục vụ dạy học

Thời gian thực hiện: Từ ngày: 18/01/2021 đến ngày: 30/05/2021

5 Mục tiêu

- Khảo sát các loại hệ thống lái điện trên thị trường Việt Nam

- Mô phỏng và xây dựng mô hình hệ thống lái điện

- Thử nghiệm quá trình điều khiển hệ thống lái điện ô tô

- Đánh giá kết quả thử nghiệm khi dùng mô hình hệ thống lái điện

6 Nội dung chính

Chương 1: Tổng quan về hệ thống lái điện trên ô tô

Chương 2: Tính toán và mô phỏng hệ thống lái điện trên ô tô

Chương 3: Nguyên lý làm việc và sơ đồ bố trí hệ thống lái điện ô tô

Chương 4: Đánh giá và thử nghiệm mô hình hệ thống lái điện ô tô

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

7 Kết quả dự kiến đạt được

- 1 Báo cáo tốt nghiệp hơn 60 trang

- 1 Tóm tắt báo cáo tốt nghiệp hơn 30 trang

- 10 bản vẽ A3 (6 bản vẽ A0) đầy đủ kích thước và nguyên lý

- 01 bộ đĩa CD ghi chép toàn bộ: tài liệu tham khảo, báo cáo, đề cương,…

Chương 1: Tổng quan về hệ thống lái trên ô tô

1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu

1.1.1.Công dụng

Hệ thống lái dùng để giữ đúng hướng chuyển động hoặc thay đổi hướng chuyểnđộng của ô tô khi cần thiết.Có thể thay đổi hướng chuyển động bằng cách:

+ Thay đổi phương chuyển động của bánh xe dẫn hướng

+ Thay đổi mô men xoắn ở bánh sau chủ động

+ Kết hợp đồng thời cả hai phương pháp trên

Hình 1 1: Hệ thống lái

Hệ thống lái có nhiều loại, thông thường bao gồm các bộ phận chính như:

- Vành lái: là cơ cấu điều khiển nằm trên buồng lái, chịu tác động trực tiếp của ngườiđiều khiển

- Cơ cấu lái: là một hộp giảm tốc được bố trí trên khung hoặc vỏ của ôtô đảm nhậnphần lớn tỉ số truyền của hệ thống lái

- Dẫn động lái: bao gồm đòn quay đứng, đòn kéo dọc, hình thang lái, đòn quay ngang,

có nhiệm vụ liên kết cơ cấu lái với bánh xe và dẫn động cho bánh xe dẫn hướng

- Trợ lực lái: Trợ lực lái có thể có hoặc không Dùng để giảm nhẹ lực quay vòng củangười lái bằng nguồn năng lượng từ bên ngoài Nó thường được sử dụng trong các xe

có tải trọng vừa và lớn

1.1.2 Phân loại

a Phân loại theo cách bố trí cơ cấu lái

+ Loại cơ cấu lái đặt bên trái (dùng cho các nước có luật giao thông qui định chiều

chuyển động là bên phải, đại đa số các nước có luật giao thông đi bên phải).

+ Loại cơ cấu lái đặt bên phải (dùng cho các nước có luật giao thông qui định chiều

chuyển động là bên trái)

b Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái

+ Loại trục vít- bánh vít (với cung răng con lăn và trục vít)

+ Loại trục vít đòn lắc

+ Loại liên hợp (trục vít - ê cu - cung răng)

+ Loại bánh răng - thanh răng

c Theo số bánh dẫn hướng

+ Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước

+ Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu sau

+ Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở tất cả các cầu

d Theo nguyên lý làm việc của bộ phận trợ lực lái

+ Loại trợ lực lái thủy lực

+ Loại trợ lực lái loại khí (khí nén hoặc chân không)

+ Loại trợ lực lái cơ khí

+ Loại trợ lực lái dùng điện

Ngoài ra hệ thống lái còn được phân ra: Hệ thống lái có trợ lực và hệ thống lái khôngtrợ lực Trong hệ thống lái có trợ lực lại được phân ra hệ thống lái trợ lực không có

điều khiển và hệ thống lái trợ lực có điều khiển điện tử

1.1.3 Yêu cầu

Hệ thống lái phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Đảm bảo cho xe quay vòng ngoặt, trong thời gian ngắn, trên diện tích bé

+ Đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng tránh trượt lê gây

mòn lốp

+ Các bánh xe dẫn hướng khi ra khỏi đường vòng cần phải tự động quay về trạng tháichuyển động thẳng, hoặc là để quay bánh xe về trạng thái chuyển động thẳng thì cầnđặt lực lên vành tay lái nhỏ hơn khi xe đi vào đường vòng

+ Hệ thống lái phải có khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng lêncác vành tay lái

+ Hệ thống lái không được có độ dơ lớn Với xe có tốc độ lớn hơn 100Km/h độ dơ

vành tay lái cho phép không vượt quá 18 độ Với xe có tốc độ lớn nhất nằm trong

khoảng (25 – 100) Km/h độ dơ vành tay lái cho phép không vượt quá 270

+ Giữ cho xe chuyển động thẳng ổn định

+ Đặt cơ cấu lái lên phần được treo của ô tô (để kết cấu của hệ thống treo không ảnhhưởng đến cơ cấu lái), cấu tạo đơn giản điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi

+ Với hệ thống lái có trợ lực: Khi hệ thống trợ lực có sự cố hư hỏng vẫn có thể điềukhiển được xe Đảm bảo an toàn bị động của xe, không gây nên tổn thương cho người

sử dụng khi bị đâm chính diện

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái

1.2.1 Cấu tạo

Hình 1 2:Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái

11.Đòn kéo dọc

1.2.1 Nguyên lý hoạt động

Vành tay lái có dạng hình tròn, lực của người lái tác dụng lên vành tay lái tạo ra

mô men quay để hệ thống lái làm việc Trục lái thường là một đòn dài (rỗng hoặc đặc)

để truyền mô men quay từ vành tay lái tới cơ cấu lái Cơ cấu lái có nhiệm vụ biếnchuyển động quay tròn của vành tay lái thành chuyển động lắc của tay biên trong mặtphẳng thẳng đứng và đảm bảo tỉ số truyền theo yêu cầu cần thiết Cơ cấu lái được bắtchặt lên xà dọc (phần được treo của ô tô) Dẫn động lái (gồm: 11, 7, 8, 9, 10) có nhiệm

vụ truyền chuyển động từ cơ cấu lái xuống bánh xe dẫn hướng đảm bảo tỷ số truyềnnhất định và chủ yếu giữ được động học quay vòng đúng của ôtô.Khi người lái quay vô lăng (1) để điều khiển xe, qua cơ cấu lái (4) làm cho tay biên (5)quay một góc thông qua đòn kéo dọc (11) và đòn quay cam (7) làm bánh xe dẫn hướngbên trái dịch chuyển qua các đòn (8, 10) của hình thang lái làm cho bánh xe dẫn hướng

bên kia cũng dịch chuyển quanh trụ đứng, lệch phương chuyển động theo ý muốn củangười lái.

1.3 Các bộ phận chính của hệ thống lái

1.3.1 Trục lái

Hình 1 3: Cấu tạo chung của trục lái

Trục lái bao gồm trục lái chính truyền chuyển động quay của vô lăng tới cơ cấu lái vàống đỡ trục lái để cố định trục lái chính vào thân xe Đầu phía trên của trục lái chínhđược làm thon và xẻ hình răng cưa Vô lăng được xiết vào trục lái bằng một đai ốc.Trong trục lái có một cơ cấu hấp thụ va đập Cơ cấu này sẽ hấp thụ lực đẩy tác dụnglên người truyền chấn động lái khi xe bị tai nạn Trục lái được gá với thân xe qua mộtgiá đỡ kiểu dễ vỡ do vậy khi xe bị đâm trục lái có thể dễ dàng bị phá sập Đầu dướicủa trục lái chính nối với cơ cấu lái bằng khớp mềm hoặc khớp các đăng để giảm thiểuviệc từ mặt đường qua cơ cấu lái lên vô lăng Cùng với cơ cấu hấp thụ va đập, trục láichính trên một số xe còn có thể có một số kết cấu dùng để khống chế và điều chỉnh hệthống lái: ví dụ cơ cấu khóa tay lái nghiêng, cơ cấu trượt tay lái

1.3.2 Cơ cấu lái

Cơ cấu lái hay còn gọi là hộp số lái có chức năng:

+ Biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động ngang của dẫn động lái

+ Tăng lực tác động của người lái lên vành tay lái để thực hiện quay vòng xe nhẹ

nhàng hơn.

Cơ cấu lái hoạt động tương tự như một hộp số với hai bộ phận cơ bản được gọi quyước là trục quay của cơ cấu lái và trục lắc của cơ cấu lái Trục quay là đầu vào của cơcấu lái, nó trực tiếp liên kết với đầu dưới của trục lái và thực hiện chuyển động quaytheo chuyển động của trục lái Trục lắc là đầu ra của hộp số lái nó liên kết với đòn lắcchuyển hướng của dẫn động lái

1.3.3 Dẫn động lái

Dẫn động lái gồm hệ thống các đòn, các thanh liên kết với nhau để truyền lực từ

cơ cấu lái đến các bánh xe điều khiển, đồng thời đảm bảo cho các bánh xe của ô tô

quay vòng với động học đúng Bộ phận quan trọng của dẫn động lái là hình thang lái,

có nhiệm vụ đảm bảo động học các bánh xe dẫn hướng của ô tô làm cho lốp xe không

bị trượt, lê khi lái, giảm mòn lốp

Kết cấu của hình thang lái phải phù hợp với bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo để khi bánh xe dao động thẳng đứng thì không ảnh hưởng đến động học của dẫn động lái.Cấu tạo hình thang lái điển hình

+ Đòn lắc chuyển hướng: là chi tiết liên kết với trục lắc của hộp số lái và truyền

chuyển động của trục lắc đến phần còn lại của dẫn động lái

Thông thường một đầu của đòn lắc chuyển hướng liên kết với trục lắc của hộp

số lái bằng then hoa, đầu còn lại liên kết với một đầu của thanh nối giữa bằng khớp

cầu

Hình 1 4: Cấu tạo hình thang lái điển hình

1.4 Các hệ thống có trợ lực lái

Để giảm nhẹ cường độ lao động cho người lái và tăng tính an toàn cho hệ thốngđiều khiển lái hầu hết các xe ô tô đều được trang bị trợ lực lái

Hình 1 5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống trợ lực

Yêu cầu đặt ra đối với trợ lực là:

+ Khi bộ trợ lực hỏng thì hệ thống lái vẫn phải làm việc được

+ Trợ lực lái phải giữ cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường khi quay vòng.Điều này đồng nghĩa với khả năng trợ lực cần tăng cao khi mô men cản quay vòng lớn

và ngược lại khả năng trợ lực cần giảm khi xe chuyển động với tốc độ cao

Hệ thống lái trợ lực trên xe hiện đại có các kiểu sau: trợ lực khí nén, trợ lực thủy lực,trợ lực điện

1.4.1 Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

Hệ thống lái trợ lực thủy lực là một hệ thống vòng kín sử dụng chất lỏng thủylực điều áp để thay đổi góc bánh xe của bánh trước dựa trên góc lái

Hình 1 6: Cấu tạo hệ thống lái thanh răng trợ lực lái thủy lực

b Bơm trợ lực lái:

Bơm được dẫn động bằng puli trục khuỷu động cơ và dây đai dẫn động, và đưa dầu bịnén vào hộp cơ cấu lái Lưu lượng của bơm tỷ lệ với tốc độ của động cơ nhưng lưulượng dầu đưa vào hộp cơ cấu lái được điều tiết nhờ một van điều khiển lưu lượng vàlượng dầu thừa được đưa trở lại đầu hút của bơm

c Van điều khiển:

Van điều khiển chuyển hướng dầu hồi về bình chứa hoặc đi tới xilanh

d Hộp cơ cấu lái:

Piston trong xi lanh trợ lực được đặt trên thanh răng, và thanh răng dịch chuyển do ápsuất dầu tạo ra từ bơm trợ lực lái tác động lên pít tông theo cả hai hướng Một phớt dầutrên Piston ngăn dầu rò rỉ ra ngoài

Trục van điều khiển được nối với vô lăng Khi vô lăng quay theo hướng nào đó thì vanđiều khiển thay đổi đường truyền do vậy dầu chảy vào một trong các buồng Dầu trongbuồng đối diện bị đẩy ra ngoài và chảy về bình chứa theo van điều khiển.

 Ưu nhược điểm của hệ thống:

Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực ta thấy hệ thống có các

ưu điểm, nhược điểm là như sau:

+ Ưu điểm:

Với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực đã giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệthống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực tác động của piston-xy lanh lực lên thanhrăng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơithì 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 sựlàm việc bơm dầu mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ, sử dụngmột phần công suất của động cơ Trong quá trình chuyển động, ngay cả khi xe chuyểnđộng thẳng thì bơm dầu vẫn làm việc, điều này gây lãng phí công suất động cơ trongkhi hệ thống lái không cần nguồn trợ lực Để đảm bảo được áp suất dầu trợ lực thì hệthống cần yêu cầu về độ kín khít cao ở trên đường ống, van do đó thường xuyên phảikiểm tra sự rò rỉ dầu trong hệ thống lái Hệ thống làm việc ồn do tiếng kêu của bơmdầu và dầu chảy qua các đường ống, van Ngoài ra, dầu trợ lực lái khi thải ra còn lànguồn chất thải gây ô nhiểm môi trường

+ Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực là áp suất và lưu lượng của bơm phụ thuộc vào tốc độđộng cơ Trong trường hợp xe chuyển động ở tốc độ thấp, quay vòng ngoặt, lúc nàycần trợ lực lớn, tuy nhiên do tốc độ động cơ thấp, áp suất trong hệ thống thuỷ lực nhỏảnh hưởng đến chất lượng trợ lực Khi xe ôtô chuyển động ở tốc độ cao, lưu lượng và

áp suất của bơm trợ lực lớn, trong khi điều khiển lái ở tình trạng này lại chỉ cần yêucầu trợ lực nhỏ

+ Về mặt tỷ số truyền động học bị hạn chế rất lớn đó là ở tốc độ thấp cần tỷ số truyềnthấp để người lái quay vòng hiệu quả và ở tốc độ cao cần có tỷ số truyền động học cao

vì lúc này mức phản ứng của xe rất nhạy nhưng hệ thống chưa đáp ứng được

+ Trong khi quay vòng ngoặt người điều khiển vẫn phải đánh tay lái khá nhiều vòng.+ Khi hệ thống trợ lực bị hỏng, lực điều khiển sẽ nặng hơn hệ thống không có trợ lực,

vì lúc này còn phải thắng lực cản do dầu chuyển động trong hệ thống gây ra

1.4.2 Hệ thống lái trợ lực điện

Hệ thống lái trợ lực điện EPS – Electric Power Steering có nhiệm vụ tạo ra lực

bổ trợ tác dụng lên cơ cấu dẫn động lái, để duy trì hoặc thay đổi hướng chuyển độngcủa xe Do đó việc điều khiển tay lái sẽ trở nên nhẹ nhàng và tính cơ động của xe cao

Hình 1 7: Sơ đồ hệ thống

Các bộ phận cơ bản của hệ thống lái trợ lực điện:

+ ECU điều khiển: ECU tiếp nhận các thông số tín hiệu của cảm biến mô men, cảmbiến tốc độ động cơ, tín hiệu IG, tín hiệu tốc độ xe sau đó tính toán và điều khiển mô

tơ trợ lực

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

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

 Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện:

Ta thấy hệ thống lái trợ lực thủy lực làm việc dựa trên hai thông số momen và gócquay trục lái còn đối với trợ lực điện làm việc dựa trên nhiều thông số: tốc độ xe,momen trục lái, tốc độ động cơ, chế độ không tải, góc quay trục lái vì vậy có nhứng

ưu điểm của hệ thống trợ lực như sau:

Tạo ra được tỉ số truyền lực của hệ thống thay đổi theo tốc độ của xe: Xe ở tốc

độ thấp thì tỉ số tryền nhỏ và ngược lại xe ở tốc độ cao thì tỉ số truyền lớn là momentrợ lực của động cơ điện được điều khiển thay đổi theo tốc độ của oto vì vậy ưu điểmlớn nhất của hệ thống lái này là momen trợ lực của động cơ điện thay đổi phù hợp theotốc độ của xe

So với trợ lực thủy lực thì hệ thống lái trợ lực điện không sử dụng bơm dầu để tạo ranăng lượng trợ lực mà sử dụng một motor điện một chiều, do đó giảm tổn hao nhiênliệu từ 2-3%

Hệ thống không sử dụng các đường ống dẫn và van phức tạp như hệ thống lái trợ lựcthuỷ lực

Làm việc êm hơn vì không có tiếng kêu của bơm trợ lực và kết cấu tuy phức tạp hơnnhưng lại gọn hơn vì vậy mà trọng lượng của hệ thống được giảm đáng kể so với trợlực thủy lực

Với việc sử dụng motor điện một chiều, hệ thống lái trợ lực điện dễ dàng điều khiểnđược chiều quay của motor điện cũng như dễ dàng thay đổi mômen xoắn của motorbằng cách thay đổi cường độ dòng điện cấp vào motor

Khi trợ lực điện hỏng thì lực điều khiển của người lái chỉ như xe không có trợ lực chứkhông nặng như trưởng hợp hỏng trợ lực thủy lực do có sức cản của dầu thủy lực

+ Nhược điểm:

Kết cấu chế tạo phức tạp và có giá thành cao, chịu va đập kém

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

là một yêu cầu rất quan trọng và đặc biệt là đối với các xe ôtô hiện đại ngày nay Nhờviệc dễ dàng thay đổi tỉ số truyền lái mà hệ thống lái trợ lực điện giúp nâng cao tínhnăng an toàn chuyển động của xe khi xe đi ở tốc độ cao, ngoài ra hệ thống còn giúpcho người lái dễ dàng điều khiển xe khi xe đi vào những đường hẹp, yêu cầu quayvòng với bán kính nhỏ

Chương 2: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN TRÊN Ô TÔ 2.1 Một số loại xe ô tô điện hiện nay

Thời điểm hiện tại, thị trường ô tô điện được phân làm 3 loại sau:

- BEV (Battery Electric Vehicle)

- PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

- HEV (Hybrid Electric Vehicle)

Đặc Điểm Các Loại Ô Tô Điện Trên Thị Trường Hiện Nay

a Battery Electric Vehicle (BEV)

Loại xe ô tô điện Battery Electric Vehicle (BEV) còn sở hữu tên gọi là EV (ElectricVehicle) Xe ô tô điện BEV được chạy bởi động cơ điện hoàn toàn và có thể nạp lạiđược bằng pin Tất nhiên loại xe này sẽ không cần đến bất kỳ hoạt động nào của động

Hình 2 1: Loại xe ô tô điện Battery Electric Vehicle (BEV)

b Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV)

Xe ô tô điện Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) áp dụng hoạt động của phanh táisinh hoặc nguồn điện từ bên ngoài để nạp lại pin.

Có thể di chuyển được quãng đường 10 – 40 dặm mà chưa cần đến hỗ trợ của động cơxăng (xe hybrid bình thường: 2 – 4 dặm)

Một vài loại ô tô điện PHEV: Ford C-Max Energi, Ford Fusion Energi, MercedesC350e, …

Hình 2 2: Xe ô tô điện Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV)

c Hybrid Electric Vehicle (HEV)

Hybrid Electric Vehicle (HEV) là loại xe ô tô điện vận hành nhờ vào sự phối hợp giữađộng cơ điện lẫn động cơ xăng truyền thống

Hệ thống phanh sẽ sinh ra năng lượng điện để nạp lại pin cho xe Đây là hệ thốngphanh tái sinh: motor điện giảm tốc độ xe và chuyển 1 phần năng lượng tạo nhiệt nhờ

Hình 2 3: Hybrid Electric Vehicle (HEV)

2.2 Tính toán thiết kế hệ thống lái cho xe

2.2.1 Phân tích phương án thiết kế chọn hệ thống lái cho xe

Sau khi phân tích đặc điểm chính của một số lọai cơ cấu lái, dẫn động lái thường dùngcho ô tô cùng với yêu cầu của hệ thống lái trên xe thiết kế phải đơn giản nhỏ gọn, dễ

bố trí, ta chọn hệ thống lái cho xe thiết kế là loại có cơ cấu: Bánh răng - thanh răng Cơcấu cấu này có ưu điểm: tỷ số truyền nhỏ nên độ nhạy cao, hiệu suất cao η th ≈ η ngh ≈ 1.Ngoài ra cơ cấu này cũng đơn giản, dễ chế tạo, kết cấu gọn dễ bố trí cho xe thiết kế

Sơ đồ dẫn động lái:

2.2.2 Tính toán động lực học

Việc tính toán động lực học là nhằm mục đích phân phối tỷ số truyền của cơcấu lái, làm tăng độ tin cậy cho ô tô khi tham gia giao thông, đông thời làm phù hợpvới tốc độ của ô tô

2.2.2.1 Tính mômen cản quay vòng

Mômen cản quay vòng của bánh xe dẫn hướng được xác định khi ô tô quayvòng trên đường nhựa khô và đủ tải Mômen cản quay vòng lớn nhất khi xe chạy trênđường xấu, mặt đường nghiêng hoặc xe quay vòng tại chỗ

Mômen cản quay vòng được xác định theo công thức:

Mc= ( M1+ M2+ M3) . 1 η

(2 - 1)Trong đó:

Mc – mômen cản quay vòng tổng cộng

M1 – mômen cản quay vòng do lực cản lăn gây ra

M2 – mômen cản quay vòng khi có lực ngang Y

M3 – mômen ổn định gây nên bởi độ nghiêng ngang  của trụ quayđứng

Mômen cản quay vòng M1 sinh ra là do trong quá trình quay vòng mômen này gâynên bởi lực cản lăn của bánh xe với mặt đường Mômen này tác động lên đòn quay,qua cơ cấu lái tác dụng lên vành tay lái Về trị số nó được xác định bằng công thứcsau:

Xác định mômen cản M2 do các lực ngang gây ra Khi quay vòng sẽ xuất hiện lựcngang Y Tổng hợp các lực thành phần của lực ngang sẽ dịch chuyển về phía sau sovới tâm vết tiếp xúc một đoạn là x Giá trị của x thừa nhận bằng 1/4 chiều dài vết tiếpxúc.

Hình 2 6:Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi quay vòng

Vậy ta có công thức sau:

Để làm ổn định các bánh xe dẫn hướng, người ta làm các góc đặt bánh xe:

 - góc nghiêng của trụ quay đứng trong mặt phẳng ngang của xe

 - góc nghiêng của trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc của xe

 - góc chụm của bánh xe dẫn hướng

 - góc nghiêng của bánh xe dẫn hướng

Tất cả các góc này để làm ổn định cho hệ thống lái nhưng chung lại làm xuất hiện

Như vậy, tổng mômen quay vòng của bánh xe dẫn hướng được xác định bằng côngthức:

M c=2( M1+M2)χ

 - hệ số tính đến ảnh hưởng của M3 do đầu trước của ô tô bị nâng lênkhi lái,  = 1,07  1,15 Ta chọn  = 1,1.

 - hiệu suất tính đến tiêu hao do ma sát ở cam quay và các khớp nốitrong chuyển động lái, với xe thiết kế có một cầu dẫn hướng ở phía trước,  = 0,05 0,7 Ta chọn  = 0,7

2.2.2.2 Xác định bán kính quay vòng nhỏ nhất

Bán kính quay vòng nhỏ nhất tính đến tâm đối xứng dọc của ô tô:

Hình 2 7: Sơ đồ quay vòng của ôtô

Theo sơ đồ ta có:

Trong đó:

α: Góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hướng

L: Chiều dài cơ sở của ô tô

Bán kính quay vòng nhỏ nhất tính vết bánh xe trước phía ngoài

Theo sơ đồ ta có:

R qmin=√L2+(R min+B1/2)2+A (2-7)Trong đó:

B1: Khoảng cách tâm hai trụ đứng của cầu trước

R min: Bán kính quay vòng nhỏ nhất ở tâm đối xứng dọc của ô tô

A: chiều dài từ tâm trụ đứng đến vết bánh xe trước

2.2.2.3 Xác định lực cần tác dụng lên vô lăng

Tính mômen cản quy dẫn tới vành tay lái:

Mcvl – mômen cản lớn nhất quy dẫn tới vành tay lái

ic – tỷ số truyền cơ cấu lái

id – tỷ số truyền của dẫn động lái

t - hiệu suất thuận của cơ cấu lái

Gọi i là tỷ số truyền của hệ thống lái, ta có:

i= φ vl

Trong đó:

ϕvl - Góc quay tương ứng của vô lăng.

ϕbx - Góc quay của bánh xe dẫn hướng

Mcvl – mômen cản lớn nhất quy dẫn tới vành tay láiLực của người lái tác dụng lên vành tay lái để điều khiển xe là rất lớn, sẽ gâymệt mỏi cho người lái Vì vậy, để khắc phục nhược điểm trên cần thiết phải cải tiến hệthống lái cơ khí thành hệ thống lái có cường hoá Nhằm mục đích để giảm sức laođộng nặng nhọc cho người lái xe, đồng thời tăng sức cơ động của ô tô đảm bảo an toàn

2.3 Tính toán bộ truyền cơ cấu lái

2.3.1 Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng

Để xác định được bán kính vòng lăn của bánh răng ta có thể thực hiện theo cácphương pháp sau:

+ Chọn trước đường kính vòng lăn của bánh răng từ đó tính ra vòng quay củabánh răng có phù hợp không Có nghĩa là ứng với số vòng quay (n) nào đó thì thanh

+ Chọn trước số vòng quay của vành lái rồi sau đó xác định bán kính vòng lăn củabánh răng Đối với cơ cấu lái loại bánh răng - thanh răng thì số vòng quay của vành láithì cũng là số vòng quay của bánh răng Chọn số vòng quay về 1 phía của vành lái ứngvới bánh xe quay là n

Ta có công thức:

2.3.2 Xác định các thông số của bánh răng

Tính số răng theo tài liệu chi tiết máy

D c=m n Z

Trong đó:

Dc : Đường kính vòng chia: Dc = 2R

 : Góc nghiêng ngang của bánh răng

2.3.3 Xác định kích thước và thông số thanh răng.

Đường kính của thanh răng được cắt tại mặt cắt nguy hiểm nhất:

d=√3 M x

Trong đó:

[τ x]: Ứng suất tiếp xúc cho phép tại tiết diện nguy hiểm nhất

M x: Momen xoắn gây lên sự nguy hiểm ở thanh răng, chính bằng momen

cảng quay vòng từ bánh xe

2.4 Tính toán trợ lực điện

2.4.1 Xây dựng đặc tính cường hóa lái

Khi hệ thống lái chưa có trợ lực thì tỷ số truyền không thay đổi, kích thước các đòn cũng không thay đổi, do vậy lực tác dụng lên vành lái tuyến tính ó với lực cản quay

Do vậy đường đặc tính khi chưa có trợ lực lái được thể hiện như sau: