XÂY DỰNG mô HÌNH KHẢO sát đặc TÍNH hệ THỐNG lái TRỢ lực điện

MỤC LỤCLời mở đầu1CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI41.1.Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống lái41.2.Kết cấu hệ thống lái51.3.Các hệ thống lái có trợ lực61.4.Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi6CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN XE KIA62.1.Kết cấu và nguyên lý hoạt động hệ thống lái điện62.2.Tính toán kiểm tra động học hệ thống lái62.2.1. Xây dựng đường cong lý thuyết62.2.2.Xây dựng đường cong thực tế62.2.3.Xác định mômen cản quay vòng tại chỗ.62.3.Tính toán bộ truyền cơ cấu lái62.3.1.Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng62.3.2.Xác định các thông số của bánh răng62.3.3.Xác định kích thước và thông số của thanh răng62.3.4.Tính bền cơ cấu lái trục răng thanh răng62.4.Tính bền dẫn động lái62.4.1.Kiểm tra bền trục lái62.4.2.Kiểm tra bền Rôtuyn62.5.Tính toán trợ lực điện62.5.1.Xây dựng đặc tính cường hóa lái62.5.2.Tính kiểm nghiệm motor điện trợ lực62.5.3.Tính toán điều khiển motor điện.6CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN63.1.Mục tiêu63.2.Kết cấu và nguyên lý làm việc của mô hình63.3.Khảo sát các tín hiệu63.3.1.Cảm biến mômen63.3.2.Khảo sát đặc tính tín hiệu vận tốc63.3.3.Quan hệ giữa dòng điện động cơ với mô men vành lái63.4.Xây dựng mạch điều khiển63.4.1. Vai trò và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển63.4.2.Môđun nguồn63.4.3.Môđun mô phỏng tín hiệu vận tốc63.4.4.Mạch công suất63.4.5.Môđun vi điều khiển63.4.6.Môđun giao tiếp63.5.Kết quả thí nghiệm6KẾT LUẬN6TÀI LIỆU THAM KHẢO6

Lời mở đầu

Sau hơn 100 năm kể từ ngày đầu xuất hiện, nghành công nghiệp ô-tô đãđạt được nhiều thành tựu về khoa học công nghệ, phát triển thành một trongnhững nghành công nghiệp quan trọng hàng đầu trên thế giới So với nhữngchiếc ô-tô thế hệ cũ, ô-tô ngày nay có công suất và tốc độ ngày càng tăng, tiếtkiệm nhiên liệu hơn, sạch hơn, thân thiện với người dùng hơn, và đặc biệt làmức độ đảm bảo an toàn khi vận hành cao hơn Để có được điều đó, các kỹ sưô-tô đã ứng dụng nhiều thành tựu trong nghiên cứu khoa học vật liệu, côngnghệ điện tử, điều khiển tự động trong quá trình thiết kế và chế tạo Trong sốcác thành tựu đó, hệ thống lái trợ lực điện được ứng dụng công nghệ điềukhiển tự động và được lắp đặt trên xe là một hệ thống đảm bảo về an toànchuyển động

Một trong những yêu cầu trong việc thiết kế hệ thống lái trợ lực điện làxác định thuật toán điều khiển tối ưu, đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề lýthuyết cũng như được thử nghiệm trên xe thực tế hoặc trên mô hình vật lý.Trên cơ sở đó đề tài “XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆTHỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN” được đưa ra với mục đích thiết kế chế tạomột băng thử hệ thống lái trợ lực điện, nhằm phục vụ cho quá trình xây dựngđặc tính điều khiển tối ưu cho bộ điều khiển, đồng thời sử dụng phục vụ choviệc giảng dạy về hệ thống lái trợ lực điện

Hà Nội, tháng 6 năm 2012

Sinh viên : Ngô Xuân Trường

MỤC LỤC

Lời mở đầu 1

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI 4

1.1.Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống lái 4

1.2.Kết cấu hệ thống lái 5

1.3.Các hệ thống lái có trợ lực 6

1.4.Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi 6

CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN XE KIA 6

2.1.Kết cấu và nguyên lý hoạt động hệ thống lái điện 6

2.2.Tính toán kiểm tra động học hệ thống lái 6

2.2.1 Xây dựng đường cong lý thuyết 6

2.2.2.Xây dựng đường cong thực tế 6

2.2.3.Xác định mômen cản quay vòng tại chỗ 6

2.3.Tính toán bộ truyền cơ cấu lái 6

2.3.1.Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng 6

2.3.2.Xác định các thông số của bánh răng 6

2.3.3.Xác định kích thước và thông số của thanh răng 6

2.3.4.Tính bền cơ cấu lái trục răng - thanh răng 6

2.4.Tính bền dẫn động lái 6

2.4.1.Kiểm tra bền trục lái 6

2.4.2.Kiểm tra bền Rô-tuyn 6

2.5.Tính toán trợ lực điện 6

2.5.1.Xây dựng đặc tính cường hóa lái 6

2.5.2.Tính kiểm nghiệm motor điện trợ lực 6

2.5.3.Tính toán điều khiển motor điện 6

CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG LÁI

TRỢ LỰC ĐIỆN 6

3.1.Mục tiêu 6

3.2.Kết cấu và nguyên lý làm việc của mô hình 6

3.3.Khảo sát các tín hiệu 6

3.3.1.Cảm biến mômen 6

3.3.2.Khảo sát đặc tính tín hiệu vận tốc 6

3.3.3.Quan hệ giữa dòng điện động cơ với mô men vành lái 6

3.4.Xây dựng mạch điều khiển 6

3.4.1 Vai trò và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển 6

3.4.2.Mô-đun nguồn 6

3.4.3.Mô-đun mô phỏng tín hiệu vận tốc 6

3.4.4.Mạch công suất 6

3.4.5.Mô-đun vi điều khiển 6

3.4.6.Mô-đun giao tiếp 6

3.5.Kết quả thí nghiệm 6

KẾT LUẬN 6

TÀI LIỆU THAM KHẢO 6

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI

1.1.Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống lái

Hệ thống lái được sử dụng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữcho ô tô chuyển động theo một hướng nhất định bằng cách quay các bánh xedẫn hướng thông qua việc tác động lên vành lái của người điều khiển

Yêu cầu khi thiết kế một hệ thống lái :

- Tính ổn định : Đảm bảo ổn định bánh xe dẫn hướng, các bánh xe

dẫn hướng sau khi thực hiện quay vòng cần có khả năng tự động quay

về trạng thái chuyển động thẳng

- Lực điều khiển nhẹ nhàng và phải tỉ lệ với mô men cản mặt đường:

mô men cản lớn thì lực điều khiển phải lớn và ngược lại

- Hiệu suất thuận:là hiệu suất tính theo lực truyền từ trên trục lái

xuống Hiệu suất thuận càng cao thì lái càng nhẹ Khi thiết kế hệ thốnglái yêu cầu phải hiệu suất thuận cao

- Hiệu suất nghịch:là hiệu suất tính theo lực truyền từ đòn quay đứng

lên trục lái Nếu hiệu suất nghịch rất bé thì các lực va đập tác dụng lên

hệ thống chuyển động của ôtô sẽ không truyền đến bánh lái được vìchúng bị triệt tiêu bởi ma sát trong cơ cấu lái Nhưng không thể đưahiệu suất nghịch xuống thấp quá vì khi đó bánh lái xẽ không tự trả lạiđược về vị trí ban đầu dưới tác dụng của mômen ổn định Bởi vậy đểđảm bảo khả năng tự trả bánh lái từ vị trí đã quay về vị trí ban đầu và

để hạn chế các va đập từ đường tác dụng lên hệ thống lái trong một

Hình 1-1 - Hệ thống lái

phạm vi nào đấy thì cơ cấu lái được thiết kế với một hiệu suất nghịchnhất định, thường lấy  = 0,5

- Đảm bảo sự bố trí của hệ thống: cách bố trí không được quá phức

tạp, cồng kềnh, và giá thành của hệ thống không quá cao, làm việc ổnđịnh, độ tin cậy và tuổi thọ làm việc cao

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

tiếp của người điều khiển

- Cơ cấu lái : là một hộp giảm tốc được bố trí trên khung hoặc vỏ của ôtô

đảm nhận phần 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 dẫnđộng cho bánh xe dẫn hướng

1.3.Các hệ thống lái có trợ lực

Để giảm cường độ hoạt động của người lái thì hệ thống lái cần có trợlực Hình 1-2 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống lái có trợ lực

Hình 1-2 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái có trợ lực

Hệ thống lái trợ lực trên xe du lịch có các kiểu sau: trợ lực thuỷ lực,trợlực thủy lực điều khiển điện, trợ lực điện

a Trợ lực thủy lực

 Cấu tạo : bao gồm ba bộ phận chính sau :

- Bơm trợ lực thường dùng là loại bơm cánh gạt có tác dụng tạo ra dầu

có áp suất đưa đến các xi lanh lực

- Van điều khiển phân phối và điều khiển áp suất dầu trợ lực cần thiết.

Có ba loại van điều khiển đó là : kiểu van cánh, kiểu van ống, và kiểuvan quay

- Xi lanh lực được sử dụng làm cơ cấu truyền lực tác dụng lên các bánh

xe dẫn hướng

1- Trục lái 3- Bơm dầu trợ lực2- Van điều khiển 4- Xi lanh lựcHình 1-3 : Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực

 Nguyên lý hoạt động

1- Van giảm áp 4 - Bơm trợ lực2- Bình chứa dầu 5 - Xilanh lực3- Bộ lọc dầu 6 - Van điều khiểnHình 1-4 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực

Khi ta xoay vành lái,van điều khiển cũng được xoay theo nhờ có liênkết với trục lái Lúc này dầu từ bình chứa dầu trợ lực được bơm lên với ápsuất cao đi qua van điều khiển và tới xi lanh lực.

- Trạng thái quay vòng trái : xoay vành lái sang trái, van điều khiển cấp

dầu đến khoang trước của xi lanh, nhờ có áp suất dầu cao xi lanh đượcđẩy về phía sau dẫn động cho đòn lái quay, đồng thời dầu trợ lực ởkhoang dưới được hồi về bình chứa thông qua van điều khiển và lọcdầu Với góc quay của vành lái càng lớn thì van điều khiển phân phốidầu đến xi lanh càng nhiều dẫn đến trợ lực lớn do áp suất dầu tăng

- Trạng thái quay vòng phải : ngược lại với trạng thái quay vòng trái thì

dầu áp suất cao sẽ được phân phối cho khoang dưới và dầu áp suất thấpđược hồi về bình chứa,xi lanh trợ lực cho người lái

- Trạng thái đi thẳng : van phân phối lúc này ở vị trí trung gian và áp suất

dầu ở cả khoang trên và khoang dưới là tương đương nhau, chính vìvậy lực tác dụng lên xi lanh bị triệt tiêu Vành lái ở trạng thái thẳng lái

 Ưu nhược điểm của hệ thống

- Ưu điểm :

+ Giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống lái không cótrợ lực nhờ có thêm lực tác động từ xi-lanh lực

+ Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo được

an toàn về hướng trong quá trình chuyển động

+ Kết cấu đơn giản hơn so với các hệ thống trợ lực khác như trợ lực khínén và trợ lực điện

+ Có độ bền cao và có khả năng chịu va đập nhẹ

- Nhược điểm:

+ Áp suất dầu được tạo ra từ bơm dầu và được lai dẫn từ trục khuỷu củađộng cơ vì vậy bơm dầu luôn luôn hoạt động trong suốt quá trìnhchạy dẫn đến tổn hao công suất.

+ Hệ thống tủy lực có áp suất, vì vậy cần thiết độ kín khít cao nênthường xuyên phải kiểm tra bảo dưỡng hệ thống trong quá trình làmviệc

+ Tuy kết cấu đơn giản nhưng hệ thống có khối lượng lớn và cồng kềnhdẫn đến làm tăng tổng trọng lượng của xe

+ Hệ thống làm việc gây ra tiếng ốn do phải quay bơm dầu liên tục vàcác đường ống,van dầu là chất thải gây ô nhiễm môi trường

 Hạn chế của hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống lái trợ lực thủy lực mới đáp ứng được công dụng trợ lực cho ngườilái giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng,ngoài ra còn nó còn có một số hạnchế sau:

+ Hệ thống làm việc theo hai thông số là mô men và góc đánh lái,vì vậy

hệ thống chỉ đáp ứng được về mặt trợ lực mà chưa thay đổi được tỉ sốtruyền theo tốc độ xe

+ Đối với tỉ số truyền trên xe cần đảm bảo yêu cầu đó là ở tốc độ thấp

có tỉ số truyền nhỏ để người lái quay vòng hiệu quả và ở tốc độ caoyêu cầu tỉ số truyền lớn vì lúc này mức phản ứng của xe rất nhạy Tuynhiên thì với hệ thống lái trợ lực thủy lực góc quay của bánh xe bị hạnchế rất nhiều, không đáp ứng được các yêu cầu trên

+ Khi hệ thống trợ lực bị hỏng, lực điều khiển sẽ nặng hơn so với hệthống lái không có trợ lực

b Trợ lực thủy lực - điện

Hình 1-5 : Sơ đồ khối tín hiệu điều khiểnTương tự như hệ thống trợ lực thủy lực, hệ thống trợ lực thủy lực điều khiểnđiện có các bộ phận:

- Bơm trợ lực thường dùng là loại bơm cánh gạt có tác dụng tạo ra dầu

có áp suất đưa đến các xi lanh lực

- Bộ phận hộp điều khiển nhận tín hiệu tốc độ ô tô sau đó tính toán và tạo

dòng điều khiển van phân phối điện từ một cách hợp lý

- Van điều khiển phân phối và điều khiển áp suất dầu trợ lực cần thiết.

Có ba loại van điều khiển đó là : kiểu van cánh, kiểu van ống, và kiểuvan quay

- Van điều khiển điện từ nằm sau van phân phối, trên đường truyền dòng

thủy lực trợ lực Van này đóng và mở tùy theo điều kiện tốc độ xe vàđược điều khiển bằng hộp điều khiển với dòng điện từ 0 – 1 A

- Xi lanh lực được sử dụng làm cơ cấu truyền lực tác dụng lên các bánh

xe dẫn hướng

 Nguyên lý hoạt động

4- Dầu từ bơm đến

Hình 1-6 : Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực điện điều khiển

- Khi quay vòng trái:

Ở tốc độ xe cao, dầu áp lực đi từ bơm dầu, đến van xoay và sau đó đivào van điều khiển ở cửa B và đi ra ở cửa A Lúc này,nhờ lực đẩy của lò xo

mà thanh đẩy được hồi vị đóng kín khe hở pistong, làm cho dầu áp lực quaytrở lại van xoay và đi về bình chứa dầu Do đó bơm không trợ lực cho ngườilái

Khi tốc độ xe giảm, khe hở piston mở dần nhờ dòng điện cấp từ hộp điềukhiển,dầu áp suất đi qua van xoay vào cửa B và đến bên trái xi lanh,làm giảmlực lái.

- Khi quay vòng phải:

Ở tốc độ cao, dầu đi qua van xoay và đi vào van điều khiển ở cửa A và

đi ra ở cửa B Nhờ lò xo hồi vị thanh đẩy được hồi vị và khe hở đóng kín,làmcho dầu trở về bình chứa dầu Xi lanh lực không được trợ lực

Khi tốc độ xe giảm, khe hở piston được mở dần do dòng điện từ hộp điềukhiển,dầu có áp suất đi qua van xoay vào cửa B và đi đến xi lanh lực

- Ưu điểm: do được cải tiến từ hệ thống trợ lực thủy lực nên nó bao gồm

những ưu điểm của hệ thống trợ lực thủy lực thông thường, ngoài ra đốivới hệ thống trợ lực điều khiển điện này còn có thêm một van điện từđược điều khiển dựa vào thông số tốc độ ô tô và một bộ phản ứng, tạocảm giác lái phù hợp cho người lái ở các tốc độ khác nhau Yêu cầu đốivới một hệ thống lái trên xe là ở tốc độ cao, mô men cản nhỏ nên yêucầu trợ lực ít và lực đánh lái phải lớn hơn khi ở tốc độ thấp

- Nhược điểm: tuy đã có nhiều cải tiến nhưng bản chất vẫn là trợ lực thủy

lực nên hệ thống vẫn gây tổn hao công suất do phải lai dẫn bơm trợ lực,yêu cầu về đọ kín khít cao, khối lượng lớn và chiếm diện tích bố trí lớn

c Trợ lực điện

Hệ thống trợ lực điện bao gồm các bộ phận trên hình:

1- Cảm biến mô men 3- Trục vít - Bánh vít 2- Mô tơ trợ lực 4- ECU điều khiểnHình 1-7 : Cơ cấu lái trợ lực điện kiểu trợ lực trục lái

- Cảm biến mô men: cảm biến mô men được gắn vào phía trong trục lái,

dựa vào hiệu ứng Hall để đưa ra điện áp tùy thuộc vào mô men đánh lái

và mô men cản Điện áp ra của cảm biến sẽ được gửi vào ECU để điềukhiển mô tơ trợ lực

- ECU điều khiển: ECU tiếp nhận các thông số tín hiệu của cảm biến mô

men, cảm biến tốc độ động cơ, tín hiệu IG, tín hiệu tốc độ xe sau đó tínhtoán 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 và được điểu khiển bằng ECU , mô tơ có thể đảo chiều vàquay ở các tốc độ khác nhau tùy theo mức độ đánh lái của người lái và

 Nguyên lý hoạt động

Hình 1-8 : Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện

ECU tiếp nhận các thông số chính từ cảm biến mô men và từ tốc độ xe,ngoài ra có các thông số phụ như tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu B+ , chế độkhông tải để tính toán điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái Lựcđánh lái càng lớn thì mô tơ trợ lực càng nhiều, nhưng mô men trợ lực sẽ giảmdần khi tốc độ xe tăng dần

- Trạng thái quay vòng: khi người điều khiển tác động quay vành lái, xuất

hiện hiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh xoắn, cảm biến mômen thay đổi điện áp tùy theo chiều quay và độ lệch tương đối giữa haiđầu thanh xoắn sau đó truyền tín hiệu về ECU, kết hợp với tín hiệu tốc

độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU tính toán ra dòng điện điều khiển

và chiều quay của mô tơ trợ lực cho phù hợp

- Trạng thái đi thẳng : trục lái không được tác động do đó không có hiện

tượng xoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men không

thay đổi điện áp, vì thế ECU không điều khiển mô tơ trợ lực và trạngthái đi thẳng được giữ nguyên.

- Ưu điểm : Hệ thống trợ lực điện và điều khiển điện tử có nhiều ưu điểm

hơn so với các hệ thống trợ lực thủy lực:

+ Giảm tổn hao nhiên liệu 2-3% do không phải lai dẫn bơm trợ lựcgiống như hệ thống trợ lực thủy lực

+ Không xảy ra hiện tượng rò rỉ dầu

+ Trọng lượng giảm so với hệ thống trợ lực thủy lực

+ Dễ dàng điều khiển

+ Việc lắp đặt hệ thống đơn giản và thuận tiện

+ Giảm thiểu chi tiết trong toàn bộ hệ thống

- Nhược điểm:

+ Kết cấu và chế tạo phức tạp

+ Chịu va đập kém

+ Giá thành cao

1.4.Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi

Các xe ô tô hiện đại ngày nay có vận tốc ngày càng lớn và đòi hỏi độ antoàn cao cũng như tính tiện nghi khi sử dụng Vì vậy khi thiết kế một hệ thốngdẫn hướng phải đảm bảo được các yêu cầu nghiêm ngặt trên, ngoài ra hệthống phải có tính thân thiện với môi trường Giải quyết vấn đề về độ an toànkhi quay vòng ở tốc độ cao và tính tiện nghi khi sử dụng ta xét đến tỉ sốtruyền của hệ thống bao gồm tỉ số truyền động học và tỉ số truyền về lực

Ở những trường hợp này, để kịp đánh tay lái, người lái thường phải giảm khánhiều tốc độ của xe.

Chỉ tiêu cao của tính năng quay vòng chỉ nhận được ứng với giá trị nhỏcủa tỷ số truyền cơ cấu lái, nhưng với giá trị nhỏ của tỷ số truyền lại làm giảmkhả năng dẫn hướng của xe khi chuyển động thẳng

Cả hai yêu cầu hoàn toàn trái ngược nhau này chỉ có thể thỏa mãn đượckhi sử dụng cơ cấu lái có tỷ số truyền thay đổi Tuy nhiên việc chế tạo đòi hỏitính công nghệ cao nên giá thành đắt hơn so với cơ cấu lái có tỉ số truyền iω

không đổi Về yêu cầu này thì hệ thống lái trợ lực điện có khả năng đáp ứngtốt mà chỉ cần tới cơ cấu lái có tỉ số truyền iω không đổi

b Tỷ số truyền lực.

r F

M i

Mr - Mô men ra khỏi cơ cấu lái (hay trên đòn quay đứng)

Mv - Mô men vào cơ cấu lái (hay trên vô lăng)

Mtl - Mô men trợ lực lên trục lái

Khi xe đi ở vận tốc thấp mô men cản quay vòng do lốp sinh ra lớn, nếu

tỉ số truyền về lực iF nhỏ sẽ dẫn đến việc người lái phải đánh lái với một lựclớn để làm quay bánh xe dẫn hướng, điều này ảnh hưởng rất nhiều tới tínhtiện nghi trên xe và khiến cho người lái khó điều khiển hơn Hoặc khi xe đi ởvận tốc cao, mô men cản quay vòng giảm mạnh nếu tỉ số truyền lực không đủnhỏ sẽ dẫn tới hiện tượng người lái mất cảm giác lái điều này ảnh hưởngnghiêm trọng tới vấn đề an toàn khi đánh lái

Đánh giá :

Ngoài những ưu điểm vượt trội khi so sánh với hệ thống lái trợ lực thủylực thì hệ thống lái trợ lực điện đã giải quyết được yêu cầu về tỉ số truyền láithay đổi Đây là một yêu cầu rất quan trọng và đặc biệt là đối với các xe ôtôhiện đại ngày nay Nhờ việc dễ dàng thay đổi tỉ số truyền lái mà hệ thống láitrợ lực điện giúp nâng cao tính năng an toàn chuyển động của xe khi xe đi ởtốc độ cao, ngoài ra hệ thống còn giúp cho người lái dễ dàng điều khiển xekhi xe đi vào những đường hẹp, yêu cầu quay vòng với bán kính nhỏ

CHƯƠNG II

HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN XE KIA

Thông số kĩ thuật tham khảo của xe KIA MORNING

Dài-rộng-cao tổng thể (mm) 3495-1595-1480

Chiều rộng cơ sở trước/sau (mm) 1400/1385

Bán kính quay vòng tối thiểu (m) 4,6

Trọng lượng cầu trước G1(N) 7400

- Thanh xoắn : nối giữa trục 1 và trục 2 bằng chốt và then hoa, thanhxoắn giúp cho trục 1 và trục 2 có chuyển động tương đối với nhauđồng thời là chi tiết liên kết giữa trục 1 và trục 2

Hình 2-1 : Cấu tạo cơ cấu lái trợ lực điện

- Cảm biến mô men : được gắn trên trục 1 và có nhiệm vụ xác định mômen tại trục lái sau đó gửi tín hiệu đến ECU

- Trục 2 : là trục được nối với cơ cấu lái thông qua khớp các-đăng, cónhiệm vụ truyền mô men cuối xuống cơ cấu lái

- Mô tơ : là loại mô tơ điện chổi than có thể đảo chiều, nhiệm vụ củamô-tơ là tạo mô men trợ lực vào trục 2 thông qua một bộ truyềntrục vít bánh vít

- Trục vít- bánh vít : Bánh vít được đúc bằng nhựa liền với trục 2, nhờ

bộ truyền trục vít bánh vít mô tơ điện có thể tạo ra mô men lớn hơn trợlực cho người lái

- ECU : có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu của cảm biến mô men, cảm biếntốc độ xe từ đó tính toán ra dòng điện điều khiển mô tơ điện phù hợp

- Lực cản quay vòng nhỏ (chưa có trợ lực) : với lực tác động lên trục lái

nhỏ hơn 12N thì hệ thống làm việc như hệ thống cơ khí đơn thuầnkhông có trợ lực

- Lực cản quay vòng lớn (có trợ lực) : Khi lực tác dụng lên vành lái lớn

hơn 12 N (hoặc mô mem cản lớn hơn 32 Nm) thì ECU nhận tín hiệu từcảm biến mô men và cảm biến tốc độ xe,sau đó tính toán rồi điều khiển

mô tơ trợ lực phù hợp thông qua bộ truyền lực trục vít - bánh vít,mô tơtrợ lực tối đa khi lực trên vành lái đạt 50 N

- Khi lực cản quay vòng không đổi : Mô men tác dụng lên trục lái 1

không thay đổi vì vậy ở trạng thái này cảm biến mô men xác địnhkhông có mô men tác động và gửi tín hiệu về ECU, ECU điều khiển

mô tơ không trợ lực vào trục 2

- Trạng thái quay vòng: Khi người điều khiển đánh lái sang trái hoặc

sang phải , cảm biến mô men xác định chiều quay và mô men trên trụclái, ECU điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp theo chiều quay của vànhlái

- Nguyên lý chép hình : Khi quay vành lái, tính hiệu đưa ra của cảm biến

theo mô men đánh lái là ở dạng tuyến tính, sau đó ECU tính toán đểđiều khiển mô tơ trợ lực cho phù hợp, khi ta giữ nguyên vành lái tại vịtrí nhất định và không quay thêm nữa, cảm biến mô men xác dịnh đượctrạng thái này, vì vậy ECU điều khiển cho mô tơ điện dừng tại thời

điểm đó Khi ta tiếp tục đánh lái, tín hiệu từ cảm biến mô men giúpECU xác định được mô men cần trợ lực , từ đó tính toán điều khiển mô

tơ trợ lực cho phù hợp với lực đánh lái và vận tốc xe Mô men cảncàng lớn thì mô tơ trợ lực cho hệ thống càng nhiều

2.2.Tính toán kiểm tra động học hệ thống lái

2.2.1 Xây dựng đường cong lý thuyết

Để đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng cần thỏamãn

 : Góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài

 : Góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên trong

B : Chiều rộng cơ sở

L : Chiều dài cơ sở

Để thỏa mãn một cách chính xác biểu thức trên thì dẫn động lái phải có

18 khâu và có cấu tạo phức tạp Vì vậy , trong thực tế người ta thường sửdụng các cơ cấu dẫn động đơn giản hơn mà vẫn đảm bảo được gần đúng côngthức trên , trong đó cơ cấu được sử dụng phổ biến hơn cả là hình thang láiĐan tô Kinh nghiệm cho thấy, nếu lựa chọn các thông số của hình thang láimột cách hợp lý thì có thể thỏa mãn được công thức 2.1

Hình 2-2 : Sơ đồ động học quay vòng.

Xác định góc quay lớn nhất của bánh xe dẫn hướng phía trong max:

max

min2

L arctg

B R

2

oarctg

2.2.2.Xây dựng đường cong thực tế

Hình 2-3 : Sơ đồ hình thang lái khi xe đi thẳng.

Khi ôtô quay vòng với các bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệgiữa  và  vẫn được giữ nguyên như công thức trên thì hình thang lái Đan -

Tô không thể thoả mãn hoàn toàn được

Tuy nhiên ta có thể chọn một kết cấu hình thang lái cho sai lệch vớiquan hệ lý thuyết trong giới hạn cho phép tức là độ sai lệch giữa góc quayvòng thực tế và lý thuyết cho phép lớn nhất ở những góc quay lớn, nhưngcũng không được vượt quá 10

b Trường hợp khi xe quay vòng

Trên hình 2-4 là Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vòng Khi bánh xebên trái quay đi một góc  và bên phải quay đi một góc , lúc này đòn bêncủa bánh xe bên phải hợp với phương ngang một góc (-) và bánh xe bêntrái là ( +) Ta có mối quan hệ của các thống số theo quan hệ sau:



X



D A C

2 2 2

CD

 AD

y arctg



 Mặt khác:

2 2

 - góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang:  =78

m - chiều dài đòn bên hình thang lái m = 180 (mm)

y - Khoảng cách giữa đòn ngang với trục trước y = 182 (mm)

Dựa vào công thức(2.4) và (2.15) ta xây dựng các đường đặc tính hìnhthang lái lý thuyết và thực tế ứng với mỗi giá trị của góc  = (00, 50, , 400)

ta lấy góc  theo xe thiết kế

 = 780 Các giá trị tương ứng được thể hiện trong bảng dưới đây:

Hình 2-6 : Đồ thị đặc tính động học hình thang lái

2.2.3.Xác định mômen cản quay vòng tại chỗ.

Lực tác động lên vành tay lái của ôtô sẽ đạt giá trị cực đại khi ta quayvòng ôtô tại chỗ Lúc đó mômen cản quay vòng trên bánh xe dẫn hướng Mc sẽbằng tổng số của mômen cản chuyển động M1, mômen cản M2 do sự trượt lêbánh xe trên mặt đường và mômen cản M3 gây nên bởi sự làm ổn định cácbánh xe dẫn hướng

 1 2 3

1 2

r

aB

BtHình 2-7 : Sơ đồ đặt bánh xe dẫn hướng Mômen cản quay vòng được xác định theo công thức:

Trên hình 2-8 Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe thì bề mặt tiếp xúcgiữa lốp và đường sẽ bị lệch đi đối với trục bánh xe Nguyên nhân lệch này là

do sự đàn hồi bên của lốp Điểm đặt của lực Y sẽ nằm cách hình chiếu mộtđoạn x

Hình 2-8: Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi xe quay vòng

Khi mô men quay vòng tác dụng lên bánh xe, tại khu vực tiếp xúc giữabánh xe và mặt đường sẽ xuất hiện lực ngang Y Do lốp có tính đàn hồi nênlực Y làm vết tiếp xúc bị lệch đi so với trục bánh xe một đoạn x về phía sau,đoạn x được thừa nhận bằng nửa khoảng cách của tâm diện tích tiếp xúc đếnrìa ngoài của nó theo công thức sau:

2 2

5

Với B là chiều cao lốp : B = 0,6.165 =99 (mm)

Với d là đường kính vành bánh xe : d = 14 (ins) = 14.25,4 = 355,6(mm)

M2  bx 

Với  là hệ số bám ngang Lấy  = 0,85

Vậy: M2 = 3700.0,85.0,1.276,8.10-3 =86,8 (Nm)

M3 mô men gây bởi các góc đặt của bánh xe và trụ đứng, việc tính toán

mô men này tương đối phức tạp nên trong khi tính toán có thể thay thế M3

bằng một hệ số khi đó mô men cản quay vòng tại 1 bánh xe dẫn hướng đượctính như sau :

 Xác định lực cực đại tác dụng lên vành tay lái

Khi đánh lái trong trường hợp ôtô đứng yên tại chỗ thì lực đặt lên vànhtay lái để thắng được lực cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng làlớn nhất Lực lớn nhất đặt lên vành tay lái được xác định theo công thức:

max

c

c d th

M P

ic -tỷ số truyền cơ cấu lái : ic = 20

th -hiệu suất thuận của cơ cấu lái, đối với cơ cấu lái thanh răng - trụcrăng hiệu suất thuận th = 0,75

id - tỷ số truyền của dẫn động lái id = 0,85- 1,1 ; chọn id = 1

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 hiệntheo các phương pháp sau:

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

đó thì thanh răng phải dịch chuyển được một đoạn X1 = 84,78 (mm)

+ Chọn trước số vòng quay của vành lái rồi sau đó xác định bán kínhvòng lăn của bánh răng Đối với cơ cấu lái loại bánh răng - thanh răng thì sốvòng quay của vành lái thì cũng là số vòng quay của bánh răng

Dựa vào xe tham khảo, chọn số vòng quay về 1 phía của vành lái ứngvới bánh xe quay là n = 1,5 vòng.

2.3.2.Xác định các thông số của bánh răng

Tính số răng theo tài liệu chi tiết máy

mn : Môdun pháp tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn mn = 2,5

 : Góc nghiêng ngang của bánh răng, chọn sơ bộ góc nghiêng  = 120

Từ công thức (2.22) ta suy ra số răng của bánh răng :

0

cos 18.cos12

7,02,5

c n

D Z

Zm

D =

7.2,5

18 = 0,97Suy ra  = arccos 0.972 = 140

Môdun ngang của bánh răng :

cos

n t

m m





2.5 cos14 = 2.57

Số răng tối thiểu:

Zmin = 17cos3 = 17.cos3140 = 12,78

Lấy Zmin=13

X1 = 2Rn ( 2.19)

Như vậy Zmin = 13 >7 do vậy có hiện tượng cắt chân răng nên phảidịch chỉnh, ta chọn kiểu dịch chỉnh đều  = 0.

2.3.3.Xác định kích thước và thông số của thanh răng

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

d=  

3

0, 2

x x



= t1

L

Trong đó :



= 8,25Suy ra:

Z =

169.56

8, 25 = 19,8Vậy ta chọn Z = 20 răng

Hệ số dịch chỉnh thanh răng :

tr =  - br = 0 -0,647 = 0,647

+ Đường kính vòng chia của thanh răng:

Dc = Dd - 2m(1,25 - )

= 24 - 2.2,5(1,25 -0,647) = 20,985 mm  21mm.+ Đường kính vòng đỉnh của thanh răng:

Dd = D = 24 mm

+ Chiều cao của thanh răng

h = (f’ + f’’) mn = (1+ 1,25).2,5 = 5,625 mm

2.3.4.Tính bền cơ cấu lái trục răng - thanh răng

Đối với loại truyền động trục răng - thanh răng phải đảm bảo cho cácrăng có độ bền cao

+Xác định lực tác dụng lên bộ truyền trục răng - thanh răng

P a P tg v   1800 18tg 585( ).N

+ Kiểm tra vật liệu

Trong quá trình làm việc trục răng, thanh răng chịu ứng suất uốntiếp xúc và chịu tải trọng va đập từ mặt đường Vì vậy thường gây rahiện tương rạn nứt chân răng Do ảnh hưởng lớn tới sự tin cậy và tuổithọ của cơ cấu lái Để đảm bảo được những yêu cầu lam việc của cơcấu lái thì vật liệu chế tạo trục răng - thanh răng được dùng là thép45Cr được tôi cải thiện

Có:

700

ứng suất tiếp xúc cho phép:

Giới hạn bền mỏi tiếp xúc của trục răng:

KXH: Hệ số xét ảnh hưởng của kích thước trục răng; KXH = 1

KF: Hệ số xét ảnh hưởng của độ độ bôi trơn; KF = 1

Thay các thông số vào công thức (2.24) ta được:

YS: Là hệ số xét tới ảnh hưởng của mô đun với m = 2,5;

ta chọn YS = 1,03

 F 327.1, 03.1, 7 198, 48 MPa.

+Kiểm nghiệm độ bền uốn

Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc:

ZM = 175 MPa (Đối với trục răng bằng thép)

H H

b d K

+Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn:

ứng suất uốn được tính theo công thức:

F F

b d K

2.944,76.3.2,1.1, 25.1,048.0,714

65,5

14, 4.24.2,5 3,3