L ời nói đầ u
2.2.3 Đặc tính trợ lựclái
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 3kg đến 5kg ở vị trí Pcmax. Tuy nhiên, nếu đặc tính này bất biến thì sẽ xảy ra tình trạng “ bay tay 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 nhỏ quá làm mất cảm giác mặt đường của người lái. Vì vậy trong các HTL 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 có thể giảm tới 0 và 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 hình 2-3)
Hình 2-3 Đồ thị đặc tính trợ lực
2.2.4. Giải pháp điều khiển thay đổi hệ số trợ lực lái.
Một số xe của hãng Hon Da 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 ôtô tác động vào van trợ lực nên dẫn đến giảm hệ số trợ lực.
2.3. HỆ THỐNG TRỢ LỰC THỦY LỰC ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ĐIỆN TỬ
Như ở bảng phân loại, hệ thống lái trợ lực điều khiển điện – điện tử có nhiều kiểu khác nhau. Vì vậy việc phân tích cấu trúc hệ thống và phương pháp điều khiển cũng được tách riêng đối với từng kiểu.
2.3.1- Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực thực hiện điều khiển lưu lượng. hiện điều khiển lưu lượng.
Sơ đồ cấu trúc hệ thống được trình bày trên hình 2.4 và bơm trợ lực trình bày trên hình 2.5 PTL P1 Không có trợ lực Có trợ lực P1 O Pci Pcmax Pc
Hình 2-4 – Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực.
Hình 2-5. Bơm trợ lực lái và van điện - từ
Trong phương pháp này van điện – từ được điều khiển bởi một ECU trợ lực lái ( PS ECU) làm thay đổi độ mở van từ cửa cấp về cửa hồi dầu theo tốc độ ôtô. Nhờ đó mà áp suất trong hệ thống trợ lực lái giảm theo tốc độ ôtô. Tín hiệu tốc độ ôtô được phản ảnh bằng cảm biến tốc độ ôtô lắp ở trục thứ cấp hộp số. Bình dầu Bơm dầu PS ECU Van điện từ Cảm biến tốc độ ôtô Động cơ Hộp số Cơ cấu lái trục răng- thanh răng và xilanh trợ lực Từ bình dầu cửa hút
Van điều khiển lưu lượng Khoang bơm Đến xilanh trợ lực lái Cánh bơm Tiết lưu biến thiên Từ PS ECU Cuộn dây từ hóa Van điện từ Lõi van Bi cầu Ty van
2.3.2. Hệ thống trợ lực thủy lực với van điện - từ trên mạch dầu van trợ lực lái.
Van trợ lực lái được chế tạo theo nguyên lý mạch cầu thuỷ lực gồm 6 cửa: + Cửa P: Cửa dầu từ bơm trợ lực đến.
+ Cửa R: Cửa dầu từ van trợ lực về bình dầu.
+ Cửa A và cửa B: Cửa dầu đến 2 phía của pistông xi lanh trợ lực. + Cửa C và cửa D: Cửa dầu đến van điện - từ.
Độ mở của van điện - từ được điều khiển bằng chuỗi xung có tỷ lệ thường trực thay đổi từ ECU lái ( PS ECU ). Độ mở lớn của van điện từ ở tốc độ cao sẽ làm cản trở dòng dầu từ cửa B của van ( tức là từ 1 phía của pistông xi lanh trợ lực ) hồi về thùng dầu và như vậy sẽ cản trở việc di chuyển của pistông xi lanh trợ lực lái. Điều này sẽ làm cho HTL kém nhậy hơn, lái nặng hơn ở tốc độ cao. Điều đó được trình bày trên hình 2-6, 2-7 và 2-8
Hình 2-6. Sơ đồ HTL thay đổi hệ số trợ lực lái bằng van điện từ ở van trợ lực
Bơm trợ lực Cơ cấu lái và van trợ lực Cảm biến tốc độ ô tô PS ECU Van điện từ
Hình 2-7: Sơđồ mạch cầu thủy lực (a) (b) Tiết lưu phải thứ 1 Tiết lưu trái thứ 1 Tiết lưu phải thứ 3 Tiết lưu trái thứ 3 Xilanh trợ lực Bình dầu PS ECU Van trợ lực Vành trong Vành ngoài Xilanh trợ Van điện từ Xilanh trợ lực Van trợ lực Van điện từ
(c)
Hình 2-8. (a)- Vị trí bố trí van điện từ (b)- Sơđồ mạch dầu (c)- Mối quan hệ giữa áp suất dầu và mô men trợ lực lái
2.3.3. Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện - từ tại cửa vào ra (cửa P
và cửa R) của van trợ lực.
Bằng cách điều khiển độ mở của van điện – từ thay đổi theo tốc độ ôtô làm cho 1 phần dầu từ bơm trợ lực lái được đi tắt qua van điện – từ và hồi về bình dầu, dẫn tới thay đổi áp suất và lưu lượng cấp cho xi lanh trợ lực. Từ đó thay đổi lực lái. Điều này được mô tả trên hình 2-9:
Mômen trợ lực
Hình 2.9. Sơđồ thay đổi hệ số trợ lực bằng van điện từ tại cửa vào ra
2.3.4. Hệ thống lái trợ lực thủy lực với cách thay đổi tốc độ bơm trợ lực lái.
Trong trường hợp này bơm trợ lực lái không dẫn động bằng dây đai từ động cơ mà được dẫn động từ một động cơ điện điều khiển bởi PS ECU. Tốc độ bơm phụ thuộc vào 2 yếu tố chính là tốc độ ôtô và tốc độ đánh tay lái. Hai yếu tố này được phản ảnh bằng hai tín hiệu từ cảm biến tốc độ ôtô và cảm biến góc đánh lái. Có hai cách điều khiển phụ thuộc vào loại môtơ dẫn động bơm
(a) Sơđồ hệ thống (b) Cấu trúc và tín hiệu ra (c) Sơđồ tổng quát hệ thống Hình 2-10. Hệ thống trợ lực lái thủy lực điều khiển tốc độ môtơ dẫn động bơm Tín hiệu ĐK Lực ĐK Ác quy Cảm biến đánh lửa Mô tơĐK bơm trợ lực Cảm biến tốc độ xe ECU Bơm trợ lực Cảm biến tốc độ ôtô Cảm biến góc đánh lái Cơcấu lái Vỏ Rô to nam châm Ổ bi Nhựa từ tính Giắc nối
a- Tổng quát hệ thống b- Cảm biến tốc độ ôtô c- Sơ đồ tổng quát hệ thống
Trên hình 2-10 là hệ thống trợ lực lái dùng môtơ điện 1 chiều thông thường ( có cổ góp, chổi than) dẫn động bơm trợ lực lái. Tốc độ bơm trợ lực lái thay đổi làm thay đổi lưu lượng và áp suất trong hệ thống và kết quả là ảnh hưởng đến hệ số trợ lực lái.
Ngày nay, do kỹ thuật lập trình phát triển mạnh ở các hệ thống điều khiển ôtô nên những hệ thống lái trợ lực thủy lực-điện áp dụng môtơ bước ( không cổ góp, chổi than) để dẫn động bơm trợ lực lái.
Xe Ford Focus đời 2007 do liên doanh ôtô Ford – Việt Nam sản xuất áp dụng phương án này. Tốc độ bơm được lập trình điều khiển theo tốc độ ôtô và tốc độ đánh lái. ( Hình 2-11).
Mục Mã Mô tả
A - Tốc độ bơm (vòng/ phút) B - Tốc độ quay lái ( độ/ giây) C - Tốc độ xe (km/h)
Hệ số trợ lực tối ưu trong quá trình chuyển động của xe khá phức tạp, nó được nghiên cứu, thí nghiệm và tạo ra một bề mặt mạng lưới ( bề mặt lập trình) hay còn gọi là Map. Với kỹ thuật và công nghệ tiên tiến ngày nay việc điều khiển hệ số trợ lực phức tạp như vậy mới thực hiện được nhờ điều khiển mô tơ bước. Hình 2-12 mô tả kết cấu của mô tơ bước.
Hình 2-12 Sơđồ cấu tạo mô tơ bước
1- Giắc điện; 2- Hộp điều khiển; 3- Phớt; 4- Vòng bi; 5- Trục; 6- Nắp che; 7- Rô to có nam châm; 8- Stato; 9- Bộ phân phối; 10- Vòng bi;
Trong hệ thống trợ lực này, một mô tơ dòng điện trực tiếp 12 vôn không chổi than dẫn động bơm thuỷ lực. Tốc độ bơm cao hơn chỉ được thực hiện khi đánh lái. Việc này để tránh tiêu thụ năng lượng không cần thiết trong phần lớn thời gian khi lái xe. Việc điều khiển mô tơ cũng được thực hiện bằng điện tử
không có chổi than và cổ góp. Toàn bộ hệ thống được thiết kế để không cần bảo dưỡng.
Trong hơn 85% tình huống lái xe, bơm trợ lực lái hoạt động ở tốc độ chờ và tiêu thụ dòng điện nhỏ hơn 4A. Tuy nhiên, tốc độ bơm có thể được tăng lên nhanh chóng tới tốc độ tối đa khi đánh lái trong trường hợp khẩn cấp. Hệ thống này thuộc loại điều khiển tốc độ liên tục. Dùng mô tơ không chổi than làm tăng độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ của bơm. Bơm thuỷ lực là loại bơm bánh răng, một buồng cộng hưởng được nằm trong thân bơm sẽ làm giảm tiếng kêu do bơm phát ra. Một van hạn chế áp suất được lắp vào trong vỏ bơm sẽ giới hạn áp suất dầu thuỷ lực ở áp suất tối đa 120 bar.
2.4– HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
Do đòi hỏi tốc độ ngày một cao hơn, chất lượng tốt hơn và yêu cầu giảm năng lượng tiêu thụ ở phương tiện ngày một gia 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 điện tử 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 (EPS – Electric Power Steering) là một hệ thống điện hoàn chỉnh làm giảm đáng kể sức cản hệ thống lái bằng cách cung cấp dòng điện trực tiếp từ mô tơ điện tới hệ thống lái. Thiết bị này bao gồm có cảm biến tốc độ xe, một cảm biến lái (mômen, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một môtơ. 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 môtơ trợ lực. * Nhóm này gồm có 3 kiểu trợ lực cơ bản:
+ Trợ lực trên trục lái ( hình 2.13)
Hình 2.13. Trợ lực lái điện – điện tử với mô tơ trợ lực bố trí trên trục lái
+ Trợ lực trên cơ cấu lái ( hình 2.14; 2.15) Kiểu này có 2 cách bố trí mô tơ trợ lực.
- Môtơ rời, có trục vít ăn khớp với bánh vít trên thanh răng của cơ cấu lái ( hình 2.14) Cảm biến mômen Trục lái Trục vít bánh vít Ly hợp điện từ Cơ cấu lái trục răng – thanh răng
Hình 2.14- Mô tơ trợ lực lắp ở cơ cấu lái
- Môtơ được chế tạo liền ở cơ cấu lái ( hình 2.15)
Hình 2.15. Trợ lực lái điện điện-điện tử với môtơ trợ lực bố trí ở cơ cấu lái
2.4.1. Trợ lực trên trục lái.
Môtơ trợ lực cùng cơ cấu giảm tốc trục vít- bánh vít được bố trí ở trục lái chính ( trước đoạn các đăng trục lái). Tại đây cũng bố trí cảm biến mômen lái. Cạnh đó là ECU trợ lực lái điện – điện tử ( Gọi tắt là EPS ECU): Hình 2.16
Đến vành lái Côn điện từ Cơ cấu trục răng thanh răng Cảm biến mô men Bộ tăng điện áp EPS ECU Thanh răng Vít chỉnh bi tuần hoàn Cảm biến lái Vành lái
Hình 2.16 – Cơ cấu trợ lực lái điện – điện tử phương án 1 a, Bố trí tổng quát
b, Cụm mô tơ trợ lực
Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát hình 2.16 và 2.17 trên đó có thể nhận thấy các tín hiệu đầu vào của EPS ECU gồm 4 nhóm tín hiệu chính:
1- Nhóm tín hiệu (2 hoặc 4 tín hiệu) từ cảm biến mômen lái
2- Tín hiệu tốc độ ôtô: Tín hiệu này có thể gửi trực tiếp về EPS ECU hoặc thông qua ECU truyền lực và mạng điều khiển vùng ( CAN – Controller Area Network) và các giắc nối truyền tới EPS ECU.
3- Tín hiệu tốc độ động cơ ( xung NE từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECU động cơ và mạng CAN truyền tới EPS ECU.
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 2.17 – Sơđồ tổng quát hệđiều khiển Cảm biến tốc độ ôtô Đèn báo Cảm biến vị trí trục khuỷu Giắc nối đa năng số 1 Táp lô Giắc nối đa năng số 2 ABS+ TRC ECU ECU động cơ Tín hiệu cảm biến mômen 1 Tín hiệu cảm biến mômen 2
Hình 2.18 – Bố trí các cụm và Taplô thể hiện đèn báo lỗi P/S.
Những sự cố trong quá trình vận hành hệ thống được ghi lại trong bộ nhớ của EPS ECU và cảnh báo bằng đèn P/S trên táplô ( Hình 2.17)
Môtơ 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 2.19) tốc độ quay và mômen của môtơ trợ lực được điều khiển chủ yếu căn cứ vào tín hiệu của cảm biến mômen lái và cảm biến tốc độ đánh lái.
Bảng táplô Trục lái - Cảm biến mômen - DC mô tơ - Cơ cấu giảm ECU điều khiển trượt Đèn báo trợ lực
Hình 2.19 – Sơđồ mô phỏng quá trình điều khiển môtơ trợ lực lái theo phương pháp điều khiển điện áp
Khi ôtô 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 môtơ 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 ôtô 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 mômen chống rung thường tỉ lệ với với tốc độ động cơ được phát ra
* Trong phương pháp thứ hai – Điều khiển chống rung, mômen môtơ sinh ra sẽ ngược chiều với chiều quay của môtơ với V = 0 khi vành lái được tự do.
Phương pháp điều khiển dòng điện ( Curent Control Method) hình 2.19
Hệ thống điều khiển Hệ thống cảm biến Cảm biến mômen Cảm biến tốc độ xe Cảm biến tốc độđánh lái Vành lái Thanh xoắn Bánh xe
Trong phương pháp này, giá trị cần đạt được đối với dòng điện của môtơ tương ứng với mômen của môtơ được thiết lập để nó bằng với tín hiệu tốc độ phản hồi của cảm biến tốc độ động cơ
Hình 2.20 – Sơđồ mô phỏng quá trình điều khiển môtơ trợ lực lái theo phương pháp điều khiển dòng điện
Hai phương pháp điều khiển trên dựa trên mối quan hệ các thông số của môtơ. Trong mạch tương đương của môtơ được thể hiện trên hình 2.20, 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 mômen quay của môtơ Tm.
Vành lái Thanh xoắn Tải Mạch phản hồi dòng Mạch chuyển đổi
Hình 2.20 – Mạch tương đương của môtơ
Từ công thức (2.2), có hai phương pháp điều khiển môtơ. Trong phương pháp