nghiên cứu xây dựng phần mềm giảng dạy hệ thống lái tích cực

+ Hệ thống lái phải điểu khiển dễ dàng, tiện nghi và độ bền cao, rất an toàn , ít xẩy ra các sự cố hư hỏng Một số nước còn quy định một số yêu cầu cụ thể khác đối với hệ thống lái của ô

Kính gửi: Viện Cơ khí Động lực

ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

1 Họ và tên học viên: Hoàng Văn Đại SHHV: CB100446

2 Chuyên ngành: Kỹ thuật Ôtô và xe chuyên dụng

Lớp: Kỹ thuật ôtô và xe chuyên dụng (KT) - VH - CH2010B

3 Người hướng dẫn: TS Hồ Hữu Hải

4 Đơn vị: Bộ môn Ôtô và xe chuyên dụng - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

5 Tên đề tài (tiếng Việt): Nghiên cứu xây dựng phần mềm giảng dạy hệ thống lái tích cực

6 Tên đề tài (tiếng Anh): Study to design educational software for active steering systems

7 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Hệ thống lái tích cực (Active steering system) là một hệ thống đang được nghiên cứu ứng dụng trên ô tô hiện đại, các giáo trình và tài liệu giảng dạy chuyên ngành kỹ thuật ô tô dùng cho các trường đại học và cao đẳng chưa đề cập đầy đủ về hệ thống này Việc nghiên cứu tìm hiểu hệ thống sẽ giúp bổ sung tư liệu giảng dạy và nghiên cứu về kỹ thuật ô tô tại các trường đại học, cao đẳng;

Hiện nay các phương tiện giảng dạy và công nghệ giảng dạy đã phát triển đến trình độ rất cao, đòi hỏi cán bộ giảng dạy phải chuẩn bị các mô đun bài giảng có cấu trúc đảm bảo tính sư phạm cao, đáp ứng các mức yêu cầu chiếm lĩnh nội dung bài học khác nhau Việc nghiên cứu xây dựng mô đun bài giảng điện tử áp dụng các phần mềm sẽ giúp nâng cao hiệu quả quá trình dạy học, giúp bồi dưỡng đội ngũ cán bộ giảng dạy tại các trường đại học, cao đẳng Đề tài nghiên cứu xây dựng phần mềm giảng dạy hệ thống lái tích cực có ý nghĩa khoa học về mặt chuyên môn và có ý nghĩa thực tiễn về ứng dụng tại các trường đại học, cao đẳng tại Việt Nam

8 Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được): Mô đun phần mềm giảng dạy hệ thống lái tích cực dùng cho giảng dạy tại các trường cao đẳng, đại học

9 Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:

- Nghiên cứu lịch sử phát triển hệ thống lái tích cực,

- Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý làm việc của hệ thống lái tích cực,

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay giao thông ở nước ta giữ một vai trò rất quan trọng trong sự phát triểncủa nền kinh tế và đời sống xă hội , trong đó ôtô là một phương tiện giao thông phổbiến nhất

Trong những năm gần đây nghành vận tải ôtô phát triển với tốc độ cao, nhiềukiểu dáng mẫu mã hợp thị hiếu khách hàng Ở Việt Nam xe hơi đã bắt đầu được sửdụng rộng rãi Tuy nhiên nhu cầu đi lại của con người vẫn chưa được thỏa mãn Dovậy các hãng sản xuất xe không ngừng cải tiến, ứng dụng đưa những thành tựu khoahọc kỹ thuật vào nghành thiết kế và chế tạo ôtô nhằm làm tăng công suất, tốc độ vàgiảm suất tiêu hao nhiên liệu, giảm độ độc hại của khí thải…Những cải tiến trên lànhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người và những quy định khắt khe về

ô nhiễm môi trường

Với tốc độ phát triển giao thông như hiện nay thì việc đảm bảo an toàn chocon người là điều rất quan trọng vì vậy đòi hỏi các ôtô phải có hệ thống điều khiểnđáng tin cậy, an toàn và tiện nghi

Hệ thống lái tích cực là một hệ thống đã được nghiên cứu và ứng dụng trêncác xe ô tô hiện đại trong những năm gần đây, nó đáp ứng được những yêu cầu khắtkhe của hệ thống lái ,nó là định hướng cơ bản cho sự nghiên cứu, ứng dụng và pháttriển của hệ thống lái trong tương lai

Các giáo trình và tài liệu giảng dạy chuyên nghành kỹ thuật ô tô dùng trongcác trường đại học và cao đẳng chưa đề cập đầy đủ về hệ thống này.Việc nghiêncứu và xây dựng mô dun bài giảng điện tử áp dụng các phần mềm sẽ giúp nâng caohiệu quả quá trình dạy học,giúp bồi dưỡng thêm kiến thức đội ngũ cán bộ giảng dạytại các trường

Đề tài nghiên cứu xây dựng phần mềm giảng dạy hệ thống lái tích cực có ýnghĩa khoa học về mặt chuyên môn,và có ý nghĩa thực tiễn về ứng dụng tại cáctrường đại học và cao đắng tại Việt Nam

Với nôi dung trên Tôi được giao đề tài: “ Nghiên cứu xây dựng phần mềmgiảng dạy hệ thống lái tích cực ”

Nội dung của đề tài gồm có các phần sau:

1) Nghiên cứu lịch sử phát triển của hệ thống lái tích cực

2) Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý làm việc của hệ thống lái tích cực

3) Nghiên cứu hệ thống lái bằng dây

4) Nghiên cứu ứng dụng phần mềm PowerPoin xây dựng mô đun phần mềm giảngdạy hệ thống lái tích cực dùng cho các trường đại học , cao đẳng

Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã được thầy giáo hướng dẫn PGS T.S

Hồ Hữu Hải đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi về mặt tinhthần cũng như tài liệu tham khảo để tôi hoàn thành các nội dung trong đề tài Mặc dù đã rất cố gắng hoàn thành đề tài nhưng trình độ bản thân còn nhiều hạnchế nên đề tài không tránh khỏi những sai sót Rất mong được sự thông cảm và góp

ý của quý thầy và các bạn để đề tài này được hoàn thiện hơn

Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡtôi trong quá trình thực hiện đề tài này

Vinh, ngày tháng năm 2012

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Hoàng văn Đại

CHƯƠNG I: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC

1.1 Hệ thống lái trên ô tô

1.1.2 Khái nệm chung về hệ thống lái

Hệ thống lái là một hệ thống trên xe ô tô mà thông qua các thao tác của conngười can thiệp vào hệ thống để điều khiển các bánh xe dẫn hướng nhằm điềuchỉnh, ổn định hướng chuyển động của xe , đảm bảo an toàn giao thông trênđường

Các yêu cầu cơ bản của hệ thống lái :

+ Cho phép quay vòng xe một cách dễ dàng trên một đơn vị diện tích

mặt đường nhỏ

+ Các bánh xe dẫn hướng khi ra khỏi đường vòng phải tự động quay về

trạng thái chuyển động thẳng, hoặc là để quay bánh xe về trạng thái chuyển

động thẳng chỉ cần tác động lên vành tay lái một lực nhỏ hơn lực tác động khi lái xe vào đường vòng

+ Đối với hệ thống lái có trợ lực , phải cho phép điều khiển được xe khi hệ thốngtrợ lực có sự cố

+ Hệ thống lái phải điểu khiển dễ dàng, tiện nghi và độ bền cao, rất an toàn , ít xẩy

ra các sự cố hư hỏng

Một số nước còn quy định một số yêu cầu cụ thể khác đối với hệ thống lái của ôtô: + Với hệ thống lái không có trợ lực, số vòng quay toàn bộ của vành tay lái khôngđược quá 5 vòng, tương ứng với góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong về cảhai phía kể từ vị trí trung gian là 35 độ Ở vị trí biên cần phải có vấu tỳ hạn chếquay của bánh xe

+ Khi đi trên đường cong có bán kính không đổi bằng 12m với tốc độ 10km/h, lựcđặt trên vành tay lái tối đa không vượt quá 250N

+ Đảm bảo khả năng bị động của xe , không gây tổn thương lớn cho người sử dụngkhi bị đâm chính diện

Với những yêu cầu trên của hệ thống lái thì các hệ thống lái thông dụng đã phần lớnđáp ứng được những yêu cầu trên

1.1.3.Cấu trúc cơ bản của hệ thống lái cơ khí

Sau đây là hai hệ thống lái cơ bản của hệ thống lái cơ khí

+ Hệ thống lái cơ học loại bánh vít –trục vít

Hình:1.1 Hệ thống lái cơ học loại trục vít – bánh vít

1-Vô lăng hay vàn tay lái, 2-Trục lái, 3-Trục vít,

4-Bánh vít dạng hình quạt, 5-Đòn quay đứng, 6-Thanh kéo dọc,

7-Đòn quay ngang, 8-Mặt bích, 9-Thanh nối, 10-Thanh ngang

11-Cầu trước hay dầm đỡ, 12-Trục ( trụ ) đứng

Hình:.1.2 Hệ thống lái cơ học loại thanh răng – bánh răng

1- Vô lăng, 2- Trục lái, 3- Cơ cấu lái, 4- Thanh kéo, 5- Tay đòn

6- Trục ( trụ ) đứng, 7- Trục hay ngỗng trục, 8- Bánh xe dẫn hướng

Hệ thống lái cơ học loại thanh răng – bánh răng gồm có : Vành tay lái

hay vô lăng 1 cố định với trục lái 2 Trục lái 2 lồng hay đặt trong ống lái và

nối với trục bánh răng A của cơ cấu lái 3.Thanh kéo 4 cố định với thanh răng B của

cơ cấu lái và nối bản lề với tay đòn 5 Tay đòn 5 cố định với trục hay ngỗng trục 7của bánh xe dẫn hướng 8 và quay xung quanh trục đứng 6

+ Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống:

Khi thay đổi hướng chuyển động của ôtô ,giả sử quay vòng sang bên trái, người láiphải quay vành tay lái hay vô lăng 1 theo chiều mũi tên hay ngược chiều kim đồng

hồ ,qua cơ cấu lái của bánh vít , trục vít hay bánh răng thanh răng làm dịch chuyểncác đòn , thay đổi các góc của hình thang lái làm cho các bánh xe dẫn hướng xoayquanh trục đứng theo chiều quay của vô lăng theo một tỷ lệ nhất định với góc quaycủa vô lăng thực hiện nhiệm vụ chuyển hướng

+ Để thực hiện được các yêu cầu cơ bản, hệ thống lái được thiết kế kết cấu và cácgóc cơ bản sau:

Tỷ số truyền của hệ thống lái ôtô :

Hệ thông lái là một loại cơ cấu truyền chuyển động từ vành tay lái đến đòn chuyểnhướng tại bánh xe dẫn hướng Trong phạm vi hệ thống lái có thể phân biệt các tỷ sốtruyền sau :

- Tỷ số truyền của hộp số lái ( I l1 ) : Là tỷ số truyền của góc quay của vành taylái chia cho góc quay của đòn lắc chuyển hướng

-Tỷ số truyền của hộp số lái có thể có trị số cố định hoặc có thể tăng hoặc

giảm khi vành tay lái được quay khỏi vị trí trung gian

Đối với xe du lịch sẽ có lợi hơn nếu sử dụng hộp số lái với tỷ số truyền thay đổi Điều này làm tăng tính an toàn khi ôtô chạy nhanh , vì khi vành tay lái dược quaymột góc nhỏ thì các bánh xe dẫn hướng xoay ít hơn Ngoài ra với tỷ số truyền củahộp số lái cao thì sự rung động của các bánh xe dẫn hướng ở tốc độ cao sẽ ảnhhưởng ít hơn đến người lái

Công thức tính tỷ số truyền: il=α

l1/ αl2 =il1 il2 α

l1 :góc quay vành tay lái

αl2: góc quay bánh dẫn hướng

1.1.4 Đánh giá về hệ thống lái cơ học loại thường ( không có trợ lực )

Các hệ thống lái cơ học loại thường ( không có trợ lực ) đã đáp ứng được

phần lớn các yêu cầu của hệ thống lái nhưng vẫn chưa được hoàn thiện ở chỗ khiquay xe người lái phải sử dụng lực tương đối lớn tác dụng lên vành tay lái để làmquay bánh dẫn hướng gây ra mệt mỏi cho người lái chính vì thế mà hệ thống lái đã

có cải tiến thêm phần trợ lực và đã đáp ứng được các yêu cầu trên

1.2 Hệ thống lái cơ học loại cường hóa ( có trợ lực ) :

1.2.1 Khái niệm chung về hệ thống lái có trợ lực :

Hệ thống lái trợ lực là hệ thống lái có khả năng tạo ra lực đẩy phụ hỗ trợ lái xe quayvòng tay lái khi quay vòng Việc trang bị hệ thống lái trợ lực sẽ

mang lại những lợi ích sau đây :

+ Giảm nhẹ cường độ lao động của người lái khi quay vòng xe, người lái chỉ cầntác động lên vành tay lái một momen nhỏ hơn so với trường hợp hệ thống lái không

có trợ lực

+ Nâng cao tính an toàn trong trường hợp có sự cố ở bánh xe (như nổlốp , bánh xenon hơi, vv ) vì trong những trường hợp như vậy việc điều khiển xe sẽ không quákhó khăn như trường hợp không có trợ lực

+ Giảm va đập từ các bánh xe lên vành tay lái

Ở các xe đời cũ hệ thống trợ lực lái chủ yếu là hệ thống lái trợ lực thủy lực, do vậytôi chỉ giới thiệu hệ thống trợ lực thủy lực

1.2.2 Bộ trợ lực thủy lực :

Hình:.1.4 Sơ đồ hệ thống trợ lực thủy lực

1- Vành tay lái; 2- Van điều khiển; 3- Bơm dầu;

4-Bình dầu; 5- Thanh răng; 6- Pittông trợ lực

1.2.3 :Cấu tạo bộ trợ lực thủy lực:

Hình:.1.4 Bộ trợ lực thủy lực

Ở hệ thống này thanh răng được thiết kế hơi khác so với hệ thống lại thườngmột chút Một phần của thanh răng có chứa một xilanh và một piston luôn ở vị trígiữa Piston được nối với thanh răng Có hai đường ống dẫn chất lỏng ở hai bên củapiston ( thường là dầu không chịu nén ) Một dòng chất lỏng có áp suất cao sẽ đượcbơm vào một đầu đường ống để đẩy piston dịch chuyển hỗ trợ thanh răng dịchchuyển Như vậy khi ta đánh lái sang bên nào thì cũng có sự hỗ trợ của hệ thốngthủy lực sang bên đó

1- Con trượt phân phối; 2- Thanh răng

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của bộ trợ lực lái thủy lực:

Khi xoay vành tay lái, sự cản trở gây ra bởi trọng lượng xe và sự ma sát giữabánh xe và mặt đường gây ra sự xoắn trên thanh xoắn làm van xoay bị lệch Sự thayđổi vị trí của van xoay dẫn hướng cho dầu chảy đến đúng đầu của xilanh lực Sựkhác nhau về áp lực dầu trên hai mặt piston làm thanh răng dịch chuyển nhờ vậygiảm được lực lái Đầu bên kia của xilanh lực sẽ bị đẩy về bình chứa của bơm Khingừng xoay vành tay lái, lực xoắn của thanh xoắn sẽ đẩy van xoay về vị trí trungtâm, áp lực cân bằng trên hai mặt piston, lúc này bánh xe trở về vị trí thẳng đứng.Lượng dầu ở hai đường ống được điều khiển bằng van quay

1.2.5 Van điều khiển ( van quay ):

- Cấu tạo van quay:

H.ình:6.Sơ đồ kết cấu van quay

Chi tiết chính của van quay là thanh xoắn Thanh xoắn là một thanh kimloạimỏng có thể xoắn được khi có một momen tác dụng vào nó Đầu trên của thanh

xoắn nối với trục lái còn đầu dưới nối với bánh răng hoặc trục vít tùy thuộc vào kiểu

hệ thống lái, vì vậy toàn bộ momen xoắn của thanh xoắn cân bằng với tổng momencủa người lái sử dụng để àlm đổi hướng bánh xe Momen người lái tác động cànglớn thì mức độ xoắn của thanh càng nhiều Đầu vào của trục tay lái là một thànhphần bên trong của khối van hình trụ ống Nó cũng nối với đầu mút phía trên củathanh xoắn Phía dưới thanh xoắnnối với phía ngoài của van ống Thanh xoắn cũnglàm xoay đầu ra của cơ cấu lái,nối với bánh răng hoặc trục vít phụ thuộc vào kiểu hệthống lái

1.2.6 Nguyên lý hoạt động của van quay:

Khi người lái xoay vành tay lái thi sẽ làm cho thanh xoắn bị vặn đi, nó làm bêntrong van ống xoay tương đối với phía ngoài Do phần bên trong của van ống cũngđược nối với trục lái nên tổng số góc quay giữa bên trong và bên ngoài của van ốngphụ thuộc vào người lái xoay vành tay lái Khi vành tay lái không có tác động, cảhai đường ống thủy lực đều cung cấp áp suất như nhau cho cơ cấu lái Nhưng nếuvan ống được xoay về một bên, các đường ống sẽ được mở để cung cấp dòng cao ápcho đường ống phía bên đó

1.2.7 Bơm thủy lực :

1.2.7.1 Cấu tạo bơm thủy lực:

Hình:.1.7 Kết cấu bơm trợ lực kiểu cánh gạt

Để cung cấp cho hệ thống thủy lực hoạt động hỗ trợ cho hệ thống lái, người ta

sử dụng một bơm thủy lực kiểu cánh gạt Bơm này được dẫn động bằng momen củađộng cơ nhờ truyền động puli-đai Nó bao gồm rất nhiều cánh gạt vừa có thể dichuyển hướng kính trong các rãnh của một roto

1.2.7.2 Nguyên lý hoạt động của bơm trợ lực thủy lực:

Khi roto quay, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh gạt này bị văng ra và tì sát vàomột không gian kín hình ôvan Dầu thủy lực bị kéo từ đường ống có áp suất thấp và

bị nén tới một đầu ra có áp suất cao Lượng dầu được cung cấp phụ thuộc vào tốc

độ của động cơ Bơm luôn được thiết kế để cung cấp đủ lượng dầu ngay khi động

cơ chạy không tải, và do vậy nó sẽ cung cấp quá nhiều dầu khi động cơ hoạt động ởtốc độ cao Để tránh quá tải cho hệ thống ở áp suất cao, người ta lắp đặt cho hệthống một van giảm áp Khi áp suất dầu quá lớn thì dầu sẽ mở van giảm áp và chodầu chạy về khoang chứa dầu Để cung cấp cho hệ thống thủy lực hoạt động hỗ trợcho hệ thống lái, người ta sử dụng một bơm thủy lực kiểu cánh gạt Bơm này đượcdẫn động bằng momen của động cơ nhờ truyền động puli-đai

1.3 Đánh giá về hệ thống lái trợ lực không dùng điện tử :

Hệ thống lái trợ lực không dùng điện tử đã đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của hệthống lái Giảm được lực tác dụng lên vành tay lái khi quay vòng xe , tạo cảm giácthoải mái cho người lái Độ tin cậy cao , khi bộ trợ lực bị hỏng hóc thì hệ thống láivẫn hoạt động bình thường như trường hợp không có trợ lực Nhưng hệ thống nàychỉ giúp được lái xe về lực vần tay lái , hệ thống trợ lực phụ thuộc nhiều vào tốc độcủa động cơ sẽ tốn nhiên liệu và không ổn định khi xe chuyển động ở tốc độ cao ,

1.4 Khái niệm hệ thống lái tích cực :

Hệ thống lái cơ khí cũng như hệ thống lái có trợ lực trên ô tô đã đáp ứngđược các yêu cầu cơ bản của hệ thống lái Với sự phát triển của khoa học côngnghệ , đặc biệt là công nghệ thông tin, sự đòi hỏi ngày càng cao của người tiêudùng cũng như sự cạnh tranh khốc liệt của các hãng xe trên thế giới mà các hệthống trên xe ô tô không ngừng được cải tiến và hoàn thiện Trong những năm gầnđây hệ thống lái mới được một số hãng xe, nhà chế tạo , sản xuất xe chú ý tới và cảitiến Hệ thống lái được cải tiến từng bước từ hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiểnbằng điện tử, hệ thống lái cơ khí trợ lực bằng điện , hệ thống lái bằng dây

Những hệ thống lái này được goi là hệ thống lái tích cực bởi vì ngoài nhưngđảm bảo cơ bản của hệ thống lái thường , hệ thống lái trợ lực thuần túy , hệ thốnglái tích cực còn có những tính năng ưu việt nổi trội mà các hệ thống lái trước đâykhông có được Một số ưu việt nổi bật đó là :

-Hệ thống lái tích cực là hệ thống lái có khả năng tạo ra lực đẩy phụ hỗ trợ lái

xe quay vành tay lái khi quay vòng

-Việc điều khiển xe không hoàn toàn phải phụ thuộc vào người lái nữa ,bộ trợlực lái điều khiển bằng điện tử sẽ hỗ trợ một phần trong việc điều khiển xe, đặc biệt

là lúc xe chạy với tốc độ cao thì việc điều khiển xe sẽ khó hơn, lúc này bộ trợ lựcđiện tử sẽ tự động điều chỉnh để cho xe có thể chạy được bình thường giảm căngthẳng cho người lái, và nâng cao độ an toàn cho người và xe

- Hệ thống trợ lực lái không phụ thuộc vào tốc độ của động cơ đặc biệt khi ở tốc

độ thấp,cần năng lượng trợ lực lớn và ngược lại , điều này không thể thực hiện được

ở các hệ thống lái trước đây

- Có thể điều chỉnh tự động góc lái một cách phù hợp khi hệ thống mất an toàn

- Có thể lập trình một phần hoặc toàn bộ những chế độ tự động lái như vào bãi đậu

xe, xe đi theo đoàn , xe đi theo bản đồ v.v

- Có thể tích hợp với các hệ thống khác để điều chỉnh hệ thống lái một cách phùhợp, ổn định và an toàn

- Cố thể nhận dạng trạng thái tam lý cũng như sức khỏe của lái xe để có những xử

lý hiệu quả an toàn v.vvv

- Hệ thống lái tích cực còn có kết cấu gọn nhẹ hơn, dễ bố trí hơn, ít hỏng hóc hơn,

an toàn và tiện nghi hơn hẳn các hệ thống lái truyền thống trước đây

Chính vì những ưu điểm nội trên mà hệ thống lái tích cực đã được nghiên cứu, thửnghiệm và đã được áp dụng vào hầu hết các xe ô tô hiện đại dược sản xuất trongnhững năm gần đây Đặc biệt là quá trình thử nghiệm và ứng dụng hệ thống lái bằngdây trên xe ô tô

Một số bộ phận của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử :

Hình : 1.8 Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử

1.5 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC

Hệ thống lái trên xe ô tô được ra đời cùng với sự ra đời của xe ô tô, trong đó Cộtmốc quan trọng nhất trong lịch sử thiết kế ô tô là sự ra đời của động cơ chạy xăng,dầu vào năm 1885-1886 do công của hai nhà phát minh Gottlieb Daimler và KarlBenz, đồng thời là phát minh động cơ đốt trong 4 thì của Nicolaus August Otto năm

1876, mở ra thời kì phát triển của những chiếc ô tô hiện đại ngày nay Sự hoànthiện của động cơ thời kỳ này kéo theo sự phát triển và thay đổi của thiết kế mẫu

mã, kiểu dáng và cấu tạo của xe

Trong giai đoạn này chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu sử dụng ô tô

và ngành thiết kế xe bắt đầu được mùa phát triển Một loạt những mẫu thiết kế mới

về mẫu mã và kiểu dáng phong phú, đa dạng xuất hiện Chiếc xe Mercury và một sốmẫu xe Ford tung ra thị trường năm 1949 dấy lên một phong cách thiết kế mới với

Hudson (Mỹ) đưa ra là mẫu xe có gầm thấp khiến trọng lượng xe thấp đi và độ bámđường cho thân xe tăng lên.

Một cột mốc quan trọng trong việc cải tiến hệ thống lái trên xe ô tô đó là cảitiến hệ thống lái cơ khí sang hệ thống lái trợ lực, nó đã giúp cho lái xe điều khiển

xe nhẹ nhàng hơn , an toàn và thoải mái hơn rất nhiều so với hệ thống lái cơ khíthuần túy trước đây Đó là vào năm 1951 , Francis Davis và George Jessup phátminh ra hệ thống lái trợ lực và được trang bị đầu tiên cho xe Imperial của Chrysler

Và từ đó cho đến cuối thập niên 80 sự phát triển các mẫu xe chủ yếu phụ thuộcvào tình hình kinh tế thế giới và phần lớn là phần động cơ , hệ thống nhiên liệu vàphanh v.v.v

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ ô tô theo một chiều hướng mới dựavào sự phát triển của công nghệ thông tin , trong đó quan trọng nhất đó là cơ điện tử

Cơ điện tử là một giai đoạn tự nhiên trong quá trình phát triển mạnh mẽ của

kỹ thuật thiết kế hiện đại Sự phát triển của máy tính, tiếp theo là máy vi tính,máy tính nhúng,cùng với sự phát triển của côngnghệ thông tin và công nghệphần mềm đã khiến cho Cơ điện tử trở thành một yêu cầu cấp thiết trongnửa cuốithế kỷ 20 Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ đã được dự báo trong các hệcơ-điện-sinh học,máy tính lượng tử, hệ pico và nano cùng những phát triển khác,tương lai của Cơ điện tử sẽ đầy tiềmnăng và triển vọng

Sự phát triển của Cơ điện tử hiện đại đóng góp rất lớn cho sự phát triển củaôtô Đến tận thập niên 1960, chỉ có rađiô là thiết bị điện tử đáng kể duy nhất trong ô

tô Tất các các chức năng khác thuầntúy mang tính cơ khí hoặc điện ví dụ như động

cơ khởi động và hệ thống nạp ắc quy Không hề có một“hệ thống an toàn thôngminh” nào, ngoại trừ việc tăng kích cỡ đệm giảm chấn và các phần tử kết cấu để bảo

vệ hành khách trong trường hợp xảy ra tai nạn Vào đầu thập niên 1960, dây an toàn

ra đời nhằmtăng độ an toàn cho người sử dụng và được vận hành hoàn toàn

cơ khí Tất cả hệ thống động cơ được điều khiển bởi người lái và hoặc các hệđiều khiển cơ khí khác Chẳng hạn, trước khi có sự xuất hiện củacác cảm biến và

vi điều khiển, bộ phân phối cơ khí được dùng để lựa chọn buji đánh lửa khi

hỗn hợp nhiên liệu-không khí được nén lại Thời gian ấn định cho việc đốtcháy nhiên liệu chính là biến điều khiển Quy trình đốt cháy được điều khiển

cơ khí không phải là tối ưu đứng trên phương diện tiết kiệmnhiên liệu Mô hìnhquá trình đốt cháy nhiên liệu chỉ ra rằng, để tăng hiệu quả nhiên liệu, tồntại mộtthời điểm tối ưu để đốt nhiên liệu Thời điểm này phụ thuộc vào tải, tốc độ,

và các đại lượng có thể đo khác Hệ thống đánh lửa điện tử là một trong những hệ

Cơ điện tử đầu tiên được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô vào cuối thậpniên 1970 Hệ thống đánh lửa điện tử bao gồm bộ cảm biến vị trítrụckhuỷu, bộ cảm biến vị trí trục cam, tốc độ luồng khí, vị trí van tiết lưu, tốc độthay đổi vị trí van tiết lưu của bộ cảm biến, bộ vi điều khiển quyết định thời điểmbuji đánh lửa Những ứng dụng ban đầu chỉ gồm một cảm biến hiệu ứng Hallnhằm xác định một cách chính xác vị trí của rôto trong bộ phân phối.Những ứng dụng sau này đã loại bỏ hoàn toàn bộ phân phối và dùng trực tiếp bộ vi

xử lý để điều khiểnquá trình đốt cháy.Vào cuối thập niên 1970, hệ thống phanhchống bó (ABS - Antilock Brake System) được ứng dụngtrong các ô tô Hệ thốngABS hoạt động thông qua việc phát hiện ra hiện tượng khóa cứng của bấtkỳ bánh

xe nào, sau đó điều chỉnh áp suất thủy lực cần thiết để giảm thiểu hoặcloại bỏ sự trượt Hệ thống điều khiển sức kéo (TCS - Traction Control System)được ứng dụng trong các ô tô vào cuối thậpniên 1990 Hệ thống TCS hoạt độngthông qua việc phát hiện ra sự trượt trong quá trình tăng tốc và sauđó điều chỉnhcông suất truyền cho bánh xe đang trượt Quá trình này đảm bảo cho xe có thể tăngtốc vớivận tốc lớn nhất có thể với điều kiện về đường và xe cho trước Hệthống điều khiển động lực ô tô(VDC - Vehicle Dynamics Control) được ứng dụngtrong ôtô vào cuối những năm 1990 VDC hoạt động tương tự TCS với việc thêm một cảmbiến tốc độ lệch và cảm biến gia tốc ngang Mục đích của bánh xe phát động đượcxác định bởi vị trí bánh lái và tiếp theo được so sánh với hướng thực tế củachuyểnđộng Sau đó, hệ thống TCS được kích hoạt để điều khiển công suất truyền

được dùng để giảm tốc độ của ô tô để thực hiện việc điều khiển như mong muốn.Trong các ô tô hiện nay, các CPU 8, 16, hay 32-bit được dùng để vận hànhcác hệ điềukhiển khác nhau Bộ vi điều khiển này có bộ nhớ (EEPROM/EPROM), các đầu

ra số và tương tự, các bộ biến đổi A/D, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), các chứcnăng thời gian, ví dụ dùng để đếm sựkiệnvàđo độ rộng xung, các đầu ra ưu tiên, vàtrong một số trường hợp xử lý tín hiệu số Bộ xử lý 32-bit đượcdùng để quản lýđộng cơ, điều khiển truyền động, và các túi khí; bộ xử lý 16-bit dùng cho ABS,TCS,VDC, cụm thiết bị, và các hệ thống điều hoà không khí; bộ xử lý 8-bit dùngcho điều khiển ghế, gươngvà các hệ thống nâng hạ cửa Ngày nay, có khoảng 30 –

60 bộ vi điều khiển trong một chiếc ô tô Điềunày sẽ càng tăng lên nhờ việc môđunhóa các hệ cơ điện tử con trong tương lai.Cơ điện tử đã trở thành yếu tố để phân biệtgiữa các ô tô Kể từ khi khái niệm cơ bản về động cơ đốt trong được đưa ra cáchđây gần một thế kỷ, các điểm khác nhau trong thiết kế động cơ cho xe hơi khôngcòn

là dấu hiệu nhằm phân biệt các loại ôtô khác nhau Trong những năm 1970, các nhàchế tạo NhậtBản đã thành công trong việc tạo dựng một chỗ đứng vữngchắc trên thị trường xe hơi Mỹ bằng việcchào bán các xe hơi nhỏ tiết kiệmnăng lượng với chất lượng không thua kém các loại xe khác Trongsuốt thập niên

1980, chất lượng của xe là dấu hiệu phân biệt các sản phẩm Trong những năm

1990, chấtlượng và độ tin cậy của ô tô là những gì mà người tiêu dùng mong đợi từphía các nhà sản xuất Ngày nay, trở thành dấu hiệu phân biệt sản phẩm trongnhững hệ cơ khí truyền thống này Điều này được thúc đẩy hơn nữa bởi tỷ lệ giá trịthực hiện cao hơn của các thiết bị, nhu cầu của thị trường về các sản phẩm sáng tạovới những đặc tính thông minh, và bởi những cố gắng giảm chi phí sản xuất cácsản phẩm thông qua việc tái thiết kế các phần cơ điện tử cấu thành Do tốc

độ dự báo tăngtrưởng thấp (2 - 3%), các hãng chế tạo xe hơi đang ra sức nghiêncứu các đặc tính công nghệ cao giúp phân biệt sản phẩm của họ với sản phẩm củacác hãng khác Lượng giao dịch trên thị trường các thiết bị điện tử ô tô ở Bắc Mỹhiện đạt giá trị khoảng 20 tỷ $, và hy vọng sẽ đạt 28 tỷ $ vào năm 2004 Những ứngdụng mới của các hệ Cơ điện tử trong ngành công nghiệp ô tô bao gồm các ô tô bán

tự động đến tự động hoàn toàn, hệ thống nâng cao độ an toàn, giảm thiểu tiêu hao,

và các đặc tính khác nhưhệ thống dẫn đường thông minh, các hệ thống phanh điệnkhông dùng thủy lực Một lĩnh vực tăng trưởng có ý nghĩa khác do tiếp cận thiết kế

Cơ điện tử mang lại là hệ thống mạng không dây từ các trạm mặt đất và truyềnthông giữa các xe hơi Công nghệ viễn thông là sự kết hợp của hệ thống

âm thanh,điện thoại cầm tay, hệ thống điều hướng, khả năng kết nối Internet, mail và nhận dạng giọng nói, cóthể được coi là lĩnh vực có tiềm năng lớn nhất trongngành công nghiệp ôtô Trên thực tế, việc ứng dụng điện tử trong sản xuất ô tô dựkiến sẽ tăng trung bình mỗi năm khoảng 6% trong vòng 5 năm tới và cũng trongkhoảng thời gian đó, các tính năng điện tử trong ô tô cũng sẽ tăng gấp đôi Hệ vi cơđiện tử (MEMS – Micro Electromechanical System) là một công nghệ cho phépphát triển các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành có hiệu quả kinh tế nhằm phục vụcho các ứng dụng Cơ điện tử Thực tế, đã có một vài thiết bị MEMS được ứngdụng trong ô tô, ví dụ như cảm biến và cơ cấu chấp hành của túi khí, cảmbiến áp suất dùng cho việc đo áp suất trong ống phân phối Việc tích hợp các thiết

e-bị MEMS với các mạch trạng thái tín hiệu CMOS trên cùng một chip bán dẫn làmột ví dụ khác về sự phát triển của các công nghệ cho phép cải tiến các sản phẩm

Cơ điện tử, chẳng hạn như ôtô.Công nghệ ra-đa với sóng milimét (mm) gần đâycũng đã được ứng dụng trong ô tô Ra-đa với sóngmm cho phép phát hiện vị trí củacác đối tượng (các ô tô khác) và xác định khoảng cách tới chướng ngạivật cũng nhưtốc độ theo thời gian thực Một mô tả khá chi tiết về cách thức vận hành của một hệthống như thế đã được Suzuki và các cộng sự đưa ra Công nghệ này cho phépđiều chỉnh khoảng cách giữa ô tô và chướngngại vật (hoặc ô tô khác) bằng việc kếthợp cảm biến với hệ thống dẫn hướng và ABS Người lái có thểđặt vận tốc vàkhoảng cách mong muốn với những chiếc xe ở phía trước Hệ thống ABS và hệthống dẫn hướng được ghép với nhau để đảm bảo thực hiện được những chức năngnói trên một cách an toàn Khả năng tránh chướng ngại vật còn được mở rộng thêm

của Cơ điện tử như ngày nay, những chiếc xe hơi hoàn toàn tự động chắc chắn sẽ rađời trong vòng 20 năm tới Các cuộc nghiên cứu về ô tô bán tự động dùng mô hìnhgiao thông liên tục dựa trên hệ thống GPS và quá trình tự động hoá việc dừng và đinhằm xác lập các hướng đi đang diễn ra ở khắp các trung tâm nghiên cứu Hệ thốngnhận biết và điều khiển được đề xuất cho loại xe như có sự tham gia của hệ thốngđịnh vị toàn cầu vi phân (DGPS-differential global positioning systems), xử lýảnhtheo thời gian thực và xác lập hướng đi linh hoạt Sử dụng rada để đo khoảng cách

và vận tốc nhằm tự động điều chỉnh khoảng cách giữa cácxe ôtô( Modern Control

Systems, 9th ed., R C Dorf and R.H Bishop, Prentice-Hall, 2001 ) Các hệ Cơ điện tử

tương lai trong ô tô có thể bao gồm kính chắn gió không mờ dựa trên hệthốngnhận biết độ ẩm, nhiệt độ và điều hoà không khí, khả năng tự đỗ xesong song thiết bị trợ giúp đỗ xe phía sau, hỗ trợ thay đổi làn xe, phanh điện tử

và việc thay thế các hệ thống thuỷ lực bằng các hệ cơ điện servo Khi lượng ô tôtrên thế giới tăng lên, các tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn về khí thải sẽ rađời Các sản phẩm Cơ điện tử sẽ có khả năng đáp ứng được những tháchthức đặt ra đối với việc điều chỉnh lượng khí thải và hiệu suất động cơ bằngviệc giảm đáng kể lượng khí thải CO, NO và HC và tăng hiệuquả của xe Rõ ràng làkhông thể coi một chiếc ô tô với 30 đến 60 bộ vi điều khiển, 100 động cơ điện, hệthống dây điện nặng 200 pound, vô số các cảm biến và hàng nghìn dòng mã lệnh làmột hệ cơ khí thuần tuý Ô tô đang được chuyển hoá thành một hệ Cơ điện tử hoàntoàn

Lịch sử phát triển của hệ thống lái tích cực

Cơ điện tử được áp dụng vào hệ thống lái tương đối chậm hơn so với các hệthống khác trên ô tô bởi vì hệ thống lái có những đặc tính khác biệt so với các hệthống khác Một trong những khác biệt quan trọng nhất đó là vấn đề an toàn khi vậnhành, Hệ thống điều khiển tương đối phức tạp, thói quen cảm giác lái xe, hệ thốnglái xe trợ lực cũ vẫn đủ các tiêu chí cơ bản của hệ thống lái và hệ thống lái còn chịuảnh hưởng và phụ thuộc rất lớn đến các hệ thống khác trên ô tô Chính vì các lý do

nêu trên mà hệ thống lái tích cực cuối thập kỷ 90 mới bắt đầu được áp dụng trên xe

ô tô

Vào năm 1990 Chryste đã nghiên cứu hệ thống lái tự động có tên là AutomatedDurability Road Sử dụng Rô bốt để lái xe trên những cung đường thử rất khókhăn Cũng vào năm 1990 Ferdinand porsche đã thiết kế một chiếc ô tô sử dụng hệthống truyền động bằng điện để giới thiệu tại triễn lãm thế giới

-Vào năm 2002 hãng xe BMW đẫ sử dụng hệ thống lái công nghệ AL-activeSteering Cũng vào đầu năm 2002 Hãng xe BMW đẫ lắp hệ thống trợ lực lái bằngđiện tử lên xe BMW Z4 nhưng chưa tỏ rõ sự ưu việt hơn so với hệ thống trợ lựcthủy lực trong khi chờ hoàn thiện hệ thống thì BMW đã quay lại với tay lái trợ lựcthủy lực trong Model BMW Z4 M

Vào năm 2004 hãng Hon Đa đã công bố thành công trong việc phát triển một

hệ thống dẫn động mới gọi là SH-AWD (Super Handling All- Drivesystem ) Hệthống 4 bánh chủ động siêu ổn định Năm 1997 Chervrolet corvette đã thử nghiệmkhả năng chỉ đạo by wire, xe kiểm tra thử nghiệm được tặng cho tổng công tyGeneral Motors

Hệ thống lái bằng dây By wire đầu tiên được láp lên xe BMW 5- Series vàonăm 2001 Nhưng vẫn trong quá trình thực nghiệm

Hệ thống lái điều khiển bằng giọng nói được giới thiệu tại thị trường Bắc Mỹvào năm 2010 trên dòng xe Nissan châu âu

Khoảng 2005 cho đến nay hầu hết các xe ô tô du lịch đều được trang bị hệthống lái trợ lực điện Hệ thống trợ lực điện ngày càng được tích hợp với các hệthống khác trên xe nhằm đưa lại những ưu việt nổi trội , dễ dàng điều khiển, antoàn khi vận hành , và còn giúp lái xe vận hành trong những tình huống nhất định

Hệ thống lái xe bằng dây By wire là một hệ thống có rất nhiều ưu việt nổi trội sovới các hệ thống lái khác nhưng vì tính phức tạp của hệ thống, vì tính an toàntrong vận hành v,v, nên hệ thống này đã được nghiên cứu, thử nghiệm trên một số

hàng loạt được vì đang quá trình hoàn thiện và thực nghiệm chắc chắn hệ thống láibằng dây sẽ là hệ thống lái trong tương lai gần

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC

2.1 : Phân loại hệ thống lái tích cực

Theo mức độ hoàn thiện về kết cấu cũng như mức độ ứng dụng cơ điện tửvào trong hệ thống lái Chúng ta có thể phân loại hệ thống lái tích cực như sau

- Hệ thống lái trợ lực thủy lực có hộ trợ bởi điện tử (Electric Hydraulic PowerSteering – EHPS)

- Hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS)

- Hệ thống lái 4 bánh trợ lực điện (Super Handling All- Drive system )

- Hệ thống lái bằng dây dây ( By wire )

Sau đây chúng ta đi vào phân tích cụ thể từng loại như sau:

tỷ số truyền động hợp lý Hệ thống cũng kiểm soát chặt chẽ theo nhiều thông số làmviệc của ô tô.Sơ đồ của hệ thống bao gồm những bộ phận sau:

Hình 2.1 : Sơ đồ và một số bộ phận cơ bản của hệ thống EHPS

Hình 2.2: Các bộ phận chính của hệ thống lái thủy lực điều khiển điện tử

trọng nhất của Active Steering là cơ cấu lái điều khiển kép với “2 đầu vào 1 đầu ra”.Một đầu liên kết với trục tay lái, đầu vào thứ 2 là động cơ điện điều khiển nối vớithanh chuyển hướng Đầu ra là trục bánh lái với góc quay do động cơ điện điềukhiển Có thể thấy rằng động cơ trợ lực không thể tự mình quay các bánh xe mà cầnđến sự giúp đỡ của bộ trợ lực lái thuỷ lực như ở những tay lái thông thường khác.Phần bên ngoài của Active Steering nối với bộ điều khiển và kiểm tra tính ổnđịnh thân xe (DSC-Dynamic Stability Control) Hệ thống này sẽ được kích hoạt khi

bộ tay lái không còn làm chủ được tình huống Tùy thuộc vào từng trường hợp cụthể, Active Steering sẽ tăng hoặc giảm bớt góc quay của bánh trước so với góc quaytay lái Các bộ phận thủy lực tương đối giống như hệ thống lái trợ lực thông thường, do vậy chúng ta chỉ nghiên cứu cơ cấu trợ lực điện tử nhằm thay đổi tỷ số truyềnđộng lái một cách phù hợp như sau

Sơ đồ cấu tạo:

Hình.2.3 Bộ trợ lực lái điều khiển điện tử

Hình:.2.4 Bộ trợ lực lái

Bộ trợ lực lái điều kiển điện ửt gồm có trục lái được chia làm hai phần Phầntrên nối với vành tay lái, phần dưới (đầu ra) được nối với thanh răng Đầu ra là dạngbánh răng ăn khớp với thanh răng Hai phần của trục lái không nối cứng với nhau

mà có thể chuyển động tương đối với nhau Và hai phần của trục lái được liên hệvới nhau nhờ bộ bánh răng hành tinh Bộ bánh răng hành tinh bên ngoài có các răngđược ăn khớp với bánh răng của động cơ

điện Còn bên trong là bốn bánh răng hành tinh quay quanh bánh răng trung

tâm Bánh răng trung tâm là phần cuối của trục lái

Hình: 2.5Cơ cấu bánh răng hành tinh

Chính nhờ có bộ bánh răng trung tâm mà tỉ số truyền của hộp số lái có thểthay đổi được Ở thanh răng cũng được trợ lực bằng thủy lực giúp cho việc lái xeđược nhẹ nhàng hơn

Hình:.2.6 Các chi tiết của bộ trợ lực lái

1- Các bánh răng hành tinh; 2- Trục đầu ra nối với thanh răng; 3 - Chốt

4- Nắp; 5- Vòng răng ăn khớp với môtơ trợ lực; 6 – Trục nối với vành tay lái

Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử (hệ thống lái linh hoạt) hoạt động

không như các hệ thống lái khác Khi xe chạy với tốc độ chậm ,bình thường

thì việc điều khiển xe tương đối dễ dàng ,lúc này bộ trợ lực điều khiển điện tử vẫnchưa hoạt động Khi xe chạy với tốc độ cao , tình trạng mặt đường xấu và có sựthay đổi đột ngột trong khi lái như qua khúc cua với tốc độ cao, lạng lách để tráchcác xe khác thì lúc này bộ trợ lực điều khiển điện tử mới hoạt động để hỗ trợ chongười lái sử lý tình huống một cách dễ dàng hơn

Để biết được những sự thay đổi đó thì ở hệ thống lái này có các cảm

biến để thu nhận những tin hiệu để truyền đến bố xử lý trung tâm ECU Thường cócác cảm biến như cảm biến tốc độ của xe, cảm biến góc quay vành tay lái…

Bộ xử lý trung tâm ECU sau khi nhận các tín hiệu từ các cảm biến sẽ xử lýcác thông tin đó và đưa ra tín hiệu để điều khiển cho động cơ điện quay, làm cho bộbánh răng hành tinh quay theo dẫn tới thanh răng sẽ được chuyển động và làm chocác bánh xe dẫn hướng hoạt động

Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử hoạt động không phụ thuộc hoàn toànvào sự điều khiển của người lái mà nó có thể tự điều khiển việc lái xe khi mà người

lái chưa tác dụng một lực nào lên vành tay lái, tức là nó có thể xen vào tức thời để

hỗ trợ cho người lái

Hình:.2.7 Đồ thi thể hiện sự hay đổi tỷ số truyền

Trên đa số các xe hơi hiện nay người ta thường phải xoay vành tay lái đến babốn vòng để chuyển hướng bánh xe từ cuối cùng bên trái sang tận cùng bên phải vàngược lại Một tỷ số truyền cao nghĩa là bạn phải quay vành tay lái nhiều hơn đểbánh xe đổi hướng theo một khoảng cách cho trước Tuy

nhiên một tỷ số truyền cao sẽ không hiệu quả bằng tỷ số truyền thấp Tỷ số

truyền thấp sẽ cho tay lái phản ứng nhanh hơn

Với hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử thì có thể thay đổi tỷ số truyền lái

để phù hợp với từng trường hợp có thể xảy ra trong quá trình lái xe Đặc biệt là khi

xe qua chỗ cua gấp thì không cần xoay nhiều vành tay lái Còn đối với xe không có

bộ trợ lực điều khiển điện tử thì không thể thay đổi

được tỷ số truyền, điều đó được thể hiện trên hình 2.7

Hình:.2.8 Vết của các bánh xe ở hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử

Với hệ thống lái trợ lực điều khiển bằng điện tử thì khi người lái thay đổihướng chuyển động của xe như lúc quay vòng hay vượt lên trước xe khác thì vếtcủa hai bánh trước và sau trùng nhau , chính điều này giúp cho lốp xe ít bị mòn vàbám sát quỹ đạo quay vòng của xe

Hình:.2.9 Vết của các bánh xe ở hệ thống lái không có điều khiển bằng điện tử

Đối với các xe không dùng hệ thồng lái trợ lực điều khiển điện tử thì khi thayđổi hướng chuyển động của xe như lúc quay vòng hoặc vượt lên trước xe khác thìvết của hai bánh xe trước và hai bánh sau không trùng với nhau , nên lốp của cácbánh xe mau mòn hơn và quay vòng cũng không chính xác bằng hệ thống lái trợ lựcđiều khiển điện tử và đặc biệt là lúc quay vòng ở tốc độ cao sẽ dễ bị lật xe

2.2.2Những ưu điểm của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử:

So với hệ thống trợ lực thủy lực thông dụng, hệ thống EHPS có các đặc điểm khác

thông qua ECU.

- Sử dụng cảm biến kiểm soát các trạng thái làm việc của hệ thống lái, tình trạngquay vòng, tình trạng hoạt động của ô tô

Hình 2.10: Hệ th ống ESPH và đặc tính trợ lực trên ô tô con

Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử có thể thay đổi tỷ số

truyền lái một cách linh hoạt tùy thuộc vào tốc độ của xe và góc quay vành

tay lái Ví dụ Khi xe chạy qua khu vực đèo núi cua tay áo và có gió mạnh, vớithiết bị lái thông thường, lái xe không có lựa chọn nào khác là bắt chéo tay trên vô-lăng, giảm đáng kể năng lực điều khiển các thiết bị khác Việc tăng tỷ lệ truyền láigiúp loại bỏ tư thế nguy hiểm này, tay đặt đúng vị trí trên vô-lăng sẽ cho phản xạ tốttrong tình huống bất ngờ và kiểm soát toàn bộ các phím chức năng trên vành lái Dichuyển ở tốc độ cao, chiếc xe sẽ phản ứng cực nhạy khi điều khiển, nếu tỷ lệ truyềngóc lái từ vô-lăng xuống bánh trước cao thì một động tác đánh lái rộng và gấp sẽgây nguy hiểm Lúc này, động cơ số 1 chi phối ngược chiều quay vô-lăng, làm giảm

tỷ lệ truyền lái Mô tơ số 2 sẽ được phát động làm cho lực vần tay lái nặng thêm,tránh các phản xạ quá mạnh và đột ngột của người điều khiển Áp lực tăng lên còn

có tác dụng ổn định vô-lăng, tránh tác động từ mặt đường làm thay đổi góc lái Mộtlợi ích khác của tỷ lệ truyền này là giúp chiếc xe đi thẳng một cách hoàn hảo trên xalộ.

- Khi chuyển hướng xe đột ngột thì vết của hai bánh trước và sau trùng nhau tránhcho lốp xe it bị mòn

- Không cần phải quay nhiều vòng vành tay lái khi qua khúc cua, chỉ cần một tácđộng nhỏ ở vành tay lái là đã tạo nên một góc xoay tương đối lớn ở bánh xe Giúpcho người lái có cảm giác thoải mái và tự tin

- Quay vòng xe sát ,giảm bớt lực tác dụng lên vành tay lái

- Với hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử thì nó có thể xen vào trong một tứckhắc để điều chỉnh nếu hệ thống lái có sự cố Khi bộ trợ lực điều khiển điện tử cóhỏng hóc thì hệ thống lái vẫn hoạt động bình thường

- Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử hoạt động êm dịu , độ an toàn và tin cậycao

- Tiết kiệm được nhiên liệu do bơm dầu hoạt động không phụ thuộc vào tốc độ củađộng cơ

- Hệ thống EHPS có những ưu điểm nội trội nêu trên , tuy nhiên hệ thống này vẫncòn những hạn chế như giá thành hệ thống cao và cần nhiều cụm chi tiết chính xác

và phức tạpđặc biệt vẫn còn hệ thống thủy lực trong hệ thống làm cho độ bền khôngcao, bảo dưỡng sửa chữa phức tạp Để khắc phục những hạn chế nêu trên người tathiết kế hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS)

2.3: Hệ thống lái điện (Electric Power Steering – EPS)

- Hệ thống EMPS (Electric Mechanic Power Steering) hay còn viết tắt là EPS: dùng năng lượng trợ lực từ ắc quy điều khiển mô tơ điện trợ lực cho vành lái (hình 2.11) Bố trí động cơ điện trên hệ thống lái có hai cách chính :

- Động cơ điện được bố trí trên trục lái

- Động cơ điện được bố trí trên cơ cấu lái

Hình 2.11: Các bộ phận cơ bản của hệ thống EPS

Hệ thống lái gồm:

+ CCL bánh răng – thanh răng không trợ lực và bố trí (1)

+ Mô tơ điện DC (2)

Từ những tiêu chí trên, hệ thống EPS có khả năng xử lý rộng rãi nhiều thông tinliên quan tới khả năng quay vòng của ô tô, hoàn thiện chất lượng điều khiển và

quay vòng Hệ thống cho phép điều khiển mọi chế độ trợ lực theo nhiều thông sốlàm việc của ô tô Việc sử dụng năng lượng điện cho trợ lực lái tương tích với nhucầu hoàn thiện cho ô tô theo hướng thân thiện với môi trường

Trên các ô tô ngày nay năng lượng của động cơ khi dư thừa được tích luỹ tạibình điện, và phục vụ các chế độ làm việc của các hệ thống tiêu thụ điện trong đó có

hệ thống lái có trợ lực

- Hệ thống EPS có kết cấu gọn, xong khó khăn gặp phải trong việc chế tạo các loại

mô tô bước DC với công suất lớn

Hình 2.12: Quan hệ của Mvl và gia tốc của một ô tô con khi dùng EHPS và EPS.

Các dạng bố trí EPS cho hệ thống lái của ô tô con đang phát triển với các kết cấu bốtrí mô tô điện ở các vị trí:

- Trục lái

- Trên cơ cấu lái

*.Bộ trợ lực lái nằm trên trục lái

Bộ trợ lực lái bằng điện bố trí trên trục lái của hệ thống lái được trình bày trênhình 6 Khác với cấu trúc được trình bày ở trên, bộ trợ lực sử dụng động cơ điện

Động cơ điện một chiều bố trí trên trục lái và nối với bộ giảm tốc trục vít bánhvít 6 bằng ống nối then hoa mịn 18 Bánh vít 15 được lắp chặt trên trục lái, tạo nênkhả năng trợ lực cho trục lái 9 khi được cấp điện áp tới mô tơ điện.

Mô tơ điện bố trí trên trục lái cho phép giảm nhẹ được mô men tạo nên bởi mô

tơ điện, và điện áp sử dụng cho động cơ điện tương thích với hệ thống nguồn 12V Hệ thống EPS có các thiết bị chính như sau:

Hình 2.13: Kết cấu bộ trợ lực lái điện trên trục lái

ECU của EPS nhận tín hiệu từ các cảm biến, đánh giá tình trạng xe và quyết địnhdòng điện cần đưa vào động cơ điện một chiều để trợ lực

Hình:2.14 Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái và cmr biến góc quay vô lăng

Khi người lái xe điều khiển vô lăng, mô men lái tác động lên trục sơ cấp của cảmbiến mô men thông qua trục lái chính Người ta bố trí các vòng phát hiện 1 và 2 trêntrục sơ cấp và vòng 3 trên trục thứ cấp (phía cơ cấu lái) Trục sơ cấp và trục thứ cấpđược nối bằng một thanh xoắn Các vòng phát hiện có cuộn dây phát hiện kiểukhông tiếp xúc trên vòng ngoài để hình thành một mạch kích thích Khi tạo ra mô-men lái thanh xoắn bị xoắn tạo độ lệch pha giữa vòng phát hiện 2 và 3 Dựa trên độlệch pha này, một tín hiệu tỷ lệ với mô men vào được đưa tới ECU Dựa trên tínhiệu này, ECU tính toán mô men trợ lực cho tốc độ xe và dẫn động mô tơ

Hình: 2.15 Sơ đồ hệ thống lái điều khiển điện tử

Mô tơ điện một chiều DC bao gồm rô to, stato và trục chính Cơ cấu giảm tốc baogồm trục vít và bánh vít Mô-men do rô to tạo ra truyền tới cơ cấu giảm tốc Sau đó,

mô men này được truyền tới trục lái Trục vít được đỡ trên các ổ đỡ để giảm độ ồn.Ngay dù mô tơ DC bị hỏng không chạy thì chuyển động quay của trục lái chính và

cơ cấu giảm tốc vẫn không bị cố định nên vô lăng vẫn có thể điều khiển

Hình : 2.16 Sơ đồ cấu tạo mô tơ điện

Ngoài ra còn có: ECU ABS (tín hiệu tốc độ xe); ECU động cơ (tín hiệu tốc độ độngcơ); Đồng hồ táp lô (Trường hợp có sự cố đèn sẽ bật sáng); Rơle (Cung cấp nănglượng cho mô tơ DC và ECU EPS)

Hình :2.17 Sơ đồ tổng quát của hệ thống

.Bộ trợ lực lái nằm trên cơ cấu lái

Bộ trợ lực lái trên thanh răng (Campry, Lexus)

Hình 2.18 Các phương pháp bố trí mô tơ trên CCL

Xe bố trí trợ lực điện có mô tơ DC đặt ở thanh răng trong cơ cấu lái bánh răngthanh răng Phần chủ động của cơ cấu lái bố trí cảm biến đo mô men xoắn nhằmkiểm soát mô men tác dụng lên vành lái Phần bị động của Cơ cấu lái bố trí mô tơđiện DC trong vỏ trượt của thanh răng Mô tơ điện liên kết bằng kết cấu cơ khí vớithanh răng Phần cơ khí bao gồm các kết cấu

Hình 2.19.Sơ đồ của hệ thống EPS

Hệ thống sử dụng sơ đồ kiểm soát tổng thể các thông số chính của ô tô Sơ đồtóm lược liên kết các kết cấu và các thông tin được mô tả trên hình 21 Hệ thống trợlực điện làm việc như một hệ thống điều khiển tự động

Trên sơ đồ, các khối mạch điện cơ bản bao gồm: Bộ phận thừa hành là mô tơđiện EPS làm việc với điện áp lớn nhất 28V Nguồn điện cung cấp cho hệ thống trợlực là điện ắc quy 12V Mô tơ điện được điều khiển bởi rơ le và tín hiệu của EPS –ECU Thực hiện xử lý thông tin trong EPS – ECU nhờ các chương trình lập sẵnvàcác tín hiệu cụ thể của các cảm biến và hệ thống thông tin toàn xe thông quamạng liên kết nội bộ CAN Thông tin toàn xe được tiếp nhận đưa vào EPS – ECUgồm các tín hiệu về động cơ ECM, hệ thống truyền lực

Để kiểm soát được trạng thái của hệ thống trợ lực, mạng điện còn liên kết với đènhiển thị PS, đầu nối DLC 3 Đèn PS bố trí trên bảng tablo của buồng lái và đượchiển thị như các loại đèn kiểm soát và báo lỗi hệ thống khác Đầu nối chờ DCL 3dùng cho việc xác định tình trạng kỹ thuật, các mã lỗi khi liên kết với các thiết bịhiển thị và đấu nối chuyên dùng hoặc máy tính (laptop) Ngoài ra trên EPS – ECUcòn có đèn led báo mã lỗi khi cần thiết Các thông tin của toàn bộ ô tô và thông tintình trạng kỹ thuật của hệ thống được lắp với cổng nối ECU chung

Trợ lực lái bố trí một số các cảm biến chuyên dụng: cảm biến đo mô men trêntrục lái, cảm biến góc quay của vành lái và sử dụng chung một số thông tin toàn xe:tốc độ ô tô, vị trí trục cam của động cơ, đánh lửa sớm (hay góc phun nhiên liệu), giatốc dọc, gia tốc ngang của xe, … Các tín hiệu được cung cấp cho EPS – ECU và xử

lý Các tín hiệu đưa ra cơ cấu thừa hành bao gồm mật độ xung và chiều rộng xungđiều khiển để thay đổi mức độ trợ lực lái của mô tơ điện

Kết cấu của cơ cấu lái và cảm biến đo mô men trục lái được trình bày ở hình 2

cơ cấu lái bánh răng thanh răng bao gồm: Bánh răng 5 dẫn động thanh răng 6, các

bộ phận điều chỉnh ăn khớp của bộ truyền giống như cơ cấu lái thông dụng Cơ cấuthực hiện chuyển động quay của bánh răng và dẫn động thanh răng chuyển độngtịnh tiến Hình dáng bên ngoài của cơ cấu lái được trình bày trên hình 22