Hệ thống lái docx

Hệ thống lái tất cả các bánh xe và bộ điều khiển lái điện cho cầu sau Việc điều khiển tất cả các bánh xe ô tô được xuất hiện sau chiến tranh thế giới thứ hai trên các ô tô quân sự cần có khả năng cơ động cao (quay vòng với bán kính nhỏ). Khi đó, các bánh xe đều được coi là bánh xe dẫn hướng và quay ngược chiều nhau với quan hệ động học ngược tạo nên bán kính quay vòng nhỏ. Hiển nhiên, khi quay vòng như vậy cần phải vận hành với vận tốc ô tô nhỏ nhằm hạn chế lực ly tâm gây lật đổ xe. Sau những năm 1970, do các đòi hỏi về ổn định chuyển động ở tốc độ cao, ô tô con được bố trí khả năng quay vòng sao cho tránh rơi vào tình trạng quay vòng thừa, như vậy khi quay vòng ở tốc độ cao các bánh xe dẫn hướng cần quay cùng chiều. Hiện tượng quay vòng thừa xảy ra trên các loại xe có sử dụng bánh xe đàn hồi (lốp cao su chứa khí nén, và sự tự điều khiển cầu xe trên các loại hệ thống treo khác nhau,…). Giá trị của góc điều khiển cầu sau không lớn, nhưng khi xe chuyển động ở tốc độ cao lại ảnh hưởng tới khả năng an toàn, nên khi quay vòng cần hạn chế. Điều này dẫn tới các loại ô tô con có hệ thống lái tất cá các bánh xe và làm việc tuỳ thuộc vào tốc độ ô tô. Ở trên các ô tô con hiện đại bố trí cơ cấu lái (CCL) điều khiển tất cả các bánh xe thỏa mãn cả hai nhu cầu: cơ động và ổn định, tức là bánh xe cầu sau có thể quay vòng hoặc cùng chiều hoặc ngược chiều với các bánh xe trước (hình 1). Hệ thống như vậy được ký hiệu 4WS (four Wheels Steering). Hình 1. Hệ thống four Wheels Steering (4WS) Các xe có hệ thống lái điều khiển tất cả các bánh xe được chia làm hai loại: điều khiển phụ thuộc vào tải trọng (thụ động) và điều khiển phụ thuộc vào vận tốc và góc quay vành lái (chủ động). Phần lớn ô tô có 4WS ngày nay sử dụng điều khiển tích cực từ vành lái. A. Điều khiển thụ động và điều khiển tích cực: Điều khiển thụ động phụ thuộc vào tải trọng bố trí trên một số ô tô con, và được thực hiện chủ yếu nhờ khả năng thay đổi vị trí chuyển hướng của các bánh xe sau theo hệ thống treo. Các loại xe có lắp hệ thống này đảm bảo tính quay vòng và ổn định trên đường cong ở tốc độ cao.Nhưng khi xe chạy thẳng trên đường gồ ghề, tải trọng đặt lên các bánh xe biến đổi làm xấu tính ổn định chuyển động thẳng, mặc dù góc quay các bánh xe sau là rất nhỏ. Các loại ô tô này có khả năng dẫn hướng bánh xe sau thông qua kết cấu hệ thống treo động học mềm (biến dạng động học), hay sử dụng hệ treo của cầu dẫn hướng. Tùy thuộc vào mức độ hoàn thiện kết cấu của ô tô, các trạng thái này được xây dựng với các quy luật biến đổi quan hệ giữa các góc quay dẫn hướng trên các cầu khác nhau. Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ô tô Mitsubishi Sigma thế hệ trước đây được trình bày trên hình 2. Mỗi bánh xe sau được treo trên ba thanh theo kết cấu không gian: một thanh dọc 2 và hai thanh ngang 3, 5. Các liên kết gối tựa bố trí khớp cao su đàn hồi và tạo nên cơ cấu điều khiển chuyển hướng bánh sau thụ động theo các góc được tính toán trước. Khi bánh xe dịch chuyển lên xuống ứng với tải trọng nhỏ, sẽ thay đổi không đáng kể độ chụm bánh xe, góc nghiêng dọc và không thay đổi tính chất, chuyển động của ô tô. Các bánh xe sau còn liên hệ với thân xe thông qua một ống thủy lực. Dưới tác dụng của lực dọc (lực phanh), các ống thủy lực biến dạng đẩy bánh sau theo hướng nâng cao độ chụm bánh xe không thay đổi. Tuy nhiên, khi quay vòng ở tốc độ cao lực dọc gây nên trên các bánh xe khác nhau và có thể dẫn tới thay đổi độ chụm bánh xe, tương ứng với góc điều khiển với bánh sau. Hình 2. Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ô tô Mitsubishi Sigma Ngày nay, trên nhiều loại xe đã lắp hệ thống lái điều khiển tích cực. Các bánh xe sau của loại xe này đặt trên các hệ thống treo có khả năng dẫn hướng bánh xe, các đòn dẫn động lái (tương tự như bánh xe dẫn hướng cầu trước). Các bánh xe sau cũng sử dụng cơ cấu lái dạng cơ khí hoặc cơ khí – thủy lực,… B. Điều khiển 4WS tích cực: Từ năm 1987, nhằm nâng cao khả năng ổn định khi chuyển động với vận tốc cao, đã xuất hiện các loại ô tô con có kết cấu điều khiển các bánh xe quay cùng chiều. Nhờ việc kết hợp với giải pháp nâng cao khả năng cơ động khi ra vào chỗ đỗ, và ổn định ở tốc độ cao, hệ thống lái 4WS ngày nay đã hình thành với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau như trên hình 3. Hình 3. Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau Ba trạng thái điều khiển cơ bản khi chuyển động: 1. Khi góc quay vành lái nhỏ và sử dụng với tốc độ trung bình, các bánh xe sau khóa cứng tương tự như kết cấu truyền thống (hình 3b). 2. Các bánh xe trước và sau quay ngược chiều, trạng thái này bảo đảm để dễ dàng quay đầu xe, ra vào chỗ đỗ, bán kính quay vòng nhò (hình 3a). 3. Các bánh xe trước và sau quay cùng chiều, đảm bảo nâng cao khả năng quay vòng thiếu của xe, tức là tạo điều kiện nâng cao tính ổn định chuyển động khi hoạt động ở vận tốc cao (hình 3c). a) Hệ thống lái 4WS với kết cấu cơ khí Hình 4. Hệ thống lái 4WS với kết cấu cơ khí Xe Honda Prelude 4WS (hình 4a) sử dụng bộ truyền cơ khí kiểu vi sai điều khiển bánh xe sau theo góc quay vành lái. Tất cả các bánh xe đều bố trí trên hệ thống treo Mc. Pherson với các đòn dẫn động lái cho các bánh dẫn hướng. Trên cầu trước, cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng, có hộp truyền lực bánh răng 3 ra cơ cấu lái sau 5. Thanh răng của cơ cấu lái trước làm nhiệm vụ đòn ngang của các bánh trước, đồng thời là trục dẫn động 5 của cơ cấu lái sau. Tỷ số truyền giữa vành lái và trục các đăng bằng 2. Như vậy vành lái 1 quay gấp hai lần trục các đăng 4. Cơ cấu lái sau ở dạng bộ truyền hành tinh thu gọn và được dẫn động nhờ trục các đăng 4 nằm dài theo chiều dọc xe. Trục các đăng có then hoa đi trượt dọc trục để đảm bảo bù kích thước khi thân xe biến dạng. Cấu tạo của cơ cấu lái sau và sơ đồ nguyên lý trình bày trên hình 4b, hình 4c. Khi xe chuyển động ở tốc độ cao người lái quay vành lái nhỏ, các bánh xe trước và sau quay cùng chiều. Khi ra vào chỗ đỗ hoặc chỗ quay ngoặt góc quay vành lái lớn, tốc độ chuyển động của xe nhỏ, các bánh xe trước và sau quay ngược chiều. Quan hệ giữa góc quay bánh xe trước và sau với góc quay vành lái biểu diễn trên hình 4d. b) Hệ thống lái 4WS với kết cấu khí thủy lực điện tử. Trên xe Mazda 626 4WS bố trí hệ thống điều khiển tất cả các bánh xe bằng cơ khí – điện – thủy lực. Các bánh xe trước và sau đặt trên hệ treo Mc. Pherson dùng cho bánh xe dẫn hướng. Sơ đồ bố trí chung của toàn bộ hệ thống lái được mô tả ở hình 5. Hình 5. Hệ thống lái 4WS với kết cấu khí thủy lực điện tử Trên hình 5a, các bánh xe trước được điều khiển bằng cơ cấu lái bánh răng – thanh răng 5, còn ở các bánh xe sau sử dụng hệ thống thủy lực điện tử 1 điều khiển cơ cấu lái sau. Cơ cấu lái sau làm việc nhờ nguồn năng lượng của ắc quy, thông qua mô tơ DC và bơm dầu 7. Chế độ làm việc của cơ cấu lái sau được điều hành nhờ máy tính điện tử ECU 3 với các tín hiệu đưa vào: tốc độ xe (cảm biến tốc độ 4), vị trí vành lái (cảm biến góc quay 5). ECU điều khiển quay mô tơ bước. Nguyên lý cấu tạo cơ cấu lái sau (hình 5b), bao gồm: mô tơ bước điều khiển bánh răng, quay theo vị trí của vành lái tương ứng, đĩa phân phối chuyển dịch theo tốc độ chuyển động của ô tô. VPP làm việc theo hai trạng thái của tín hiệu và mở các đường dầu vào xi lanh lực để đẩy dòn ngang thực hiện quay các bánh xe sau. Cụm cơ cấu lái sau được mô tả trên hình 5c. Mô tơ bước 10 mô phỏng trạng thái làm việc của các bánh xe cầu trước theo tín hiệu góc quay vành lái, đĩa phân phối quay theo tốc độ ô tô. Kết hợp giữa hai chuyển động, trục điều khiển 4 dịch chuyển đóng mở các van phân phối 6 cấp dầu cho xi lanh lực và đẩy píttông 5 dịch chuyển, thực hiện điều khiển các bánh sau. Pittông 5 làm việc hai chiều, phụ thuộc vào góc quay vành lái. Đồ thị biểu hiện mối quan hệ của vận tốc v của xe với tỷ số góc quay tương đối [%] của bánh xe sau với bánh xe trước chỉ ra ở hình 5d. Các bánh xe sau quay ngược chiều khi v < 35 km/h. Ở vận tốc 60 km/h góc quay trung bình của các bánh xe trước là 10o, Góc quay trung bình của các bánh xe sau là: 15%.100=1,50. Trên xe Mitsubishi Sigma thế hệ gần đây được trang bị nhiều bộ phận điện tử dùng cho điều khiển lái tất cả các bánh (hình 6a). Hình 6. Sơ đồ bố trí hệ thống 4WS trên Mitsubishi Sigma Mitsubishi Sigma đã cải tiến rất mạnh sang hướng ứng dụng cơ điện tử trong các hệ thống. Hệ thống lái tất cả các bánh xe (hình 6b) Bố trí cơ cấu lái bánh răng thanh răng 3 có trợ lực thủy lực trên cầu trước. Nguồn năng lượng trợ lực được thực hiện nhờ một bơm thủy lực 5, đường cấp dầu cho xi lanh lực (XLL) cầu trước có thêm một nhánh dẫn dầu điều khiển con trượt của van điều khiển cơ cấu lái sau. Đường dầu điều khiển xi lanh lực 10 của cơ cấu lái sau được thực hiện qua một bơm khác (4). Trên cơ cấu lái trước, hiệu quả trợ lực giảm khi nâng cao tốc độ ô tô, tạo thuận lợi khi ra vào chỗ đỗ xe với tốc độ thấp, tạo cảm giác tốt cho lái xe khi xe chạy với tốc độ cao, xử lý nhanh với các ảnh hưởng ngoại cảnh. Khi hoạt động trên 50 km/h, các bánh xe sau quay cùng chiều với các bánh xe trước và giá trị lớn nhất góc quay bánh xe sau chỉ bằng 1,50. Với cấu trúc như vậy, cho phép ô tô nâng cao tính ổn định, hạn chế tình trạng quay vòng thừa và giảm góc xoay thân xe. Ngược lại khi chuyển động ra vào chỗ đỗ, hệ thống cho phép điều khiển dễ dàng. Hệ thống cung cấp dầu cho trợ lực lái trước và điều khiển lái các bánh sau tách biệt để phòng ngừa sự cố trong hệ thống cấp dầu. Khi đó, các bánh xe cầu sau bị khóa cứng bằng thủy lực ở vị trí giữa và không được điều khiển. Trên hình 7 biểu diễn bố trí chung của hệ thống 4WS trên xe BMW. Hình 7. Biểu diễn bố trí chung của hệ thống 4WS trên xe BMW. Hệ thống sử dụng các cảm biến tốc độ ô tô, góc quay vành lái theo chế độ kiểm soát thường xuyên. Cảm biến góc quay vành lái được bố trí trong bộ giảm tốc trợ lực lái, cảm biến tốc độ ô tô lấy từ cảm biến tốc độ bánh xe (ABS) trên các bánh xe cầu trước cầu sau (xác định chéo). Các thông số được xử lý trong ECU và tìm chế độ tối ưu điều khiển chuyển hướng các bánh xe sau theo các trạng thái tức thời. Các bánh xe sau chuyển hướng nhờ bộ điều khiển điện – thủy lực 5 với các mạch lặp điều khiển. Trong các vòng lặp kiểm soát thường xuyên đánh giá khả năng ổn định quay vòng của ô tô. [...]...Đặc điểm của hệ thống 4WS của xe là: + Trong vùng gia tốc bên an toàn chuyển hướng của các bánh xe sau thực hiện với góc nhỏ không đáng kể, góc quay lớn nhất đạt tới 4,50 + Trong vùng gia tốc bên trung bình và cao, hệ thống làm việc theo chương trình định sẵn đảm bảo ô tô làm việc ổn định mà không cần đến người lái có kinh nghiệm c) Hệ thống lái 4WS điều khiển điện-cơ khí Hình 8 Hệ thống lái 4WS điều... của ô tô 2, mô men trên trục lái và góc quay trục lái 5,5WS-ECU điều khiển các mô tơ bước Hệ thống xác định tình trạng mong muốn của người lái (góc quay mô men trục lái, tốc độ ô tô), điều khiển sự quay vòng và trợ lực của các bánh xe trước Các cảm biến tốc độ ô tô, gia tốc bên, góc quay thân xe điều khiển chế độ chuyển hướng của các bánh xe sau thông qua mô tơ bước Hệ thống còn xác định tình trạng... Hình 8 Hệ thống lái 4WS điều khiển điện-cơ khí Cùng với sư phát triển của công nghiệp điện tử, hệ thống lái 4WS đã chuyển sang sử dụng các kết cấu cơ khí-điện điều khiển chuyển hướng các bánh xe trên các cầu Trên hình 8a biểu thị sơ đồ bố trí hệ thống 4WS và hình 8b bố trí điều khiển trên cầu sau của ô tô con Hệ thống được bố trí trên Volkswagen, Renault, các cụm: cầu trước và cầu sau thuộc loại cầu có... “lý tưởng”, hạn chế tối đa hiện tượng trượt bên của các bánh xe sau (văng ngang duôi xe), hạn chế sự quay mạnh thân xe Ngoài ra hệ thống còn cho phép mở rộng góc chuyển hướng của các bánh cầu trước và cầu sau lên xấp xỉ 400 nhằm nâng cao khả năng cơ động ra vào chỗ đỗ Các hệ thống tương tự đang tiếp tục phát triển nhằm hoàn thiện chất lượng động học của ô tô khi chuyển động ở tốc độ cao Theo dkqn( Pgs.Ts . cao, hệ thống làm việc theo chương trình định sẵn đảm bảo ô tô làm việc ổn định mà không cần đến người lái có kinh nghiệm. c) Hệ thống lái 4WS điều khiển điện-cơ khí Hình 8. Hệ thống lái 4WS. động ra vào chỗ đỗ, hệ thống cho phép điều khiển dễ dàng. Hệ thống cung cấp dầu cho trợ lực lái trước và điều khiển lái các bánh sau tách biệt để phòng ngừa sự cố trong hệ thống cấp dầu. Khi. diễn bố trí chung của hệ thống 4WS trên xe BMW. Hình 7. Biểu diễn bố trí chung của hệ thống 4WS trên xe BMW. Hệ thống sử dụng các cảm biến tốc độ ô tô, góc quay vành lái theo chế độ kiểm soát