Hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô: Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng
MỤC LỤC
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cấu tạo chung của hệ thống lái
Tăng tính chính xác, an toàn, nhanh chóng và ổn định: trợ lực đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn khi lái xe, khi gặp tình huống khẩn cấp hoặc tránh va chạm cần phải phản ứng nhanh, đảm bảo cho người lái có thể kiểm soát xe một cách dễ dàng và linh hoạt trong mọi điều kiện đường và thời tiết. Ví dụ, EPS có thể kết hợp với hệ thống phanh ABS (Anti-lock Braking System) và hệ thống kiểm soát điện tử ESC (Electronic Stability Control), giúp cải thiện khả năng kiểm soát và ổn định của xe trong các tình huống khẩn cấp hoặc trên địa hình khó khăn.
Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái trợ lực điện
Vì không sử dụng bơm thủy lực và chất lỏng dầu như trong hệ thống HPS, EPS giảm được lượng công suất cần thiết từ động cơ xe và giúp tiết kiệm năng lượng. EPS không yêu cầu các bộ phận phức tạp như bình chứa dầu và bơm dầu của HPS, giúp giảm trọng lượng tổng thể của xe và đơn giản hóa quy trình bảo dưỡng và sửa chữa.
Tín hiệu đầu vào
Một trong những lợi ích quan trọng của EPS là khả năng tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ nhiên liệu. Hệ thống lái trợ lực điện cũng có khả năng tích hợp các tính năng công nghệ bổ sung để nâng cao an toàn và trải nghiệm lái.
Bộ phận tiếp nhận xử lý thông tin
Điều này có ý nghĩa lớn trong việc cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải ô nhiễm. Ngoài ra, EPS còn mang đến các lợi ích khác như đơn giản hóa cấu trúc và dễ dàng sửa chữa khi hỏng.
Cơ cấu chấp hành
Các bộ phận chính trên hệ thống lái trợ lực điện 1. Bộ phận cung cấp thông tin tín hiệu đầu vào
Cảm biến mô-men xoắn (Torque Sensor) là cảm biến chính và là cảm biến quan trọng nhất của hệ thống lái trợ lực điện EPS, có nhiệm vụ đo lường và phải hồi liên tục lực xoắn (mô-men xoắn) hay lực cản giữa mặt đường với bánh xe trong quá trình di chuyển khi người lái áp dụng lực lên vô lăng để đánh lái chuyển hướng di chuyển của xe. Chất lượng truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu lái được đánh giá qua tỷ số truyền (tỷ số truyền giữa vòng quay đầu vào và đầu ra, à ). Sự mất mát năng lượng truyền động trong hộp số giảm tốc được thể hiện bằng hiểu suất hiệu quả của nó, đại diện cho hiệu suất này là tỷ lệ giữa nguồn điện có thể dụng và nguồn điện được cung cấp ).
Phân loại hệ thống lái trợ lực điện
Yêu cầu kỹ thuật đối với hộp giảm tốc: độ bền cao, an toàn, có khả năng chống tự kẹt, khả năng chịu tải cao cho điều kiện hoạt động và môi trường, hiệu suất cao, hạn chế bảo dưỡng sửa chữa trong thời gian dài,….
Ưu điểm của hệ thống lái trợ lực điện
Tích hợp các chức năng thông minh: Hệ thống EPS có khả năng tích hợp các chức năng thông minh như hỗ trợ giữ làn đường, hỗ trợ đỗ xe tự động, cảnh báo va chạm và điều khiển tốc độ hành trình. Kiểm soát và ổn định tốt hơn: EPS có khả năng cung cấp kiểm soát và ổn định tốt hơn trong các tình huống lái xe khó khăn như khi đối mặt với đường trơn, lực cản lớn hay điều kiện thời tiết xấu.
CÁC HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN PHỔ BIẾN
Cấu tạo và hoạt động của các bộ phận chính 1. Cảm biến mô-men xoắn và cảm biến góc lái
Khi các răng trượt qua nam châm sẽ tạo nên dòng điện xoay chiều, tín hiệu sẽ được gửi về thông qua số lượng xung, truyền vào mạch cảm biến tốc độ và tính toán ra vận tốc chuyển động của xe. Bộ điều khiển được gắn trên cột lái, có các đầu nối riêng biệt được kết nối bởi các giắc từ cảm biến, motor, nguồn điện,… Bộ điều khiển tiếp nhận và xử lý các tín hiệu đầu vào sau đó tính toán mức hỗ trợ lực cần thiết điều khiển motor hoạt động.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống DP-EPS
Bù lệch lái thông minh: Khi xe di chuyển trên mặt đường không bằng phẳng hoặc gió tạt ngang thân xe yêu cầu người lái xoay vô lăng để giữ xe chạy thẳng. Bằng cách đánh giá các thông số dữ liệu: mô-men lái, tốc độ xe, tốc độ động cơ, góc lái,… Bộ điều khiển tính toán mô-men xoắn cần thiết điều khiển motor điện.
Cấu tạo và hoạt động của các bộ phận chính 1. Cảm biến góc lái
Tín hiệu điện áp được tạo ra khi có ánh sáng và không có ánh sáng Khi 2 vòng di chuyển sẽ tạo ra chỗi điện áp khác nhau, bằng cách so sánh cả 2 tín hiệu, hệ thống có thể tính toán khoảng cách mà các vòng đã di chuyển bao xa, vòng bên ngoài dùng để xác định điểm xuất phát của chuyển động. Hệ thống sử dụng bộ trợ lực được tạo ra bởi động cơ điện truyền động tới thanh răng nhờ sự kết hợp của trục vít đai ốc bi và bộ truyền động dây đai, vì vậy hệ thống còn được gọi là hệ thống hỗ trợ bằng dây đai (Belt EPS – B-EPS).
Cấu tạo của hệ thống trợ lực lái trục song song
Phần điện là phần trợ lực, nghĩa là giả sử vì một lý do gì đó mà hệ thống trợ lực hư hỏng hoặc mất nguồn điện, người lái vẫn có thể đánh lái được, nhưng nặng hơn bình thường rất nhiều. - Hộp số lái bi tuần hoàn với dây đai và bi truyền động: Hệ thống truyền động này nhận mô-men quay từ motor điện tác động vào thanh răng làm thanh răng chuyển động tịnh tiến sang trái hoặc sang phải.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống B-EPS
- Tổng lực của mô-men xoắn tại vô lăng và lực của mô-men trợ lực từ động cơ điện tạo ra lực tịnh tuyến thanh răng giúp xoay các bánh xe. Bù lệch lái thông minh: Hệ thống lái liên tục tự điều chỉnh, bù thêm lực lái để giữ cho xe ổn định khi chạy trên mặt đường không bằng phẳng hoặc có gió tạt ngang thân xe.
Cấu tạo và hoạt động của các bộ phận chính 1. Cảm biến góc lái
Khi tám răng trên bộ stato 1 nằm chính xác ở các cực bắc và 8 răng của stato 2 nằm chính xác ở các cực nam của nam châm vòng, cảm biến đã đạt đến vị trí cực đại. Bằng cách sử dụng vỏ hộp cơ cấu lái để tản nhiệt, hệ thống hỗ trợ lái không bị giảm liên quan đến nhiệt độ ngay cả khi nhiệt độ rất cao phát triển trong thiết bị điều khiển.
TÍNH NĂNG CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG
Các thành phần chính của hệ thống
Hệ thống cảnh báo chệch làn ứng dụng các kỹ thuật xử lý hình ảnh được gọi là kỹ thuật biến đổi Hough và kỹ thuật phát hiện cạnh Canny để phát hiện các vạch làn đường từ hình ảnh camera thời gian thực, từ camera phía trước được lắp trong gương chiếu hậu trung tâm của ô tô. Nếu hệ thống phát hiện xe đang di chuyển quá gần về mép vạch kẻ đường, LDWS sẽ kích hoạt hệ thống cảnh báo thông qua hình ảnh trên màn hình bảng đồng hồ, phát tín hiệu bằng âm thanh hoặc đôi khi rung vô lăng để cảnh báo người lái.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống 1. Trạng thái hoạt động
Khi làn đường hiển thị nhấp nháy màu vàng (hoặc cam): Hệ thống báo hiệu xe đang di chuyển lệch làn đường về phía làn đường hiển thị đang nhấp nháy. Màn hình hiển thị tính năng đang hoạt động trên các hãng xe. Nếu khụng nhỡn thấy rừ cỏc vạch kẻ đường, hệ thống cũng sẽ hoạt động bằng cỏch theo dừi đường đi của phương tiện trước đú. Thao tỏc này cú thể được xỏc định bằng 3 chấm trắng xuất hiện trên màn hình MID thay vì các đường màu xanh. Hệ thống chỉ chuyển sang trạng thái hoạt động khi đáp ứng các tiêu chí sau:. - Làn đường đủ rộng được công nhận. - Độ cong làn đường đủ nhỏ. b) Hoạt động của hệ thống sau khi được bật. Khi hệ thống cảnh báo xe lệch làn đường hoạt động (đưa ra tín hiệu) thì chế độ của hệ thống của xe đang hoạt động được thể hiện bằng đèn thông báo và bảng thông báo cách điều khiển xe về lại đúng làn đường di chuyển cũng sẽ được hiển thị một cách nhanh chóng. Các chế độ của hệ thống này được hỗ trợ bằng cả âm thanh cảnh báo và sự. Với mục đích của hệ thống giúp cho tài chế chú ý đến những thông điệp mà hệ thống đang cảnh báo. Tiêu chí đảm bảo điều kiện vận hành hệ thống a) Tiêu chí hệ thống bên trong.
Vai trò nhiệm vụ của hệ thống
Nếu gặp phải những yếu tố này có thể dẫn đến trường hợp hệ thống cảnh báo lệch làn đường khụng thể nhận biết rừ ràng phần đường và tính toỏn phần làn đường ảo hoặc có thể xảy ra sự nhầm lẫn làn đường của hệ thống cảnh báo.
Các thành phần của hệ thống
Trong quá trình lan truyền trong không khí, chúng gặp vật thể, chúng sẽ phản xạ ngược trở lại dưới một dạng tín hiệu phản hồi và đồng thời bộ xử lý sóng âm sẽ tự động tính toán khoảng cách dựa trên khoảng thời gian sóng được phát ra và tín hiệu trả về. Bộ điều khiển trong màn hình trước vô lăng chịu trách nhiệm hiển thị các chỗ đỗ xe song song và vuông góc ở bên trái hoặc bên phải đường, hướng dẫn đổi hướng, hướng dẫn phanh, âm thanh cảnh báo và quy trình liên tục trong quá trình đỗ xe nhiều giai đoạn.
Quy trình hoạt động của chức năng hỗ trợ đỗ xe 1. Quy trình đỗ xe
Camera lùi thường được lắp đặt phía sau xe, phía trên phần biến số. Camera ghi lại toàn bộ hình ảnh phía sau xe sau đó truyền thông tin đến màn hình hiển thị ở khoang lái. Qua đó giúp người lái chế được điểm mù không thể nhìn thấy qua gương chiếu hậu và gương trái, phải. Trong hệ thống hỗ trợ đỗ xe, việc có camera lùi sẽ giúp người lái quan sát kịp thời các tình huống nguy hiểm bất ngờ xảy ra mà hệ thống không thể phân tích. Hệ thống phanh ABS. Bộ điều khiển ABS cung cấp thông tin về tốc độ của xe và, nếu quá mức, sẽ giảm tốc độ trong khi đỗ xe xuống dưới 7 km/h hoặc 9 km/h. Nếu có nguy cơ va chạm, ESP sẽ can thiệp để dừng xe và tắt hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe. Cả hai cảm biến tốc độ phía sau đều có khả năng phát hiện hướng quay. Từ những cảm biến gửi này, hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe nhận chi tiết đường đi và thông tin về việc xe đang di chuyển tiến hay lùi. Hệ thống quản lý động cơ và hộp số. Bộ điều khiển hộp số tự động phát hiện số nào đang hoạt động. Bộ điều khiển nguồn cung cấp trên xe báo cho hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe khi cài số lùi. Quy trình hoạt động của chức năng hỗ trợ đỗ xe. Nút nhấn hỗ trợ đỗ xe trên Ford và Mercedes. Sử dụng đèn báo rẽ để cho biết người lái muốn hệ thống tìm kiếm khu vực đỗ xe ở phía nào. b) Tìm chỗ đậu xe phù hợp. Để đo chỗ đậu xe, người lái cần di chuyển xe về phía trước song song nhất có thể đối với khu vực cần tìm chỗ đỗ xe, tốc độ dưới 30 km/h. Tất cả các chỗ đỗ xe có thể được đo liên tục ở cả hai bên bởi hai cảm biến gắn ở hai bên cản phía trước của xe. Phạm vi của những cảm biến này khoảng 4.5m. Hai cảm biến siêu âm ở hai bên cản trước để đo chỗ đậu xe. Hai cảm biến siêu âm hai bên ở cản sau để kiểm soát khoảng cách an toàn và căn chỉnh chính xác trong không gian đỗ xe khi đỗ xe vuông góc. Bốn cảm biến siêu âm để kiểm soát khoảng cách đỗ xe lần lượt ở cản trước và cản sau. Cảm biến được đặt sao cho các khu vực quét của chúng chồng lên nhau một chút. Do đó, không có khu vực “chết”, nơi mà không thể phát hiện chướng ngại vật. Vị trí cảm biến siêu âm gắn trên xe. Hệ thống hỗ trợ đỗ xe sẽ đo phía bên phải của đường một chỗ đậu xe phù hợp. Kết quả của quá trình được hiển thị cho người lái trong màn hình bảng điều khiển sử dụng đồ họa để mô tả chiếc xe và lề đường. Không gian chỗ đỗ xe gần nhất được đo ở bên trái và bên phải đường luôn được lưu trữ tạm thời trong bộ phận điều khiển hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe. Thông tin chi tiết về chỗ đỗ xe đã phát hiện được lưu trữ cho đến khi phát hiện chỗ đỗ xe mới hoặc xe đã di chuyển quá xa khỏi chỗ đỗ xe. Không gian song song được lưu trữ lên đến xấp xỉ 15m và chỗ đậu xe vuông góc lên đến xấp xỉ 8m từ chỗ đậu xe tương ứng. Thông số đỗ xe song song. Thông số về các khoảng cách, vận tốc để đỗ xe song song. Kích thước tối thiểu của chỗ đỗ xe khi đỗ xe song song, được phát hiện là chỗ đỗ xe trống khi đo chỗ đỗ xe, là chiều dài của xe cộng với không gian chiều rộng và khoảng cách an toàn phía trước và phía sau ít nhất là 0,4m, tốc độ lái xe tối đa là 30 km/h. Vị trí bắt đầu lý tưởng cho chỗ đỗ xe song song là dọc theo đường lái xe với khoảng cách ngang với các phương tiện đang đỗ là 0,5m đến 2,0m. Thông số đỗ xe vuông góc. Thông số về các khoảng cách, vận tốc để đỗ xe vuông góc. Kích thước tối thiểu của chỗ đỗ xe vuông góc, được phát hiện là chỗ đỗ xe trống khi đo chỗ đỗ xe, là chiều rộng của xe cộng với không gian chiều rộng và khoảng cách an toàn ở bên trái và bên phải ít nhất là 0,35m, tốc độ lái xe tối đa 20 km/h. Vị trí bắt đầu lý tưởng cho chỗ đỗ xe vuông góc là dọc theo đường lái xe với khoảng cách ngang từ các phương tiện đang đỗ từ 0,5m đến 2m. Sau khi tìm thấy được vị trí thích hợp màn hình sẽ hiển thị vị trí đỗ xe cho cho người lái. Màn hình trước vô lăng hiển thị vị trí đỗ xe. Vô hiệu hoá đo lường không gian đỗ xe. - Từ tốc độ lớn hơn 30 km/h, các cảm biến đo khoảng trống sẽ vô hiệu hóa hoàn toàn và dữ liệu được lưu trữ cho đến khi điểm đó bị xóa. Hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe phải được kích hoạt lại. - Nếu xe đứng yên trong hơn 30s, các cảm biến sẽ tạm thời bị tắt. Ngay sau khi xe được lái đi, các cảm biến sẽ được kích hoạt lại. c) Thao tác đỗ xe với chức năng hỗ trợ đỗ xe. Khi đã đo được chỗ đậu xe phù hợp và xe ở vị trí bắt đầu thích hợp, quá trình đỗ xe có thể bắt đầu. Người lái bắt đầu quá trình đỗ xe tự động bằng cách nhấn vào nút hỗ trợ đỗ xe và làm theo hướng dẫn trên màn hình. Trong thời gian này, tất cả các hệ thống tham gia vào quá trình được kích hoạt và đường di chuyển lý tưởng được tính toán. Trong quá trình đỗ xe tự động, người lái không nên tác dụng bất kỳ lực xoay nào lên vô lăng, người lái xe nên quan sát xung quanh xe để có thể hủy bỏ quy trình đỗ xe nếu nghi ngờ hoặc trong trường hợp nguy hiểm. Hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe đảm nhận hệ thống hỗ trợ lái, tức là nó lái xe dọc theo đường đã tính toán vào chỗ đỗ xe. Trong quá trình đỗ xe nhiều giai đoạn, người lái xe được yêu cầu lái xe tiến hoặc lùi bằng hình ảnh trên màn. Cả hai cảm biến tốc độ phía sau đều xác định xe di chuyển tiến hay lùi. Khi cài số lùi, các cảm biến phía trước và phía sau giám sát khoảng cách được sử dụng. Hệ thống sử dụng chuông báo và sơ đồ trực quan trên màn hình cảm ứng với các điểm nổi bật màu đỏ, vàng, xanh lục để cho biết nơi phát hiện vật thể gần xe nhất. Khi kết thúc quá trình đỗ xe, một thông báo được hiển thị trên màn hình rằng hỗ trợ lái đã hoàn tất. Nếu trong quá trình hỗ trợ đánh lái, hệ thống phát hiện thấy người lái nắm vô lăng thì hỗ trợ đánh lái sẽ bị hủy. Hệ thống cung cấp hướng dẫn trên màn hình cho người lái Đỗ xe trong không gian song song:. Vận tốc giới hạn khi đỗ xe song song. Người lái chọn chức năng đỗ xe song song bằng cách nhấn nút đánh lái hỗ trợ đỗ xe. Các hình ảnh được hiển thị tương ứng trong phần hiển thị trên màn hình. Quá trình đỗ xe song song có thể diễn ra trong một số giai đoạn. Tốc độ đỗ xe song song:. Đỗ xe ở những chổ vuông góc. Người lái lựa chọn chức năng đỗ xe vuông góc bằng cách nhấn nút đánh lái hỗ trợ đỗ xe. Các hình ảnh được hiển thị tương ứng trong phần hiển thị trên màn hình. Quá trình đỗ xe vuông góc có thể diễn ra trong một số giai đoạn. Hệ thống đỗ xe tập trung giúp dễ dàng mở cửa ngang nhau hai bên. Hai cảm biến được gắn ở hai bên cản xe chủ yếu nhằm mục đích căn chỉnh xe ở vị trí trung tâm trong không gian đỗ xe. Tuy nhiên, chúng cũng cảnh báo chướng ngại vật trong cùng phạm vi với các cảm biến PDC khác. Tốc độ giới hạn khi đỗ xe vuông góc Tốc độ đỗ xe vuông góc:. Hỗ trợ phanh. Tính năng hỗ trợ phanh có hai chức năng:. - Can thiệp phanh nếu vượt quá tốc độ đỗ xe. - Dừng phương tiện nếu có nguy cơ va chạm với chướng ngại vật được phát hiện để giảm thiểu thiệt hại. Can thiệp phanh khi đỗ xe:. Quá trình đỗ xe có thể được tiếp tục, tức hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe vẫn đang hoạt động. Hệ thống phanh hỗ trợ giảm tốc độ di chuyển. Phanh để dừng lại:. Trường hợp hệ thống phanh dừng chuyển động của xe. Hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe sẽ bắt đầu thao tác phanh để dừng lại nếu sau khi quá trình đỗ xe bắt đầu, phát hiện thấy chướng ngại vật trên đường lý tưởng, người lái không phanh kịp thời và hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe phát hiện nguy cơ va chạm với chướng ngại vật này. Tuy nhiên, chức năng này chỉ có thể thực hiện được nếu tốc độ không giảm xuống dưới ngưỡng tối thiểu khoảng 1,5 km/h. Xe được dừng lại bằng cách sử dụng phanh và quá trình đỗ xe tự động dừng lại. Nếu cần sử dụng lại hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe để hỗ trợ đỗ xe, thì phải bắt đầu tìm kím chỗ đỗ xe mới. Phanh dừng bằng hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe hoàn toàn nhằm mục đích giảm thiểu thiệt hại và giảm tác động của tai nạn. Do đó, nó không phải là một hệ thống an toàn như vậy. Trong những điều kiện tối ưu, có thể tránh được tai nạn nhưng không thể đảm bảo dừng lại trước khi va chạm với chướng ngại vật. Người lái luôn có trách nhiệm tăng tốc, điều khiển ly hợp và phanh. Hình ảnh hiển thị:. Trong quá trình đỗ xe, người lái xe được hỗ trợ bởi nhiều lời nhắc. Với các tín hiệu âm thanh từ kiểm soát khoảng cách đỗ xe và hướng dẫn lái xe trong màn hình hiển thị của bảng điều khiển. d) Hoàn tất quy trình đỗ xe. Hệ thống thông báo hoàn thành đỗ xe qua màn hình cho người lái Sau khi quá trình đỗ xe hoàn tất, hệ thống sẽ thông báo lời nhắc cho người lái thông qua màn hình. Quy trình tiến ra khỏi chỗ đỗ xe. Quá trình tiến ra khỏi chỗ đỗ xe song song hoặc vuông góc với hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe bao gồm các các bước:. - Kích hoạt hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe. - Đo khoảng cách chỗ đậu xe. - Thao tác ra khỏi chỗ đỗ xe với hỗ trợ đỗ xe. a) Kích hoạt hệ thống hỗ trợ đỗ xe. Hệ thống lái hỗ trợ đỗ xe phải được bật bằng cách sử dụng nút lái hỗ trợ đỗ xe trước mỗi thao tác tiến ra khỏi chỗ đỗ. Để thực hiện chế độ tiến ra khỏi chỗ đậu xe, phương tiện không được di chuyển. b) Đo không gian chỗ đỗ xe. Các cảm biến xác định khoảng cách đến chiếc xe đang đậu ở phía trước và phía sau hoặc đến một chướng ngại vật. Kích thước tối thiểu của chỗ đỗ xe để xe ra khỏi vị trí đỗ là chiều dài của xe cộng với khoảng không gian cho xe chạy và khoảng cách an toàn phía trước và phía sau ít nhất 0,25m. c) Thoát khỏi chỗ đậu xe với hỗ trợ đỗ xe. Hệ thống ESP thậm chí còn can thiệp trong quá trình ra khỏi xe (như khi đỗ xe) nếu tốc độ ra khỏi xe vượt quá 7 km/h. Phanh để dừng lại cũng được thực hiện nếu có nguy cơ va chạm với chướng ngại vật được phát hiện để giảm thiểu thiệt hại. Điều kiện hoạt động và giới hạn của hệ thống a) Điều kiện hoạt động. Hệ thống sẽ hoạt động khi thỏa các điều kiện sau:. - Nhấn nút kích hoạt hệ thống. - Các hiển thị cảnh báo/âm thanh cảnh báo của các cảm biến không hoạt động khi cần số ở vị trí P. - Các hiển thị cảnh báo/cảnh báo âm thanh của các cảm biến không hoạt động khi phanh đỗ đang được cài. b) Giới hạn của hệ thống.
