Điều khiển hệ thống lái ổn định quỹ đạo chuyển động của ôtô

1 Trường CĐCN Nam Định Khoa công nghệ ôtô LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam mới bắt đầu, với chiến lược phát triển của nhà nước, chính sách nội địa hóa phụ tùng ô tô trong việc sản xuất và lắp ráp ô tô tạo điều kiện cho các nhà thiết kế nghiên cứu, chế tạo các cụm, các hệ thống trên ô tô trong nước. Trong đó có hệ thống nâng cao tính năng an toàn cho người sử dụng. Vấn đề nghiên cứu nâng cao tính năng an toàn cho người sử dụng thông qua kết cấu và điều khiển là vô cùng quan trọng. Do điều kiện đường xá ngày càng tốt hơn, tốc độ phát triển của ngành giao thông vận tải tăng nhanh cho nên tốc độ chuyển động của ô tô ngày càng được nâng cao. Tuy nhiên cùng với cùng với tốc độ phát triển đó, mật độ giao thồng ngày càng cao, số vụ tai nạn giao thông ngày càng nhiều. Cho nên vấn đề an toàn giao thông đang rất được quan tâm. Vì vậy, chúng em chọn nghiên cứu về đề tài: “Điều khiển hệ thống lái ổn định quỹ đạo chuyển động của ôtô” Với tình hình hiện nay của ngành công nghiệp ô tô của Việt Nam chủ yếu là lắp ráp, nên để có thể độc lập chế tạo trong tương lai rất cần những nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế. Đây là hệ thống khá mới và hiện đại được ứng dụng trên ô tô. Mặt khác, tài liệu chuyên sâu về hệ thống này của các nhà sản xuất không được công bố rộng rãi, cùng với trình độ chuyên môn chưa sâu rộng, do đó mà việc nghiên cứu cụ thể kết cấu, cấu tạo và nguyên lý của hệ thống gặp nhiều khó khăn và chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đánh giá, đóng góp ý kiến của các thầy trong khoa, thầy hướng dẫn và những người quan tâm đến đề tài. Em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Quảng Đại, là người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em nghiên cứu đề tài. Sinh viên thực hiện: Sinh viên : Lê Văn Huy Chuyên đề tốt nghiệp Lớp : NCN50ÔTÔ 2 Trường CĐCN Nam Định Khoa công nghệ ôtô Lê Văn Huy Sinh viên : Lê Văn Huy Chuyên đề tốt nghiệp Lớp : NCN50ÔTÔ 3 Trường CĐCN Nam Định Khoa công nghệ ôtô Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHUYÊN ĐỀ 1.1 NHIỆM VỤ, YÊU CẦU, PHÂN LOẠI 1.1.1 Nhiệm vụ: - Hệ thống lái của ô tô dùng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ô tô chuyển động theo một hướng nhất định bằng cách điều khiển vành lái tác động tới hướng chuyển động của bánh xe dẫn hướng. Việc điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe có thể gọi chung là quay vòng xe. Việc quay vòng xe hiện nay có thể được thực hiện bằng các phương pháp sau đây: - Xoay các bánh dẫn hướng. - Truyền các moment quay có trị số khác nhau đến các bánh xe chủ động ở bên trái và bên phải. - Kết hợp đồng thời cả hai phương pháp trên. + Hệ thống lái giúp cho ôtô có thể: - Quay vòng bánh xe mà ít bị trượt bên. - Lực trên vành lái hợp lý và tạo cảm giác đánh lái phù hợp. - Đảm bảo ôtô có khả năng tự trở về trạng thái chuyển động thẳng. - Giảm các va đập từ mặt đường lên vành lái tạo thuận lợi cho việc điều khiển chính xác hướng chuyển động. - Cầu dẫn hướng dùng để đỡ toàn bộ trọng lượng ô tô ở phía trước như: động cơ, hộp số, khung xe. Nối các bánh dẫn hướng với khung. Chịu các lực tác động giữa mặt đường và khung xe. Sinh viên : Lê Văn Huy Chuyên đề tốt nghiệp Lớp : NCN50ÔTÔ 4 Trường CĐCN Nam Định Khoa công nghệ ôtô 1.1.2 Yêu cầu - Khi bộ trợ lực lái hỏng, hệ thống lái vẫn phải làm việc được. - Bộ trợ lực lái phải giữ cho người lái cảm giác có sức cản trên đường khi quay vòng. Do đó bộ trợ lực lái chỉ làm việc khi sức cả quay vòng lớn hơn giá trị giới hạn. - Tác động của bộ trợ lực lái phải nhanh, phải đảm bảo tỷ lệ giữa lực tác dụng và góc quay của trục vô lăng và bánh xe dẫn hướng. - Hiệu suất làm việc cao. Không xảy ra hiện tượng tự trợ lực khi xe chạy trên đường xóc, nhưng khi bánh xe dẫn hướng hỏng, bộ trợ lực lái phải làm việc để giữ được hướng chuyển động + Yêu cầu đối với cầu dẫn hướng: - Truyền lực tốt giữa khung xe với bánh xe dẫn hướng. - Các bánh xe dẫn hướng có động học đúng khi dịch chuyển theo mặt phẳng ngang. - Góc đặt trục đứng và bánh xe phải đúng. - Trọng lượng phần không được treo phải nhỏ, độ cứng và độ bền cao. 1. 1.3.Phân loại a. Theo phương pháp truyền lực - Bộ trợ lực lái thủy lực. - Bộ trợ lực lái điện từ. - Bộ trợ lực lái khí nén. b. Theo phương pháp bố trí bộ trợ lực lái - Loại cùng khối: Bộ trợ lực lái và cơ cấu lái đặt trong cùng một khối. - Loại không cùng khối: Bộ trợ lực lái đặt tách biệt với cơ cấu lái. c. Phân loại cầu dẫn hướng - Loại cầu dẫn hướng trục liền: thường sử dụng trên xe có hệ thống treo phụ thuộc. - Loại cầu dẫn hướng cắt: thường sử dụng trên ôtô có hệ thống treo độc lập. Sinh viên : Lê Văn Huy Chuyên đề tốt nghiệp Lớp : NCN50ÔTÔ 5 Trường CĐCN Nam Định Khoa công nghệ ôtô - Loại cầu dẫn hướng chủ động: ngoài nhiệm vụ dẫn hướng còn làm nhiệm vụ truyền moment quay cho bánh. 1. 2. Kết cấu hệ thống lái có trợ lực . Hệ thống lái có trợ lực về căn bản giống hệ thống lái thường, chỉ có thêm bộ trợ lực. Bộ trợ lực lái thủy lực có kết cấu nhỏ gọn, là hệ thống điều khiển khép kín bao gồm bơm thủy lực, van phân phối và xylanh lực. 1. 2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc chung của hệ thống a. Kết cấu của hệ thống lái Hình 1. 1 Sơ đồ hệ thống lái. 1. Vành lái ; 2 Trục lái ; 3 Bánh xe dẫn hướng ; 4 Đòn quay dẫn động ; 5 Đòn kéo dọc 6. Trụ đứng ; 7 Đòn bên ; 8 Khớp cầu ; 9 Cơ cấu lái ; 10 Đòn ngang liên kết. b. Nguyên lý làm việc Vành tay lái có nhiệm vụ tạo ra mômen quay cần thiết khi người lái tác dụng vào. Trục lái truyền mômen quay xuống cơ cấu lái. Khi muốn thay đổi hướng chuyển động của xe, người lái tác dụng một lực để quay vành tay lái. Giả sử muốn xe quay vòng sang phải, người lái quay vành tay lái theo chiều kim đồng hồ. Mômen quay được trục lái truyền tới cơ cấu lái làm trục vít quay, bánh vít quay theo và đòn quay đứng xoay một góc về phía sau trong mặt phẳng thẳng đứng. Thanh kéo dọc tác động vào đòn quay ngang làm cam quay bánh xe xoay một góc về phía phải. Qua cơ cấu hình thang lái, bánh xe bên phải cũng Sinh viên : Lê Văn Huy Chuyên đề tốt nghiệp Lớp : NCN50ÔTÔ 6 Trường CĐCN Nam Định Khoa công nghệ ôtô xoay về phía phải một góc nhất định, hướng chuyển động của xe quay vòng sang phải. Muốn xe chuyển động thẳng, người lái cần phải quay vành tay lái theo chiều ngược lại. Trường hợp muốn xe quay vòng sang trái, người lái tác dụng một lực quay vành tay lái theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Các quá trình xảy ra tương tự như trường hợp quay vòng sang phải, nhưng với chiều ngược lại. 1.2.2 Đặc điểm hệ thống lái trợ lực Hệ thống lái của ôtô Toyota Corolla Altis 2.0 là hệ thống lái có trợ lực. Cấu tạo của hệ thống lái bao gồm: vành tay lái, trục lái, các đăng truyền động, cơ cấu lái, bộ trợ lực thuỷ lực và dẫn động lái. Trên ôtô Toyota Corolla Altis 2.0 người ta bố trí cơ cấu lái và bộ trợ lực lái riêng thành sơ đồ 5 6 7 8 9 10 11 13 14 15 16 18 23 24 17 25 12 4 26 1 2 3 19 20 22 21 Hình 1.2. Sơ đồ kết cấu hệ thống lái Sinh viên : Lê Văn Huy Chuyên đề tốt nghiệp Lớp : NCN50ÔTÔ 7 Trường CĐCN Nam Định Khoa công nghệ ôtô 1 Đai ốc hãm; 2 Khớp cầu; 3 Đòn quay đứng; 4 Đai ốc dầu; 5 Đường dầu từ bơm đến; 6 Đường dầu hồi về bình chứa; 7 Hộp điều khiển lái; 8 Vô lăng; 9 Trục lái; 10 Trục các đăng; 11 Khớp các đăng; 12 Đai ốc định vị trục van điều khiển; 13 Cơ cấu lái; 14 Gân tăng cứng; 15 Đường dầu nối giữa khoang phải xylanh với van xoay; 16 Đường dầu nối giữa khoang trái xylanh với van xoay; 17 Xylanh trợ lực;18 Đai ốc dầu;19 Thanh kéo ngang; 20 Thanh kéo bên; 21 Đai ốc hãm; 22 Bánh xe; 23 Puly; 24 Bơm; 25 Bình chứa dầu; 26 Đai ốc dầu. Phương án bố trí này có ưu điểm: + Kết kấu cơ cấu lái nhỏ gọn + Dễ bố trí bộ trợ lực lái + Tăng tính thống nhất sản phẩm + Giảm tải trọng tác dụng lên các chi tiết của hệ thống lái + Nhược điểm: Kết cấu kém cứng vững, chiều dài các đường ống lớn dẫn đến tăng khả năng dao động các bánh xe dẫn hướng. + Bộ trợ lực thuỷ lực có nhiệm vụ làm giảm bớt lực điều khiển của người lái, làm giảm bớt các lực va đập sinh ra do đường xấu truyền lên vô lăng. Bộ trợ lực còn làm tăng tính an toàn khi có một bánh xe dẫn hướng bị nổ. Vì lúc đó người lái đủ sức giữ tay lái cho xe chuyển động thẳng và vừa thực hiện phanh ngặt. + Bơm trợ lực lái là loại bơm cánh gạt, được đặt trên thân động cơ và được truyền động từ trục khuỷu động cơ thông qua dây đai. + Bộ trợ lực thuỷ lực có nhiệm vụ làm giảm nhẹ lực điều khiển của người lái, làm giảm bớt các lực va đập sinh ra do đường xấu truyền lên vô lăng. Bộ trợ lực còn làm tăng tính an toàn khi có một bánh xe dẫn hướng bị nổ. Vì lúc đó người lái đủ sức giữ tay lái cho xe chuyển động thẳng và vừa thực hiện phanh ngặt. + Tay lái có thể điều chỉnh theo 4 hướng: gật gù và xa+gần đến vị trí thích hợp làm tăng sự thoải mái cho người lái. + Cơ cấu lái là loại bánh răng+thanh răng. Loại này có kết cấu nhỏ gọn, tỷ số truyền nhỏ, độ nhạy cao, chế tạo đơn giản và hiệu suất cao. Sinh viên : Lê Văn Huy Chuyên đề tốt nghiệp Lớp : NCN50ÔTÔ 8 Trường CĐCN Nam Định Khoa công nghệ ôtô 1.2.3. Dẫn động lái Hình 1. 6 Quan hệ hình học Arkerman Quan hệ hình học của Arkerman (Sơ đồ động học quay vòng của ôtô có hai bánh xe dẫn hướng phía trước) Quan hệ hình học của Arkerman biểu thị quan hệ góc quay của các bánh xe dẫn hướng quanh trục trụ đứng, với giả thiết tâm quay vòng của xe nằm trên đường kéo dài của tâm trục cầu sau. Để thoả mãn điều kiện không bị trượt bánh xe sau thì tâm quay vòng phải nằm trên đường kéo dài của tâm cầu sau, mặt khác các bánh xe dẫn hướng phải quay theo các góc a (với bánh xe ngoài), góc b (với bánh xe trong). Quan hệ hình học được xác định theo công thức: cotga = cotgb = B/L Trong đó: B là chiều rộng cơ sở đường trụ đứng trong mặt phẳng đi qua tâm trục bánh xe và song song với mặt đường. L là chiều dài cơ sở của xe. Để đảm bảo điều kiện này, trên xe có sử dụng cơ cấu 4 khâu có tên là hình thang lái Đantô. Hình thang lái Đantô chỉ đáp ứng gần đúng nhưng do kết cấu đơn giản nên chúng có mặt ở hầu hết các xe con. Sinh viên : Lê Văn Huy Chuyên đề tốt nghiệp Lớp : NCN50ÔTÔ 9 Trường CĐCN Nam Định Khoa công nghệ ôtô - Hình thang lái a. Đòn ngang liên kết nằm sau dầm cầu. b. Đòn ngang liên kết nằm trước dầm cầu. Cơ cấu 4 khâu đặt trên cầu trước có dầm cầu liền, cấu tạo gồm: Dầm cầu cứng đóng vai trò một khâu cố định, hai đòn bên dẫn động các bánh xe, đòn ngang liên kết hai đòn bên bằng khớp cầu. Các đòn bên quay quanh đường tâm trụ đứng. Trên hệ thống treo độc lập, số lượng đòn và khớp tăng lên nhằm đảm bảo các bánh xe dịch chuyển độc lập. Số lượng đòn tăng lên tùy thuộc vào kết cấu cơ cấu lái, vị trí bố trí cơ cấu lái, không gian cho phép bố trí đòn, khớp, độ cứng vững của kết cấu . Nhưng vẫn đảm bảo quan hệ hình học của Arkerman, tức là gần đúng với cơ cấu Đantô. a b Hình 1. 7 Cơ cấu đòn ngang nối liên kết trên hệ thống treo độc lập a. Đòn ngang nối nằm sau dầm cầu b. Đòn ngang nối năm trước dầm cầu Trạng thái quay vòng của xe, nếu thực hiện quan hệ hình học Arkerman được gọi là quay vòng "đủ", tức là chỉ có khi lốp là tuyệt đối cứng, vận tốc quay vòng nhỏ, góc quay bánh xe dẫn hướng nhỏ. Trong thực tế, bánh xe đàn hồi chịu lực bên (lực ly tâm, gió bên, đường nghiêng .), vận tốc lớn, góc quay vòng thường xuyên thay đổi . Nên quan hệ hình học thường xuyên biến động gây nên trạng thái quay vòng "thừa" hoặc "thiếu". b. Dẫn động lái ở hệ thống treo độc lập với cơ cấu lái dạng đòn quay Sinh viên : Lê Văn Huy Chuyên đề tốt nghiệp Lớp : NCN50ÔTÔ 10 Trường CĐCN Nam Định Khoa công nghệ ôtô Dẫn động lái của các xe sử dụng cơ cấu lái có trục bị động quay dùng các dạng cơ bản Hình 1.8 Cơ cấu dẫn động đòn quay Trường hợp a: Cơ cấu lái đặt sau trục cầu trước và nằm trên vỏ hoặc khung xe, đòn quay cơ cấu dẫn động 1 quay, đòn 1, 2 tạo nên chuyển động tịnh tiến cho đòn 4. Các đòn bên 3 dẫn động bánh xe và liên kết với các đòn dẫn bánh xe nhờ các khớp cầu. Đòn 3 có thể điều chỉnh chiều dài đòn để tạo điều kiện điều chỉnh độ chụm bánh xe dẫn hướng, vì vậy phải có chiều dài như nhau. Trường hợp b: Cơ cấu lái đặt trước cầu trước, đòn 4 cũng là đòn liên kết và cùng với đòn 3 đều đặt sau trục cầu trước. Trường hợp c: Cơ cấu lái đặt trước, các đòn ngang đặt trước cầu xe. Trường hợp d: Cơ cấu lái đặt sau, các đòn ngang 3, 4 đặt trước trục cầu xe. c. Cơ cấu lái ở hệ thống treo độc lập với cơ cấu lái dạng bánh răng - thanh răng Trường hợp a: Cơ cấu lái và đòn dẫn động đặt sau cầu trước. Vai trò của thanh răng chỉ đảm nhận chuyển động tịnh tiến, các đòn ngang bên dài, góc lắc trong quá trình chuyển động theo phương thẳng đứng của bánh xe gây nên ở đòn ngang bên nhỏ, vì vậy bánh xe ít bị lắc do góc tự điều khiển. Sinh viên : Lê Văn Huy Chuyên đề tốt nghiệp Lớp : NCN50ÔTÔ