Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện có kết nối máy tính để phục vụ đào tạo

Lý do chọn đề tài: Giúp cho giáo viên và học viên trong quá trình dạy và học có thể: - Trực tiếp quan sát cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái ô tô trợ lực điện trên mô hình;

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

-o0o -

MẠC TIẾN HƯNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO

MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN

CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH ĐỂ PHỤC VỤ ĐÀO TẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khánh Hòa - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

-o0o -

MẠC TIẾN HƯNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO

MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN

CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH ĐỂ PHỤC VỤ ĐÀO TẠO

Khánh Hòa - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Khánh Hòa, ngày …… tháng …… năm 2014

Người nghiên cứu

Mạc Tiến Hưng

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn:

 TS Phùng Minh Lộc – Giảng viên khoa Kỹ thuật giao thông Trường Đại học Nha Trang, người hướng dẫn luận văn

 Quý Thầy, Cô khoa Kỹ thuật giao thông Trường Đại học Nha Trang

 Các bạn học viên lớp cao học Cơ khí động lực khóa 2012-2014, Trường Đại học Nha Trang – Khánh Hòa

Đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt khóa học cũng như thực hiện đề tài này

Khánh Hòa, ngày … tháng … năm 2014

Người nghiên cứu

Mạc Tiến Hưng

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG x

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Giới thiệu về vấn đề nghiên cứu: 1

2 Lý do chọn đề tài: 1

3 Mục tiêu nghiên cứu: 2

4 Đối tượng nghiên cứu: 2

5 Phạm vi nghiên cứu: 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái ô tô trợ lực trên thế giới: 4

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước: 5

1.3 Mục tiêu của đề tài: 7

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu: 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống lái 9

2.2 Tính năng dẫn hướng của hệ thống lái 9

2.3 Công dụng và phân loại hệ thống lái trợ lực 13

2.3.1 Công dụng hệ thống lái trợ lực: 13

2.3.2 Phân loại hệ thống lái trợ lực: 13

2.4 Hệ thống lái trợ lực thủy lực: 14

2.4.1 Cấu trúc tổng quát HTL trợ lực thuỷ lực: 14

2.4.2 Mô hình toán học HTL trợ lực thuỷ lực: 14

2.4.3 Đặc tính trợ lực lái: 15

2.4.4 Giải pháp điều khiển thay đổi hệ số trợ lực lái: 16

2.4.5 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện : 16

2.5 Hệ thống lái trợ lực điện : 16

2.5.1 Trợ lực trên trục lái: 18

2.5.2 Trợ lực trên cơ cấu lái ô tô: 26

2.5.3 Cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện : 29

2.5.3.1 Cảm biến tốc độ đánh lái: có 2 loại 30

2.5.3.2 Cảm biến mô men lái: có 3 loại 31

2.5.3.3 Cảm biến tốc độ ô tô: Gồm 4 loại 33

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CÁC BÀI THỰC HÀNH TRÊN MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN 36

3.1 Bài 1: Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động hệ thống lái trợ lực điện 36

3.1.1 Cấu tạo của hệ thống lái trợ lực điện: 36

3.1.2 Vận hành thiết bị để tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống : 36

3.2 Bài 2: Các hư hỏng thường gặp và biện pháp khắc phục 37

3.2.1 Một số nguyên nhân gây hư hỏng: 37

3.2.2 Tạo các Pan hư hỏng trên mô hình: 39

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH .40

4.1 Lựa chọn phương án: 40

4.1.1 Lựa chọn hệ thống lái trợ lực điện trên mô hình: 41

4.1.2 Lựa chọn phương án tạo mô men cản của mặt đường: 48

4.2 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí của mô hình: 50

4.3.Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển của mô hình: 53

4.3.1 Mạch tạo tín hiệu cảm biến tốc độ xe: 53

4.3.2 Thiết kế mạch giao tiếp máy tính: 54

4.3.3 Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển trung tâm: 58

4.3.4 Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển động cơ điện trợ lực: 64

4.4 Viết chương trình cho vi điều khiển: 66

4.4.1 Xây dựng quy luật điều khiển: 66

4.4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển chính 69

4.5 Xây dựng phần mềm kết nối máy tính: 71

4.5.1 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình: 71

4.5.2 Khái quát về Visual Basic 6.0 [10]: 72

4.5.3 Truyền thông nối tiếp với Visual Basic: 72

4.5.4 Thiết kế giao diện: 74

4.5.5 Viết lệnh cho các đối tượng: 76

4.5.6 Viết chương trình với ngôn ngữ Visual Basic [10]: 77

CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 83

5.1 Hướng dẫn sử dụng mô hình 83

5.1.1 Mô tả các chức năng trên bảng điều khiển Panel: 83

5.1.1.1 Màn hình hiển thị LCD: 83

5.1.1.2 Các lựa chọn trên Panel điều khiển: 84

5.1.2 Thử nghiệm vận hành mô hình: 87

5.1.2.1 Công tác chuẩn bị: 87

5.1.2.2 Vận hành thiết bị: 87

5.2 Kết quả thử nghiệm mô hình: 88

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 95 6.1 Kết luận: 95

6.2 Kiến nghị hướng phát triển của đề tài: 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

 ABS (Anti-lock Brake System): Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe

 CAN (Controller Area Network): Vùng mạng điều khiển

 ECU (Electronic Control Unit): Bộ điều khiển điện tử

 EPS (Electronic Power Steering): Hệ thống lái trợ lực điện

 HPS (Hydraulic Power Steering) : Hệ thống lái trợ lực thủy lực

 EHPS (Electronic Hydraulic Power Steering) : Hệ thống lái trợ lực thủy lực – điện

 HTL: Hệ thống lái

 HTP: Hệ thống phanh

 4WD (Four Wheel Driver): Bốn bánh xe chủ động

 4WS (Four Wheel Steering): Hệ thống lái 4 bánh xe

 DTC (Diagnostic trouble code): Mã chẩn đoán hư hỏng

 DLC (Data link connector): Giắc cắm kết nối dữ liệu

 VI (Virtual Instrument): Thiết bị ảo

 PPS (Progressive Power Steering): Bộ cường hoá tích cực

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Mô hình thiết kế hộp ECU điều khiển hệ thống lái trợ lực điện 6

Hình 2.1 Ô tô quay vòng 9

Hình 2.2 Thông số kích thước ô tô hai trục, có hai bánh xe phía trước dẫn hướng 10

Hình 2.3 Kết cấu và phản lực ở một bánh xe dẫn hướng 11

Hình 2.4 Góc nghiêng trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc của ô tô 12

Hình 2.5 Sơ đồ độ chụm của bánh xe dẫn hướng .13

Hình 2.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống lái ô tô trợ lực thủy lực 14

Hình 2.7 Sơ đồ khối mô hình toán học HTL ô tô có trợ lực 14

Hình 2.8 Đồ thị đặc tính trợ lực 15

Hình 2.9 Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên trục lái 17

Hình 2.10 Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết rời 18

Hình 2.11 Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết kế liền .18

Hình 2.12 Cơ cấu trợ lực lái điện trợ lực trên trục lái 19

Hình 2.13 Sơ đồ tổng quát của hệ thống lái ô tô trợ lực trên trục lái .20

Hình 2.14 Bố trí các cụm và Tablô thể hiện đèn báo lỗi P/S .21

Hình 2.15 Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển động cơ điện trợ lực lái theo phương pháp điều khiển điện áp .22

Hình 2.16 Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển động cơ điện trợ lực lái theo phương pháp điều khiển dòng điện .23

Hình 2.17 Mạch tương đương của động cơ điện 23

Hình 2.18 Sơ đồ điều khiển tổng quát của ECU trợ lực lái điện 24

Hình 2.19 Điều khiển chế độ động cơ điện 25

Hình 2.20 Đặc tính điều khiển 25

Hình 2.21 Mô hình toán học của hệ thống trợ lực trên trục lái của ô tô 26

Hình 2.22 Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái 27

Hình 2.23 Các bộ phận của động cơ điện và cảm biến góc quay 27

Hình 2.24 Cụm động cơ điện và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay .28

Hình 2.25 Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống trợ lực trên cơ cấu lái 28

Hình 2.26 Tín hiệu quan trọng để điều khiển motor trợ lực lái 29

Hình 2.27 Mô phỏng mô hình toán học của hệ thống lái trợ lực trên cơ cấu lái 29

Hình 2.28 Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái 30

Hình 2.29 Cảm biến tốc độ đánh lái (góc đánh lái) loại Hall 30

Hình 2.30 Đặc tính, vị trí làm việc của cảm biến mô men lái loại lõi thép trượt 31

Hình 2.31 Cấu trúc và đặc tính của cảm biến mô men lái loại lõi thép xoay .32

Hình 2.32 Cảm biến mô men lái loại 4 vành dây .32

Hình 2.33 Sơ đồ nguyên lý và xung của cảm biến mô men lái loại 4 vành dây .33

Hình 2.34 Ba loại cảm biến tốc độ ô tô 34

Hình 2.35 Cảm biến tốc độ ô tô loại MRE 35

Hình 4.1 Sơ đồ khối mô hình hệ thống 40

Hình 4.2 Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Ford focus 2012 .41

Hình 4.3 Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios .42

Hình 4.4 Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Kia morning .44

Hình 4.5 Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Lexus .45

Hình 4.6 Các bộ phận cơ bản của Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios 2007 .46

Hình 4.7 Sơ đồ đấu dây của cảm biến mô men xoắn 46

Hình 4.8 Sơ đồ đấu dây của động cơ điện trợ lực .47

Hình 4.9 Cơ cấu tạo mô men cản 49

Hình 4.10 Mạch điều xung cho li hợp điện từ 49

Hình 4.11 Thiết kế Khung mô hình 50

Hình 4.12 Thiết kế Dẫn động lái 50

Hình 4.13 Mô phỏng lắp ráp các chi tiết 51

Hình 4.14 Bản vẽ lắp được xây dựng trên Solid Work 51

Hình 4.15 Mô hình thực tế nhìn từ phía sau 52

Hình 4.16 Mô hình thực tế nhìn từ phía trước 52

Hình 4.17 Tín hiệu tốc độ xe hồi về ECU trợ lực lái 53

Hình 4.18 Mạch giả lập tín hiệu tốc độ xe 54

Hình 4.19 Sơ đồ chân của các đầu cắm DB 9 và DB 25 56

Hình 4.20 Sơ đồ chân của vi mạch MAX 232 57

Hình 4.21 Sơ đồ khối của vi mạch MAX 232 57

Hình 4.22 Mạch giao tiếp máy tính 58

Hình 4.23 Sơ đồ chân và sơ đồ đóng gói của vi điều khiển Atmega16 59

Hình 4.24 Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển Atmega16 .60

Hình 4.25 Sơ đồ nối dây mạch điều khiển 63

Hình 4.26 Board mạch in mạch điều khiển 64

Hình 4.27 Board mạch điều khiển sau khi chế tạo 64

Hình 4.28 Sơ đồ nối dây mạch công suất động cơ 65

Hình 4.29 Board mạch in mạch công suất động cơ 66

Hình 4.30 Board mạch công suất động cơ sau khi chế tạo 66

Hình 4.31 Mối quan hệ giữa mô men đánh lái và điện áp ra của cảm biến mô men xoắn .67

Hình 4.32 Mối quan hệ giữa mô men đánh lái và dòng điện trợ lực khi xe đứng yên 68

Hình 4.33 Bản đồ điều khiển của ECU-EPS trong hệ thống lái trợ lực điện 68

Hình 4.34 Lưu đồ giải thuật chương trình chính 69

Hình 4.35 Lưu đồ giải thuật chương trình cập nhật dữ liệu 70

Hình 4.36 Lưu đồ giải thuật chương trình gửi dữ liệu vào máy tính 71

Hình 4.37 Biểu tượng thành phần comm trong VB 6 73

Hình 4.38 Giao diện chính của Visual Basic 75

Hình 4.39 Cửa sổ viết lệnh của Visual Basic 77

Hình 4.40 Biểu đồ phân bố các chức năng của chương trình 77

Hình 5.1 Hiển thị của màn hình LCD khi hệ thống không quay lái 83

Hình 5.2 Hiển thị của màn hình LCD khi hệ thống làm việc có trợ lực lái 84

Hình 5.3 Các lựa chọn trên Panel điều khiển 84

Hình 5.4 Jack cho phép kiểm tra tình trạng cảm biến mô men trên Panel điều khiển 86 Hình 5.5 Dữ liệu đồ thị trường hợp 1 88

Hình 5.6 Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 1 89

Hình 5.7 Dữ liệu đồ thị trường hợp 2 89

Hình 5.8 Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 2 90

Hình 5.9 Dữ liệu đồ thị trường hợp 3 90

Hình 5.10 Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 3 91

Hình 5.11 Dữ liệu đồ thị trường hợp 4 91

Hình 5.12 Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 4 92

Hình 5.13 Dữ liệu đồ thị trường hợp 5: tải = 0, V xe = 199 Km/h 92

Hình 5.14 Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 5 tải = 0, V xe = 199 Km/h 93

Hình 5.15 Dữ liệu đồ thị trường hợp 5 tải = max, V xe = 200 Km/h 93

Hình 5.16 Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 6 tải = max, V xe = 200 Km/h 94

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 3.1 Một số nguyên nhân hư hỏng của hệ thống lái ô tô trợ lực điện 37

Bảng 4.1 Bảng chỉ dẫn kỹ thuật 47

Bảng 4.2 Tên và các đường chức năng của các đường tín hiệu 56

Bảng 4.3 Mô tả các đặc tính quan trọng cho việc lập trình 74

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu về vấn đề nghiên cứu:

Trong những năm gần đây, ngành công nghệ ô tô phát triển rất nhanh đặc biệt

là các hệ thống điều khiển cơ khí, thủy lực, khí nén… được thay thế điều khiển bằng

điện Trong đó, hệ thống lái ô tô trợ lực bằng điện (Electric Power Steering – EPS) là

một trong những hệ thống đang được ứng dụng rất mạnh mẽ trên hầu hết các hãng xe trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Hiện nay, tất cả những dòng xe của các hãng như: Toyota, Kia, Honda, Ford, Mitsubishi, BMW, Lexus … đều đã sử dụng hệ thống EPS”

Hệ thống lái ô tô trợ lực bằng điện (EPS) làm việc trên cơ sở phụ thuộc năng lượng của ắc quy, thực hiện các chức năng trợ lực thông thường nhưng có nhiều ưu điểm nổi bật so với các hệ thống lái trợ lực truyền thống trước đây:

- Hệ thống EPS có kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo dưỡng

- Giảm tiêu tốn nhiên liệu, một số nghiên cứu cho thấy rằng nhiên liệu tiêu tốn tiết kiệm (5% – 8%) so với cùng một xe trang bị hệ thống lái trợ lực thủy lực

(Hydraulic Power Steering - HPS)

- Không phụ thuộc vào tốc độ vòng quay của động cơ

- Cho phép góp phần hạn chế lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ nhiệt bằng cách thu hồi năng lượng của động cơ nhiệt khi dư thừa cấp cho bình tích năng lượng (ắc quy) và sau đó sử dụng với mục đích hỗ trợ lực điều khiển của người lái

- Tạo điều kiện kiểm soát chặt chẽ quá trình làm việc của hệ thống lái thông qua các đèn báo, giúp nâng cao khả năng đảm bảo an toàn trong chuyển động của ô tô

Tuy nhiên, áp dụng các công nghệ điện tử sẽ làm phức tạp thêm hệ thống, đồng thời người sử dụng cần chăm sóc hệ thống cung cấp điện (máy phát điện, ắc quy…) phải thật tốt hơn

2 Lý do chọn đề tài:

Giúp cho giáo viên và học viên trong quá trình dạy và học có thể:

- Trực tiếp quan sát cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái ô tô trợ lực điện trên mô hình;

- Biết được các pan thường gặp của hệ thống lái trợ lực điện, cách khắc phục;

- Thấy rõ sự hoạt động hệ thống lái ô tô trợ lực điện thông qua dữ liệu hiển thị trên máy tính, đồng thời từ máy tính có thể điều khiển các chế độ hoạt động của hệ thống lái

3 Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện có thể tự vận hành ở các chế độ hoạt động tương đồng với thực tế; mô hình có tự tạo được các pan thông dụng để giúp dễ dàng trong công tác đào tạo nghề;

- Vận dụng các kiến thức lý thuyết về hệ thống lái trên ô tô trợ lực điện, lý thuyết về vi điều khiển, thiết kế mạch giao tiếp, mạch điều khiển, viết chương trình giao tiếp giữa mô hình và máy vi tính, nhằm giúp cho quá trình dạy và học được tốt hơn, giúp cho giáo viên và học viên có thể trực tiếp quan sát sự hoạt động của hệ thống qua dữ liệu hiển thị trên máy tính

4 Đối tượng nghiên cứu:

- Hệ thống lái ô tô trợ lực điện;

- Mô hình giảng dạy hệ thống lái trợ lực điện có giao tiếp máy tính thông qua ngôn ngữ lập trình Visual Basic;

- Nghiên cứu ứng dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic

5 Phạm vi nghiên cứu:

Đề tài là mô hình dạy học nên phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu lý thuyết về hệ thống lái ô tô trợ lực điện, mạch giao tiếp giữa máy tính với mô hình thông qua ngôn ngữ lập trình Visual Basic, thiết kế giao diện mô phỏng trên máy tính và thiết kế bố trí mô hình

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Việc nghiên cứu đề tài này sẽ góp phần cho phép tiếp cận các kiến thức điều khiển hiện đại đang được áp dụng vào kỹ thuật ô tô, đây cũng là cơ sở để hình thành các định hướng nghiên cứu trong ngành; các tiếp cận còn cho phép mở rộng các nghiên cứu theo hướng nâng cao độ tin cậy hoặc cải thiện các hệ thống điều khiển hiện đại áp dụng cho ngành kỹ thuật ô tô ở Việt Nam trong tương lai

Nền công nghiệp ô tô hiện nay không ngừng phát triển, các thành tựu nghiên cứu cơ - điện tử từng bước được ứng dụng vào các sản phẩm trong ngành và luôn đưa

ra hướng cải thiện các hệ thống trên ô tô do nhiều yếu tố khác nhau, trong đó quá trình điện hóa trên xe đang hình thành và phát triển ở thị trường Việt Nam Điều đó có

nghĩa sẽ cần nguồn nhân lực có trình độ kỹ thuật cao Tuy nhiên, thực trạng của quá trình đào tạo tại các trường đại học, cao đẳng và trung cấp trong điều kiện hiện nay, khó có thể trang bị đủ các trang thiết bị hiện đại phục vụ quá trình đào tạo Sản phẩm nghiên cứu về mô hình này là cơ hội để sinh viên phần nào tiếp cận được kiến thức cần thiết và nâng cao khả năng tư duy lí luận trong chuyên môn nhằm đáp ứng được nhu cầu công việc sau này

Góp phần hiện đại hóa phương tiện và phương pháp dạy thực hành trong Giáo dục và Đào tạo, từng bước nâng cao trình độ của sinh viên trước khi ra trường

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái ô tô trợ lực trên thế giới:

Trên thế giới, hệ thống lái ô tô trợ lực ra đời là một phát minh lớn trong sự phát triển của ngành ô tô

Năm 1876, một người tên Fitts đã chế tạo hệ thống lái trợ lực đầu tiên trên một chiếc ô tô Hệ thống lái trợ lực tiếp theo được đặt trên một xe tải Columbia 5 tấn vào năm 1903

Có thể kể đến một phát minh khác được đăng ký ngày 03 tháng 04 năm 1900 của Robert E Twyford, một cư dân của Pittsburgh, Pennsylvania, Hoa Kỳ, về hệ thống lái trợ lực cơ khí như một phần của bằng sáng chế của mình cho các hệ thống truyền động bốn bánh đầu tiên

Sau đó Francis W Davis, một kỹ sư của bộ phận xe tải Pierce Arrow bắt đầu khám phá cách lái có thể được thực hiện dễ dàng hơn, và vào năm 1926 đã chế tạo hệ thống lái trợ lực thực tế đầu tiên Davis chuyển đến General Motors và tinh chế các hệ thống lái trợ lực thủy lực hỗ trợ, nhưng hãng tính toán nó sẽ là quá đắt để sản xuất Davis sau đó đăng ký với tổng công ty Bendix , một nhà sản xuất phụ tùng ô tô

Năm 1951, Tổng công ty Chrysler giới thiệu thương mại đầu tiên hệ thống trợ lực lái trên xe khách Chrysler Imperial dưới cái tên "Hydraguide" Hệ thống Chrysler được dựa trên một số bằng sáng chế đã hết hạn của Davis Năm 1952, General Motors giới thiệu xe Cadillac với một tay lái trợ lực hệ thống bằng cách sử dụng công Davis đã làm cho công ty gần hai mươi năm trước đó Trong cuối những năm 1960, General Motors cung cấp một hệ thống lái trợ lực biến tỷ lệ như một lựa chọn trên xe Pontiac và các loại xe khác

Năm 1965, Ford đã thử nghiệm với "wrist-twist instant steering" được trang

bị Mercury Park Lanes thay thế cho tay lái lớn thông thường

Năm 1990, Toyota giới thiệu thế hệ thứ hai đó là loại xe Toyota MR2 với trợ lực lái điện - thủy lực Năm 1994, Volkswagen sản xuất Mark 3 Golf Ecomatic, với một máy bơm điện Kết cấu này cho phép hệ thống lái trợ lực sẽ vẫn hoạt động trong khi động cơ đã được ngừng lại bởi máy tính để tiết kiệm nhiên liệu Hệ thống điện - thủy lực có thể được tìm thấy trong một số xe: Ford, Volkswagen, Audi, Peugeot, Citroen, Seat, Suzuki, Opel, Mini, Toyota, Honda và Mazda

Hệ thống lái ô tô trợ lực điện đầu tiên xuất hiện trên xe Suzuki Cervo trong năm 1988

Năm 2000, Honda tung ra S2000 Loại V được trang bị đầu tiên trên thế giới

hệ thống lái trợ lực điện thay đổi tỉ số truyền (VGS) Năm 2003, Toyota giới thiệu hệ thống lái trợ lực điện trên xe Lexus LX 470 và Landcruiser Cygnus, và cũng kết hợp

hệ thống kiểm soát ổn định điện tử để thay đổi tỷ lệ bánh lái và lái hỗ trợ các cấp Năm

2003, BMW trang bị hệ thống thống lái trợ lực điện trên dòng xe V

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Nhờ sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về HTL ô tô nói chung và HTL ô tô trợ lực điện nói riêng và đã đưa vào ứng dụng có hiệu quả, ngày càng được cải tiến và tối ưu hóa quá trình điều khiển của hệ thống Theo đó, nội dung chương trình và công nghệ chế tạo mô hình phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu cũng được thực hiện hoàn thành và đánh giá tốt

Trong công tác nghiên cứu, ở Việt Nam những năm gần đây cũng đã có một

số cán bộ khoa học công nghệ đi sâu nghiên cứu các hệ thống ô tô đặc biệt là HTL và

hệ thống phanh Nhóm các cán bộ nghiên cứu của các trường Đại học cũng đã có nhiều nỗ lực ứng dụng các phần mềm chuyên dụng như Alaska 2.3, Sap 90, Simulink trong quá trình nghiên cứu ô tô Việt Nam chúng ta đang xây dựng nền công nghiệp ô tô ở giai đoạn lắp ráp và tiến hành chương trình nội địa hóa các cụm chi tiết và phụ tùng ô tô xe máy Trong đó cũng có một số công trình nghiên cứu đã được công bố như:

* Thạc sĩ Lê Thanh Nhàn [4], Nghiên cứu thiết kế chế tạo ECU điều khiển trợ

lực lái điện (xem hình 1.1) Nội dung nghiên cứu chủ yếu của đề tài:

- Đề tài đã giới thiệu một cách khái quát các hệ thống lái điều khiển trợ lực, đặc tính và các trường hợp khi hệ thống hoạt động thực tế, qua đó người thực hiện đã lập trình và xử lý các tình huống để có được hệ thống lái an toàn và tiện lợi

- Giới thiệu tổng quan về vi điều khiển và

ngôn ngữ lập trình Assembly, các ứng dụng vi điều

khiển trong việc hiển thị thông tin trên LCD, các

mạch chuyển đổi tín hiệu và các mạch điều khiển,

trên cơ sở đó lựa chọn các linh kiện điện tử thông

dụng trên thị trường Việt Nam để thiết kế mạch

điều khiển trợ lực lái điện Đồng thời đề tài đã xây

dựng được sơ đồ khối điều khiển, lưu đồ thuật toán

điều khiển, lập trình phần mềm nạp vào vi điều

khiển và chế tạo thành công mạch điều khiển trợ

lực lái điện

- Sau khi chế tạo hoàn thiện đã tiến hành

thử nghiệm trên mô hình, việc thử nghiệm thực tế

vẫn chưa thực hiện được

Tuy nhiên, đề tài chỉ tập trung ứng dụng vi

điều khiển và các đặc tính làm việc của hệ thống lái

trợ lực điện để thiết kế hộp ECU điều khiển Do đó,

còn hạn chế trong việc ứng dụng vào giảng dạy chuyên ngành hay điều khiển thay đổi các thông số làm việc của hệ thống Ngoài ra, mô hình chỉ giới hạn cho một loại ô tô

cụ thể là Suzuki, chưa đáp ứng cho các hãng xe khác

* Thạc sĩ Trần Văn Lợi [3], Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lái không

trục lái Nội dung nghiên cứu của đề tài:

- Ứng dụng phần mềm LabVIEW để điều khiển cơ cấu lái không thông qua trục lái

- Tạo cảm giác lái của mô hình xác thực với cảm giác lái của hệ thống lái thực

tế trên ô tô

- Thiết kế mô hình với bánh xe dẫn hướng không tiếp xúc với mặt đường

Đề tài có nhiều tính năng mới nổi bật về ứng dụng phần mềm LabVIEW điều khiển, tạo cảm giác lái dựa trên sức cản mặt đường Tuy nhiên, đề tài cũng còn một số hạn chế về kỹ thuật, an toàn như: Truyền động không thông qua trục lái nên tính năng

về độ tin cậy của hệ thống chưa cao, đề tài chỉ dừng lại ở mức độ mô hình và thực nghiệm chưa ứng dụng được vào thực tế

Hình 1.1 Mô hình thiết kế hộp ECU điều khiển hệ thống lái trợ lực điện [4]

Ngoài ra, còn một số công trình nghiên cứu khác như: GS.TSKH Đỗ Sanh cũng lãnh đạo một nhóm nghiên cứu về động học, động lực học trong đó có một phần nghiên cứu về động học quay vòng xe ở tốc độ cao Thạc sĩ Nguyễn Hồng Vũ với đề tài tính toán động lực học quay vòng cho bánh xe dẫn hướng

Trong thời gian qua, việc giảng dạy về HTL ô tô có trợ lực điện ở nước ta còn gặp nhiều khó khăn là do mảng thiết bị và mô hình dạy học của hệ thống chưa nhiều, giá thành của các thiết bị ngoại nhập khá cao, nhiều trường khó có thể trang bị Việc nghiên cứu và chế tạo các mô hình phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu vẫn còn

ở quy mô nhỏ, phần lớn là do nhu cầu cấp thiết của công tác giảng dạy nên tự thiết kế

và thi công trên các thiết bị sẵn có Một số công ty sản xuất đồ dùng dạy học ở nước ta cũng đã nghiên cứu chế tạo nhiều thiết bị, mô hình dạy học về HTL ô tô có trợ lực điện trên cơ sở các chi tiết và thiết bị nhập từ nước ngoài về, nhưng rất đơn giản, phần lớn là chỉ dùng để dạy về cấu tạo và giới thiệu về nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống Các mô hình này thiếu một số chức năng cần thiết để học tập và nghiên cứu trên

mô hình, như không quan sát được các chế độ hoạt động của hệ thống, không đo kiểm được một số thông số cơ bản …

Nhìn chung, với các thiết bị và mô hình đã có, chưa thể đáp ứng được nhu cầu giảng dạy và nghiên cứu ở nước ta hiện nay về hệ thống lái ô tô có trợ lực điện

1.3 Mục tiêu của đề tài:

Trong lĩnh vực dạy học và nhất là trong lĩnh vực đào tạo nghề, mô hình dạy học đóng vai trò quan trọng Việc giao tiếp giữa máy tính và mô hình giảng dạy giúp giáo viên chủ động trong quá trình lên lớp và việc truyền thụ kiến thức cũng như rèn luyện kỹ năng nghề cho các học viên được thuận tiện hơn Giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị máy móc dùng trong sản xuất công nghiệp đã được ứng dụng khá phổ biến nhưng dùng trong dạy học thì còn hạn chế Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo

mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện có kết nối máy tính để phục vụ đào tạo ” đã được chọn làm đề tài nghiên cứu nhằm có thể áp dụng những thành tựu mà phần mềm này mang lại, giúp cho các giáo viên và các học viên có thêm một phương tiện mới để học tập và nghiên cứu

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu:

* Tìm hiểu lý thuyết về nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ thống lái ô tô trợ lực thủy lực (Hydraulic Power Steering – HPS), trợ lực thủy lực -

điện (Electric Hydraulic Power Steering – EHPS) đang được ứng dụng trên ô tô hiện nay Từ đó rút ra các nhược điểm của các hệ thống

* Tìm hiểu lý thuyết về nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái ô tô trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS)

* Nghiên cứu một số sơ đồ mạch điện điều khiển hệ thống lái ô tô trợ lực điện của một số hãng xe

* Nghiên cứu lý thuyết động học quay vòng và động học của hệ thống lái ô tô

để tìm ra mô men quay của vành tay lái và mô men cản do mặt đường tác dụng lên hệ thống lái Từ đó tìm ra phương pháp lập trình điều khiển hệ thống từ ngôn ngữ lập trình Visual Basic

* Tìm hiểu và ứng dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic điều khiển hệ thống

và thay đổi một số thông số cần thiết như: tốc độ ô tô, tốc độ động cơ và mô men cản quay vòng…

* Nghiên cứu lý thuyết vi điều khiển để thiết kế các card giao tiếp từ máy tính với mô hình thông qua ngôn ngữ lập trình Visual Basic để truyền và nhận tín hiệu

* Nghiên cứu thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống lái ô tô trợ lực điện có kế nối máy tính theo ngôn ngữ lập trình Visual Basic

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống lái

- Hệ thống lái có chức năng điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe theo một hướng nhất định tùy theo tác động của người lái Việc điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe có thể là duy trì phương chuyển động hoặc thay đổi phương chuyển động hiện tại của xe Hai quá trình này được gọi chung là quay vòng xe

- Hệ thống lái có nhiệm vụ dẫn hướng xe nhưng phải đảm bảo khi ô tô quay vòng mà các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết hay trượt quay và luôn ổn định trong suốt quá trình xe hoạt động

2.2 Tính năng dẫn hướng của hệ thống lái

Tính năng dẫn hướng của ô tô dựa trên cơ sở lý thuyết sau:

Khi ô tô quay vòng thì đường vuông góc với véctơ vận tốc chuyển động của tất cả các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm (động học quay vòng)

Để đảm bảo khi ô tô quay vòng mà các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết hay trượt quay thì đường vuông góc với véctơ vận tốc chuyển động của tất cả các bánh

xe phải gặp nhau tại một điểm (P) Điểm đó gọi là tâm quay tức thời (hình 2.1)

Hình 2.1 Ô tô quay vòng [1]

a Ô tô hai trục – 2 bánh xe phía trước dẫn hướng;

b Ô tô hai trục – 2 bánh xe phía sau dẫn hướng;

c Ô tô hai trục – 4 bánh xe dẫn hướng;

d ô tô bốn trục – 4 bánh xe phía trước dẫn hướng

Giả sử ô tô hai trục, trục trước dẫn hướng có thông số kích thước như hình 2.2

Hình 2.2 Thông số kích thước ô tô hai trục, có hai bánh xe phía trước dẫn hướng [1]

Để đảm bảo cho ô tô khi quay vòng như trên, phải thỏa mãn biểu thức sau:

CDBC

PCBC

CDPCBC

PCAD

PDCotg



L

BCotgCotgβ  

Trong đó:

B – khoảng cách hai tâm trục trụ cam xoay;

L – khoảng cách hai tâm trục cầu

Như vậy: Trong ô tô có hai trục - hai bánh xe dẫn hướng phía trước, để các bánh xe khi quay vòng không bị trượt lết hay trượt quay thì phải thỏa mãn biểu thức:

L

BCotgCotgβ  Dẫn hướng của ô tô phải ổn định

Tính năng dẫn hướng của ô tô phải ổn định có nghĩa là các bánh xe dẫn hướng

có khả năng giữ được vị trí ban đầu ứng với ô tô chuyển động thẳng hoặc tự quay về vị trí này sau khi các bánh xe dẫn hướng bị lệch

Tính ổn định của bánh xe dẫn hướng được duy trì dưới tác dụng của các thành phần:

- Phản lực thẳng đứng;

Z1.cosβ – song song với tâm trục quay đứng;

Z1.sinβ – vuông góc với Z

Góc doãng là góc nghiêng của bánh xe dẫn hướng

Trên hình 2.3.b Thể hiện hình chiếu bằng của bánh xe dẫn hướng có thành phần phản lực Z1.sinβ tác dụng lên bánh xe

Giả sử bánh xe dẫn hướng này được xoay một góc θ, khi đó Z1.sinβ có thể phân thành 2 thành phần lực:

Z1.sinβ.cosθ nằm trong mặt phẳng đi qua đường tâm của cam xoay;

Z1.sinβ.sinθ nằm trong mặt phẳng giữa của bánh xe dẫn hướng

Như vậy, mômen ổn định được tạo ra bởi tác dụng của phản lực thẳng đứng mặt đường Z1 và độ nghiêng ngang β của trụ quay đứng:

MZβ = bn.Z1.sinβ.sinθ

Với: bn - khoảng cách từ tâm mặt phẳng tựa của bánh xe đến trục của trụ quay đứng

Nhận xét:

Muốn mômen ổn định MZβ thì tăng góc β của bánh xe dẫn hướng Ý nghĩa chủ yếu của mômen này là làm cho các bánh xe dẫn hướng tự động quay về vị trí trung gian sau khi thực hiện quay vòng

Phản lực bên

Khi ô tô chuyển động trên đường lúc quay vòng sẽ có phản lực bên Py Py này

có thể do lực ly tâm tác dụng, hoặc khi chuyển động có gió thổi ngang, hay thành phần bên của trọng lực khi ô tô chạy trên mặt đường nghiêng, ở khu vực tiếp xúc của bánh

xe với mặt đường sẽ xuất hiện phản lực bên Py này

Hình 2.4 Góc nghiêng trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc của ô tô [1]

Nhờ vào góc nghiêng của trụ quay đứng đặt nghiêng về phía sau 1 góc γ so với chiều dài của ô tô trong mặt phẳng dọc thì phản lực bên Py sẽ tạo với tâm tiếp xúc O một mômen ổn định như sau (hình 2.4):

Myγ = PY.c

Trong đó:

c – khoảng cách từ O đến đường tâm trục trụ cam xoay, c= rb sinγ;

Py – phản lực ngang đặt tại điểm O

Nên: Myγ =Py rb.sinγ

Myγ có xu hướng làm quay bánh xe trở về vị trí trung gian khi lệch khỏi vị trí này

Khi quay vòng, người lái phải tạo ra thêm một lực để khắc phục mômen này,

vì vậy góc γ thường không lớn, trị số của góc γ đối với ô tô hiện nay là (0÷3)°

Mômen ổn định Myγ không phụ thuộc vào góc xoay của bánh xe dẫn hướng Phản lực tiếp tuyến

Khi ô tô chuyển động thẳng, hai bánh xe dẫn hướng có thể chụm lại hoặc mở

ra (hình 2.5) do lực cản lăn tiếp tuyến với mặt đường gây nên

Hình 2.5 thể hiện độ chụm của bánh xe dẫn hướng

Hình 2.5 Sơ đồ độ chụm của bánh xe dẫn hướng [1]

Khi phía trước của hai bánh xe gần nhau hơn phía sau của hai bánh xe khi nhìn

từ trên xuống thì gọi là độ chụm đầu (sự bố trí ngược lại gọi là độ mở)

Độ chụm được xác định bằng hiệu số của hai khoảng cách giữa các đầu nút trước (A)

và sau (B) của vành bánh xe nằm ở chiều cao tâm bánh xe

Công dụng của độ chụm: ngăn ngừa khả năng gây ra độ chụm âm do tác động

của lực cản lăn khi xuất hiện những khe hở và đàn hồi trong hệ thống trục trước và dẫn động lái

2.3 Công dụng và phân loại hệ thống lái trợ lực

2.3.1 Công dụng hệ thống lái trợ lực:

Trợ lực của hệ thống lái ô tô có tác dụng giảm nhẹ cường độ lao động của người lái, giảm mệt mỏi khi xe hoạt động trên đường dài Đặc biệt trên xe có tốc độ cao, trợ lực lái còn nhằm nâng cao tính an toàn chuyển động khi xe có sự cố ở bánh xe như nổ lốp, hết khí nén trong lốp và giảm va đập truyền từ bánh xe lên vành tay lái

Để cải thiện tính êm dịu chuyển động, phần lớn các xe hiện đại đều dùng lốp bản rộng, áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc với mặt đường Kết quả là cần một lực lái lớn hơn

Lực lái có thể giảm bằng cách tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái Tuy nhiên, việc

đó lại đòi hỏi phải quay vô lăng nhiều hơn khi xe quay vòng dẫn đến không thể thực hiện được việc quay vòng ngoặc gấp

Vì vậy, để giữ cho hệ thống lái nhanh nhạy trong khi vẫn chỉ cần lực lái nhỏ, cần phải có trợ lực lái

2.3.2 Phân loại hệ thống lái trợ lực:

Hệ thống lái trợ lực được sử dụng phổ biến rộng rãi trên tất cả các ô tô với nhiều hình thức trợ lực khác nhau Nhưng chủ yếu phụ thuộc 2 nhóm chính:

- Nhóm trợ lực thủy lực

- Nhóm trợ lực điện

2.4 Hệ thống lái trợ lực thủy lực:

2.4.1 Cấu trúc tổng quát HTL trợ lực thuỷ lực:

Hình 2.1 là sơ đồ tổng quát HTL ô tô trợ lực thuỷ lực bao gồm các bộ phận chính sau: Vành lái, trục lái, bình chứa dầu, bơm trợ lực, cơ cấu lái, van điều khiển, xy lanh trợ lực và các ống dẫn dầu thủy lực

Hình 2.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống lái ô tô trợ lực thủy lực [8]

2.4.2 Mô hình toán học HTL trợ lực thuỷ lực:

Dựa trên mô hình tổng quát của hệ thống lái ô tô trợ lực thuỷ lực, ta có thể xây dựng mô hình toán học như sau:

Hình 2.7 Sơ đồ khối mô hình toán học HTL ô tô có trợ lực

5a 5b

1- Vô lăng; 2- Trục lái chính; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái;

5a, 5b – Bánh xe dẫn hướng; 6- Xi lanh trợ lực;

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

Trên mô hình toán học (Hình 2.7) của HTL có trợ lực có bố trí thêm phần tử 6,

đó là phần tử trợ lực Phần tử trợ lực tạo ra một lực PTL tác động vào cơ cấu lái để hỗ trợ cho lực của người lái Như vậy, cơ cấu lái 3 sẽ là bộ phận tổng hợp của 2 lực: Lực

do mô men M1 được chuyển hoá từ lực của người lái P1 và lực PTL sinh ra do phần tử trợ lực Cả 2 thông số này đều biến đổi theo lực cản quay vòng của ô tô

2.4.3 Đặc tính trợ lực lái:

Trong thiết kế hệ thống trợ lực lái người ta có thể chọn chế độ điều khiển sao cho lực lái P1 đặt trên vô lăng tương đối nhỏ, khoảng (30 - 50)N ở vị trí PCmax Tuy nhiên, nếu đặc tính này bất biến thì sẽ xảy ra tình trạng mất cảm giác lái ở tốc độ cao

vì khi xe chạy tốc độ cao thì lực cản quay vòng nhỏ và lực đặt trên vành tay lái rất nhỏ làm mất cảm giác mặt đường của người lái Vì vậy, trong các HTL ô tô trợ lực hiện đại người ta thực hiện chế độ điều khiển thay đổi hệ số trợ lực lái, tức là ở tốc độ càng cao càng phải giảm phần PTL và có thể giảm tới 0 Khi đó coi như hệ thống trợ lực không làm việc Nói cách khác, người ta có thể tạo ra một chùm các đặc tính trợ lực (các đường tia trên đồ thị đặc tính trợ lực, xem Hình 2.8

2.4.4 Giải pháp điều khiển thay đổi hệ số trợ lực lái:

Một số xe của hãng HONDA đời từ 1992 trở về trước sử dụng một bơm dầu phụ lắp ở trục dây công tơ mét để tạo ra dòng dầu có lưu lượng thay đổi theo tốc độ ô

tô tác động vào van trợ lực nên dẫn đến giảm hệ số trợ lực

2.4.5 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện :

Hệ thống lái ô tô trợ lực thủy lực điều khiển điện có nhiều loại được thiết kế

bố trí khác nhau với các kiểu như sau:

- Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực thực hiện điều khiển lưu lượng

- Hệ thống trợ lực thủy lực với van điện từ trên mạch dầu van trợ lực lái

- Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ tại cửa vào ra của van trợ lực

- Hệ thống lái trợ lực thủy lực với cách thay đổi tốc độ bơm trợ lực lái

* Nhược điểm của hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực:

- Hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực có kích thước tương đối cồng kềnh, khó lắp đặt và bảo dưỡng

- Tiêu tốn nhiên liệu do phải thường xuyên kéo bơm thủy lực trong quá trình

tăng Để đáp ứng cho các đòi hỏi này, việc nghiên cứu và phát triển theo xu hướng cải

thiện hệ thống điều khiển điện nhằm mục đích nâng cao hơn nữa các chức năng và đặc tính của nó Điểm đặc biệt đó gồm hai đề xuất là giới thiệu lôgíc toán học và hệ thống lái chuyên sâu phù hợp với môi trường xe chạy bằng cách thay đổi các trợ lực cho phù hợp với điều kiện giao thông hoặc điều kiện bề mặt đường để tạo cảm giác nhạy bén khi lái xe Vấn đề quan trọng nhất là khả năng phản ứng tức thời của trợ lực lái, gây cảm giác cho người lái làm họ phải chú ý đến sự biến đổi do phản lực lái gây ra Như vậy, hệ thống cung cấp cho người lái xe các thông tin cần lưu ý trong điều kiện vận hành của phương tiện, ví dụ: Sự biến đổi vận tốc và gia tốc, phản lực lái, không chỉ cải thiện mối quan hệ giữa người 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 không đồng đều mà nguyên nhân do sự xáo trộn gây ra cũng có thể

được giải quyết

Trợ lực lái điện (Electric Power Steering – EPS) là một hệ thống điện hoàn chỉnh làm giảm đáng kể sức cản hệ thống lái bằng cách cung cấp trợ lực trực tiếp từ động cơ điện tới hệ thống lái Thiết bị này bao gồm có cảm biến tốc độ xe, một cảm biến lái (mô men, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một động cơ điện trợ lực Tín hiệu đầu ra từ mỗi cảm biến được đưa tới ECU có chức năng tính toán chế độ điều khiển lái để điều khiển hoạt động của động cơ trợ lực

Hệ thống lái ô tô trợ lực điện gồm có 3 loại trợ lực cơ bản:

 Động cơ điện trợ lực bố trí trên trục lái (Hình 2.9)

 Động cơ điện lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết kế rời (Hình 2.10)

 Động cơ điện trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết kế liền (Hình 2.11)

Hình 2.9 Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên trục lái [13]

Cơ cấu lái trục răng – thanh răng

Cảm biến

mô men

Trục lái

Trục vít bánh vít

Ly hợp điện từ

Hình 2.10 Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên cơ cấu lái

và được thiết rời [13]

và được thiết kế liền [13]

Hình 2.12 Cơ cấu trợ lực lái điện trợ lực trên trục lái [13]

a Bố trí tổng quát b Cụm động cơ điện trợ lực

Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát (Hình 2.12 và 2.13), trên đó có thể nhận thấy các tín hiệu đầu vào của ECU-EPS gồm 4 nhóm tín hiệu chính:

1- Nhóm tín hiệu từ cảm biến mô men lái

2- Tín hiệu tốc độ ô tô: Tín hiệu này có thể gửi trực tiếp về ECU-EPS hoặc truyền

dữ liệu thông qua mạng CAN (Controller Area Network)

3- Tín hiệu tốc độ động cơ (xung NE từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECU động cơ và mạng CAN truyền tới ECU-EPS

4- Nhóm dữ liệu cài đặt và tra cứu thông qua giắc kết nối dữ liệu DLC3 (Data Link Connector) để truy nhập các thông tin cài đặt và tra cứu thông tin làm việc của hệ thống và báo lỗi hệ thống

Hình 2.13 Sơ đồ tổng quát của hệ thống lái ô tô trợ lực trên trục lái [13]

Hình 2.14 Bố trí các cụm và Tablô thể hiện đèn báo lỗi P/S [13]

Những sự cố trong quá trình vận hành hệ thống được ghi lại trong bộ nhớ của ECU- EPS và cảnh báo bằng đèn P/S trên táplô (Hình 2.14)

Động cơ điện 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 2.15), tốc độ quay và mô men của động cơ điện trợ lực được điều khiển chủ yếu căn cứ vào tín hiệu của cảm biến mô men lái và cảm biến tốc độ đánh lái

Đèn báo trợ lực

Hình 2.15 Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển động cơ điện trợ lực lái

theo phương pháp điều khiển điện áp [4]

Khi ô tô 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

ra dẫn tới động cơ điện để đạt được vận tốc phản hồi tốt (vận tốc phản hồi hệ thống lái) Và điều này sẽ đưa đến cho hệ thống lái những tính năng tiện lợi Khi ô tô đang chạy ở vận tốc cao 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 mô men chống rung thường tỉ lệ với với tốc độ động cơ được phát ra

- Trong phương pháp thứ hai – Điều khiển chống rung, mô men động cơ điện sinh ra sẽ ngược chiều với chiều quay của động cơ với V = 0 khi vành lái được tự do

Phương pháp điều khiển dòng điện (Current Control Method): (xem Hình 2.16)

Trong phương pháp này, giá trị cần đạt được đối với dòng điện của động cơ điện tương ứng với mô men của động cơ được thiết lập để nó bằng với tín hiệu tốc độ phản hồi của cảm biến tốc độ động cơ

Hệ thống điều khiển

Hệ thống cảm biến

Cb mô men Cảm biến tốc độ xe Cảm biến tốc

độ đánh lái

Hệ thống lái

Hình 2.16 Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển động cơ điện trợ lực lái theo

phương pháp điều khiển dòng điện [4]

Hai phương pháp điều khiển trên dựa trên mối quan hệ các thông số của động

cơ điện Trong mạch tương đương của động cơ điện (xem Hình 2.17), mối liên hệ giữa điện áp cực Vm trở kháng L, điện trở R, sức điện động cố định K, tốc độ quay vòng N, cường độ dòng điện i, thời gian t được thể hiện trong công thức:

Vm=L(di/ dt) + R.i + K.N (2.1) = R.i + k.N (2.2) Trong đó cường độ dòng điện i tỉ lệ với mô men quay của động cơ điện Tm

Hình 2.17 Mạch tương đương của động cơ điện

Từ công thức (2.2), có hai phương pháp điều khiển động cơ điện Trong phương pháp điều khiển dòng điện (Hình 2.16), dòng điện mục tiêu của động cơ IT (tỉ

lệ với mô men quay TM) được xác định tín hiệu đầu ra T của cảm biến mô men, sự điều khiển được thực hiện để không có sự khác biệt giữa giá trị dòng điện mục tiêu IT

và giá trị tìm ra IM thông qua sự phản hồi của cảm biến dòng điện

Trong phương pháp điều khiển điện áp (Hình 2.19), có hai điện áp thành phần được đưa vào và lấy ra Điện áp thành phần đưa vào (VM1 = R.i = kT.TM; trong đó kT là

hệ số tỉ lệ cố định) Tương ứng với mô men, điện áp thành phần lấy ra VM2 được tính toán dựa trên tín hiệu đầu ra của cảm biến mô men và điện áp thành phần của động cơ điện (VM2 = k.N) Nó tương xứng với tốc độ của động cơ điện khi được tính toán dựa trên tín hiệu đầu ra θ1 từ cảm biến vận tốc góc của bánh lái

Sơ đồ điều khiển tổng quát của cả hệ thống được mô tả trên Hình 2.18

Hình 2.18 Sơ đồ điều khiển tổng quát của ECU trợ lực lái điện [4]

Trong đó các tín hiệu từ cảm biến mô men lái, tốc độ ô tô, điện áp ắc quy, góc quay vô lăng được gửi về bộ sử lý trung tâm (ECU) Từ đây, ECU tính toán chế độ điều khiển đã được lập trình sẵn và điều khiển mạch công suất (Drive Unit) và các Transistor hoặc các mạch tổ hợp MOSFET được điều khiển ON/OFF để cấp điện cho động cơ điện trợ lực

MOSFET

Phương pháp điều khiển các MOSFET dẫn động động cơ điện (Hình 2.19)

Hình 2.19 Điều khiển chế độ động cơ điện [4]

Các đặc tính của quá trình điều khiển (Hình 2.20)

Hình 2.20 Đặc tính điều khiển [4]

Trong tương lai, để giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa động cơ điện trợ lực thông thường được thay bằng động cơ bước (không cần cổ góp và chổi than)

Mô hình toán học của hệ thống này có thể được mô phỏng như sau:

Hình 2.21 Mô hình toán học của hệ thống trợ lực trên trục lái của ô tô

1- Vô lăng; 2- Trục lái chính; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái;

5a, 5b – Bánh xe dẫn hướng; 6- Động cơ điện 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 TL – Mô men trợ lực lái

2.5.2 Trợ lực trên cơ cấu lái ô tô:

Phương pháp điều khiển động cơ điện riêng được lắp ở cơ cấu lái cũng tương

tự như cách điều khiển động cơ điện trên trục lái chính đã được trình bày ở phần 2.4.1

Phương án tối ưu nhất là động cơ điện trợ lực được chế tạo liền với cơ cấu lái

và là một bộ phận cấu thành của cơ cấu lái (Hình 2.22) Phương án này rất gọn, tuy nhiên giá thành hệ thống cao Phương án này đang được áp dụng cho dòng xe Lexus

và xe lai

Phần kéo dài của thanh răng được chế tạo dưới dạng trục vít và trục vít này ăn khớp với ruột của rôto motor trợ lực lái thông qua các viên bi tuần hoàn (Rôto rỗng ruột và có các rãnh ren vít, xem Hình 2.24)

Để điều khiển chế độ trợ lực (Điều khiển động cơ điện trợ lực), cảm biến mô men lái gửi tín hiệu giá trị mô men về EPS-ECU (Hình 2.20), EPS-ECU sẽ tính toán chế độ trợ lực theo chương trình đã được cài đặt sẵn và điều khiển động cơ điện trợ lực bằng chuỗi xung để tạo ra các mức điện áp khác nhau tùy theo việc cần trợ lực mạnh hay yếu

5a 5b

Hình 2.22 Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái [13]

Hình 2.23 Các bộ phận của động cơ điện và cảm biến góc quay [13]

Hình 2.24 Cụm động cơ điện và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay [13]

Toàn bộ hệ thống điều khiển được mô tả trên Hình 2.25

Hình 2.25 Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống trợ lực trên cơ cấu lái [13]

Trong hệ thống điều khiển này, để tăng độ nhạy chấp hành và giảm kích thước cũng như trọng lượng động cơ điện điều khiển, EPS-ECU có thêm mạch tăng thế, nâng điện áp điều khiển lên gấp đôi (24V) Các tín hiệu từ động cơ, hệ thống phanh thông qua mạng CAN gửi về EPS-ECU, còn các tín hiệu từ các cảm biến khác được gửi trực tiếp về EPS-ECU EPS-ECU sẽ tính toán và đưa ra lệnh điều khiển động cơ điện trợ lực, trong đó tín hiệu của cảm biến mô men đóng vai trò quan trọng nhất (Hình 2.26)