XÂY DỰNG và mô PHỎNG hệ THỐNG lái TRỢ lực điện TRÊN ô tô HIỆN đại

MỤC LỤCDANH MỤC BẢNG, BIỂUIIIDANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼIIIDANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮTVILỜI NÓI ĐẦUVIIPHẦN I: MỞ ĐẦUVIII1.1. Lý do chọn đề tàiVIII1.2. Mục tiêu của đề tàiVIII1.3. Phạm vi giới hạn của đề tàiVIII1.4. Phương pháp nghiên cứuVIII1.5. Nội dung chính của đồ ánIXPHẦN II: NỘI DUNG1CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU11.1.Công dụng, phân loại, yêu cầu hệ thống lái11.1.1.Công dụng11.1.2.Phân loại21.1.3.Yêu cầu21.2.Tính dẫn hướng của ô tô.31.3.Các hệ thống có trợ lực lái.51.3.1.Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực51.3.2.Hệ thống lái trợ lực điện8CHƯƠNG 2: YÊU CẦU THAY ĐỔI TỶ SỐ TRUYỀN112.1.Tỷ số truyền động học.112.2.Tỉ số truyền động lực.122.3.Yêu cầu thay đổi tỷ số truyền132.3.1.Phân tích ảnh hưởng của các lực và mômen tác dụng lên bánh xe.132.3.2.Quy luật thay đổi tỷ số truyền động học.162.3.3.Quy luật thay đổi tỷ số truyền động lực23CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN253.1.Các kiểu hệ thống lái trợ lực điện.253.1.1.Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1253.1.2.Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2263.1.3.Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 3273.2.Lựa chọn hệ thống lái để mô phỏng.273.3.Đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống lựa chọn283.3.1.Động cơ điện một chiều.283.3.2.Cụm trợ lực điện303.3.3.Cảm biến mômen trục lái.323.4.Mô hình tính toán hệ thống lái trợ lực điện xe KIA34CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SỐ374.1.Mục đính mô phỏng374.2Giới thiệu về phần mềm MatlabSimulink374.2.1.Tổng quan về MATLAB374.2.2.Công cụ Simulink384.3.Bảng số liệu tính toán434.4.Xây dựng chương trình mô phỏng.444.4.1.Chương trình mô phỏng quy luật góc quay của trục lái444.4.2.Chương trình mô phỏng quy luật góc quay của trục motor454.4.3.Chương trình tính toán góc quay của bánh xe dẫn hướng464.4.4.Chương trình tính toán góc xoay thân xe464.4.5.Chương trình tính toán góc lệch bên thân xe474.4.6.Chương trình tính toán góc lệch bánh xe484.4.7.Chương trình tính toán mômen trả lái về494.4.8.Chương trình tính toán mômen trợ lực504.5.Các trường hợp khảo sát514.5.1.Phân tích kết quả khảo sát sự phụ thuộc của mômen trả lái Msat524.5.2.Khảo sát sự thay đổi của góc quay bánh xe dẫn hướng544.5.3.Kết luận57KẾT LUẬN CHUNG59TÀI LIỆU THAM KHẢO60

MỤC LỤC

DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ III

PHẦN I: MỞ ĐẦU VIII

1.1 Lý do chọn đề tài VIII 1.2 Mục tiêu của đề tài VIII 1.3 Phạm vi giới hạn của đề tài VIII 1.4 Phương pháp nghiên cứu VIII 1.5 Nội dung chính của đồ án IX

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu hệ thống lái 1

1.1.1 Công dụng 1

1.1.2 Phân loại 2

1.1.3 Yêu cầu 2

1.2 Tính dẫn hướng của ô tô 3

1.3 Các hệ thống có trợ lực lái 5

1.3.1 Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực 5

1.3.2 Hệ thống lái trợ lực điện 8

CHƯƠNG 2: YÊU CẦU THAY ĐỔI TỶ SỐ TRUYỀN 11 2.1 Tỷ số truyền động học 11

2.2 Tỉ số truyền động lực 12

2.3 Yêu cầu thay đổi tỷ số truyền 13

2.3.1 Phân tích ảnh hưởng của các lực và mômen tác dụng lên bánh xe 13

2.3.2 Quy luật thay đổi tỷ số truyền động học 16

2.3.3 Quy luật thay đổi tỷ số truyền động lực 23

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN 25 3.1 Các kiểu hệ thống lái trợ lực điện 25

3.1.1 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1 25

3.1.2 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2 26

3.1.3 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 3 27

3.2 Lựa chọn hệ thống lái để mô phỏng 27

3.3 Đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống lựa chọn 28

3.3.1 Động cơ điện một chiều 28

3.3.2 Cụm trợ lực điện 30

3.3.3 Cảm biến mômen trục lái 32

3.4 Mô hình tính toán hệ thống lái trợ lực điện xe KIA 34

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SỐ 37 4.1 Mục đính mô phỏng 37

4.2 Giới thiệu về phần mềm Matlab&Simulink 37

4.2.1 Tổng quan về MATLAB 37

4.2.2 Công cụ Simulink 38

4.3 Bảng số liệu tính toán 43

4.4 Xây dựng chương trình mô phỏng 44

4.4.1 Chương trình mô phỏng quy luật góc quay của trục lái 44

4.4.2 Chương trình mô phỏng quy luật góc quay của trục motor 45

4.4.3 Chương trình tính toán góc quay của bánh xe dẫn hướng 46

4.4.4 Chương trình tính toán góc xoay thân xe 46

4.4.5 Chương trình tính toán góc lệch bên thân xe 47

4.4.6 Chương trình tính toán góc lệch bánh xe 48

4.4.7 Chương trình tính toán mômen trả lái về 49

4.4.8 Chương trình tính toán mômen trợ lực 50

4.5 Các trường hợp khảo sát 51

4.5.1 Phân tích kết quả khảo sát sự phụ thuộc của mômen trả lái Msat 52

4.5.2 Khảo sát sự thay đổi của góc quay bánh xe dẫn hướng 54

4.5.3 Kết luận 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC BẢNG, BIỂU

Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật tham khảo của xe KIA MORNING 29Bảng 4.1: Bảng số liệu tính toán 45Bảng 4.2: Kết quả thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng phụ thuộc vận tốc 64

DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼHình 1.1 : Hệ thống lái 3

Hình 1.2: Biến dạng của lốp 6

Hình 1.3: Góc Caster và khoảng Caster 6

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lái có trợ lực 7

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực 8

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điên bố trí trên trục lái. 10

Hình 1.7: Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện 11

Hình 2.1: Quan hệ của góc quay vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng 13

Hình 2.2: Quan hệ giữa M s và M a ở các v khác nhau14

Hình 2.3: Lực và mômen tác dụng lên bánh xe ô tô 15

Hình 2.4 : Lực và góc lệch bên của bánh xe dẫn hướng. 17

Hình 2.5: Góc caster và khoảng caster của bánh xe 18

Hình 2.6: Mô hình một vết của ô tô 19

Hình 2.7: Quan hệ động lực học của mô hình một vết 20

Hình 2.8: Các vị trí của tâm quay vòng tức thời 22

Hình 2.9: Quan hệ hình học hệ thống lái 23

Hình 2.10: Quan hệ của mômen đánh lái với mômen trả lái về 25

Hình 3.1: Sơ đồ EPS kiểu column-type 27

Hình 3.2: Sơ đồ EPS kiểu pinion-type 28

Hình 3.3 : Sơ đồ EPS kiểu rack-type 29

Hình 3.4: Cấu tạo động cơ điện một chiều. 30

Hình 3.5: Đặc tính của động cơ điện một chiều 31

Hình 3.6: Sơ đồ khối điều khiển motor điện của EPS 31

Hình 3.7: Kết cấu cụm trợ lực điện 33

Hình 3.8: Cấu tạo của cảm biến mômen 34

Hình 3.9 : Cấu tạo roto 35

Hình 3.10 : Bộ phận cảm ứng và mạch điện 35

Hình 3.11: Tín hiệu ra của cảm biến 36

Hình 3.12: Mô hình tính toán hệ thống lái điện xe KIA 37

Hình 4.1: Chương trình tính góc quay của trục lái 46

Hình 4.2: Chương trình tính toán J eq và B eq 47

Hình 4.3: Chương trình mô phỏng tính góc quay của trục motor 47

Hình 4.4: Chương trình tính toán góc quay của bánh xe dẫn hướng 48

Hình 4.5: Sơ đồ khối tính toán lốp 50

Hình 4.6: Chương trình tính toán độ giảm hệ số bám của bánh xe cầu trước 51 Hình 4.7: Chương trình tính toán độ giảm hệ số bám của bánh xe cầu sau 51

Hình 4.8: Chương trình tính toán góc xoay thân xe 54

Hình 4.9: Chương trình tính toán góc lệch bên thân xe 55

Hình 4.10: Chương trình tính toán góc lệch bên bánh xe 56

Hình 4.11: Chương trình tính mômen trả lái về 56

Hình 4.12: Đặc tính điều khiển của hệ thống lái trợ lực điện xe KIA 57

Hình 4.13: Chương trình tính mômen trợ lực 58

Hình 4.14: Quan hệ phụ thuộc của Msat với góc quay dẫn hướng59

Hình 4.15: Quan hệ phụ thuộc của Msat với vận tốc 60

Hình 4.16: Sự thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc ô tô trong trường hợp hệ thống lái có tỷ số truyền cố định 61

Hình 4.17: Sự thay đổi của góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc với hệ thống lái có tỷ số truyền thay đổi 62

Hình 4.18: Sự thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc với hệ thống lái

có tỷ số truyền cố định 63

Hình 4.19: Sự thay đổi của góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc của ô tô trong trường hợp hệ thống lái có tỷ số truyền thay đổi. 64

DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

18 ir Tỷ số truyền cơ cấu lái

LỜI NÓI ĐẦU -

Trong những năm gần đây, nền khoa học kỹ thuật thế giới đã phát triển cực kỳmạnh mẽ với nhiều thành công rực rỡ trong tất cả các lĩnh vực đời sống xã hội, đặc biệttrong lĩnh vực công nghệ ô tô Ngày nay chúng ta đã tạo ra được những sản phẩm xe hơi

Nó không những là phương tiện đi lại, vận chuyển mà nó còn là tác phẩm thể hiện sự tiệnnghi, sang trọng Đi cùng với nó là nâng cao tính an toàn tạo ra sự êm ái, thoải mái khiđiều khiển Hệ thống lái là một trong những hệ thống quan trọng nhất quyết định an toàncủa một chiếc xe Chính vì vậy em đã đi tìm hiểu sự cấu tạo và nguyên tắc hoạt động củacác hệ thống lái Tiêu biểu cho sự hiện đại và tương lai sẽ thay thế các hệ thống lái thôngthường là hệ thống lái có trợ lực điện EPS (Electric Power Steering)

Hệ thống lái trợ lực điện EPS có khả năng xử lý rộng rãi nhiều thông tin liên quantới khả năng quay vòng của ô tô, hoàn thiện chất lượng điều khiển và quay vòng, vàkhông phụ thuộc vào tốc độ làm việc của động cơ, điều mà các hệ thống trợ lực lái trước

khó có thể làm được Vì vậy em đã chọn đề tài: “Xây dựng và mô phỏng hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô hiện đại” với mong muốn làm sáng tỏ được vấn đề trên.

Trong quá trình thực hiện đề tài do trình độ và hiểu biết còn hạn chế Nhưng được

sự chỉ bảo tận tình của thầy PHẠM VĂN KIÊM Nay đề tài của em đã được hoàn thành

đúng thời hạn Tuy vậy đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót, kính mong các thầy (cô) đóng góp

ý kiến để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hưng yên, ngày tháng năm 2013

Sinh viên thực hiện:

Trần Hữu Thăng

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Hệ thống lái trợ lực điện xuất hiện sớm trên thế giới nhưng lại là rất mới mẻ vớinước ta Được coi là vượt trội so với các hệ thống lái trợ lực truyền thống như trợ lực thủylực, trợ lực khí nén…và có khả năng đáp ứng được những yêu cầu về tỉ số truyền thayđổi Đây là một yêu cầu rất quan trọng và đặc biệt là đối với các xe ô tô hiện đại ngày

ngay Để hiểu rõ hơn về hệ thống em đã chọn đề tài: “Xây dựng và mô phỏng hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô hiện đại” Nghiên cứu riêng về sử dụng hệ thống lái có tỷ số truyền

thay đổi nói chung cũng như nghiên cứu về đặc tính làm việc của hệ thống trợ lực lái điệnnói riêng

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Phân tích kết cấu của hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô hiện đại

- Phân tích các yêu cầu đối với hệ thống lái của ô tô khi chuyển động ở tốc độ cao,khả năng đáp ứng yêu cầu đòi hỏi thay đổi tỷ số truyền của hệ thống lái trợ lực điện

- Xây dựng được mô hình, mô phỏng nghiên cứu đặc tính làm việc của hệ thống láitrợ lực điện, có kể đến ảnh hưởng của sự biến dạng của lốp, vận tốc của ô tô, mômen tácđộng lên vành tay lái trên máy tính bằng phần mềm Matlab&Simulink

1.3 Phạm vi giới hạn của đề tài

Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống lái trợ lực điện trên xe ô tô hiện đại (KIA Morning).Xây dựng và mô phỏng số bằng phần mềm Matlab&Simulink

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thông qua mô phỏng trên máy tính

Phương pháp này được thực hiện qua các bước:

Bước 1: Tìm hiểu về các vấn đề tỷ số truyền động học, động lực học của hệ thống láiBước 2: Nghiên cứu và thiết lập mô hình toán học (Các phương trình vi phân mô tả

hệ thống và các quy luật vật lý) trên phần mềm Matlab&Simulink

Bước 3: Lập trình giải bài toán mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm MatlabSimulink Chọn một bộ số liệu tính toán cho xe để ứng dụng vào tính toán mô phỏng.Bước 4: Đưa ra các kết quả cụ thể bằng đồ thị Phân tích, thảo luận, đánh giá vànhận xét các kết quả

1.5 Nội dung chính của đồ án

Nội dung chính sẽ được trình bày qua các chương sau:

+ Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

+ Chương 2: Yêu cầu thay đổi tỷ số truyền của hệ thống lái

+ Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thống lái trợ lực điện

+ Chương 4: Mô phỏng số

+ Kết luận và kiến nghị

PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu hệ thống lái

1.1.1 Công dụng

Hệ thống lái là tập hợp các cơ cấu dùng để giữ cho ô tô chuyển động theo mộthướng xác định nào đó và để thay đổi hướng chuyển động khi cần thiết theo yêu cầu cơđộng của xe

Hình 1.1 : Hệ thống lái

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

 Vành lái: Là cơ cấu điều khiển nằm trên buồng lái, chịu tác động trực tiếp củangười điều khiển

 Cơ cấu lái: Là một hộp giảm tốc được bố trí trên khung hoặc vỏ của ô tô đảm nhậnphần lớn tỉ số truyền của hệ thống lái

 Dẫn động lái: Bao gồm đòn quay đứng, đòn kéo dọc, hình thang lái, đòn quayngang, có nhiệm vụ liên kết cơ cấu lái với bánh xe và dẫn động cho bánh xe dẫn hướng

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

- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (theo chiều chuyển động của ô tô) đượcdùng trên ô tô của các nước có luật đi đường bên trái như ở Anh, Nhật, Thuỵ Điển…

 Theo số lượng cầu dẫn hướng

- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước

- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu sau

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

 Theo kết cấu của cơ cấu lái

- Cơ cấu lái loại trục vít – bánh vít

- Cơ cấu lái loại trục vít – cung răng

- Cơ cấu lái loại trục vít – con lăn

- Cơ cấu lái loại trục vít – chốt quay

- Cơ cấu lái loại liên hợp (gồm trục vít, êcu, cung răng)

- Cơ cấu lái loại bánh răng trụ – thanh răng

 Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ trợ lực

- Đảm bảo tính cơ động cao: Tức xe có thể quay vòng thật ngoặt, trong mộtkhoảng thời gian ngắn, trên một diện tích bé.

- Đảm bảo động học quay vòng đúng: Để các bánh xe không bị trượt lê gây mònlốp, tiêu hao công suất vô ích và giảm tính ổn định của xe

- Giảm được các va đập từ đường lên vô lăng khi chạy trên đường xấu hoặc gặpchướng ngại vật

- Điều khiển nhẹ nhàng, thuận tiện: Lực điều khiển lớn nhất cần tác dụng lên vôlăng (Plvmax) được qui định theo tiêu chuẩn quốc gia hay tiêu chuẩn ngành:

+ Đối với xe du lịch và tải trọng nhỏ: Plvmax không được lớn hơn 150 ¸ 200 N

+ Đối với xe tải và khách không được lớn hơn 500 N

- Đảm bảo sự tỷ lệ giữa lực tác dụng lên vô lăng và mômen quay các bánh xe dẫnhướng (để đảm bảo cảm giác đường) cũng như sự tương ứng động học giữa góc quay của

vô lăng và của bánh xe dẫn hướng

1.2 Tính dẫn hướng của ô tô.

Tính dẫn hướng của ô tô là khả năng giữ được hướng chuyển động của ô tô theogóc quay vành lái khi chịu tác dụng của các lực và mômen ngoại cảnh Khi thực hiệnquay vòng thì yêu cầu đặt ra đối với hệ thống lái là phải đảm bảo động lực chuyển động

và quay vòng xe, người lái quay vành tay lái thông qua dẫn động lái và cơ cấu lái làmbánh xe dẫn hướng quay đi một góc

Quỹ đạo chuyển động của ô tô liên quan đến tính dẫn hướng của xe Sự chuyểnđộng của ô tô trên đường phụ thuộc vào rất nhiều mối quan hệ của bánh xe với nềnđường Khi chuyển động trên các đường xá khác nhau cùng với việc sử dụng lốp đàn hồi

đã ảnh hưởng không nhỏ tới khả năng điều khiển cũng như độ ổn định của ô tô Khi đó,tại bánh xe luôn xuất hiện góc lăn lệch (biến dạng bên) do chịu đồng thời lực kéo và lựcbên Hình 1.2 thể hiện biến dạng của lốp khi chịu tác động của lực ngang, biến dạng bênnày làm sai lệch quỹ đạo chuyển động Để khắc phục hiện tượng này thì trong hệ thốnglái cần phải bố trí cơ cấu để bù được sự biến dạng của lốp

Hình 1.2: Biến dạng của lốp

Đối với hệ thống lái trên ô tô một trong những đặc điểm khác so với hệ thống láilắp trên các phương tiện khác là sau khi thực hiện quay vòng, người lái không cần tácđộng lực lên vành lái mà các bánh xe dẫn hướng có khả năng tự động quay về trạng tháichuyển động thẳng Điều này được thực hiện nhờ mômen trả lái về Msat, mômen này xuấthiện đầu tiên là do các quan hệ hình học trong hệ thống lái, đặc biệt là góc Caster đượcthể hiện trên hình 1.3, sau đó là do khi quay vòng xuất hiện lực ngang, lực ngang này làmbiến dạng lốp cao su, sự biến dạng đàn hồi này làm cho xuất hiện mômen để lốp trở vềtrạng thái ổn định

Hình 1.3: Góc Caster và khoảng Caster

Để tăng tính an toàn chuyển động, người ta tăng diện tích tiếp xúc của lốp với mặt

đánh lái với một lực lớn hơn Để giảm nhẹ cường độ lao động cho người lái và tăng tính

an toàn cho hệ thống điều khiển lái hầu hết các xe ô tô đều được trang bị trợ lực lái

1.3 Các hệ thống có trợ lực lái.

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

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lái có trợ lực

Yêu cầu đặt ra đối với trợ lực là:

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

+ Trợ lực lái phải giữ cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường khi quayvòng Điều này đồng nghĩa với khả năng trợ lực cần tăng cao khi mômen cản quay vònglớn và ngược lại khả năng trợ lực cần giảm khi xe chuyển động với tốc độ cao

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

1.3.1 Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

Hệ thống lái trợ lực thủy lực là bộ trợ lực sử dụng một phần công suất động cơ đểtạo ra áp suất dầu thủy lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng để chuyểnhướng chuyển động của ô tô Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đường dầu tại vanđiều khiển

Người điều khiển

Trợ lực lái

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống gồm 3 phần chính: Bơm dầu trợ lực (bơm cánh gạt), van điều khiển, xylanh lực

 Ưu, nhược điểm của hệ thống:

Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực ta thấy hệ thống cócác ưu điểm, nhược điểm là như sau:

- Ưu điểm:

+ Với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực đã giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn sovới hệ thống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực tác động của piston-xy lanh lực lênthanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra

+ Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo được an toàn vềhướng trong quá trình chuyển động

+ Làm việc tin cậy có độ bền cao, chịu được va đập nhẹ

- Nhược điểm:

+ Trong hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, nguồn năng lượng trợ lực được tạo thành do

sự làm việc bơm dầu mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ, sử dụngmột phần công suất của động cơ Trong quá trình chuyển động, ngay cả khi xe chuyểnđộng thẳng thì bơm dầu vẫn làm việc, điều này gây lãng phí công suất động cơ trong khi

hệ thống lái không cần nguồn trợ lực

+ Để đảm bảo được áp suất dầu trợ lực thì hệ thống cần yêu cầu về độ kín khít cao

ở trên đường ống, van do đó thường xuyên phải kiểm tra sự rò rỉ dầu trong hệ thống lái

+ Hệ thống làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống,van Ngoài ra, dầu trợ lực lái khi thải ra còn là nguồn chất thải gây ô nhiểm môi trường

+ Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực là áp suất và lưu lượng của bơm phụ thuộc vào tốc

độ động cơ Trong trường hợp xe chuyển động ở tốc độ thấp, quay vòng ngoặt, lúc nàycần trợ lực lớn, tuy nhiên do tốc độ động cơ thấp, áp suất trong hệ thống thuỷ lực nhỏ ảnhhưởng đến chất lượng trợ lực Khi xe ô tô chuyển động ở tốc độ cao, lưu lượng và áp suấtcủa bơm trợ lực lớn, trong khi điều khiển lái ở tình trạng này lại chỉ cần yêu cầu trợ lựcnhỏ

+ Về mặt tỷ số truyền động học bị hạn chế rất lớn đó là ở tốc độ thấp cần tỷ sốtruyền thấp để người lái quay vòng hiệu quả và ở tốc độ cao cần có tỷ số truyền động họccao vì lúc này mức phản ứng của xe rất nhạy nhưng hệ thống chưa đáp ứng được

+ Trong khi quay vòng ngoặt người điều khiển vẫn phải đánh tay lái khá nhiềuvòng

+ Khi hệ thống trợ lực bị hỏng, lực điều khiển sẽ nặng hơn hệ thống không có trợlực, vì lúc này còn phải thắng lực cản do dầu chuyển động trong hệ thống gây ra

1.3.2 Hệ thống lái trợ lực điện

Hệ thống lái trợ lực điện tạo mômen trợ lực nhờ môtơ trợ lực vận hành lái và giảmlực đánh lái

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điên bố trí trên trục lái.

1: ECU điểu khiển 2: Motor trợ lực 3: Cảm biến mômen.

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

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

+ Motor trợ lực: Motor trợ lực nối với trục lái bằng bộ giảm tốc trục vít – bánh vít

và được điểu khiển bằng ECU, motor có thể đảo chiều và quay ở các tốc độ khác nhau tùytheo mức độ đánh lái của người lái và mômen cản quay vòng

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

 Nguyên lý hoạt động:

Hình 1.7: Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện

Từ hình 1.7 ta thấy nguyên lý làm việc dựa trên nguyên tắc là ECU tiếp nhận cáctín hiệu chính gồm tín hiệu đưa vào từ cảm biến mômen của trục lái và tín hiệu của cảmbiến tốc độ của xe, tín hiệu B+ , chế độ không tải để tính toán điều khiển motor trợ lực phùhợp với điều kiện lái Lực đánh lái càng lớn thì motor trợ lực càng nhiều, nhưng mômentrợ lực sẽ giảm dần khi tốc độ xe tăng dần

+ Trạng thái quay vòng: Khi người điều khiển tác động quay vành lái, xuất hiệnhiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh xoắn, cảm biến mômen thay đổi điện áp tùytheo chiều quay và độ lệch tương đối giữa hai đầu thanh xoắn sau đó truyền tín hiệu vềECU, kết hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU tính toán ra dòng điệnđiều khiển và chiều quay của motor trợ lực cho phù hợp

+ Trạng thái đi thẳng: Trục lái không được tác động do đó không có hiện tượngxoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến mômen không thay đổi điện áp, vì thếECU không điều khiển motor trợ lực và trạng thái đi thẳng được giữ nguyên

 Ưu, nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện:

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

hệ thống trợ lực như sau:

- Ưu điểm:

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

độ thấp thì tỉ số tryền nhỏ và ngược lại xe ở tốc độ cao thì tỉ số truyền lớn là mômen trợlực của động cơ điện được điều khiển thay đổi theo tốc độ của ô tô vì vậy ưu điểm lớnnhất của hệ thống lái này là mômen trợ lực của động cơ điện thay đổi phù hợp theo tốc độcủa xe

+ So với trợ lực thủy lực thì hệ thống lái trợ lực điện không sử dụng bơm dầu đểtạo ra năng lượng trợ lực mà sử dụng một motor điện một chiều, do đó giảm tổn haonhiên liệu từ 2-3%

+ Hệ thống không sử dụng các đường ống dẫn và van phức tạp như hệ thống lái trợlực thuỷ lực

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

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

- Nhược điểm:

+ Kết cấu chế tạo phức tạp

+ Có giá thành cao

+ Chịu va đập kém

CHƯƠNG 2: YÊU CẦU THAY ĐỔI TỶ SỐ TRUYỀN

2.1 Tỷ số truyền động học.

Tỷ số truyền động học biểu hiện quan hệ giữa góc quay trên vành lái với góc quay của bánh xe dẫn hướng

Trong đó: ST - là góc quay của vô lăng (rad)

 - là góc quay của bánh xe dẫn hướng (rad)

Hình 2.1: Quan hệ của góc quay vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng

Khi người lái tác động một lực vào vành tay lái, làm vành tay lái xoay đi một góc.Thông qua cơ cấu lái và dẫn động lái sẽ làm cho bánh xe dẫn hướng quay một góc tươngứng Thông thường cơ cấu lái của xe đảm nhiệm tỷ số truyền động học của hệ thống lái.Khi ô tô dừng, đỗ xe hoặc khi ô tô quay vòng trong điều kiện đánh lái ngoặt, ngườilái bao giờ cũng mong muốn quay vành tay lái một góc nhỏ còn bánh xe dẫn hướng quayvới một góc lớn Tương ứng với lúc đó tỷ số truyền động học đặt ra cần phải nhỏ

Ngược lại, khi ô tô chuyển động ở tốc độ cao, căn cứ vào yêu cầu chuyển động đòihỏi góc quay vòng nhỏ của bánh xe dẫn hướng chính xác thì lúc này tỷ số truyền độnghọc bé sẽ gây ra khó khăn cho người lái Mặt khác, khi ô tô quay vòng ở tốc độ cao, lúcnày lực ly tâm (hay là lực ngang) lớn sẽ làm cho các bánh xe dẫn hướng bị biến dạng dẫnđến tiếp xúc của lốp với mặt đường thay đổi, hay nói một cách khác là góc quay của bánh

xe dẫn hướng bị thay đổi, không còn đảm bảo quan hệ hình học của hệ thống lái ban đầu.Điều đó sẽ làm cho xe rơi vào hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa

Do đó cần phải có một tỷ số truyền động học có khả năng thay đổi để đáp ứng nhucầu chuyển động của xe Để chế tạo cơ cấu lái có khả năng thay đổi tỷ số truyền đòi hỏirất phức tạp, dẫn đến giá thành đắt như một số hệ thống lái cơ khí trước đây Ngày nay,người ta có xu hướng giữ nguyên tỷ số truyền cố định ở cơ cấu lái Thêm vào đó là người

ta sử dụng bộ truyền hành tinh, kết hợp với motor điện, để đơn giản về mặt chế tạo màvẫn đáp ứng được yêu cầu thay đổi tỷ số truyền

2.2 Tỉ số truyền động lực.

Tỷ số truyền lực là tỷ số giữa mômen làm quay bánh xe dẫn hướng (mômen cảnquay vòng tác dụng từ mặt đường đến bánh xe dẫn hướng) và mômen tác động lên vànhtay lái Trong trường hợp hệ thống lái có trợ lực, tỷ số truyền động lực được tính theocông thức

Trong đó: MS - mômen người lái tác động lên vô lăng (N.m)

Mcản - Mômen cản quay vòng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe dẫn hướng (N.m)

Hình 2.2: Quan hệ giữa M s và M a ở các v khác nhau

Trong hệ thống lái có trợ lực, mômen của người lái trên vành lái đóng vai trò làmômen điều khiển mức độ trợ lực Ví dụ, mômen trên vành lái là mômen làm xoay thanh

xoắn trong cơ cấu điều khiển van phân phối của bộ trợ lực (vai trò thanh xoắn được thểhiện trong kết cấu ở hình 3.9) Khi ở vận tốc thấp, mômen cản lớn, mong muốn của ngườilái là lực tác động lên vành tay lái nhỏ, muốn thắng được mômen cản thì mômen trợ lựcphải lớn Trong khi đó, khi quay vòng ở tốc độ cao, mômen trả lái giảm đáng kể, để tạocảm giác cho người lái tức là ta phải giữ nguyên lực đánh lái, do đó phải giảm mômen trợlực, từ đó tỷ số truyền lực cũng thay đổi.

Hình 2.2 biểu diễn mối quan hệ giữa mômen trợ lực phụ thuộc vào mômen vành lái ởcác tốc độ khác nhau

2.3 Yêu cầu thay đổi tỷ số truyền

Để tăng tính ổn định hướng và an toàn chuyển động xe ở tốc độ cao cần phải thayđổi tỷ số truyền

Đối với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì tỉ số truyền lái không thay đổi Do đó,không đáp ứng được yêu cầu rất quan trọng đối với hệ thống lái trên xe ô tô hiện đại ngàynay Để cải thiện điều này, người ta đưa ra hệ thống lái trợ lực thuỷ lực hỗ trợ điện tửEHPS (Electric Hydraulic Power Steering) bằng cách đưa ra thêm các van điện từ vào sauvan phân phối để điều khiển áp suất dầu trợ lực Tuy nhiên, hệ thống EHPS tồn tại nhiềunhược điểm như hệ thống phức tạp, về bản chất là hệ thống thuỷ lực nên tổn hao côngsuất do phải dùng bơm thuỷ lực, các yêu cầu về độ kín khít cao, khối lượng lớn và chiếmdiện tích bố trí lớn Hệ thống lái trợ lực điện EPS đã khắc phục được yêu cầu đó Để thấy

rõ hơn ta đi phân tích xây dựng và mô phỏng hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện

2.3.1. Phân tích ảnh hưởng của các lực và mômen tác dụng lên bánh xe.

Xét trong hệ trục tọa độ không gian thì các bánh xe ô tô chịu tác dụng của các lực vàmômen như hình 2.3:

Hình 2.3: Lực và mômen tác dụng lên bánh xe ô tô

Khi ô tô chuyển động, bề mặt của lốp tiếp xúc với đường ở rất nhiều điểm và tạothành vùng tiếp xúc Do tác dụng tương hỗ giữa bánh xe và đường tại phần tiếp xúc sẽxuất hiện các phản lực riêng phần từ đường tác dụng lên bánh xe, gọi là các phản lực củađường Các phản lực này được biểu thị dưới ba thành phần lực: Phản lực pháp tuyến làthành phần vuông góc với mặt đường, ký hiệu là Fz Phản lực tiếp tuyến nằm trong mặtphẳng bánh xe, ký hiệu Fx Phản lực ngang nằm trong mặt phẳng của đường và vuông gócvới mặt phẳng bánh xe ký hiệu là Fy Bánh xe còn chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng

Gb, lực đẩy từ khung tác dụng lên trục bánh xe Px Ngoài ra còn có các lực và mômen masát trong các ổ trục, mômen quán tính, các lực này có trị số bé nên có thể bỏ qua

Khi chịu lực dọc tác dụng lên bánh xe bị biến dạng dọc, làm cho bán kính bánh xe

bị thay đổi, nếu lực dọc lớn quá sẽ gây ra hiện tượng trượt lê hoặc trượt quay đối với cácbánh xe

Khi chịu lực ngang tác dụng, bánh xe lăn bị biến dạng, các thớ lốp bị uốn cong,mặt phẳng của các bánh xe bị dịch chuyển so với tâm tiếp xúc Quỹ đạo của bánh xe sẽ bịlệch so với hướng chuyển động của bánh xe một góc , góc này được gọi là góc lăn lệchcủa bánh xe Do các bánh xe đều sử dụng lốp đàn hồi cho nên khi chịu các lực tác dụng

nó bị biến dạng và khu vực tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường không phải là một điểmnữa mà là một vùng tiếp xúc Sự phân bố ở khu vực phía trước và khu vực phía sau vếttiếp xúc không đều nhau cho nên tổng hợp các lực tác dụng lên bánh xe sẽ bị lệch khỏitâm của vết tiếp xúc

Do lốp sử dụng là lốp biến dạng đàn hồi cho nên trong quá trình lăn trên đường,biên dạng của vết tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường thay đổi Mặt khác, đặc tính biếndạng của lốp luôn thay đổi theo chế độ tải cho nên cần thiết đưa ra mô hình tính toán lốp

cụ thể cho các trường hợp biến dạng của lốp Biến dạng của lốp có thể xảy ra quá trìnhbiến dạng tuyến tính, biến dạng phi tuyến, tương ứng ta có mô hình tính lốp tuyến tính và

mô hình tính toán lốp phi tuyến

Việc đưa ra các công thức tính toán trong mô hình lốp giúp chúng ta có cơ sở đểtính toán các mối quan hệ của các lực và mômen khi các bánh xe gắn trên xe

2.3.1.1 Quan hệ giữa lực dọc và độ trượt dọc

Nguyên nhân sinh ra trượt là do sự khác nhau giữa vận tốc dài tính tại tâm cầu Vx vớivận tốc dài tính theo vận tốc góc và bán kính động lực học của bánh xe: V1 = r1.w

Độ trượt dọc được định nghĩa như sau:

Trong đó : C1, C2 – là độ cứng dọc của bánh xe trước và bánh xe sau (N/rad)

x1, x2 – là độ trượt dọc của bánh xe trước và bánh xe sau

2.3.1.2 Quan hệ giữa lực ngang và góc lệch bên

Hình 2.4 : Lực và góc lệch bên của bánh xe dẫn hướng.

Góc lệch bên của bánh xe được định nghĩa là góc hợp bởi trục dọc bánh xe và véc

tơ vận tốc v của bánh xe, được mô tả như trên hình 2.4 Với góc lệch bên  nhỏ, khi đóquan hệ giữa lực ngang Fy và góc lệch bên  tỷ lệ với nhau :

Lực ngang tại bánh xe cầu trước được tính theo công thức :

Lực ngang tại bánh xe cầu trước được tính theo công thức :

Trong đó: C1, C2 là độ cứng góc của bánh xe ở cầu trước và cầu sau

2.3.1.3 Quan hệ giữa góc đặt bánh xe, biến dạng của lốp và mômen trả lái về

Hệ thống lái trên ô tô một trong những đặc điểm khác so với hệ thống lái lắp trêncác phương tiện khác là sau khi thực hiện quay vòng, người lái không cần tác động lựclên vành lái mà các bánh xe dẫn hướng có khả năng tự động quay về trạng thái chuyểnđộng thẳng Điều này được thực hiện nhờ mômen trả lái về M , mômen này xuất hiện

đầu tiên là do các quan hệ hình học trong hệ thống lái, đặc biệt là góc Caster được thểhiện trên hình 2.5, sau đó là do khi quay vòng xuất hiện lực ngang, lực ngang này làmbiến dạng lốp cao su, sự biến dạng đàn hồi này làm cho xuất hiện mômen để lốp trở vềtrạng thái ổn định.

Góc caster là góc nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trụ xoay đứng, được xácđịnh bằng góc nghiêng giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng khi nhìn từ cạnh xe Khitrục xoay đứng nghiêng về phía sau gọi là “Caster dương”, ngược lại khi trục xoay đứngnghiêng về phía trước gọi là “Caster âm”

Khoảng cách từ giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng và mặt đường đến tâm điểm tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường được gọi là “Khoảng caster”

Hình 2.5: Góc caster và khoảng caster của bánh xe

Mômen trả lái được xác định như sau:

Sau khi có lý thuyết tính toán lốp làm cơ sở ta sẽ đi nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng của tỷ số truyền đến chất lượng quay vòng của xe ô tô.

2.3.2. Quy luật thay đổi tỷ số truyền động học.

Thực tế, bánh xe ô tô là bánh đàn hồi, do đó khi chịu tác dụng của các lực vàmômen khi quay vòng như đã phân tích ở mục 2.1 sẽ làm cho lốp bị biến dạng, dẫn đếngóc quay bánh xe dẫn hướng thay đổi Để cho người lái vẫn đánh vành tay lái một góc δST

mà bánh xe dẫn hướng vẫn quay một góc δ theo đúng trường hợp lý tưởng, ta phải thayđổi kết cấu hệ thống lái để bù vào góc biến dạng của lốp

Xuất phát từ yêu cầu của hệ thống lái, để cải thiện tính năng quay vòng của ô tôngười ta đưa vào hệ thống lái một tỷ số truyền có khả năng thay đổi Việc tính toán quyluật thay đổi tỷ số truyền này như thế nào được tính toán trên mô hình ô tô hai bậc tự do

Để một ô tô quay vòng đúng, góc đánh lái phụ thuộc vào đường cong ở bất kỳ tốc độ nàođược gọi là góc Ackerman Nói cách khác, góc quay của vô lăng sẽ tương ứng bằng gócquay của bánh xe dẫn hướng nhân với tỷ số truyền của cơ cấu lái Để thực hiện được điềunày ta phải tính toán các giá trị ảnh hưởng đến góc quay của bánh xe dẫn hướng như gócnghiêng ngang thân xe, góc xoay thân xe…

Để đơn giản, một mô hình ô tô hai bậc tự do sẽ được dùng để thành lập và tínhtoán và mô phỏng tính năng quay vòng của xe

2.3.2.1 Mô hình một vết

a) Đặc điểm của mô hình

Mô hình một vết để nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của xe khi quay vòng được

mô tả như trên hình 2.6

Hình 2.6: Mô hình một vết của ô tô

Mô hình có những đặc điểm chính như sau:

+ Mô hình một vết của ô tô được định nghĩa là các bánh xe cầu trước và cầu sauquy về một bánh xe đặt ở tâm cầu trước và cầu sau, chúng được nối với nhau bằng mộtdầm cứng tuyệt đối.

+ Bánh xe chủ động đặt ở cầu sau, bánh xe cầu trước là cầu dẫn hướng, với gócđánh lái δ= δ(t)

+ Khối lượng của xe quy về tại toạ độ trọng tâm, khối lượng các bánh xe cầu trước

và cầu sau chuyển về tâm các cầu

+ Vận tốc tức thời của ô tô v đặt tại trọng tâm Trong quá trình quay vòng, vận tốc

v sẽ tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động và nghiêng đi một góc β, góc này gọi là góc lệchhướng chuyển động

Trong mô hình thân xe được xem như một dầm cứng nối với các bánh xe cầu trước

và bánh xe cầu sau Các lực tác dụng lên bánh xe trước, bánh xe sau bao gồm: Lực kéo

Fx1, Fx2, lực ngang Fy1 ,Fy2, lực cản không khí Fw, lực gió bên FN đặt cách trọng tâm mộtkhoảng e, lực quán tính m và lực ly tâm F1t

Trong quá trình quay vòng, xuất hiện mômen quán tính quay xung quanh trục Tz

và có giá trị Iz

Trong trường hợp tổng quát xét đến sự biến dạng của lốp xe, khi đó các điểm đặtlực tại các điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường bị lệch so với tâm trục bánh xe mộtkhoảng là n1 và n2, do n1<<a, n2<<b nên khi viết các phương trình chuyển động ta có thể

bỏ qua

b) Quan hệ động học

Do lốp của các loại ô tô du lịch là lốp cao su đàn hồi, nên khi bánh xe chuyển độngdưới tác dụng của lực dọc, lực ngang làm thay đổi các thông số hình học của bánh xe, cácthông số hình học làm thay đổi quỹ đạo chuyển động của ô tô

Trường hợp xe quay vòng đúng tâm quay vòng tức thời P nằm trên đường kéo dàitại tâm trục cầu sau Khi ô tô quay vòng, khi đó lực ly tâm xuất hiện, dưới tác dụng củalực ly tâm tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường sinh ra lực ngang, lực ngang nàylàm bánh xe lệch đi một góc α, làm sai lệch quỹ đạo chuyển động của xe, đồng thời làmdịch chuyển tâm quay vòng tức thời P’ của xe

Hình 2.7: Quan hệ động lực học của mô hình một vết

Xét quan hệ hình học như hình 2.6 có thể xác định bán kính quay vòng R tức thờicủa trọng tâm T của ô tô

Phương trình (2.13) là phương trình đặc trưng cho tính năng quay vòng của ô tô và

có thể xảy ra các trường hợp sau:

Trường hợp 1: α1 = - α2 = α: Ô tô có tính chất quay vòng đúng, ở trường hợp này

để giữ cho xe chuyển động thẳng khi có lực bên tác dụng thì người lái cần quay vành taylái như thế nào để xe lệch khỏi trục đường một góc α

Trường hợp 2: α1 > α2: Ô tô có tính năng quay vòng thiếu, ở trường hợp này xe cókhả năng tự giữ được hướng chuyển động nhờ lực ly tâm Flt có chiều ngược với tác dụngcủa lực ngang Fy

Trường hợp 3: α1 < α2: Ô tô có tính năng quay vòng thừa, ở trường hợp này xe bịmất khả năng chuyển động ổn định vì chiều của lực ly tâm Flt trùng với lực ngang Fy Sựmất ổn định càng lớn khi vận tốc của xe càng cao, vì lực ly tâm tỷ lệ với bậc 2 của vậntốc Để tránh khả năng lật đổ xe trong những trường hợp này, người lái phải nhanh chóngđánh lái theo hướng ngược lại với chiều xe bị lệch để mở rộng bán kính quay vòng

V B

V A 2

a b

l

V T T

C

Hình 2.8: Các vị trí của tâm quay vòng tức thời

c) Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của xe

Từ hình 2.6 xây dựng các phương trình cân bằng lực và mômen:

+ Phương trình cân bằng lực và mômen theo phương x:

-m cosβ + mv( )sinβ – Fy1sinδ + (Fx1 – Ff1) cosδ + Fx2 - Ff2 = 0 (2.16)

+ Phương trình cân bằng lực và mômen theo phương y:

-m sinβ - mv( )cosβ + Fy1cosδ + (Fx1 – Ff1) sinδ = 0 (2.17)

+ Phương trình cân bằng mômen quay đối với trọng tâm T của ô tô:

-Iz + Fy1acosδ + (Fx1 – Ff1) asinδ - Ff2b = 0 (2.18)

Cộng vế với vế của các phương trình (2.16), (2.17) và biến đổi ta thu được phươngtrình:

-m (sinβ + cosβ) + mv( )(sinβ-cosβ) + Fy1(cosδ – sinδ) + Fx2

+ (Fx1 – Ff1) (sinδ +cosδ) – Fw - Ff2 = 0 (2.19)

Các phương trình (2.18) và (2.19) mô tả quan hệ giữa các thông số góc quay củabánh xe dẫn hướng, góc lệch thân xe, góc xoay thân xe với vận tốc chuyển động, điềukiện đường và qui luật điều khiển từ người lái (góc quay vành lái) Góc quay thực tế củabánh xe dẫn hướng (góc δ) sẽ sai khác so với góc quay lý thuyết (góc δ) trong điều kiệncùng qui luật điều khiển trên vành lái Muốn đảm bảo xe chuyển động đúng quĩ đạo mongmuốn, hệ thống lái cần có khả năng bù lượng chênh lệch này Một biện pháp khắc phục

có hiệu quả ở đây là thay đổi tỷ số truyền động học của hệ thống lái

2.3.2.2 Xây dựng quy luật thay đổi tỷ số truyền động học.

Hình 2.9: Quan hệ hình học hệ thống lái

Từ mô hình một vết ta có:

Trong đó: R: bán kính quay vòng của xe (m)

δ: Góc quay bánh xe dẫn hướng (rad): vận tốc góc khi quay vòng (rad/s)

vy: Vận tốc trượt ngang (m/s)

l: Chiều dài cơ sở của xe (m)

Để δlt = δ ở đó: δlt =

Trong đó: δST: Góc quay vành tay lái

i: Tỷ số truyền của cơ cấu láiKết hợp (2.20) và (2.21) ta có:

= (2.22)

Trong đó: a, b: Là khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước, cầu sau của xe

m: Trọng lượng toàn bộ của xe

Cα1, Cα2 : Độ cứng bên của lốp trước, sau

δ: Góc quay của bánh xe dẫn hướng

2.3.3. Quy luật thay đổi tỷ số truyền động lực

Khi người lái tác động lên vành tay lái mômen Ms làm quay trục lái, dưới tác dụngcủa các góc Caster, biến dạng của lốp, ở bánh xe sinh ra mômen trả lái về Msat Khi đó tỷ

số truyền lực của hệ thống được tính:

if = =

Hình 2.10: Quan hệ của mômen đánh lái với mômen trả lái về

Mômen trợ lực được xác định:

Ma = Mm.N với: Mm là mômen của motor điện (N.m) (2.28)

N là tỷ số truyền giảm tốcMômen trả lái về được xác định:

MSat = (tp+tm) Fỳ = (tp+tm) C1.1 = (tp+tm) C1 (β + - δ) (2.29)

Thành phần tp là một hàm phụ thuộc vào hệ số ma sát với mặt đường, độ cứng bêncủa lốp, góc lệch bên Nó được tính như sau:

Trong đó: tp0 – biến dạng ban đầu của lốp khi chưa chịu tác động của góc lăn lệch 

 - hệ số ma sát giữa đường và bánh xe

C1 – là độ cứng bên của lốp

Để đơn giản hơn trong tính toán, mômen trả lái về có thể được tính theo côngthức:

MSat =  C1 (β + - δ) (2.31)

+ Ô tô càng ngày chuyển động với vận tốc càng cao, trong khi đó ô tô chịu tácdụng của các lực ly tâm làm thay đổi biến dạng của lốp, dẫn đến động học góc xoay củabánh xe dẫn hướng thay đổi, do đó cần phải có một cơ cấu đề bù lại sự thay đổi này Mặtkhác, khi chuyển động ở tốc độ cao, mômen trả lái về giảm so với vận tốc thấp cho nêntrợ lực trên xe cũng cần phải giảm Từ đó, yêu cầu về sự cần thiết trong hệ thống lái phải

có tỷ số truyền thay đổi để nâng cao tính năng an toàn chuyển động của xe

+ Để có thể thay đổi được tỷ số truyền của hệ thống lái mà vẫn giữ nguyên quyluật điều khiển (cả về lực, cũng như động học của người lái) hợp lý là cần phải thay đổiđặc tính của hệ thống trợ lực

+ So với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực việc thay đổi các đặc tính động học vàmômen của động cơ điện trợ lực dễ dàng và có độ chính xác cao, tác động nhanh hơn nhờ

hệ thống điều khiển điện tử

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN 3.1.Các kiểu hệ thống lái trợ lực điện.

3.1.1. Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1

Là hệ thống có motor điện nằm trên trục lái:

Hình 3.1: Sơ đồ EPS kiểu column-type

Hình 3.1 trình bày nguyên lý làm việc của hệ thống lái EPS với motor điện đặt trêntrục lái ECU nhận các tín hiệu từ cảm biến góc đánh lái, cảm biến mômen và cảm biếnvận tốc để tính toán điều khiển motor trợ lực vào trục lái của hệ thống Với kiểu trợ lựcnày motor và phần điều khiển ECU đặt trên trục lái nên không gian bên dưới phần cơ cấulái và thanh răng gọn nên dễ dàng bố trí và cũng thuận tiện cho công việc tháo lắp bảodưỡng sửa chữa motor và phần điều khiển ECU Vì motor trợ lực đặt trước cơ cấu lái nênmômen lớn nhất của motor không cần phải lớn, điện áp sử dụng cho động cơ điện tươngthích với hệ thống nguồn 12V Hệ thống kiểu này thường được lắp trên xe có khối lượngđặt lên cầu trước < 650 kg