Hệ thống trợ lực lái môtơ điện

Hệ thống EMPS ( Electronic Mechanic Power Steering ) trợ giúp cho việc vận hành vôlăng trực tiếp bằng nguồn dẫn động của môtơ điện DC, không phải bằng áp suất thủy lực. Hình 3.13

Khi người lái xe điều khiển vôlăng, mômen lái tác động lên trục cơ sở cấp của cảm biến mômen thông qua trụ lái chính. Người ta bố trí các vòng phát tín hiệu 1 và 2 trên trục cơ sơ cấp ( phía vôlăng) và vòng 3 trên trục thứ cấp (phía cơ cấu lái). Trục sơ cấp và trục thứ cấp được nối bằng một thanh xoắn. Các vòng phát hiện có cuộn dây phát hiện kiểu không tiếp xúc trên vòng ngoài để hình thành một mạch

Chương 3: Phân tích các thông số trong hệ thống lái.

kích thích. Khi tạo ra mômen lái thanh xoắn bị xoắn tạo độ lệch pha giữa vòng phát hiện 2 và 3. Dựa trên độ lệch pha này, một tín hiệu tỷ lệ với mômen vào được đưa tới ECU. Dựa trên tín hiệu này, ECU tính toán mômen trợ lực cho tốc độ xe và dẫn động motor.

Hình 3.16 Các vòng cảm biến 1, 2 và 3

Hình 3.17A Hệ thống trợ lực lái EHPS.

Hình 3.17BHệ thống trợ lực lái EMPS.

Chương 3: Phân tích các thông số trong hệ thống lái.

Hình 3.17C Hệ thống trợ lực lái EHPS.

Chương 4: Cơ sở lý thuyết điều khiển tựđộng hệ thống lái.

CHƯƠNG IV

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰĐỘNG HỆ THỐNG LÁI 4.1 Yêu cầu của hệ thống lái

Trong quá trình ôtô chuyển động trên đường hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến sự an toàn chuyển động nhất là ở tốc độ cao do đó nó phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Hệ thống lái phải đảm bảo điều khiển dễ dàng, nhanh chóng. Các cơ cấu điều khiển bánh xe dẫn hướng và quan hệ hình học của hệ thống lái phải đảm bảo không gây lên các dao động và va đập trong hệ thống lái.

- Truyền tối thiểu các va đập nghịch đảo lên vành tay lái.

- Các bánh xe dẫn hướng khi ra khỏi đường vòng cần phải tự động quay về trạng thái chuyển động thẳng hoặc là để quay về trạng thái chuyển động thẳng thì chỉ cần đặt lực lên vành lái nhỏ hơn khi ô tô đi vào đường vòng.

- Hệ thống lái không được có độ dơ lớn: Ví dụ. Với ô tô có vận tốc lớn nhất lớn hơn 100Km/h độ dơ vành lái cho phép không vượt quá 18^o, với ô tô có vận tốc lớn nhất nằm trong khoảng (25 ÷ 100) Km/h độ dơ vành lái cho phép không vượt quá 27^o.

- Với hệ thống lái không có trợ lực, số vòng quay toàn bộ của vành lái không được vượt quá 5 vòng, tương ứng với góc quay bánh xe dẫn hướng phía trong về cả hai phía kể từ vị trí trung gian là 35o. Ở các vị trí biên cần phải có vấu tì hạn chế quay của bánh xe.

- Khi đi trên đường cong có bán kính không đổi bằng 12m với tốc độ 10Km/h, lực đặt lên vành lái tối đa không vượt quá 250N.

Ngoài các yêu cầu trên còn có các yêu cầu cụ thể đối với hệ thống lái như sau:

-Với các hệ thống lái có trợ lực thì khi hệ thống trợ lực có sự cố hư hỏng vẫn có thểđiểu khiển được ôtô.

-Đảm bảo khả năng an toàn bị động của ôtô, không gây nên tổn thương cho người sử dụng khi bịđâm chính diện.

-Thuận tiện trong việc sử dụng và bảo dưỡng.

Như vậy, ta nhận thấy rằng vấn đề khắc phục lực cản quay vòng từ mặt đường do bộ phận trợ lực lái sinh ra là để “tay lái nhẹ hơn” (theo chiều thuận) luôn luôn mâu thuẫn với vấn đề “người lái phải có được cảm giác từ mặt đường” (theo

Chương 4: Cơ sở lý thuyết điều khiển tựđộng hệ thống lái.

chiều nghịch). Ta thấy rõ mâu thuẫn này trong trường hợp lực cản quay vòng các bánh xe dẫn hướng không đáng kể (chẳng hạn như khi xe chạy với tốc độ lớn trên mặt đường cứng), lúc đó nếu bộ trợ lực vẫn tiếp tục làm việc thì người lái gần như không còn nhận được cảm giác từ mặt đường. Do vậy bộ phận trợ lực lái lúc này sẽ tự động ly khai. Cơ cấu điều khiển lái tiếp tục làm việc theo kiểu thuần cơ khí. Cũng theo xu hướng giải quyết mâu thuẫn như vậy, ta tìm hiểu vài cơ cấu trợ lái sau:

Xe có cơ cấu lái (hộp lái) như Hình 4.1.Cơ cấu lái này tích hợp một cơ cấu cơ khí và bộ phận trợ lực thủy lực. Đặc điểm chung của các loại cơ cấu lái này là sử dụng nguyên tắc tác dụng ngược bằng thủy lực. Tải trọng trong hệ thống lái (lực cản quay vòng) bằng mối liên kết ngược thủy lực sẽđược truyền lên vô lăng. Nhờ vậy người lái có được cảm giác tiếp xúc với mặt đường cũng giống nhưở cơ cấu lái cơ khí thông thường mà vẫn giảm nhẹ vất vả.

Hình 4.1 Cơ cấu lái Mercedes Benz

4.2 Lực cản quay vòng

Ta biết rằng trong quá trình ôtô chuyển động trên đường, các bánh xe dẫn hướng sẽ luôn luôn chịu tác dụng của lực cản từ mặt đường. Lực cản này càng lớn lúc quay vòng trong trạng thái sắp dừng xe hay quay vòng tại chỗ. Theo nguyên lý tác dụng tương hổ thì bánh xe sẽ sinh ra một phản lực có xu hướng khắc phục lực cản này. Phản lực sinh ra sẽ tác dụng ngược lên vôlăng tạo cho người lái có cảm giác về sức cản mặt đường nhất là trong lúc quay vòng. Phản lực tác dụng ngược lên vôlăng càng lớn khi lực cản quay vòng càng tăng.

Lực tác dụng ngược lên vành tay lái của ôtô sẽđạt giá trị cực đại khi ta quay vòng tại chỗ. Lúc ấy mômen cản quay vòng trên một bánh xe dẫn hướng "

C M sẽ bằng tổng mômen cản chuyển động M₁, mômen cản do các bánh xe trượt lê trên đường M₂ và mômen cản cần thiết để làm ổn định dẫn hướng M₃ do cánh tay đòn c. Khi xác định giá trị lực cực đại tác dụng lên vôlăng Pl max , thì M3 có thể bỏ qua. Khi cần độ chính xác cao thì phải tính cả M3.

Chương 4: Cơ sở lý thuyết điều khiển tựđộng hệ thống lái.

Mômen cản chuyển động: M₁ = G_bx.f.c

Trong đó: Gbx – trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng f – hệ số cản lăn : f = 0.015

c – chiều dài cánh tay đòn

Trong trường hợp ôtô quay vòng, chịu các lực ngang thì sẽ xuất hiện phản lực ngang Y từ mặt đường tác dụng lên bánh xe. Do sựđàn hồi bên của lốp nên lốp bị biến dạng ngang, diện tích tiếp xúc giữa lốp với đường sẽ bị quay tương đối với mặt phẳng bánh xe. Biến dạng này có tác dụng ngược lại với đường và tạo ra mômen trả Mz. Mômen trả Mz có tác dụng làm cho hướng tốc độ V trùng với mặt phẳng bánh xe.

Nhưđã đề cập ở phần đầu, mômen trả M_z thì phụ thuộc vào góc lăn lệch α . Trong vùng tuyến tính ứng với α nhỏ thì: Mz = Cz . α với Cz = , 0 α α δ δ = t M gọi là độ cứng trả của lốp quay. Góc lăn lệch α thì có quan hệ với phản lực ngang Y như sau:

Y = Cy . α với Cy là độ cứng hướng của lốp.

Mômen Mz sẽ bằng tổng tất cả các mômen thành phần gây ra bởi lực ngang thành phần dY đối với tâm O của vết tiếp xúc nhưng có chiều ngược lại vì đây là mômen phản ứng của lốp tác dụng lên mặt đường. Hình 4.2

y

Y

F

= -Y

dy

B

A

ρ

x dx

O

Δy

Δy

Δy

e/2 e/2

l

l

x

α V

Chương 4: Cơ sở lý thuyết điều khiển tựđộng hệ thống lái. Ta có: M_z =

_∫

x.dy.dx hay M_z = K_y.e. ( /2) .α 12 2 + +l l e e r r

Trong đó: K_y gọi là độ cứng ngang thành phần, e là chiều dài vết tiếp xúc theo phương X, α là góc lăn lệch, l_r là chiều dài phục hồi; l_r = (1.75÷2.0) e ở lốp Diagonal và lr =(2.0 ÷3.0) e ở lốp Radial.

Suy ra: Cz = Ky .e. + ( + /2) 12 2 e l l e r r

Khoảng dịch chuyển về phía sau của điểm đặt lực Y đối với trục bánh xe là ρ

Vậy: ρ = + + + = = = 2 12 2 2 α . α . 2 2 e l l e e l e u C u C Y M r r r z z z Trong đó: u = 0 δα δ ^' α η = F , biết rằng trong vùng tuyến tính nhưHình 4-3 thì F_η(α)

Hình 4.3 Đồ thị lực ngang và mômen trả phụ thuộc vào góc lệch α.

Độ cứng trả của lốp quay C_z nhỏ hơn độ cứng trả của lốp đứng yên C_zo. Sự khác biệt này vào khoảng: C_zo / C_z = [1.5 ÷2] và phụ thuộc vào chiều rộng của vết tiếp xúc.

Theo quan điểm của thiết kế ôtô thì thừa nhận rằng ρ bằng 1/4 chiều dài của diện tích tiếp xúc giữa lốp và đường. Như vậy, theo Hình 4-5ta có: ρ = 0.5 r2-r_bx2 Nếu thừa nhận rằng: rbx = 0.96r thì ta có: ρ = 0.14r Thành phần mômen cản M₂ vềđộ lớn chính bằng mômen trả M_z: Mz = Y.ρ = 0.14Gbx.φ1.r φ1 – hệ số bám ngang φ1= 0,85

Chương 4: Cơ sở lý thuyết điều khiển tựđộng hệ thống lái.

Tổng moment cản quay vòng ở 2 bánh dẫn hướng là: Mc = 2(M1 + M2)= 2Gbx(fc + 0,14 φ1.r)

v

Q

Hình 4.4 Sơ dồ lực tác dụng lên hệ thống lái

Cánh tay đòn cmin thường được xác định theo thực nghiệm, với ô tô tải loại thường ta có cmin = 30 ÷ 60mm, ô tô tải lớn cmin = 60 ÷ 100mm.

R – bán kính của vành tay lái trong khoảng từ 0,19m (với xe có công suất nhỏ) đến 0,275m (với xe tải nặng và xe buýt) khi tính toán xe tải nặng và xe buýt lấy P_lmax = 500N.

Chương 4: Cơ sở lý thuyết điều khiển tựđộng hệ thống lái.

ρ

Hình 4.5 Đặc điểm lực ngang tác dụng lên bánh xe khi quay vòng.

Với xe du lịch tỉ số truyền i lấy từ 12 ÷ 20 và xe tải là 16 ÷ 32. Muốn giảm P_lmax thì tăng i, nhưng góc dẫn hướng sẽ giảm nếu quay cùng một góc quay vành tay. Như vậy thời gian quay vòng của xe. Với xe cao tốc cần quay vòng nhanh cần chọn i nhỏ . Nếu chọn i trên cơ sở cùng với góc quay bánh dẫn hướng 35⁰ ÷ 40⁰ từ vị trí trung gian thì vành lái sẽ quay từ 1,0 đến 1,75 vòng (nhưng không lớn hơn 2,0 vòng) đối với vị trí trung gian lúc xe chạy thẳng.

4.3. Các yếu tốảnh hưởng đến lực cản khi quay vòng 4.3.1 Tốc độ chuyển động

Trong phần này ta sẽ phân tích các lực tác dụng lên bánh xe dẫn hướng khi chúng quay lệch đi một góc θ (trường hợp xe đang quay vòng). Các lực này bao gồm:

Lực cản lăn: Pf = Z1.f

Lực đẩy trong trường hợp quay vòng: P’ = X + Y

Trong đó: X = P’.cosθ = -Pf là lực đẩy theo phương dọc X

Y = P’.sinθ lực ngang sẽ gây ra trượt ngang của bánh xe dẫn hướng.

Theo điều kiện không bị trượt ngang và ổn định, đảm bảo tính quay vòng ta có liên hệ tgθ = f φ_n với f – hệ số cản lăn khi quay vòng n

Chương 4: Cơ sở lý thuyết điều khiển tựđộng hệ thống lái. ' f P Hình 4.6 Đồ thị kết quả khảo nghiệm các góc quay θ và các hệ sốφn ,f. Hình 4.7 Các lực tác dụng lên hệ thống lái.

Vậy góc quay vòng θ các bánh xe dẫn hướng lớn hay bé tùy vào điều kiện đường xá, biểu thị qua hệ số bám φ_n , f

Khi xe quay vòng sẽ tạo ra lực ly tâm P_lt . Lực ly tâm tạo ra lực ngang P_y. Lực P_y có thể tính theo gia tốc trượt ngang J_y:

Khi quay vòng, trục bánh xe dẫn hướng còn chịu lực ly tâm P_lt′ với bán kính R₁ và tốc độ góc ω = R V_a . 6 , 3 .

Chương 4: Cơ sở lý thuyết điều khiển tựđộng hệ thống lái.

Lực ly tâmP_lt′, lực ngang Py nói ở trên sẽ tạo ra trượt ngang. Rõ ràng các lực tạo ra trượt ngang thì phụ thuộc vào vận tốc xe Va. Nói cách khác khả năng bám ngang hay kéo theo sức cản từ mặt đường lên bánh xe dẫn hướng thì cũng phụ thuộc vào Va. Theo điều kiện bám ta có thể xác định được tốc độ giới hạn của ôtô khi quay vòng mà bánh xe dẫn hướng không bị trượt ngang:

Ngoài ra, nhưđã nói các lực ngang này sẽ sinh ra các phản lực ngang Y tác dụng lên các bánh xe dẫn hướng tạo ra hiện tượng lăn lệch. Theo model một vết góc lăn lệch phía trước và sau cũng phụ thuộc vào tốc độ xe:

Như vậy qua phân tích trên ta nhận thấy rằng: các thành phần lực cản tác dụng lên bánh xe dẫn hướng khi quay vòng thì đều phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của ôtô. Đặc biệt khi quay vòng sẽ tạo ra lực ngang và sinh ra trượt ngang ảnh hưởng tới khả năng bám, lực cản tác dụng lên hệ thống lái cũng thay đổi theo tốc độ xe. Yêu cầu đặt ra là cơ cấu lái phải đảm bảo sao cho trợ lực tác dụng lên vôlăng thay đổi theo tốc độ chuyển động và sức cản từ mặt đường. Với xu hướng như vậy, cơ cấu lái MB.LSA.075 có đặt tính mô tả như Hình 4.9

Hình 4.8 Đồ thịđặc tính của cơ cấu lái MB.LSA.075

Một số xe du lịch hiện đại sử dụng hệ thống lái Servotronic (servo điện tử) cho phép thay đổi lực tác dụng theo tốc độ chuyển động, nguyên lý làm việc của servotronic như sau: Hiệu quả tác dụng ngược bằng thủy lực đảm bảo sự tiếp xúc trực tiếp với mặt đường. Áp lực chất lỏng tác dụng ngược vào các van điều khiển sao cho sự tăng của áp lực làm tăng lực trên vô lăng. Tín hiệu tốc độ chuyển động (có ảnh hưởng tới tác động ngược) được đo bằng các cảm biến điện tử và được truyền đến bộ xử lý trung tâm. Bộ phận chuyển đổi tín hiệu ra của bộ chuyển đổi là thông số vào cho van dịch chuyển quay (vừa quay và dịch chuyển). Tín hiệu này tác động vào mạch dầu từ bơm tới khoảng không gian liên hệ ngược.

Chương 4: Cơ sở lý thuyết điều khiển tựđộng hệ thống lái.

Hình 4.9 Sơđồ nguyên lý hệ thống lái Servotronic.

Trong đó: 1. Bộ phận điều khiển 2. Bộ phận chuyển mạch điện tử thủy lực 3. Servo lái 4. Bơm cánh 5. Thùng chứa dầu 6. Tốc độ kế 7. Bộ phận kiểm soát

Chương 4: Cơ sở lý thuyết điều khiển tựđộng hệ thống lái.

1. Tốc độ kế ; 2. Phần tửđiện tử ; 3. Dẫn động điện tử thủy lực ; 4. Không gian phải của tác dụng ngược ; 5. Không gian trái tác dụng ngược ; 6. Piston van phải ; 7. Piston van trái 8. Van ngược phải ; 9. Van ngược trái ; 10 , 11. Van tiết lưu phải và trái; 12. Khoang phải của van công tác; 13. Khoang trái của van công tác.

Servo điện tử có tác dụng làm giảm hiệu quả trợ lực theo tốc độ chuyển động, tức là làm tăng lực tác dụng lên vô lăng như Hình 4.11. Hệ thống này cho phép vào chỗ đậu (hay quay vòng tại chỗ) một cách nhẹ nhàng và lái nặng hơn (tương tự như loại thường) khi chuyển động với tốc độ cao. Tác động ngược khi chuyển động với tốc độ cao làm tăng mômen lái và do đó làm tăng ổn định hướng của xe. Khi hệ thống bị hư hỏng sẽ làm việc như hệ thống lái có trợ lực bình thường.

Hình 4.11 Sơ đồ so sánh biến thiên lực trên vôlăng đối với loại servo trợ lực

thường và loại servo điện tử thủy lực.

Hình 4.12 Biến thiên của mômen trên vôlăng và gia tốc ngang khi

quay vòng ổn định, R = 100m.

Ta biết rằng gia tốc ngang J_y = 2