LỜI CAM ĐOANEm : Nguyễn Như An, sinh viên lớp DO25.01, chuyên ngành Cơ Điện Tử Ô Tô, trường Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội, xin cam đoan rằng đồ án tốt nghiệp của em "Thiết kế mạ
ĐẶC ĐIỂM , NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG LÁI TRÊN XE BMW X5 (E70) NĂM 2007
Đặc điểm chung của xe BMW X5 (E70) năm 2007
- BMW X5 (E70-2007) là dòng xe du lịch, thế hệ thứ hai của dòng SUV hạng sang BMW X5, được giới thiệu từ tháng 7 năm 2006.
- Sử dụng thép siêu bền cho các chi tiết thân xe, mang lại độ cứng cao hơn so với thế hệ trước.
- Được trang bị hộp số tự động 6 cấp.
- Sử dụng hệ thống lái trợ lực thủy lực.
Hình 1.1:Hình ảnh thực tế xe BMW X5 (E70)
Bảng 1.1: Thông số kích thước và khối lượng của xe
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Chiều dài tổng thể L 4854 mm
2 Chiều rộng tổng thể B 1933 mm
3 Chiều cao tổng thể H 1776 mm
4 Chiều dài cơ sở Lcs 2933 mm
5 Khối lượng toàn tải G 2680 Kg
6 Khối lượng không tải G0 2075 Kg
7 Phân bố khối lượng lên cầu trước G1 1340 Kg
11 Số chỗ ngồi (kể cả người lái ) n 5 Chỗ
12 Tốc độ tối đa Vmax 225 Km/h
13 Tăng tốc từ 0 đến 100 Km/h 8.1 Giây
Hình 1.2:Hình ảnh thông số kích thước xe BMW X5 2007
Bảng 1.2: Thông số động cơ xe BMW X5 2007
STT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
4 Dung tích xi lanh Vd 2996 Cm 3
6 Bố trí xi lanh Kiểu I
7 Đường kính xi lanh 85 Mm
9 Hộp số tự động 6 Cấp
Bảng 1.3:Thông số hệ thống truyền động, treo và phanh của xe
Dẫn động 2 cầu 4 bánh toàn thời gian
2 Hệ thống treo trước Độc lập
3 Hệ thống treo trước Độc lập
7 Kích thước vành bánh xe (la-zăng) R18
Đặc điểm của hệ thống lái trên xe BMW X5 E70 (2007)
1.2.1.Nhiệm vụ hệ thống lái
Hệ thống lái là một phần quan trọng trong xe, có chức năng chuyển hướng di chuyển một cách chính xác Nó hoạt động bằng cách sử dụng chuyển động quay của vô-lăng, truyền tín hiệu đến thước lái để định hướng bánh xe theo ý muốn của người lái Ngoài ra, các cơ cấu bên trong giúp giảm lực và được trang bị trợ lực, mang lại cảm giác lái thoải mái và dễ dàng hơn cho người điều khiển.
1.2.2.Yêu cầu của hệ thống lái
Hệ thống lái ô tô cần đảm bảo khả năng điều khiển linh hoạt và an toàn trên mọi loại đường, tùy thuộc vào vận tốc di chuyển Để đạt được sự điều khiển này, các yếu tố cấu thành như khả năng quay vòng trong không gian hạn chế, độ rơ vành lái, tỉ số truyền của hệ thống lái, cùng khả năng tự ổn định chuyển động của ô tô là rất quan trọng Do đó, cần xác định các yêu cầu cụ thể để đáp ứng tiêu chí này.
Góc quay tối đa của vô lăng không được vượt quá 5 vòng, và ở vị trí biên, cần trang bị cơ cấu hạn chế góc quay cho các bánh xe dẫn hướng Điều này đảm bảo bán kính quay vòng phù hợp với khả năng cơ động của xe.
+Lực trên vành lái phù hợp với khả năng điều khiển của người sử dụng
Độ rơ vành lái là yếu tố quan trọng đối với an toàn khi điều khiển xe Đối với xe có vận tốc tối đa trên 100km/h, độ rơ vành lái không được vượt quá 15 độ Trong khi đó, với xe có vận tốc từ 25-100km/h, giới hạn độ rơ vành lái là 27 độ Việc tuân thủ những tiêu chuẩn này giúp đảm bảo khả năng điều khiển và ổn định của xe.
+Hệ thống lái phải đảm bảo có khả năng giảm các lực va đập từ mặt đường truyền lên vành lái
+Phải có khả năng ổn định hướng chuyển động , đặc biệt khi đi thẳng
+Hạn chế tối đa ảnh hưởng của hệ thống treo với hệ thống lái , nhằm đảm bảo khả năng điều hướng của ô tô khi hoạt động trên đường xấu.
+Động lực học quay vòng phải đúng để các bánh xe không bị trượt khi quay vòng.
Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trên xe BMW X5 E70 (2007)
Vị trí hệ hống lái trên xe BMW
1-Đòn dẫn động 2-Bơm thủy lực
5-Cơ cấu lái 6-Van phân phối
Sơ đồ nguyên lí hoạt động hệ hống lái trên xe BMW
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống lái trợ lực thủy lực
2 Van phân phối 8 Xi lanh lực
3 Van an toàn 9 Cơ cấu lái
4 Van 1 chiều 10.Bánh xe dẫn hướng
5 Động cơ dẫn động bơm 11.Cảm biến góc quay vành lái
6 Bơm thủy lực 12 Lọc dầu
Khi xe di chuyển thẳng, vành tay lái ở vị trí trung gian và cụm van xoay nằm ở vị trí cố định Chất lỏng từ bơm được dẫn vào lõi và trở về bình dầu, tạo ra áp suất đồng nhất ở khoang A và khoang B của xy lanh lực, do đó piston không di chuyển Thanh răng giữ nguyên ở vị trí đi thẳng, và vì không có sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của piston, hệ thống cường hóa chưa hoạt động.
Hình1.4:Van phân phối ở vị trí trung gian
1.3.2.Khi xe quay vòng trái
Khi quay vòng trái, vành lái được đánh sang trái, tạo ra mô men điều khiển truyền qua thanh xoắn đến trục vít Do sức cản từ mô men, trục vít tạm đứng yên, làm thanh xoắn biến dạng và xoay sang trái Kết quả là có sự xoay tương đối giữa trục van điều khiển và van quay, khiến các lỗ X và Y mở, trong khi các lỗ X' và Y đóng Dầu từ bơm đi qua van điều khiển và cổng A, sau đó qua các lỗ Y đến ống nối C, đẩy pít tông trong buồng bên phải của xi lanh sang trái, làm thanh răng dịch chuyển và bánh xe quay sang trái, thực hiện việc quay vòng.
B, về cổng B, qua các lỗ X, về buồng D, về bình chứa của bơm.
Khi dừng quay vô lăng, thân van trong giữ nguyên vị trí, nhưng dầu vẫn tiếp tục chảy vào khoang A Sự chuyển động của dầu đẩy bánh răng theo chiều ngược lại, làm thanh xoắn quay trở lại Các cửa van mở ở trạng thái nhất định, tạo ra chênh áp suất ổn định giữa khoang A và B, giúp ô tô không tiếp tục quay.
Hình 1.5: Van phân phối ở vị trí xe quay sang trái
1.3.3.Khi xe quay vòng phải
Khi thực hiện quay vòng phải, người lái sẽ đánh lái sang bên phải Mô men điều khiển từ vành lái sẽ được truyền qua bánh răng đến thanh răng Trong quá trình này, các lỗ X' và Y' sẽ mở ra, trong khi các lỗ X và Y sẽ đóng lại Dầu sẽ được bơm tới van điều khiển và đến cổng A qua ống nối.
A, qua các lỗ X', tới ống nối B, tới buồng bên trái của xi lanh đẩy pít tông (gắn liền thanh răng) sang phải làm cho thanh răng dịch về bên phải đẩy bánh xe quay sang phải, thực hiện quay vòng sang phải Mặt khác dầu từ buồng bên trái của xi lanh theo ống nổi C, về cổng C, qua các lỗ Y', về buồng C, về bình chứa của bơm
Khi dừng quay vành tay lái, thân van trong giữ nguyên vị trí, trong khi dầu vẫn tiếp tục chảy vào buồng B Điều này tạo ra lực đẩy bánh răng ngược chiều, làm thanh xoắn trở lại và mở các cửa van ở một trạng thái nhất định Kết quả là tạo ra chênh áp suất ổn định giữa hai khoang A và B, giúp đảm bảo ô tô không tiếp tục quay.
Hình1.6:Van phân phối ở vị trí xe quay sang phải
Phân tích cấu tạo của hệ thống lái trên xe BMW X5 (E70-2007)
Hình 1.7:Cấu tạo hệ thống lái xe BMW
1.4.1.Cấu tạo phần cơ khí
Cơ cấu lái là một hộp giảm tốc với tỷ số truyền lớn, giúp giảm lực tác động lên vành lái, từ đó nâng cao tính tiện nghi khi sử dụng.
Khi đánh giá hệ thống lái, cơ cấu lái đóng vai trò quan trọng và cần thỏa mãn các các yêu cầu sau:
- Đảm bảo tỷ số truyền hợp lý: nhằm giảm nhẹ lực trên vành lái trong giới hạn số vòng quay vành lái cho phép.
- Hiệu suất truyền lực cao.
- Độ dơ của cơ cấu lái nhỏ.
- Kết cấu đơn giản, giá thành thấp, tuổi thọ cao.
- Chiếm ít không gian, tháo, lắp, điều chỉnh dễ dàng.
- Hạn chế các va đập ngược từ bánh xe dẫn hướng lên vành lái.
- Cơ cấu lái sử dụng trên xe là cơ cấu lái bánh răng -thanh răng.
Hình 1.8: Cơ cấu lái bánh răng - thanh răng 1.Thanh xoắn 4.Ổ bi
2.Vỏ cơ cấu lái 5.Vỏ van xoay
9.Lò xo 10 Đai ốc điều chỉnh khe hở bánh răng thanh răng
Dẫn động lái là hệ thống các đòn truyền lực từ cơ cấu lái đến bánh xe dẫn hưởng, đảm bảo bánh xe quay vòng đúng cách Đồng thời, kết cấu của dẫn động lái cần phù hợp với bộ phận hướng của hệ thống treo, giúp ngăn chặn ảnh hưởng của dao động thẳng đứng của bánh xe đến động học của dẫn động lái.
Hình thang lái là bộ phận quan trọng trong dẫn động lái, đảm bảo động học quay vòng chính xác cho các bánh xe Cấu trúc của hình thang lái phụ thuộc vào hệ thống treo; nếu hệ thống treo là phụ thuộc (trong ô tô con), các đòn ngang sẽ có dạng rời, trong khi nếu là hệ thống treo độc lập (trong ô tô tải và ô tô chở khách), các đòn ngang thường được thiết kế liền.
Dẫn động lái có chức năng:
+ Truyển chuyển động điều khiển từ hộp số lái đến hai ngông quay của hai bánh xe
+ Đảm bảo mối quan hệ cần thiết về góc quay của các bánh xe dẫn hướng có động học đúng khi thực hiện quay vòng
Dẫn động lái là hệ thống truyền chuyển động từ vô lăng đến cơ cấu lái, giúp điều khiển hướng di chuyển của bánh xe Các thành phần chính của dẫn động lái bao gồm nhiều chi tiết quan trọng, đảm bảo cho việc xoay bánh xe theo hướng mong muốn.
Vô lăng là bộ phận hình tròn, được bọc da hoặc nhựa và có lõi thép để chịu lực xoắn, giúp người lái điều khiển hướng di chuyển của xe Ngoài ra, vô lăng còn tích hợp các nút điều khiển như còi và túi khí, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho người sử dụng.
Trục lái là bộ phận quan trọng trong hệ thống lái xe, có nhiệm vụ truyền mô men lái từ vô lăng xuống cơ cấu lái Nó bao gồm trục lái chính, giúp chuyển động quay của vô lăng, và ống trục lái, giữ cho trục lái được cố định vào thân xe Đặc biệt, trục lái kết hợp với cơ cấu hấp thụ va đập, giúp giảm thiểu lực dọc trục tác động lên người lái trong trường hợp va chạm mạnh hoặc tai nạn xảy ra.
+Trục lái thường có hai loại: Loại trục lái có thể thay đổi được góc nghiêng và loại trục lái không thay đổi được góc nghiêng.
Ngoài cơ cấu hấp thụ va đập ở trục lái chính, còn có các cơ cấu điều khiển khác như cơ cấu khoá lái giúp khóa cứng trục lái, cơ cấu nghiêng trục lái cho phép điều chỉnh vị trí vô lăng theo phương thẳng đứng phù hợp với người lái, và hệ thống trượt trục lái giúp điều chỉnh chiều dài của trục lái, nhằm đạt được vị trí ngồi lái tối ưu cho người lái.
Thanh dẫn động là một thanh kim loại kết nối với cơ cấu lái, có nhiệm vụ truyền chuyển động thẳng từ cơ cấu lái đến dẫn động lái Thanh này được thiết kế với các khớp liên kết, cho phép nó xoay theo các góc khác nhau, đảm bảo sự linh hoạt trong việc điều khiển.
1.4.2.Cấu tạo phần trợ lực
Trợ lực lái hỗ trợ người lái giảm lực quay vô lăng, nhờ sử dụng một nguồn năng lượng thủy lực:
Trợ lực lái thủy lực sử dụng bơm thủy lực để tạo áp suất dầu cao, giúp quay bánh răng hoặc bánh vít thông qua piston trong hộp cơ cấu lái Ưu điểm của hệ thống này là giảm lực quay vô lăng, nhưng nhược điểm là tiêu hao nhiều năng lượng động cơ và khó kiểm soát ở tốc độ cao.
Hệ thống trợ lực lái trên ô tô con sử dụng van phân phối kiểu xoay, được bố trí trong kết cấu của hệ thống lái trợ lực thủy lực Van phân phối kiểu xoay kết hợp với cơ cấu lái bánh răng - thanh răng, trong đó thanh răng hoạt động như một pít tông nằm trong xi lanh Cụm van phân phối được đặt phía trên, nằm trong cùng một vỏ cơ cấu lái, trong khi xi lanh lực cũng đóng vai trò là đòn ngang giữa của hình thang lái.
Van phân phối kiểu van xoay tương tự như van phân phối 4/3, với cấu hình đĩa quay và tâm mở Khi không tải, dòng chảy qua van gặp lực cản rất nhỏ Nếu không có áp suất từ bơm, thanh xoắn sẽ ở trạng thái hoàn toàn xoắn, và trục van điều khiển sẽ tiếp xúc với trục vít tại cữ chặn, tạo ra mômen trực tiếp tác động lên trục vít.
Bơm thủy lực chuyển đổi cơ năng từ động cơ thành áp năng trong hệ thống truyền động thủy lực Dầu thủy lực được bơm đến van điều khiển, nơi van phân phối kết hợp với tiết lưu để điều hướng dầu vào xy lanh thủy lực Áp suất đầu vào trong xy lanh tác động lên piston, khiến nó hoạt động.
Khi di chuyển thẳng, vành lái ở vị trí trung gian, cụm van xoay sẽ có vị trí như hình 1.16a Dầu từ bơm sẽ chảy vào vỏ van 1, đi qua lõi van và trở về bình chứa Lúc này, áp suất ở hai buồng A và B là đồng nhất, do đó trợ lực chưa hoạt động.
Khi quay vòng trái, vành lái làm cho ống giữa 4 quay tương đối với ống trong 3, dẫn đến việc thanh xoắn 2 bị xoắn một góc xác định Điều này mở cửa van dầu từ bơm đến buồng A, đẩy pittong dịch chuyển sang phải, qua đó làm cho các đòn dẫn động bánh xe quay sang trái Đồng thời, pittong cũng đẩy dầu từ khoang B qua lõi van về thùng chứa.
-Khi quay vòng sang phải, thanh xoắn bị xoay ngược lại.
Trong hệ thống trợ lực lái thủy lực, lực và tốc độ di chuyển của cần piston phụ thuộc vào áp suất và lưu lượng dầu thủy lực từ bơm Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống trợ lực lái thủy lực-điều khiển điện tử rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
+Áp suất, lưu lượng được chuyển đổi từ bơm
+Áp suất, lưu lượng qua van điều khiển
+Tốc độ dịch chuyển của cần piston
Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thủy lực đã tồn tại lâu dài và được kiểm chứng về hiệu quả, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật cho người sử dụng.
- Kết cấu đơn giản , ít chi tiết khiến chi phí sản xuất thấp , dễ sửa chữa và bảo trì.
Tính ổn định của xe được cải thiện đáng kể nhờ vào tốc độ trả lái vô lăng về trung tâm nhanh, giúp việc thay đổi góc lái và giữ xe di chuyển trên một đường thẳng trở nên dễ dàng hơn.
- Độ an toàn cao khi vận hành.
Cảm giác lái chân thực được tạo ra nhờ kết cấu hoàn toàn bằng cơ khí, giúp phản ứng với mặt đường trở nên sống động Người lái có thể dễ dàng cảm nhận lực dội ngược từ mặt đường, mang lại trải nghiệm lái xe chân thật và thú vị.
Bên cạnh những ưu điểm đáng kể nêu trên, hệ thống lái trợ lực thủy lực cũng còn tồn tại một số nhược vô lăng.điểm Tiêu biểu là :
Khi lái xe ở tốc độ thấp, người lái thường cảm thấy tay lái nặng, trong khi ở tốc độ cao, cảm giác này trở nên nhẹ nhàng hơn Nguyên nhân chính là do vòng tua máy động cơ thấp khiến bơm dầu tạo áp suất dầu thấp, dẫn đến trợ lực lái yếu Ngược lại, khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, áp suất dầu tăng lên, mang lại trợ lực lái mạnh mẽ hơn.
Trợ lực thủy lực có mức tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn do luôn ở trạng thái hoạt động, tiếp nhận công suất từ động cơ.
- Từ những ưu nhược điểm trên cho thấy hệ thống lái trợ lực thủy lực cho thấy hệ thống hoạt động vẫn có những nhược điểm cần cải tạo để hệ thống lái làm việc tốt hơn Từ nhược điểm chưa thực sự tạo cảm giác lái khi quay vòng ở tốc độ cao cần thêm bộ điều khiển áp suất theo tốc độ xe để khi tốc độ thấp thì áp suất lớn còn khi ở tốc độ cao thì áp suất nhỏ để tạo cảm giác lái cho người lái tránh hiện tượng bay lái hoặc mất cảm giác lái.
Mục đích xây dựng mô hình toán học
- Mục đích xây dựng mô hình toán học để thiết kế mạch điều khiển áp suất dầu vào trong xi lanh theo trạng thái làm việc.
Mô hình toán học
Mô hình toán học của hệ thống lái trợ lực thủy lực (Hydraulic Power Steering System) phức tạp hơn so với hệ thống thuần cơ :
Hình 2.1.Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.2.Đường cong biểu diễn mức độ trợ lực lái
- Mức độ trợ lực lái ô tô được xác định tùy thuộc vào điều kiện hoạt động( khi xe dừng , khi xe đi với tốc độ thấp và khi xe đi với tốc độ cao ) cho thấy yêu cầu trợ lực lái lớn nhất khi xe dừng và thấp nhất khi hoạt động với tốc độ tối đa
Sơ đồ tín hiệu Vào / Ra của hệ thống
Hình 2.3.Sơ đồ tín hiệu vào/ra -Các thành phần chính của hệ thống thủy lực bao gồm :
1 Vô lăng 4 Van phân phối
8.Bánh xe dẫn hướng 6 Xylanh lực
Hình 2.4.Sơ đồ vật lí lái trợ lực thủy lực
Từ sơ đồ trên ta xây dựng mô hình toán học hệ thống lái trợ lực thủy lực theo các thông số đầu vào và đầu ra : Đầu vào:
-Góc quay của vành lái (α): là góc quay của vô-lăng, được truyền qua hệ thống lái tới bánh xe dẫn hướng.
-Lực tác động lên vành lái (Fvl ): là lực được người lái tác động lên vành lái để quay vô-lăng, tạo ra mô-men quay vô-lăng. Đầu ra:
-Góc quay bánh xe dẫn hướng (θ): là góc mà bánh xe dẫn hướng quay, phản ánh hiệu quả của hệ thống trợ lực lái.
-Mô-men cản của đường (Mc): là mô-men cản do tác động từ mặt đường lên bánh xe dẫn hướng, phụ thuộc vào điều kiện chuyển động.
-Xây dựng quan hệ toán học giữa đầu vào và đầu ra:
+ Quan hệ giữa góc quay vành lái (α) và bánh xe dẫn hướng (θ)
Theo lí thuyết góc quay bánh xe dẫn hướng (θ) phụ thuộc vào góc quay của vành lái (α) qua tỉ số truyền il: θ = α i l π
180 α: Góc quay vô lăng (độ).
: Tỉ số truyền của cơ cấu lái. θ: Góc quay của bánh xe dẫn hướng (rad).
+Mô-men tác dụng lên vành lái được hệ thống trợ lực tăng cường bằng xi lanh thủy lực và được cân bằng với mô-men cản Mc từ mặt đường Phương trình mô-men cân bằng:
-Mdd : Mô-men trợ lực từ xi lanh thủy lực.( M dd =( F ck + F tl ) l )
- Mc : Mô-men cản từ mặt đường( )
- : Lực sinh ra từ cơ cấu lái (kể cả tỉ số truyền)
+Lực từ vành lái tác động tới bánh xe
Lực Fvl được truyền qua vô-lăng với bán kính Rvl để tạo ra mô-men tác động lên bánh xe dẫn hướng:
F ck = F vl R vl i cc 1 l c i dd η ck
- : Chiều dài đòn quay đứng
- : Tỉ số truyền cơ cấu lái
- : Tỉ số truyền dẫn động lái
- : Hiệu suất truyền lực cơ khí
+ Lực trợ lực thủy lực từ xylanh
Lực Ftl được cung cấp bởi xylanh thủy lực:
- : Chênh lệch áp suất trong xi lanh.
+Quan hệ tổng quát giữa đầu vào và đầu ra
Từ các phương trình trên, mối quan hệ giữa đầu vào (Fvl,α) và đầu ra (θ,Mc ) có thể được viết dưới dạng phương trình vi phân:
Từ phương trình động lực học :
Jkz : Moment quán tính của bánh xe dẫn hướng quay quanh trục z.
Rvl: Bán kính vành lái. ky : Hệ số ma sát góc. cy:Độ cứng quay của bánh xe dẫn hướng.
Ta có phương trình vi phân bậc hai cho góc quay θ của bánh xe dẫn hướng:
+Phương trình lưu lượng đi vào xi lanh lực:
Lưu lượng đi vào xi lanh lực phụ thuộc vào chênh lệch áp suất Δpvan
: Chênh lệch áp suất tại van phân phối.
: Đường kính lỗ tiết lưu. μ: Hệ số lưu lượng. ρ: Khối lượng riêng của dầu.
Hệ phương trình trạng thái
Từ phương trình vi phân cấp 2 của θ, ta chuyển sang tích phân vi phân với các biến trạng thái:
Giả sử x1=θ(góc quay bánh xe dẫn hướng).
(vận tốc góc bánh xe dẫn hướng).
Viết hệ phương trình vi phân dưới dạng ma trận:
Biến trạng thái: Đầu vào U:
-Fvl:Lực vành lái từ người lái.
-pb: Áp suất dầu bơm (gắn với lực thủy lực Ftl). Đầu ra Y:
-θ: Góc quay bánh xe dẫn hướng.
Hệ phương trình trạng thái đầy đủ:
Xây dựng chương trình điều khiển
-Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu của đề tài và từ các phương trình mô tả trạng thái trợ lực của xe khi xe chưa có mạch điều khiển. Đầu tiên ta lập các m-file, sử dụng các tập lệnh trên matlab để nhập các số liệu cần khảo sát.
2.3.1 Lập m-file ( có phụ lục kèm theo)
+ Thông số hình học Rk,Ic,D,L,f,alpha,delta.
+ Mô men quán tính khối của khối lượng ô tô đối với trục Z đi qua trọng tâm T: Iz* *Nhập các điều kiện để tiến hành khảo sát bao gồm:
Hình 2.5 : Đồ thị góc quay bánh xe và áp suất dầu vào xylanh
-Từ đồ thị áp suất dầu trợ lực cho thấy ở dải tốc độ thấp thì áp suất dầu trợ lực thấp do phụ thuộc vào vòng tua máy động cơ để bơm có thể tạo ra áp suất dầu từ đó hệ thống lái thủy lực khiến người lái có cảm giác nặng tay lái ở dải tốc độ thấp và nhẹ khi di chuyển ở tốc độ cao, đồng nghĩa với việc trợ lực yếu và ngược lại.
-Căn cứ vào đó để khắc phục nhược điểm này cần thêm mạch điều khiển trợ lực lái sao cho thỏa mãn yêu cầu ở dải tốc độ cao thì trợ lực giảm đi để tăng cảm giác lái cho người lái.
2.3.3.Tính momen cản quay vòng
Bảng 1.4 :Thông số tính toán lực cản quay vòng
TT Thông số Ký hiệu Gía trị Đơn vị
1 Chiều rộng cơ sở Bcs 1933 Mm
2 Chiều dài cơ sở của xe Lcs 2933 Mm
3 Chiều dài toàn bộ xe L0 4854 Mm
6 Trọng lượng tác dụng lên cầu dẫn hướng G1 13140 N
7 Trọng lượng tác dụng lên một bánh dẫn hướng
-Trong quá trình thiết kế tính toán hệ thống lái, lực đặt trên vô lăng được xác định cho trường hợp ô tô quay vòng tại chỗ vì lúc này lực cản quay vòng đạt giá trị cực đại Mô men cần quay vòng tại một bánh xe dẫn hướng bao gồm 3 thành phần: mô men cản lăn M1, mô men ma sát giữa bánh xe và mặt đường M2 và mô men ổn định M2 gây nên bởi góc đặt của bánh xe và trụ đứng:
Mô men cản lăn được xác định như sau:
G bx - trọng lượng tác dụng lên 1 bánh xe dẫn hướng. f- hệ số cản lăn.(f=0,015) a- cánh tay đòn quay vòng tức là khoảng cách từ tâm mặt tựa của lốp đến đường trục đứng kéo dài
Khi mô men quay vòng tác động lên bánh xe, lực ngang Y xuất hiện tại khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường Lực Y, do tính đàn hồi của lốp, khiến vết tiếp xúc lệch khỏi trục bánh xe, tạo ra khoảng cách x giữa lực này và trục bánh xe.
Hình 2.7: Điểm đặt lực ngang Lực ngang có giá trị cực đại bằng lực bám:
Trong đó:- φ là hệ số bám.( φ0,85)
Như vậy, mô men ma sát giữa bánh xe và đường có thể được tính như sau:
Giả thiết rằng lực Y đặt giữa vết tiếp xúc, theo hình 3.15 ta có: x = 1
Với bánh xe có ký hiệu 255/55 R18:
Trong đó: r- bán kính tự do của bánh xe dẫn hướng.
B- Chiều rộng mặt lốp (mm) (B = 255 mm) d-Đường kính vành xe (inch)(dinch) rbx – Bán kính làm việc của bánh xe ( ) -Hệ số biến dạng lốp(Với lốp có áp suất thấp =0.93 0.935 chọn = 0.93) ta tính được: r =( 255+ 18
Nếu coi: r bx = 0,93 r ta có: r bx =0 , 93.0,483=0,449 ( m)
Mô men ổn định M2 được xác định bởi các góc đặt của bánh xe và trụ đứng, tuy nhiên, việc tính toán mô men này khá phức tạp Do đó, trong quá trình tính toán, có thể thay thế M2 bằng một hệ số Khi đó, mô men cam quay vòng tại một bánh xe dẫn hướng sẽ được tính toán theo công thức tương ứng.
Cánh tay đòn a xác định theo thực tế Đối với các loại ôtô thường: a = 30÷ 60 mm, ôtô tải lớn: a = 60 ÷ 100 mm.
Mô men cản quay vòng tại đòn kéo dọc là:
Trong đó: là hiệu suất tính đến tổn hao ma sát tại cam quay và các khớp trong dẫn động lái =0,8 , = 0,50 ÷ 0,70.
2.3.4.Lực cực đại tác dụng lên vô lăng
Lực cực đại đặt lên vô lăng sẽ là: max
R- bán kính vô lăng. i c - tỷ số truyền của cơ cấu lái. i d - tỷ số truyền dẫn động lái.
- hiệu suất thuận của cơ cấu lái.
Trong khi tính toán nên chọn f = 0,015, = 0,85, cánh tay đòn a xác định theo thực tế Đối với các loại ôtô thường: a = 30÷ 60 mm, ôtô tải lớn: a 60 ÷ 100 mm.
Tỷ số truyền cơ cấu lái đối với ôtô con nằm trong khoảng 12 ÷ 22, đối với ôtô tải là 16 ÷ 32 Khi lựa chọn tỷ số truyền của cơ cấu lái cần lưu ý rằng nếu i c càng lớn thì lực cực đại trên vô lăng càng nhỏ Nhưng i c lớn thì tốc độ quay vòng của ô tô lại nhỏ, vì vậy đối với các loại ô tô có tốc độ chuyển động cao cần chọn i c đủ bé để đảm bảo tốc độ quay vòng tương ứng với tốc độ chuyển động Ô tô được coi là điều khiển tiện lợi nếu góc quay cực đại của bánh dẫn hướng (35÷40°) tương ứng với góc quay vô lăng trong khoảng 1÷ 1,75 vòng (không quá 2 vòng).
Tỷ số truyền của dẫn động lái phụ thuộc vào kết cấu cụ thể nhưng thường không quá lớn ( i d = 0,85 ÷ 1,1).
Lực cực đại đặt trên vô lăng Pmax không được vượt quá 500N.
THIẾT KẾ, TÍNH CHỌN XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRỢ LỰC LÁI THỦY LỰC
Mục tiêu làm mô hình
Mô hình này được thiết kế để mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống lái, đồng thời đo kiểm tra các thông số kỹ thuật của hệ thống lái trợ lực thủy lực có mạch điều khiển Qua đó, người dùng sẽ hiểu rõ hơn về các nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực và cơ khí.
- Điều chỉnh giảm áp suất dầu trợ lựckhi xe đi ở tốc độ cao.
- Đo và hiển thị thông số về áp suất , lực tác dụng lên vành lái của hệ thống.
Phương án thiết kế mô hình
Xâu dựng mô hình mạch điều khiển trợ lực lái thủy lực :
Hình 3.1: Phương án bố trí mô hình
Mạch điều khiển lái trợ lực thủy lực đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh lưu lượng dầu cung cấp cho xi lanh, giúp duy trì lực trợ lái ổn định và chính xác Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển áp suất vào được mô tả rõ ràng trong các trường hợp làm việc.
- Khi xe di chuyển với tốc độ cao:
Khi xe di chuyển với tốc độ cao, lực trợ lái giảm bớt nhờ vào lực quán tính, giúp người lái dễ dàng điều khiển vô lăng Mạch điều khiển áp suất sẽ giảm áp suất dầu cung cấp cho hệ thống lái, làm cho hệ thống trở nên cứng hơn Điều này giúp tránh tình trạng lái quá nhạy, mang lại cảm giác lái ổn định và an toàn hơn cho người lái.
Trong trường hợp này, bộ điều khiển sẽ làm việc bằng cách giảm áp suất hoặc điều chỉnh van phân phối dầu để hạn chế áp suất dầu.
Thiết kế hệ thống truyền động thuỷ lực
Để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả, bơm cần tạo ra áp suất đủ lớn nhằm tạo lực tác động lên piston của xi lanh, từ đó hỗ trợ lực cho vô-lăng.
Lưu lượng: 6 mL/r (mỗi vòng quay) Áp suất: 20 MPa
Hình 3.2: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài a Sơ đồ cấu tạo bơm, động cơ hai bánh răng ăn khớp ngoài b Kết cấu bơm bánh răng ăn khớp ngoài
1- Bánh răng chủ động; 2- Bánh răng bị động; 3- Vỏ bơm; 4- ống hút;
5- ống đẩy; 6- Van an toàn; A- Khoang hút;B- Khoang đẩy
-Bánh răng chủ động (1) được nối với trục dẫn động bơm, ăn khớp với bánh răng bị động (2) Khi bơm làm việc, bánh răng (1) quay kéo theo bánh răng
Chất lỏng trong các rãnh răng (a) được di chuyển theo chiều quay của bánh răng từ khoang hút A đến khoang đẩy B, tạo thành một vòng tròn quanh vỏ bơm.
Các khoang A và B được ngăn cách bởi các mặt tiếp xúc của răng ăn khớp, tạo thành một hệ thống kín Khi các răng khớp lại, thể tích của khoang sẽ bị đẩy lên.
B giảm xuống, chất lỏng đang được đưa vào khoang đẩy B bị chèn ép và dồn vào ống đẩy (5) với áp suất cao, đây là quá trình đẩy của bơm.
Trong quá trình bơm hoạt động, khi xảy ra hiện tượng đẩy, đồng thời tại khoang hút A, các răng ra khớp làm tăng thể tích khoang này Áp suất trong khoang hút giảm xuống thấp hơn áp suất trên mặt thoáng của bể chứa dầu, dẫn đến việc chất lỏng được hút từ bể qua ống hút vào bơm Để hạn chế áp suất tối đa của bơm, van an toàn được lắp đặt, có nhiệm vụ mở ra để dầu thoát về bể khi ống đẩy bị tắc hoặc áp suất vượt quá mức quy định.
Lưu lượng riêng của bơm và động cơ bánh răng được tính bằng công thức q = 2ro(rk-ro)b, trong đó ro là bán kính vòng tròn ăn khớp của bánh răng, rk là bán kính vòng tròn đỉnh của bánh răng, và b là chiều rộng bánh răng Đối với bánh răng dịch chỉnh, công thức trở thành ro = m (+ x) và rk = m (+ x) + m, với m là mô đun răng và x là độ dịch chỉnh, dẫn đến q = 2m²(+ x)b.
Chọn động cơ dẫn động bơm
- Lưu lượng: 6 mL/r (mỗi vòng quay)
Tính lưu lượng bơm theo tốc độ vòng quay
Lưu lượng Q (lít/phút) có thể được tính theo công thức:
Trong đó: Q là lưu lượng bơm (lít/phút).
V là lưu lượng mỗi vòng (mL/r). n là số vòng quay của bơm (vòng/phút).
(lít/phút) Tính công suất yêu cầu cho động cơ điện
Công suất của động cơ có thể tính theo công thức:
Trong đó: P là công suất của động cơ (kW).
Q là lưu lượng bơm (lít/phút). p là áp suất (MPa). η là hiệu suất bơm và động cơ (0.85-0.9).
Với p MPa và giả sử hiệu suất η=0.85, ta tính công suất động cơ:
Chọn động cơ điện Để dẫn động bơm, động cơ cần có công suất ít nhất là 0.71 kW.
Nên chọn động cơ có công suất tối thiểu 1 kW để đảm bảo độ bền và hiệu suất hoạt động.
Vì vậy, chọn động cơ 1 kW với tốc độ 2000-3000 vòng/phút để dẫn động bơm.
Van chỉnh áp thủy lực
-Van an toàn (Van chỉnh áp thủy lực) có chức năng chính là giới hạn áp suất lớn nhất trong mạch thuỷ lực
-Bảo vệ mạch thủy lực tránh bị quá tải.
-Trong quá trình làm việc, van an toàn luôn ở trạng thái đóng.
Bảng 3.1:Thông số kỹ thuật
Kích thước cổng PT 3/8"(ren 17)
Lưu lượng max 40 (lít/phút) Áp suất max 315 (Bar)
Kích thước 50mm x 60mmx 34mm
Chất liệu Thép Động cơ bước điều khiển van tiết lưu
Hệ thống lái trợ lực thủy lực kết hợp với mạch điều khiển điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh áp suất vào xi lanh lái theo tốc độ xe Khi xe di chuyển với tốc độ cao, áp suất trợ lực cần được giảm để đảm bảo cảm giác lái ổn định cho người điều khiển Van tiết lưu sẽ hoạt động dựa trên nguyên lý này để điều chỉnh áp suất một cách hiệu quả.
Hình 3.4: Động cơ bước điều khiển van tiết lưu
- Cung cấp dầu cho hệ thống làm việc theo chu trình kín ( cấp và nhận dầu chảy về).
- Giải tỏa nhiệt sinh ra trong quá trình bơm dầu làm việc.
- Lắng đọng các chất cặn bả, dơ bẩn trong quá trình làm việc.
Thiết kế mạch điều khiển trợ lực lái thống lái
Hình 3.6 :Aptomat 2 pha Chức năng:
- Đóng cắt, cách ly mạch điện.
- Bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch.
Tính chọn aptomat: dựa trên dòng điện điều khiển cho động cơ 1 pha công suất 1 kW
Trong đó: P: Công suất thiết bị (W).
U: Điện áp hệ thống (V). cosϕ: Hệ số công suất (thường nằm trong khoảng 0.8–0.9 đối với động cơ 1 pha)
Dòng điện định mức điều khiển của động cơ: Khoảng 5.34 A.
Chọn aptomat phù hợp loại 10A.
Bảng 3.2:Thông số kỹ thuật Aptomat
Tên công tắc cao áp MCB NXB-63
Kích thước 80 x 36 x 378 mm (chiều cao bao gồm cần gạt)
Dòng điện định mức 6A Điện áp định mức 230/400VAC
Xung điện áp định mức 4kV
Hình 3.7 : Khởi động từ Chức năng: Dùng để điều khiển và đóng ngắt động cơ công suất lớn.
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật khởi động từ
Tiếp điểm phụ: 1NO+1NC
Số cực (Pole): 3P Điện áp Coil: 220VAC
Kích thước: 75×45.5x88mm Điều kiện hoạt động:
Nhiệt độ môi trường: -5°C ~ + 40°C, trung bình trong 24 giờ không được vượt quá + 35°C; ( Giới hạn nhiệt độ hoạt động -35°C ~ + 70°C)
Công tắc bật tắt động cơ điện
Vi điều khiển Arduino Nano
Module vi xử lý đóng vai trò quan trọng trong mạch vi xử lý, giúp lập trình và thực hiện nhiệm vụ nhận thông tin từ các mạch xử lý tín hiệu cảm biến Tín hiệu này sau đó được truyền tới mô-đun giao tiếp với máy tính Để đảm bảo độ chính xác của các thông số và tiết kiệm chi phí, việc lựa chọn bộ vi xử lý phù hợp như Arduino Nano là rất cần thiết.
Arduino Nano có thể được cấp nguồn 9V qua cổng USB hoặc nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng từ 7-12V DC và giới hạn từ 6-20V Việc sử dụng pin vuông 9V là phương pháp hợp lý nhất khi không có nguồn từ cổng USB Lưu ý rằng việc cấp nguồn vượt quá giới hạn có thể gây hỏng hóc cho Arduino Nano.
Các chân được sử dụng trên Arduino:
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Nano, và khi sử dụng các thiết bị với nguồn điện riêng biệt, các chân này cần được nối với nhau Chân 5V cung cấp điện áp 5V đầu ra với dòng tối đa cho phép là 500mA.
-Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino Nano, nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
Bo mạch Arduino Nano sử dụng chân SDA cho giao tiếp I2C, và nếu không, có thể sử dụng chân A4 và A5 Chân SCL cũng được sử dụng cho giao tiếp này thông qua thư viện dây, trong đó SCL là tín hiệu đồng hồ (CLK) và SDA là tín hiệu dữ liệu.
Chân A0 là chân tiếp nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến và mạch xử lý Khi nhấn nút Reset trên board, vi điều khiển sẽ được khởi động lại, tương đương với việc chân RESET được kết nối với GND thông qua một điện trở 10K.
Chân Serial 0 (RX) và 1 (TX) trên Arduino Nano được sử dụng để gửi và nhận dữ liệu TTL Serial, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác thông qua hai chân này.
Các 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, điều chỉnh điện áp ra từ 0V đến 5V thông qua hàm analogWrite() Điều này mang lại khả năng linh hoạt hơn so với các chân khác chỉ có mức điện áp cố định là 0V và 5V.
Chân giao tiếp SPI bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) Ngoài việc thực hiện các chức năng thông thường, bốn chân này còn có khả năng truyền và phát dữ liệu qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
Trên Arduino Nano, có một đèn LED màu cam được ký hiệu là L, nối với chân số 13 Khi bạn nhấn nút Reset, đèn LED này sẽ nhấp nháy để báo hiệu Nếu chân số 13 được sử dụng bởi người dùng, LED sẽ sáng lên.
Arduino Nano sở hữu 8 chân analog (A0 → A7) với độ phân giải tín hiệu 10 bit (0 → 1023), cho phép đọc giá trị điện áp từ 0V đến 5V Chân AREF trên board có thể được sử dụng để cung cấp điện áp tham chiếu, giúp điều chỉnh khoảng đo điện áp Ví dụ, nếu cấp điện áp 2.5V vào chân AREF, các chân analog sẽ có khả năng đo điện áp trong khoảng từ 0V đến 2.5V với độ phân giải 10 bit.
Bộ nguồn chuyển đổi 24V được lựa chọn dựa trên mục đích nghiên cứu các thiết bị điều khiển và cảm biến sử dụng điện áp thấp, nhằm giảm điện áp từ 220V xuống 24V.
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật bộ nguồn chuyển đổi 24V
Thông số Giá trị Điện áp vào: AC 110V / 220V Điện áp ra: DC24V2A
Chất liệu: nhôm nhiệt cao
Thời gian khởi động:
