LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, nền khoa học kỹ thuật trên thế giới đã có những bước tiến vô cùng mạnh mẽ.Có rất nhiều thành tựu khoa học tiên tiến được ứng dụng rộng dãi vào đời sống và phát triển kinh tế, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vận tải. Trong nền công nghiệp chế tạo ô tô thế giới hiện nay đã có sự phát triển rất lớn và đang tạo đà cho khả năng phát triển nhanh chóng trong tương lai tới đây.Cùng với sự phát triển của khoa học, ngành công nghiệp ô tô cũng không ngừng đưa đến cho người sử dụng những công nghệ mới. Nó khiến cho xe ô tô những trở nên tiện nghi, an toàn hơn mà còn thân thiện với con người và môi trường. Ngành công nghiệp ô tô hiện nay đã đưa vào sử dụng các công nghệ hết sức tiên tiến để chế tạo và lắp đặt ô tô như các loại cảm biến, các thiết bị điều khiển điện, điện tử,… Ở nước ta ngành công nghiệp ô tô đa phần là lắp ráp và sử dụng.Tuy nhiên cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật trên thế giới mà các công ty đã dần đưa các công nghệ tiên tiến, hiện đại ứng dụng vào lắp đặt, chế tạo ô tô. Trong đó hệ thống lái là một phần rất quan trọng, nó quyết định tới độ an toàn cho người sử dụng khi tham gia giao thông. Từ vấn đề đó, với những kiến thức đã học và sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn, em quyết định thực hiện đề tài: “Khảo sát và kiểm nghiệm hệ thống lái ôtô Land Cruiser và sử dụng phần mềm Matlab để tính toán và kiểm nghiệm”.Đề tài được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy ThS. Đồng Minh Tuấn và Ths. Lê Anh Vũ cùng các thầy cô khác trong bộ môn công nghệ và kỹ thuật ô tô. Trong thời gian thực hiện đề tài do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Em rất mong sự giúp đỡ, ý kiến đóng góp của quý thầy cô cùng tất cả các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật của nhân loại đã bước lên một tầm cao mới, rất nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật, các phát minh sáng chế mang đậm chất hiện đại và có tính ứng dụng cao, là một quốc gia có nền kinh tế đang phát triển, nước ta đã và đang có những bước cải tiến mới để thúc đẩy kinh tế. Việc tiếp nhận, áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến của thế giới được nhà nước chú trọng, quan tâm nhằm cải tạo, đẩy mạnh sự phát triển của các nghành công nghiệp mới,với mục đích đưa nước ta sớm thoát khỏi một quốc gia có nền nông nghiệp kém phát triển thành một nước có nền công nghiệp phát triển, trong các nghành công nghiệp mới đang được nhà nước chú trọng, đầu tư phát triển, thì nghành công nghiệp ô tô ngày càng cao, các yêu cầu ngày càng đa dạng.Các loại ô tô chủ yếu sử dụng trong công nghiệp, giao thông vận tải.Trong những năm gần đây ô tô có những bước rõ rệt. Ngày nay ô tô được sử dụng rộng rãi như một phương tiện đi lại thông dụng. Cho nên các trang thiết bị, các bộ phận trên ô tô ngày càng hoàn thiện và hiện đại hơn nhằm bảo vệ độ tin cậy, an toàn và tiện dụng cho người sử dụng . Tốc độ ô tô ngày càng cao, hệ thống giao thông lại phức tạp do đó hệ thống lái ngày càng được chú trọng hơn để đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Với sự phát triển đa dạng của các hãng ô tô nên hệ thống lái có rất nhiều loại như hệ thống lai trợ lực bằng cơ khí,thủy lực, hệ thống lái điện, hệ thống lái điện tử. Việc thiết kế này nhằm gia tăng tối đa sự an toàn cho người sử dụng khi điều khiển, vận hành ô tô tham gia giao thông. Tuy nhiên, cùng với sự hiện đại ngày càng tăng đó thì vấn đề cần đặt ra đó là tay nghề của người thợ trong quá trình sửa chữa bảo dưỡng hệ thống. Để đáp ứng được nhu cầu đó người công nhân phải được đào tạo một cách có khoa học đáp ứng được yêu cầu xã hội hiện nay. Do đó nhiệm vụ của các trường kỹ thuật là phải đào tạo học sinh, sinh viên có trình độ và tay nghề cao để đáp ứng nhu cầu công nghiệp ô tô hiện nay. Trên thực tế trong các trường đại học cao đẳng kỹ thuật nước ta hiện nay thiết bị giảng dạy cho sinh viên, học sinh thực hành vẫn còn thiếu rất nhiều, các thiết bị hiện đại vẫn chưa được áp dụng trong việc giảng dạy đặc biệt là cho sinh viên.Các kiến thức mới có tính khoa học kỹ thuật còn chưa cao để đưa vào giảng dạy, các phần mềm ứng dụng giúp tính toán kiểm để đạt kết quả cao và chính xác tuy đã được đưa vào giảng dạy nhưng việc áp dụng một cách triệt để vào chuyên ngành được đào tạo lại chưa cao. Chính vì lý do đó, đề tài “Khảo sát và kiểm nghiệm hệ thống lái ôtô Land Cruiser và sử dụng phần mềm Matlab để tính toán và kiểm nghiệm” có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc hướng dẫn cho sinh viên chúng em vừa hiểu được kết cấu, nguyên lý của hệ thống lái, đồng thời biết cách sử dụng phần mềm hỗ trỡ, giúp cho công việc tính toán, kiểm nghiệm nhanh và chính xác hơn. 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới hệ thống lái đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu và ngày càng được cải tiến đa dạng về chủng loại. Các hãng ô tô luôn chú trọng phát triển hệ thống lái nhằm đem lại sự thoải mái cho người sử dụng và quan trong hơn cả là đảm bảo an toàn khi điều khiển xe tham gia giao thông Hệ thống lái hiện nay được phát triển với rất nhiều chủng loại để mang đến hiệu quả cao nhất trong quá trình điều khiển phương tiện.Các nhà chế tạo đã lắp thêm cho hệ thống lái các thiết bị phụ trợ gọi là hệ thống lái có trợ lực lái, tiêu biểu là hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái trợ lực thủy lực điện. Tiêu biểu trong đó như: Điện tử hóa hệ thống lái trên ô tô: Hệ thống lái điện tử Drive By Wire của Nissan cho phép điều khiển dẫn hướng bánh xe bằng các tín hiệu điện tử và truyền động thủy lực. Công nghệ này được Nissan đưa vào các xe thương mại và 1 số mẫu xe Infiniti 2013. Hãng BMW nghiên cứu và đưa vào 1 số dòng xe của mình các đột biến mới rất hiện đại cho hệ thống lái: Hệ thống lái chủ động (Active steering), hệ thống kiểm soát tốc độ (Active Cruise Control), hệ thống kiểm soát chế độ dừng và đi (Active Cruise Control Stop and Go), hệ thống lái linh hoạt (Dynamic Drive), hệ thống lái thông minh (iDrive), hệ thống trợ lực điện từ Servotronic. Hệ thống lái thông minh trên xe Mercedes: Hệ thống lái thông minh (Intelligent Drive System) thiết kế nhằm tránh hoặc giảm tổn thất khi tai nạn xảy ra bằng hệ thống cảm biến và máy tính hỗ trợ quá trình lái và phanh. Với hệ thống hỗ trợ lái Distronic Plus sẽ giúp lái xe đi đúng làn. Camera có thể nhận dạng vạch chỉ đường. Nó cũng có thể ngăn chặn những chiếc xe khác vượt phải (đối với các nước đi bên phải). Hệ thống kiểm soát điện tử tự thích nghi duy trì khoảng cách với xe phía trước ở tốc độ lên tới 200 kmh. 1.3. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Ở Việt Nam đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về hệ thống lái trên nhiều dòng xe khác nhau. Một số đề tài nghiên cứu về hệ thống lái ở Việt Nam như Đề tài: “Thiết kế hệ thống lái cho xe ô tô du lịch có trợ lực”, năm 2006, Đại học bách khoa Hà Nội, Nguyễn Đức Thành. Trong đề tài nghiên cứu của mình, tác giả đã đưa ra những kiến thức tổng quan về hệ thống lái, tiếp đó là trình tự tiến hành tính toán thiết kế hệ thống lái, xây dựng quy trình gia công, lắp ráp, bảo dưỡng và sửa chữa đối với hệ thống lái.
Trang 1LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, nền khoa học kỹ thuật trên thế giới đã có nhữngbước tiến vô cùng mạnh mẽ.Có rất nhiều thành tựu khoa học tiên tiến được ứng dụngrộng dãi vào đời sống và phát triển kinh tế, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vậntải
Trong nền công nghiệp chế tạo ô tô thế giới hiện nay đã có sự phát triển rất lớn
và đang tạo đà cho khả năng phát triển nhanh chóng trong tương lai tới đây.Cùng với
sự phát triển của khoa học, ngành công nghiệp ô tô cũng không ngừng đưa đến chongười sử dụng những công nghệ mới Nó khiến cho xe ô tô những trở nên tiện nghi, antoàn hơn mà còn thân thiện với con người và môi trường Ngành công nghiệp ô tô hiệnnay đã đưa vào sử dụng các công nghệ hết sức tiên tiến để chế tạo và lắp đặt ô tô nhưcác loại cảm biến, các thiết bị điều khiển điện, điện tử,…
Ở nước ta ngành công nghiệp ô tô đa phần là lắp ráp và sử dụng.Tuy nhiên cùngvới sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật trên thế giới mà các công ty đãdần đưa các công nghệ tiên tiến, hiện đại ứng dụng vào lắp đặt, chế tạo ô tô Trong đó
hệ thống lái là một phần rất quan trọng, nó quyết định tới độ an toàn cho người sửdụng khi tham gia giao thông
Từ vấn đề đó, với những kiến thức đã học và sự hướng dẫn tận tình của giáo
viên hướng dẫn, em quyết định thực hiện đề tài: “Khảo sát và kiểm nghiệm hệ thống lái ôtô Land Cruiser và sử dụng phần mềm Matlab để tính toán và kiểm nghiệm”.Đề tài được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy ThS Đồng Minh Tuấn
và Ths Lê Anh Vũ cùng các thầy cô khác trong bộ môn công nghệ và kỹ thuật ô tô.
Trong thời gian thực hiện đề tài do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chếnên trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định Em rấtmong sự giúp đỡ, ý kiến đóng góp của quý thầy cô cùng tất cả các bạn để đề tài đượchoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 2CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1.Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng khoa học kỹ thuậtcủa nhân loại đã bước lên một tầm cao mới, rất nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật, cácphát minh sáng chế mang đậm chất hiện đại và có tính ứng dụng cao, là một quốc gia
có nền kinh tế đang phát triển, nước ta đã và đang có những bước cải tiến mới để thúcđẩy kinh tế Việc tiếp nhận, áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến của thế giới đượcnhà nước chú trọng, quan tâm nhằm cải tạo, đẩy mạnh sự phát triển của các nghànhcông nghiệp mới,với mục đích đưa nước ta sớm thoát khỏi một quốc gia có nền nôngnghiệp kém phát triển thành một nước có nền công nghiệp phát triển, trong các nghànhcông nghiệp mới đang được nhà nước chú trọng, đầu tư phát triển, thì nghành côngnghiệp ô tô ngày càng cao, các yêu cầu ngày càng đa dạng.Các loại ô tô chủ yếu sửdụng trong công nghiệp, giao thông vận tải.Trong những năm gần đây ô tô có nhữngbước rõ rệt
Ngày nay ô tô được sử dụng rộng rãi như một phương tiện đi lại thông dụng Chonên các trang thiết bị, các bộ phận trên ô tô ngày càng hoàn thiện và hiện đại hơnnhằm bảo vệ độ tin cậy, an toàn và tiện dụng cho người sử dụng Tốc độ ô tô ngàycàng cao, hệ thống giao thông lại phức tạp do đó hệ thống lái ngày càng được chútrọng hơn để đảm bảo an toàn cho người sử dụng Với sự phát triển đa dạng của cáchãng ô tô nên hệ thống lái có rất nhiều loại như hệ thống lai trợ lực bằng cơ khí,thủylực, hệ thống lái điện, hệ thống lái điện tử Việc thiết kế này nhằm gia tăng tối đa sự antoàn cho người sử dụng khi điều khiển, vận hành ô tô tham gia giao thông Tuy nhiên,cùng với sự hiện đại ngày càng tăng đó thì vấn đề cần đặt ra đó là tay nghề của ngườithợ trong quá trình sửa chữa bảo dưỡng hệ thống Để đáp ứng được nhu cầu đó ngườicông nhân phải được đào tạo một cách có khoa học đáp ứng được yêu cầu xã hội hiệnnay Do đó nhiệm vụ của các trường kỹ thuật là phải đào tạo học sinh, sinh viên cótrình độ và tay nghề cao để đáp ứng nhu cầu công nghiệp ô tô hiện nay
Trên thực tế trong các trường đại học cao đẳng kỹ thuật nước ta hiện nay thiết bị giảngdạy cho sinh viên, học sinh thực hành vẫn còn thiếu rất nhiều, các thiết bị hiện đại vẫnchưa được áp dụng trong việc giảng dạy đặc biệt là cho sinh viên.Các kiến thức mới cótính khoa học kỹ thuật còn chưa cao để đưa vào giảng dạy, các phần mềm ứng dụnggiúp tính toán kiểm để đạt kết quả cao và chính xác tuy đã được đưa vào giảng dạynhưng việc áp dụng một cách triệt để vào chuyên ngành được đào tạo lại chưa cao
Chính vì lý do đó, đề tài “Khảo sát và kiểm nghiệm hệ thống lái ôtô Land Cruiser và sử dụng phần mềm Matlab để tính toán và kiểm nghiệm” có ý nghĩa
hết sức quan trọng trong việc hướng dẫn cho sinh viên chúng em vừa hiểu được kết
Trang 3cấu, nguyên lý của hệ thống lái, đồng thời biết cách sử dụng phần mềm hỗ trỡ, giúpcho công việc tính toán, kiểm nghiệm nhanh và chính xác hơn.
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới hệ thống lái đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu và ngày càngđược cải tiến đa dạng về chủng loại Các hãng ô tô luôn chú trọng phát triển hệ thốnglái nhằm đem lại sự thoải mái cho người sử dụng và quan trong hơn cả là đảm bảo antoàn khi điều khiển xe tham gia giao thông
Hệ thống lái hiện nay được phát triển với rất nhiều chủng loại để mang đến hiệuquả cao nhất trong quá trình điều khiển phương tiện.Các nhà chế tạo đã lắp thêm cho
hệ thống lái các thiết bị phụ trợ gọi là hệ thống lái có trợ lực lái, tiêu biểu là hệ thốnglái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái trợ lực thủy lực- điện
Tiêu biểu trong đó như:
- Điện tử hóa hệ thống lái trên ô tô: Hệ thống lái điện tử Drive By Wire củaNissan cho phép điều khiển dẫn hướng bánh xe bằng các tín hiệu điện tử và truyềnđộng thủy lực Công nghệ này được Nissan đưa vào các xe thương mại và 1 số mẫu xeInfiniti 2013
- Hãng BMW nghiên cứu và đưa vào 1 số dòng xe của mình các đột biếnmới rất hiện đại cho hệ thống lái: Hệ thống lái chủ động (Active steering), hệ thốngkiểm soát tốc độ (Active Cruise Control), hệ thống kiểm soát chế độ dừng và đi(Active Cruise Control Stop and Go), hệ thống lái linh hoạt (Dynamic Drive), hệ thốnglái thông minh (iDrive), hệ thống trợ lực điện từ Servotronic
- Hệ thống lái thông minh trên xe Mercedes: Hệ thống lái thông minh(Intelligent Drive System) thiết kế nhằm tránh hoặc giảm tổn thất khi tai nạn xảy rabằng hệ thống cảm biến và máy tính hỗ trợ quá trình lái và phanh Với hệ thống hỗ trợlái Distronic Plus sẽ giúp lái xe đi đúng làn Camera có thể nhận dạng vạch chỉ đường
Nó cũng có thể ngăn chặn những chiếc xe khác vượt phải (đối với các nước đi bênphải) Hệ thống kiểm soát điện tử tự thích nghi duy trì khoảng cách với xe phía trước ởtốc độ lên tới 200 km/h
1.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về hệ thống lái trên nhiều dòng xekhác nhau Một số đề tài nghiên cứu về hệ thống lái ở Việt Nam như
- Đề tài: “Thiết kế hệ thống lái cho xe ô tô du lịch có trợ lực”, năm 2006,
Đại học bách khoa Hà Nội, Nguyễn Đức Thành Trong đề tài nghiên cứu của mình, tácgiả đã đưa ra những kiến thức tổng quan về hệ thống lái, tiếp đó là trình tự tiến hành
Trang 4tính toán thiết kế hệ thống lái, xây dựng quy trình gia công, lắp ráp, bảo dưỡng và sửachữa đối với hệ thống lái.
- Đề tài: “Khảo sát và kiểm nghiệm hệ thống lái trên xe TOYOTA COROLLA ALTIS 2.0” năm 2009, Đại học bách khoa Đà Nẵng, Nguyễn Hoàng
Việt Đề tài đưa ra các nguyên lý chung của hệ thống lái trên ô tô, đi sâu vào nghiêncứu kết cấu, nguyên lý làm việc của hệ thống lái trên xe Toyota Corolla Altis 2.0 vàtính toản kiểm nghiệm cho hệ thống lái của xe Corolla Altis 2.0
- Đề tài: “Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái ô tô Chevrolet Captiva” năm 2011, Đại học bách khoa Đà Năng, Lê Văn Trung Trong đề tài, tác giả
đã đưa ra được nguyên lý làm việc, kết cấu của một số cơ cấu lái thông dụng trên ô tônói chung, sau đó phân tích rõ kết cấu của hệ thống lái trên xe Cherolet Captiva, xâydựng phương pháp tính toán kiểm nghiệm cho hệ thống lái của xe Cherolet Captiva
Thành tựu: nhìn chung các đề tài trên đã mô tả được cấu tạo, nguyên lý hoạtđộng của hệ thống lái nói chung, đã tính toán, kiểm nghiệm được một số bộ phận trên
hệ thống lái Nhưng chưa ứng dụng được phần mềm tính toán để kiểm nghiệm kết quả.Chính vì vậy đề tài “Khảo sát và kiểm nghiệm hệ thống lái ôtô LAND CRUISER và
sử dụng phần mềm Matlab để tính toán và kiểm nghiệm” có ý nghĩa thực tiễn
1.4 Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống lái trên ô tô
- Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống lái
- Ứng dụng phần mềm Matlab để tính toán và kiểm nghiệm các chi tiết chínhtrên hệ thống lái xe Toyota Land Cruiser 200
1.5 Ý nghĩa của đề tài
Đề tài giúp cho những sinh viên năm cuối khi sắp tốt nghiệp có thể củng cốkiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên môn cũng như kiến thức ngoài thực
tế, xã hội.Tạo tiền đề nguồn tài liệu cho các học sinh, sinh viên khoá sau có thêmnguồn tài liệu nghiên cứu, học tập
Đề tài được giao với mong muốn tính toán, kiểm nghiệm hệ thống lái trên xeToyota Land Cruiser 200, đồng thời ứng dụng phần mềm tính toán để kiểm nghiệmkết quả
1.6 Nhiệm vụ của đề tài
Đề tài thực hiện với nội dung: “Khảo sát và kiểm nghiệm hệ thống lái ôtô Land Cruiser và sử dụng phần mềm Matlab để tính toán và kiểm nghiệm”
Bao gồm nội dung sau:
- Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Trang 5- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hệ thống lái trên ô tô.
- Chương 3: Hệ thống lái trên xeToyota Land Cruiser 200, tính toán và kiểmnghiệm hệ thống
- Chương 4: Ứng dụng phần mềm Matlab trong tính toán, kiểm nghiệm
1.7 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài thực hiện theo phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợplập trình phầnmềm trên Matlab để tính toán kiểm nghiệm hệ thống
Trang 6CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG LÁI VÀ TÍNH
TOÁN HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ 2.1 Khái quát chung về hệ thống lái trên ô tô
2.1.1 Hệ thống lái không có trợ lực
2.1.1.1 Loại trục vít –con lăn
Hình 2.1 Cơ cấu lái loại trục vít con lăn 1- Trục đòn quay đứng 2- Đệm điều chỉnh 3- Nắp trên
4- Vít điều chỉnh 5- Trục vít 6- Đệm điều chỉnh 7- Con lăn 8- Trục con lăn
Cơ cấu lái loại trục vít - con lăn (hình 2.1) được sử dụng rộng rãi trên các loại ô
tô do có ưu điểm:
+ Kết cấu gọn nhẹ;
+ Hiệu suất cao do thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn;
+ Hiệu suất thuận: ηt = 0,77 - 0,82;
+ Hiệu suất ngịch: ηn = 0,6;
+ Điều chỉnh khe hở ăn khớp đơn giản và có thể thực hiện nhiều lần
Để có thể điều chỉnh khe hở ăn khớp, đường trục của con lăn đươc bố trí lệchvới đường trục của trục vít một khoảng 5-7 mm Khi dịch chuyển con lăn dọc theo trục
Trang 7quay của đòn quay đứng thì khoảng cách A sẽ thay đổi Do đó khe hở ăn khớp cũngthay đổi.
Sự thay đổi khe hở ăn khớp từ vị trí giữa đến vị trí biên được thực hiện bằngcách dịch chuyển trục quay O2 của đòn quay đứng ra khỏi tâm mặt trụ chia của trục vítO1 một lượng x =2,5-5 mm
Trên hình 2.2 là kết cấu của cơ cấu lái trục vít - chốt quay
Ưu điểm: có thể thiết kế với tỷ số truyền thay đổi, theo quy luật bất kỳ nhờ cáchchế tạo bước răng trục vít khác nhau
Hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch của cơ cấu loại này vào khoảng 0,7 Cơ cấulái này dùng nhiều ở hệ thống lái không có cường hoá và chủ yếu trên các ôtô tải vàkhách Tuy vậy do chế tạo phức tạp và tuổi thọ không cao nên hiện nay ít sử dụng
Trang 82.1.1.3 Loại bánh răng - thanh răng
Hình 2.3 Cơ cấu lái bánh răng - thanh răng 1- Bánh răng 2- Thanh răng 3- Đòn nối khớp cầu
Trên hình 2.3 là kết cấu của cơ cấu lái bánh răng - thanh răng
Bánh răng có thể răng thẳng hay răng nghiêng Thanh răng trượt trong các ốngdẩn hướng Để đảm bảo ăn khớp không khe hở, bánh răng được ép đến thanh răngbằng lò xo
+ Ưu điểm:
- Có tỷ số truyền nhỏ, iω nhỏ dẫn đến độ nhạy cao Vì vậy được sử dụng rộngrãi trên các xe đua, du lịch, thể thao
- Hiệu suất cao
- Kết cấu gọn, đơn giản, dễ chế tạo
+ Nhược điểm:
- Lực điều khiển tăng (do iω nhỏ)
- Không sử dụng được với hệ thống treo trước loại phụ thuộc
- Tăng va đập từ mặt đường lên vô lăng
2.1.1.4 Loại liên hợp trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng
Trên hình 2.4 là kết cấu cơ cấu loại trục vít - êcu bi - thanh răng cung răng.Êcu lắp lên trục vítqua các viên bi nằm theo rãnh ren của trục vít cho phép thay đổi masát trượt thành ma sát lăn Phần dưới của êcu bi có cắt các răng tạo thành thanh răng ănkhớp với cung răng trên trục
Trang 9Hình 2.4 Cơ cấu lái liên hợp trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng
1- Đòn kéo dọc 2- Trụ lái 3- Ê-cu cung răng 4- Bi lăn
.+ Ưu điểm:
- Hiệu suất cao: hiệu suất thuận ηt = 0,7 - 0,85, hiệu suất nghịch ηn = 0,85.
Do hiệu suất nghịch lớn nên khi lái trên đường xấu sẽ vất vả nhưng ôtô có tính
ổn định về hướng cao khi chuyển động thẳng
- Khi sử dụng với cường hoá thì nhựơc điểm hiệu suất nghịch lớn không quantrọng
- Có độ bền cao vì vậy thường được sử dụng trên các xe cỡ lớn
2.1.1.5 Loại đai ốc bi hồi chuyển
Trang 10Hình 2.5 Cơ cấu lái loại đai ốc bi hồi chuyển 1- Đai ốc hồi chuyển 2- Bánh răng 3- Trục vít 4- Ống chứa bi hổi chuyển 5- Trục bánh răng
Nguyên lý làm việc:
Khi người điều khiển xoay vành tay lái qua lại, trục lái xoay làm cho trục vítxoay tác động lên các viên bi nằm trong rãnh răng của trục vít làm chúng chạy theorãnh cho nên đai ốc đã hồi chuyển chạy dọc tới lui theo chiều dài răng của trục vít, nhưvậy làm cho đòn quay đứng dịch chuyển qua lại quanh trục bánh răng dẫn động cácbánh xe dẫn hướng quay theo hướng cần điều khiển của người lái
2.1.1.6 Loại trục vít- bánh vít
Trang 11Hình 2.6 Cơ cấu lái loại trục vít bánh vít 1- Vô lăng 2- Hộp trục vít
3- Bánh vít dạng hình quạt 4- Đòn kéo ngang
5- Đòn quay đứng 6- Thanh ngang
7- Đòn kéo dọc
Hệ thống lái loại trục vít bánh vít, dạng bánh răng hình quạt gồm có vành tay lái(vô lăng) cố định với trục lái Trục lái được lồng hay đặt trong ống lái và nối với cơcấu lái (hộp trục vít và bánh răng dạng hình quạt) Trục của bánh răng hình quạt cốđịnh với đòn quay đứng, thanh kéo dọc được nối bản lề với đòn quay đứng và thanhngang
2.1.2 Hệ thống lái có trợ lực
2.1.2.1 Khái niệm chung về hệ thống lái có trợ lực
Hệ thống lái có trợ lực là hệ thống lái có khả năng tạo ra lực đẩy phụ hỗ trợ lái
xe quay vòng tay lái khi quay vòng Việc trang bị hệ thống lái trợ lực sẽ mang lạinhững lợi ích sau đây:
- Giảm nhẹ cường độ lao động của người lái vì để quay vòng xe, người lái chỉ
cần tác động lên vành tay lái một mô-men nhỏ hơn so với trường hợp hệ thống láikhông có trợ lực
- Nâng cao tính an toàn trong trường hợp có sự cố ở bánh xe ( như nổ lốp,
bánh xe non hơi,….) vì trong những trường hợp như vậy việc điều khiển xe sẽ khôngquá khó khăn như trường hợp không có trợ lực
- Giảm va đập từ các bánh xe lên vành tay lái.
2.1.2.2 Một số loại hệ thống lái có trợ lực tiêu biểu
a Hệ thống lái trợ lực thủy lực
Trang 12Hình 2.7 Hệ thống lái trợ lực thủy lực
Các bộ phận chính của hệ thống lái có trợ lực gồm: bơm, van điều khiển, xilanhtrợ lực, hộp cơ cấu lái (bót lái) Hệ thống lái sử dụng công suất động cơ để dẫn độngcho bơm trợ lực tạo ra áp suất Khi xoay vô lăng sẽ chuyển mạch một đường dẫn dầutại van điều khiển Nhờ áp suất dầu này mà píttông trong xilanh trợ lực được đẩy đi vàlàm quay bánh xe dẫn hướng
Do vậy, nhờ áp suất dầu thuỷ lực mà lực đánh lái vô lăng sẽ giảm đi và khôngphải quay tay lái quá nhiều Do yêu cầu của hệ thống phải tuyệt đối kín nên bạn cầnđịnh kỳ kiểm tra sự rò rỉ dầu để đảm bảo rằng hệ thống lái làm việc hiệu quả và antoàn
Các chi tiêt của hệ thống
- Bơm trợ lực lái
Trang 13Hình 2.8 Vị trí lắp bơm trợ lực lái (mũi tên màu vàng chỉ mô-tơ dẫn động cho bơm
4- Đĩa bị động trước 5- Rô-to bơm 6- Cánh bơm
7- Stato bơm 8- Bình chứa dầu 9,10- Đệm chống thấm 11- Lò xo hãm 12- Lò xo đĩa 13-Đĩa bị động sau 14-Van điều khiển lưu lượng 15-Van phân phối
Bơm được dẫn động nhờ trục khuỷu của động cơ qua puly lắp ở đầu bơm đểđưa dầu nén vào hộp cơ cầu lái.Lưu lượng của bơm tỷ lệ với tốc độ động cơ nhưngnhờ van điều chỉnh lưu lượng đưa dầu thừa trở lại đầu hút của động cơ mà dầu vào hộp
Trang 14cơ cấu không đổi, ổn định được lực đánh lái Những loại bơm dẫn động nhờ trụckhuỷu thường làm tăng phụ tải của động cơ dó đó hao tốn nhiên liệu.
Chính vì vậy, các nhà sản xuất đã chế tạo loại trợ lái thuỷ lực – điện EHPS(electro-hydraulic power steering) sử dụng mô tơ điện để tạo áp suất thuỷ lực, giảmlực cần thiết để điều khiển vô lăng, tiết kiệm nhiên liệu do giảm phụ tải động cơ MộtECU kiểm soát tốc độ quay mô tơ (lượng xả của bơm) theo các thông số như tốc độ xe
và góc quay của vô lăng nhờ đó hệ thống hoạt động hiệu quả hơn
Hoạt động của bơm:
Hình 2.10 Hoạt động của bơm 1- Cánh bơm 2- Trục rô-to
- Bình chứa
Trang 15Hình 2.11 Bình chứa cung cấp dầu trợ lực lái
Bình chứa được lắp trực tiếp vào thân bơm hoặc lắp tách biệt Nếu không lắpvới thân bơm thì sẽ được nối với bơm bằng hai ống mềm
Thông thường, nắp bình chứa có một thước đo mức để kiểm tra mức dầu Nếumức dầu trong bình chứa giảm dưới mức chuẩn thì bơm sẽ hút không khí vào gây ralỗi trong vận hành.Vì vậy bạn hãy định kỳ kiểm tra mức dầu trợ lực lái, nếu thấp hơnmức cho phép hãy bổ xung bằng loại dầu phù hợp.Nếu không khí lọt vào hệ thốngphải tìm cách xả hết không khí
Hình 2.12 Van điều chỉnh lưu lượng
Van điều khiển lưu lượng điều chỉnh lượng dòng chảy dầu từ bơm tới hộp cơcấu lái, duy trì lưu lượng không đổi mà không phụ thuộc tốc độ bơm (v/ph)
Hoạt động của van:
Lưu lượng của bơm trợ lực lái tăng theo tỷ lệ với tốc độ động cơ Lượng dầu trợlái được cung cấp cho píttông của xi lanh trợ lực lái được quyết định bởi lượng dầu từbơm.Khi tốc độ bơm tăng thì lưu lượng dầu tăng lên, cấp nhiều trợ lực hơn cho cơ cấulái và người lái cần tác động ít lực đánh lái hơn Hay nói cách khác, yêu cầu về lựcđánh lái thay đổi theo sự thay đổi tốc độ
Trang 16Đây là điều bất lợi nhìn từ góc độ ổn định lái vì khi lái ta có cảm giác khôngđều tay khi quay vô lăng Do vậy, việc duy trì lưu lượng dầu từ bơm không đổi vàkhông phụ thuộc tốc độ xe là một yêu cầu cần thiết Đó chính là chức năng của vanđiều chỉnh lưu lượng.
Hình 2.13 Cấu tạo của van điều khiển lưu lượng 1- Van điều khiển lưu lượng 2- Tới cửa hút của bơm 3- Từ cửa xả của bơm 4- Lò xo “B”
5- Tới hộp cơ cấu lái 6- Ống điều khiển 7- Van an toàn 8- Lò xo “A”
Thông thường, khi xe chạy ở tốc độ cao, sức cản lốp xe thấp vì vậy đòi hỏi ítlực lái hơn Do đó, với một số hệ thống lái có trợ lực, cần ít trợ lực hơn ở điều kiện tốc
độ cao mà vẫn có thể đạt được lực lái thích hợp
Tóm lại, lưu lượng dầu từ bơm tới hộp cơ cấu lái giảm khi chạy ở tốc độ cao vàlái có ít trợ lực hơn Lưu lượng của bơm tăng lên theo mức tăng tốc độ bơm nhưnglượng dầu tới hộp cơ cấu lái giảm
Người ta gọi cơ cấu này là loại lái có trợ lực nhạy cảm với tốc độ và nó baogồm van điều khiển lưu lượng có một ống điều khiển Khi tốc độ động cơ tăng lên, tốc
độ bơm tăng lên theo làm áp suất bên cửa xả tăng lên thắng được lực căng của lò xo A.Ống điều khiển dịch chuyển sang trái làm giảm lượng dầu vào hộp cơ cấu lái Do vậylực đánh lái được ổn định theo cách này
.Hộp cơ cấu lái
Trang 17Hình 2.14 Hộp cơ cấu lái 1- Thanh răng 2- Pít tông 3- Buồng phải xi lanh 4- Buồng trái xi lanh
Các bộ phận của hộp cơ cấu lái gồm: van điều khiển và xilanh trợ lực lái Cóthể mô tả toàn bộ hoạt động của hộp cơ cấu lái như sau: Pít tông trong xi lanh trợ lựcđược đặt trên thanh răng, và thanh răng dịch chuyển do áp suất dầu tạo ra từ bơm trợlực lái tác động lên pít tông theo cả hai hướng Một phớt dầu đặt trên pít tông để ngăndầu khỏi rò rỉ ra ngoài
Trục van điều khiển được nối với vô lăng Khi vô lăng ở vị trí trung hoà (xechạy thẳng) thì van điều khiển cũng ở vị trí trung hoà do đó dầu từ bơm trợ lực láikhông vào khoang nào của xilanh trên thanh răng mà quay trở lại bình chứa Tuynhiên, khi vô lăng quay theo hướng nào đó thì van điều khiển thay đổi đường truyền
do vậy dầu chảy vào một trong các buồng Dầu trong buồng đối diện bị đẩy ra ngoài
và chảy về bình chứa theo van điều khiển Nhờ áp lực dầu làm dịch chuyển thanh răng
mà lực đánh lái giảm đi.
Van điều khiển được bố trí trong hộp cơ cấu lái.Hiện nay có 3 loại van điềukhiển khác nhau để điều khiển sự chuyển đổi đường dẫn đó là các van cuộn cảm, vanquay và các van cánh Trong đó loại van quay được sử dụng phổ biến ở nhiều loại xe.Tất cả các loại van đó đều có một thanh xoắn nằm giữa trục van điều khiển và trục vít.Van điều khiển vận hành theo mức độ xoắn của thanh xoắn Dưới đây ta sẽ đi sâu vàoloại van quay
Trang 18Hình 2.15 Van điều khiển 1- Thanh xoắn 2- Trục van điều
Trang 19Hình 2.16 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của van xoay
Chuyển động quay của trục van điều khiển kiểu van quay tạo nên một giới hạntrong mạch thuỷ lực Khi vô lăng quay sang phải áp suất bị hạn chế tại các lỗ X và Y.Khi vô lăng quay sang trái trục van điều khiển tạo giới hạn tại X' và Y' Khi vô lăngxoay thì trục lái quay, làm xoay trục vít qua thanh xoắn Ngược lại với trục vít, vìthanh xoắn xoắn tỷ lệ với lực bề mặt đường, trục van điều khiển chỉ quay theo mức độ
xoắn và chuyển động sang trái hoặc sang phải.
Do vậy tạo các lỗ X và Y (hoặc X' và Y') và tạo sự chênh lệch áp suất thuỷ lựcgiữa các buồng xi lanh trái và phải Bằng cách này, tốc độ quay của trục van điềukhiển trực tiếp làm thay đổi đường đi của dầu và điều chỉnh áp suất dầu.Dầu từ bơmtrợ lực lái sẽ vào vòng ngoài của van quay và dầu chảy về bình chứa qua khoảng giữathanh xoắn và trục van điều khiển
b Hệ thống lái trợ lực điện EPS (Electric Power Steering)
Do đòi hỏi tốc độ ngày một cao hơn, chất lượng tốt hơn và yêu cầu giảm nănglượng tiêu thụ ở phương tiện ngày một gia tăng Để đáp ứng cho các đòi hỏi này, việcnghiên cứu và phát triển theo xu hướng cải thiện hệ thống điều khiển điện điện tửnhằm mục đích nâng cao hơn nữa các chức năng và đặc tính của nó Điểm đặc biệt đógồm hai đề xuất là giới thiệu lôgíc toán học và hệ thống lái chuyên sâu phù hợp vớimôi trường xe chạy bằng cách thay đổi các trợ lực cho phù hợp với điều kiện giaothông hoặc điều kiện bề mặt đường để tạo cảm giác nhạy bén khi lái xe Vấn đề quantrọng nhất là khả năng phản ứng tức thời của trợ lực lái, gây cảm giác cho người láilàm họ phải chú ý đến sự biến đổi do phản lực lái gây ra Như vậy, hệ thống cung cấpcho người lái xe các thông tin cần lưu ý trong điều kiện vận hành của phương tiện, vídụ: Sự biến đổi vận tốc và gia tốc, phản lực lái, không chỉ cải thiện mối quan hệ giữa
Trang 20người lái và phương tiện mà còn có thể tạo ra sự phù hợp giữa cảm giác của người lái
và hệ thống lái, nhưng chức năng tự động bù khi phương tiện có những biến đổi khôngđồng đều mà nguyên nhân do sự xáo trộn gây ra cũng có thể được giải quyết.Trợ lựclái điện (EPS – Electric Power Steering) là một hệ thống điện hoàn chỉnh làm giảmđáng kể sức cản hệ thống lái bằng cách cung cấp dòng điện trực tiếp từ mô tơ điện tới
hệ thống lái Thiết bị này bao gồm có cảm biến tốc độ xe, một cảm biến lái (mômen,vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một môtơ Tín hiệu đầu ra từ mỗi cảm biếnđược đưa tới ECU có chức năng tính toán chế độ điều khiển lái để điều khiển hoạtđộng của Môtơ trợ lực
Hình 2.17 Hệ thống lái trợ lực điện (EPS)
3- Trục lái 4- Mô tơ điện 5- Cơ cấu lái
* Nhóm này gồm có 3 kiểu trợ lực cơ bản:
Trang 21Hình 2.18 Trợ lực lái điện – điện tử với mô tơ trợ lực bố trí trên trục lái
+ Trợ lực trên trục lái ( hình 2.18)
+ Trợ lực trên cơ cấu lái ( hình 2.19; 2.20)
Kiểu này có 2 cách bố trí mô tơ trợ lực
- Môtơ rời, có trục vít ăn khớp với bánh vít trên thanh răng của cơ cấu lái ( hình 2.19)
Hình 2.19 Mô tơ trợ lực lắp ở cơ cấu lái
- Môtơ được chế tạo liền ở cơ cấu lái ( hình 2.20)
Trang 22Hình 2.20 Trợ lực lái điện điện-điện tử với môtơ trợ lực bố trí ở cơ cấu lái
Trợ lực trên trục lái.
Môtơ trợ lực cùng cơ cấu giảm tốc trục vít- bánh vít được bố trí ở trục lái chính ( trước đoạn các đăng trục lái) Tại đây cũng bố trí cảm biến mômen lái Cạnh đó làECU trợ lực lái điện – điện tử ( Gọi tắt là EPS ECU): Hình 2.21
Hình 2.21 Cơ cấu trợ lực lái điện – điện tử phương án 1
a, Bố trí tổng quát b, Cụm mô tơ trợ lực
Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát hình 2.22 và 2.23 trên đó có thểnhận thấy các tín hiệu đầu vào của EPS ECU gồm 4 nhóm tín hiệu chính:
1- Nhóm tín hiệu (2 hoặc 4 tín hiệu) từ cảm biến mômen lái
2- Tín hiệu tốc độ ôtô: Tín hiệu này có thể gửi trực tiếp về EPS ECU hoặc thôngqua ECU truyền lực và mạng điều khiển vùng ( CAN – Controller Area Network) vàcác giắc nối truyền tới EPS ECU
Trang 233- Tín hiệu tốc độ động cơ ( xung NE từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECUđộng cơ và mạng CAN truyền tới EPS ECU.
4- Nhóm dữ liệu cài đặt và tra cứu thông qua giắc kết nối dữ liệu DLC3 ( DataLink Connector) để truy nhập các thông tin cài đặt và tra cứu thông tin làm việc của hệthống và bão lỗi hệ thống
Hình 2.22 Sơ đồ tổng quát hệ điều khiển
Hình 2.23 Bố trí các cụm và Taplô thể hiện đèn báo lỗi P/S.
Trang 24Những sự cố trong quá trình vận hành hệ thống được ghi lại trong bộ nhớ củaEPS ECU và cảnh báo bằng đèn P/S trên táplô ( Hình 2.23)
Môtơ trợ lực lái có thể được điều khiển theo 2 cách:
+ Điều khiển điện áp
+ Điều khiển dòng điện
- Phương pháp điều khiển điện áp ( Voltage Control Method)
Trong phương pháp điều khiển điện áp ( Hình 2.24) tốc độ quay và mômen củamôtơ trợ lực được điều khiển chủ yếu căn cứ vào tín hiệu của cảm biến mômen lái vàcảm biến tốc độ đánh lái
Hình 2.24 Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển môtơ trợ lực lái theo phương pháp
điều khiển điện áp
Khi ôtô đang chạy ở vận tốc thấp, điều khiển thông thường sẽ được sử dụng.Với loại điều khiển này, giá trị đối với ( R.i+k.N) trong công thức (2.2) là giá trị đầu radẫn tới môtơ để đạt được vận tốc phản hồi tốt ( vận tốc phản hồi hệ thống lái) Và điềunày sẽ đưa đến cho hệ thống lái những tính năng tiện lợi.Khi ôtô đang chạy ở vận tốccao thì có thể tiếp tục sử dụng hai loại điều khiển
* Trong phương pháp điều khiển thứ nhất – Điều khiển ngược, giá trị (k.N)được lấy giá trị nhỏ hơn để mômen chống rung thường tỉ lệ với với tốc độ động cơđược phát ra
* Trong phương pháp thứ hai – Điều khiển chống rung, mômen môtơ sinh ra sẽngược chiều với chiều quay của môtơ với V = 0 khi vành lái được tự do
Phương pháp điều khiển dòng điện ( Curent Control Method) Trong phươngpháp này, giá trị cần đạt được đối với dòng điện của môtơ tương ứng với mômen củamôtơ được thiết lập để nó bằng với tín hiệu tốc độ phản hồi của cảm biến tốc độ độngcơ
Sơ đồ điều khiển tổng quát của cả hệ thống được mô tả trên hình 2.25
Trang 25Hình 2.25 Sơ đồ điều khiển tổng quát
Trong đó các tín hiệu từ cảm biến mômen lái, tốc độ ôtô, điện áp ác quy, gócquay vô lăng được gửi về bộ sử lý trung tâm (ECU) Từ đây ECU tính toán chế độđiều khiển đã được lập trình sẵn và điều khiển mạch công suất ( Drive Unit) và cácTranzito hoặc các mạch tổ hợp MOSFET được điều khiển ON/OFF để cấp điện chomôtơ trợ lực
Phương pháp điều khiển các MOSFET dẫn động môtơ được trình bày trên hình2.26
Hình 2.26 Điều khiển chế độ môtơ
Trang 261 2 3 4
5a 5b
Các đặc tính của quá trình điều khiển được mô tả trên hình 2.27
Hình 2.27 Đặc tính điều khiển
Trong tương lai, để giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa mô tơ trợ lực thông thườngđược thay bằng mô tơ bước ( không cần cổ góp và chổi than)
Mô hình toán học của hệ thống này có thể được mô phỏng như sau:
1- Vô lăng; 2- Trục lái chính; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái; 5a, 5b – Bánh xe dẫn hướng; 6- Mô tơ trợ lực lái; P 1 - Lực quay vòng của người lái đặt trên vành tay lái.;
P 2 - Lực trên ngõng lái (hoặc thanh răng); P 3-1 , P 3-2 - Lực cản quay vòng các bánh xe.;
M 1 – Mô men do người lái tác động vào trục lái.; M Trl – Mô men trợ lực lái
Trợ lực trên cơ cấu lái
Phương pháp điều khiển môtơ riêng được lắp ở cơ cấu lái cũng tương tự nhưcách điều khiển môtơ trên trục lái chính đã trình bày ở trên
Trang 27Phương án tối ưu nhất là mô tơ trợ lực được chế tạo liền với cơ cấu lái và là một
bộ phận cấu thành của cơ cấu lái (Hình 2.28) Phương án này rất gọn, tuy nhiên giáthành hệ thống cao Phương án này đang được áp dụng cho dòng xe Lexus đời 2006
Hình 2.28 Sơ đồ trợ lực lái điện – điện tử trên cơ cấu lái.
Phần kéo dài của thanh răng được chế tạo dưới dạng trục vít và trục vít này ănkhớp với ruột của rôto mô tơ trợ lực lái thông qua các viên bi tuần hoàn ( Rôto rỗngruột và có các rãnh ren vít (hình 2.29)
Để điều khiển chế độ trợ lực ( Điều khiển mô tơ trợ lực) cảm biến mô men lái gửitín hiệu giá trị mômen về EPS ECU ( Hình 2.29) EPS ECU sẽ tính toán chế độ trợ lựctheo chương trình đã được cài đặt sẵn và điều khiển mô tơ trợ lực bằng chuỗi xung đểtạo ra các mức điện áp khác nhau tùy theo việc cần trợ lực mạnh hay yếu
Trang 28Hình 2.29 Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay
Toàn bộ hệ thống điều khiển được mô tả trên hình 2.30
Hình 2.30 Hệ thống điều khiển tổng quát
Trong hệ thống điều khiển này để tăng độ nhạy chấp hành và giảm kích thước,trọng lượng mô tơ điều khiển EPS ECU có thêm mạch tăng thế, nâng điện áp điềukhiển lên gấp đôi (24V).Các tín hiệu từ động cơ, hệ thống phanh thông qua mạngCAN gửi về EPS ECU, còn các tín hiệu từ các cảm biến khác được gửi trực tiếp vềEPS ECU EPS ECU sẽ tính toán và đưa ra lệnh điều khiển mô tơ lực, trong đó tínhiệu của cảm biến mômen đóng vai trò quan trọng nhất ( Hình 2.31)
Trang 29Hình 2.31 Tín hiệu quan trọng để điều khiển mô tơ trợ lực lái
Mô hình toán học của hệ thống này có thể được mô phỏng như sau :
Hình 2.32 Mô phỏng mô hình toán học 1- Vô lăng; 2- Trục lái chính; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái; 5a, 5b – Bánh xe dẫn hướng; 6- Mô tơ trợ lực lái; P 1 - Lực quay vòng của người lái đặt trên vành tay lái; P 2 - Lực trên ngõng lái (hoặc thanh răng); P 3-1 , P 3-2 - Lực cản quay vòng các bánh xe; M 1 – Mô men do người lái tác động vào trục lái; M Trl – Mô men trợ lực lái tác động lên cơ cấu lái
Cảm biến trong hệ thống trợ lực lái Điện – Điện tử.
Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện – điện tử gồm: Cảm biến mômenlái, cảm biến tốc độ đánh lái ( Tốc độ quay vô lăng lái), cảm biến tốc độ ôtô
+ Cảm biến tốc độ đánh lái có 2 loại:
*Loại máy phát điện( Hình 2.33) được dẫn động từ trục lái thông qua các cặp
bánh răng tăng tốc làm tăng tốc độ quay và phát ra điện áp 1 chiều tuyến tính tỉ lệ vớitốc độ quay của trục lái Tín hiệu của máy phát phát ra được hiệu chỉnh và khuyếch đạithông qua 1 bộ khuyếch đại
Trang 30Rô to nam châm
Ổ bi
Nhựa từ tính
Hình 2.33 Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái
*Loại cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall(Hình 2.34):
Hình 2.34 Cảm biến tốc độ đánh lái ( góc đánh lái) loại Hall
a- Cấu tạo; b- Xung của cảm biến
Có cấu tạo đơn giản hơn, dễ lắp đặt và đặc tính ra là dạng xung số Vì vậy các xengày nay thường sử dụng loại cảm biến này
Cấu tạo của cảm biến gồm 1 rôto nam châm nhiều cực gắn với trục lái Một ICHall được đặt đối diện với vành nam châm ( Cách 1 khe hở nhỏ: 0,2 ÷ 0,4 mm) Cảmbiến được cấp nguồn điện 12v một chiều Khi đánh tay lái, vành nam châm sẽ quay và
từ trường của nam châm tác động vào IC Hall tạo ra chuỗi xung vuông 0v ÷ 5v Sốxung tăng dần theo góc quay trục lái Tín hiệu này sẽ được gửi về EPS ECU và phântích thành góc quay trục lái và tốc độ đánh lái ( nếu đặt vào mạch đếm thời gian)
+ Cảm biến mômen lái có 3 loại:
*Loại lõi thép trượt ( Hình 2.35): Gồm 1 lõi thép được lắp lỏng trượt trên trục
lái, trên đó có 1 rãnh chéo, rãnh này sẽ được lắp với 1 chốt trên trục lái Phía ngoài lõithép là 3 cuộn dây quấn: 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp được cấp 1nguồn điện xoay chiều tần số cao.Tùy thuộc vào vị trí của lõi thép mà suất điện độngcảm ứng ra trong hai cuộn dây thứ cấp khác nhau Tín hiệu của 2 cuộn thứ cấp đượcchỉnh lưu và đưa về mạch so sánh để biến đổi thành điện áp tuyến tính tỉ lệ với góc
Giắc
điện
Trang 31xoắn của 1 thanh xoắn đặt giữa trục lái và cơ cấu lái ( Như trong van trợ lực thủy lựcloại van xoay).
3 trạng thái của rãnh chéo và chốt và lõi thép tương ứng với các trường hợpquay vòng phải, vị trí trung gian và quay vòng trái cũng được thể hiện trên hình 2.31
Hình 2.35.Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến mômen lái loại lõi thép
trượt
*Loại lõi thép xoay ( hình 2.36): Gồm trục vào ( gắn với phần trên trục lái), trục
ra ( gắn với phần nối tiếp của trục lái tới cơ cấu lái), giữa trục vào và trục ra được liênkết bằng 1 thanh xoắn Trên trục vào lắp 1 vành cảm ứng số 1 có các rãnh để cài vớicác răng của vành cảm ứng số 2 Còn vành cảm ứng số 3 cũng có các răng và rãnhđược lắp trên trục ra Phía ngoài các vòng cảm ứng là các cuộn dây được chia ra cáccuộn dây cảm ứng và cuộn dây bù.Sơ đồ nguyên lý của cảm biến và đặc tính đượctrình bày trên hình 2.36
Hình 2.36 Vị trí lắp, cấu trúc và đặc tính của cảm biến mômen lái loại lõi thép xoay
Vành cảm ứng 2 Vành cảm ứng 1 Vành cảm ứng 3
Trang 32Thanh xoắn
Vành 1 (phần rôto) Vành 2 (phần rôto)
Trục chính (trục vào)
Vành 1 (phần stato)
Vành 1 (phần stato)
Trục răng (trục ra)
- Phần stato có 2 vành dây, các dây được cuốn trên các răng thép định hình
- Phần rôto có 2 vành dây: 1 vành được gắn với trục răng, phần thứ 2 được gắnvới cácđăng trục lái Giữa vành thứ nhất và thứ hai có thể xoay lệch nhau 1 gócbằng góc xoắn của thanh xoắn ( Khoảng 7 độ 58 phút)
Sơ đồ bố trí các cuộn dây và xung của cảm biến được trình bày trên hình 2.38
Hình 2.38 Sơ đồ nguyên lý và xung của cảm biến mômen lái loại 4 vành dây + Cảm biến tốc độ ôtô:
Gồm 4 loại:
Trang 33- Loại công tắc lưỡi gà
- Loại từ điện
- Loại quang điện
- Loại mạch từ trở MRE
Loại công tắc lưỡi gà (hình 2.39): Gồm 1 tiếp điểm lá đặt trong một ống thủy
tinh nhỏ và đặt cạnh một mâm nam châm quay Mâm nam châm được dẫn động bởidây côngtơmét Khi ô tô chuyển động, thông qua bánh vít- trục vít ở trục thứ cấp hộp
số làm cho dây côngtơmét quay và làm quay mâm nam châm Từ trường của namchâm làm cho công tắc lưỡi gà đóng, mở theo nhịp quay của mâm nam châm và tạo rachuỗi xung vuông Cảm biến này thường được lắp ngay sau công tơ mét ( đồng hồ tốc
độ ôtô) ở bảng táplô
Hình 2.39 Ba loại cảm biến tốc độ ôtô
Loại từ - điện (hình 2.39): Gồm 1 cánh phát xung được lắp ở trục thứ cấp
hộp số và 1 cuộn phát xung với 3 phần tử: Lõi thép, nam châm và cuộn dây Được đặtcách cánh phát xung một khe hở 0,5 ÷ 1,0 mm Mỗi lần cánh phát xung lướt qua đầucuộn phát xung thì ở cuộn dây sẽ cảm ứng ra 1 cặp xung xuay chiều Tần số xung xuaychiều tỉ lệ với tốc độ ô tô
Từ - điện
PS ECU
Trang 34Loại quang điện ( hình 2.39): Được lắp ngay sau đồng hồ côngtơmét Nó
gồm 1 cánh xẻ rãnh được dẫn động quay từ dây côngtơmét Cánh xẻ rãnh quay giữakhe của đèn LED và phototransittor ( Tranzito quang) Tốc độ quay của cánh sẻ rãnh tỉ
lệ với tốc độ ô tô và lần lượt che và thông luồng ánh sáng từ đèn LED sang tranzitoquang để tạo nên chuỗi xung vuông 0v – 5v tỷ lệ với tốc độ quay của trục thứ cấp hộp
số phản ảnh tốc độ ôtô
Loại mạch từ trở MRE (hình 2.40)
Hình 2.40 Cảm biến tốc độ ôtô loại MRE
Cảm biến được lắp ở trục thứ cấp hộp số.Cảm biến gồm 1 vòng nam châm nạpnhiều cực lắp trên trục của cảm biến Khi vòng nam châm quay, từ trường sẽ tác độnglên mạch từ trở MRE và tạo ra các xung xoay chiều tại 2 đầu mút 2 và 4 của mạchMRE Các xung đưa tới bộ so và điều khiển tranzito để tạo xung 0v – 12v ở đầu ra củacảm biến.Tần số xung tỉ lệ với tốc độ ôtô Tín hiệu ra của cảm biến được đưa tới đồng
hồ côngtơmét để báo tốc độ ôtô và đưa tới các ECU như PS ECU, ECT ECU đểđiều khiển các cơ cấu chấp hành ( ví dụ van điện từ trong hệ thống lái trợ lực thủy lựcđiều khiển điện tử hoặc mô tơ trợ lực lái)
Khi người lái xe điều khiển vô lăng, mô men lái tác động lên trục sơ cấp của cảmbiến mô men thông qua trục lái chính Người ta bố trí các vòng phát hiện 1 và 2 trêntrục sơ cấp (phía vô lăng) và vòng 3 trên trục thứ cấp (phía cơ cấu lái) Trục sơ cấp vàtrục thứ cấp được nối bằng một thanh xoắn.Các vòng phát hiện có cuộn dây phát hiệnkiểu không tiếp xúc trên vòng ngoài để hình thành một mạch kích thích Khi tạo ramô-men lái thanh xoắn bị xoắn tạo độ lệch pha giữa vòng phát hiện 2 và 3 Dựa trên
độ lệch pha này, một tín hiệu tỷ lệ với mô men vào được đưa tới ECU Dựa trên tínhiệu này, ECU tính toán mô men trợ lực cho tốc độ xe và dẫn động mô tơ
c Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử PPS (Progressive Power Steering)
Trang 35Hệ thống lái trợ lực điều khiển bằng điện tử là hệ thống lái có khả năng tạo ra lựcđẩy phụ hỗ trợ lái xe quay vành tay lái khi quay vòng Việc điều khiển xe không hoàntoàn phải phụ thuộc vào người lái nữa, bộ trợ lực lái điều khiển bằng điện tử sẽ hỗ trợmột phần công việc điều khiển xe, đặc biệt là lúc xe chạy với tốc độ cao thì việc điềukhiển sẽ khó hơn, lúc này bộ trợ lực điện tử sẽ hoạt động để tự động điều chỉnh cho xe
có thể chạy bình thường giảm căng thẳng cho người lái và nâng cao độ an toàn
Hình 2.41 Một số bộ phận của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 1- Cảm biến 2- ECU 3- Bơm dầu 4- Bình dầu
Bộ trợ lực lái điều khiển điện tử
Hình 2.42 Sơ đồ trợ lực điện 1,2- Các cảm biến 3- ECU 4- Mô tơ trợ lực 5- Ắc quy
Trang 36Bộ trợ lực lái điều khiển điện tử gồm có trục lái được chia làm hai phần Phầntrên nối với vành tay lái, phần dưới (đầu ra) được nối với thanh rang Đầu ra là bánhrang ăn khớp với thanh rang Hai phần của trục lái không nối cứng với nhau mà có thểchuyển động tương đối với nhau, chúng được lien kết với nhau bởi bộ bánh răng hànhtinh Bộ bánh răng hành tinh bên ngoài có các răng được ăn khớp với bánh răng củađộng cơ điện còn bên trong là bốn bánh răng hành tinh quay quanh bánh răng trungtâm Bánh răng trung tâm là phần cuối của trục lái.
Hình 2.43 Bộ trợ lực lái
Nhờ có bộ bánh răng trung tâm mà tỉ số truyền của hộp số lái có thể thay đổiđược Ở thanh răng cũng được trợ lực bằng thủy lực giúp cho việc lái xe nhẹ nhànghơn
Hình 2.44 Các chi tiết của bộ trợ lực lái 1- Các bánh răng hành tinh 2- Trục đầu ra nối với thanh răng
Trang 373- Chốt 4- Nắp
5- Vòng răng ăn khớp với mô tơ trợ
lực
6- Trục nối với vành tay lái
Hình 2.45 Cơ cấu bánh răng hành tinh
- Các phương pháp thay đổi lực lái
Trợ lực lái cải tiến sử dụng một ECU để điều khiển lực quay của vô lăng cầnthiết phù hợp với tốc độ của xe
Tạo lực lái nhỏ khi tốc độ của xe thấp và tạo lực lái lớn khi tốc độ xe cao, để đạtđược cảm giác lái tốt nhất
Có 2 phương pháp thay đổi lực lái:
- Hệ thống trợ lực lái cải tiến với sự phân nhánh của áp suất dầu tác dụng lênpiston
- Hệ thống trợ lực lái cải tiến kiểu mới thay đổi mô-men xoắn của thanh xoắntrong van điều khiển
Trợ lực lái cải tiến (Phân nhánh áp suất)
Hình 2.46.Trợ lực lái phân nhánh áp suất 1- Bơm cánh gạt 2- ECU trợ lực lái
Trang 383- Cảm biến tốc độ 4- Van điện từ 5- Cơ cấu lái
Van điều khiển mở theo mức độ đánh lái, cho phép dầu từ bơm đi qua van điềukhiển xi lanh lực
Dầu tác dụng lên piston tạo nên trợ lực lái
Khi xe quay sang trái hoặc phải hướng của áp suất dầu tác dụng lên piston đượcthay đổi bởi van điều khiển
Để thay đổi lực lái người ta tạo ra một mạch nhánh để nói buồng bên trái vàbuồng bên phải của piston
Sự thay đổi kích thước của mạch nhánh này làm thay đổi lượng dầu chảy qua,dẫn đến thay đổi áp suất dầu tác dụng lên piston và làm tăng hay giảm mức độ trợ lái:
ở tốc độ thấp, mạch nhánh bị đóng làm tăng sự trợ lực, khi tốc độ tăng mạch nhánh mởrộng
Hình 2.47 Hoạt động của van điều khiển ở các tốc độ
Kích thước của mạch nhánh bị hạn chế khi xe chạy ở tốc độ thấp nhờ sự hoạtđộng của van điện và khi tốc độ xe tăng
- Các bộ phận chính của hệ thống
Cảm biến tốc độ
Cảm biến tốc độ được gắn trong đồng hồ đo tốc độ, nó bao gồm một công tắcđược đóng ngắt liên tục bởi chuyển động quay của dây đồng hồ đo tốc độ Các kiểucảm biến tốc độ sau thường được sử dụng:
- Kiểu lưỡi gà
Trang 39Nam châm trên cáp đồng hồ đo tốc độ quay và từ trường của nam châm làmcông tắc lưỡi gà đóng và mở.
Một đầu của công tắc lưỡi gà được nối đất, đầu kia nối với ECU
Công tắc lưỡi gà bật và tắt điện áp cung cấp tạo ra xung tương ứng với sự bật vàtắt của công tắc
4 xung được sinh ra trong mỗi vòng quay của dây Tốc độ xe cao hơn thì sẽ sinh
ra nhiều xung hơn trong 1 đơn vị thời gian
Hình 2.48 Xung tạo ra từ chế độ tốc độ của xe
- Kiểu tế bào quang điện
Hình 2.49 Bộ cảm nhận ánh sáng
Trang 401-Bộ đấu quang học 2- Đĩa xẻ rãnh 3- Tạo xung
Một đĩa có xẻ rãnh trên dây đồng hồ tốc độ quay và tế bào quang điện bị bật tắt
do ánh sáng chiếu đến nó bị gián đoạn liên tục vì sự che khuất của đĩa xẻ rãnh
Khi điên áp cấp lên mạch này sẽ sinh ra xung tương ứng với sự bật tắt của tếbào quang điện
20 xung được sinh ra trong một vòng quay của dây đồng hồ tốc độ Nên 1/5những xung (4 xung) được sinh ra này là các tín hiệu của tốc độ xe
Tốc độ cảu xe cao hơn thì sinh ra nhiều xung hơn
ECU trợ lực lái
ECU này dùng để điều khiển van điện, nó gửi các tín hiệu đièu khiển tới vanđiện phù hợp với các tín hiệu tốc độ của xe từ cảm biến tốc độ
Các tín hiệu ra từ ECU thay đổi hệ số tác dụng của các tín hiệu xung theo tốc độ
xe Vì vậy sinh ra tín hiệu có cường độ điện áp trung bình thay đổi
+ Tốc độ thấp - hệ số tác dụng thấp –điện áp thấp
+ Tốc độ cao – hệ số tác dụng cao – điện áp cao
Hình 2.50 Tín hiệu ra ECU trợ lực lái
Hệ số tác dụng (%) = Thời gian1 chu kỳ Thời gianON x 100
Van điện
Van điện được gắn trong cơ cấu lái, nó có tác dụng làm thay đổi kích thước cửadầu mạch nhánh nối hai phía của xi lanh lực