L ời nói đầ u
1.1 MỤC ĐÍCH XÂY DỰNG MÔ HÌNH
Mô hình hệ thống lái có trợ lực được xây dựng với mục đích sau:
* Làm giáo cụ trực quan để tìm hiểu về kết cấu, nguyên lý làm việc và điều khiển của hệ thống lái có trợ lực điện.
+ Xác định và điều chỉnh các góc đặt bánh xe .
* Để thí nghiệm và nghiên cứu về hệ thống lái có trợ lực bằng điện. + Xác định ảnh hưởng của các góc đặt bánh xe đến lực lái khi có và không có trợ lực điện.
+ Xác định ảnh hưởng của tải trọng đén lực lái khi có và không có trợ lực điện.
+ Xác định ảnh hưởng của lưu lượng bơm dầu trợ lực đến lực lái khi có trợ lực lái bằng điện.
*Có thể dùng để nghiên cứu các vấn đề khác có liên quan đến hệ thống lái như: Ảnh hưởng của hệ thống treo, ảnh hưởng của hệ thống di động, ảnh hưởng của hệ thống phanh . . . đến lực quay vòng tay lái.
Mô hình thực nghiệm về hệ thống lái có trợ lực với các chế độ điều khiển khác nhau giúp cho học sinh, sinh viên chuyên ngành cơ khí ôtô tìm hiểu sâu hơn về quy trình cân chỉnh, lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống lái có trợ lực bằng điện của xe ôtô ( xe ô tô du lịch)
Mô hình được tính toán thiết kế trên cơ sở các bộ phận thực của hệ thống lái xe TOYOTA COROLLA – 1.8, với cơ cấu lái trục răng – thanh răng trợ lực thuỷ lực. Trên mô hình còn bố trí hệ thống treo và hệ thống phanh dầu (có thể hoàn thiện thêm để có thể nghiên cứu tiếp những ảnh hưởng của các hệ thống treo, hệ di động, hệ thống phanh . . . đến lực tác dụng lên vòng tay lái khi có sự thay đổi của các hệ thống đó).
1.2 THIẾT KẾ KHUNG MÔ HÌNH.
1.2.1. Các kích thước cơ bản của khung xương:
Toàn bộ hệ thống lái được đặt trên khung xương coi như phần khung của xe ôtô. Khung được lắp 4 bánh xe để di chuyển khung, vật liệu làm khung là thép hình hộp chữ nhật 60 x 30 dày 2,4 mm. Bề rộng 800 mm chiều dài 1560 mm. Trên khung được bố trí để lặp đặt các bộ phận của hệ thống lái như cơ cấu lái, trục lái và vô lăng lái, đặc biệt là hệ thống treo, chiều cao và góc nghiêng của thanh đỡ giảm chấn rất quan trọng nó ảnh hưởng đến góc đặt bánh xe (góc camber, góc cater). Chiều dài thanh đứng để lắp giảm chấn của bánh xe là 760 mm , 2 thanh này có mặt bích để lắp tai bèo của trụ đứng (giảm chấn) bánh xe. Phần trên là bảng táp lô để lắp đặt đồng hồ, bộ phận điều khiển điện … (Hình 1.1)
Hình 1.1. Hệ thống mô hình tổng quát
Các kích thước của khung xương được lấy sao cho khi hoạt động các góc quay của bánh xe không bị hạn chế, tức là khi quay bánh xe hết về một phía
nào đó thì bánh xe không chạm vào khung và khi làm việc các cơ cấu không bị hạn chế hay không gây ra phụ tải.
Lắp đặt các bộ phận trên mô hình thoả mãn tính năng hoạt động của hệ thống giống với thực tế. Do đó để mô hình hệ thống lái đạt được điều đó thì bộ phận treo cũng được lắp đặt chính xác đúng theo yêu cầu thực tế.
Để có thể thay đổi được các góc đặt bánh xe, kết cấu khung xương mô hình được chế tạo với những ụ bắt các đòn liên kết bánh xe có rãnh trược di chuyển theo chiều dọc và chiều ngang (Hình 1.2).
Hình 1-2 Ụ di trượt di chuyển theo chiều dọc và chiều ngang
Để có thể tạo tải tác dụng lên các bánh xe, trên khung xương bố trí một giá để đặt các khối trọng vật (Hình 1-3)
1.2.2 Kiểm tra và chạy thử mô hình.
Để mô hình hệ thống lái có thể hoạt động được giống với hệ thống lái thực tế ta phải kiểm tra và chạy thử mô hình. Sau bước gá lắp và cân chỉnh các bộ phận của hệ thống lái trên mô hình, mô hình hệ thống lái cơ bản đã hình thành và cần kiểm tra một số thông số cơ bản như độ chụm của bánh xe, vị trí trung gian của cơ cấu lái, các góc đặt của bánh xe dẫn hướng so với thông số của xe TOYOTA COROLLA - 1.8, kiểm tra độ dơ của các kết cấu, độ vững chắc của kết cấu khi chất tải, áp suất dầu của bơm dầu trợ lựclái, độ căng của lốp xe ...
1.3 THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM VÀ CHUẨN ĐỊNH
1.3.1- Tải trọng.
Tải trọng cho hệ thống thử nghiệm được chất trên giá tải trọng của mô hình tăng dần từng 70 kg một lần (2 khối gang đúc, mỗi khối có trọng lượng là 35 kg). Các khối gang đều được cân trước khi đặt lên giá tải trọng (Hình 1.4)
Hình 1.4. Cân tải trọng
1.3.2 – Đo mô men lái và chuẩn định mô men lái
Để đo mô men lái vành tay lái được lắp thêm 1 vành lái thứ 2 có thể xoay dịch với vành lái chính. Trên vành lái thứ 2 lắp một cảm biến Hall để phản
ảnh mức dịch chuyển giữa vành lái thứ 2 so với vành lái thứ nhất, tức là phản ánh mô men lái ( hình 1.5).
Hình 1.5. Vành lái thứ hai và cảm biến đo mômen lái
Do điều kiện kinh phí hạn hẹp nên cảm biến này không dùng loại tiêu chuẩn cho hệ thống lái trợ lực điện mà được chế từ cảm biến bướm ga loại Hall áp dụng cho dòng xe Toyota Innova 2005. Cảm biến này dựa trên hiệu ứng Hall, tức là gồm 1 vành nam châm được lắp trên trục quay và nam châm này sẽ tác động lên 2 IC Hall. Mật độ từ trường của nam châm sẽ tác động lên 2 IC Hall tùy thuộc góc quay của trục quay và cảm ứng ra tín hiệu dạng điện áp tuyến tính ( Hình 1.6).
Hình 1.6. Cảm biến bướm ga loại Hall dùng chế thành cảm biến mô men lái
Cảm biến này được nuôi bằng điện áp 5v. Vì vậy trong đề tài sử dụng 1 ECU động cơ của hãng Toyota có sẵn nguồn điện áp 5v ổn áp để nuôi các cảm biến ( Chân Vc và E2 của ECU) hình 1.7
Hình 1.7. Cấp nguồn cho cảm biến
Để hiển thị giá trị mô men, tín hiệu từ cảm biến được chuyển tới mạch hiển thị số ICL 7107. Đây là IC chuyển đổi A/D ( Analoge to Digital) các tín hiệu tương tự ( Analoge Signal) được biến đổi thành tín hiệu số cấp cho mạch hiển thị 4 số loại LED 7 thanh để hiển thị giá trị mô men lái (hình 3.8)
Hình 1.8. Mạch IC chuyển đổi A/D loại ICL 7107
Sơ đồ cấu trúc mạch hiển thị được thể hiện trên hình 1.8: +B +B1 VC BATT ECU Đ/Cơ E1 E2 CB Mômen lái CB tốc độ quay trục lái +BATT +B SPD2 EPS ECU VTA SPD E SPD VTA VTA2 VC E2 VC E2 Khóa điện CB tốc độ xe Ắc quy 5V + _
Hình 1.8. Sơđồ cấu trúc mạch hiển thị
Hình 1.9. Sơđồ mạch đo
Sau khi mạch đo được lắp ráp và chế tạo cần phải chuẩn định giá trị của cảm biến mô men lái.
Quá trình chuẩn định được thực hiện như sau: Đặt tay lái ở vị trí trung gian và cố định vành tay lái thứ nhất, chỉnh để chỉ báo trên hiển thị số chỉ 0000 (4 số không). Tiếp sau đó dùng cân lực lò xo kéo với khoảng 0,5 KG ( 50 N)
Phần mềm SOFT WEAR
hình 1.10 và ghi lại các giá trị chỉ báo trên hiển thị số. Kết quả chuẩn định được trình bày ở bảng (3-1)
Hình 1.10. Chuẩn định thiết bị đo
Bảng 3-1 Giá trị chuẩn định thiết bị đo mô men lái
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Phép đo STT Ml (N.m) Hiển thị Ml (N.m) Hiển thị Ml (N.m) Hiển thị Giá trị hiển thị trung bình x 10-2 1 10 0098 10 0010 10 0013 10 2 20 0021 20 0018 20 0019 20 3 30 0028 30 0029 30 0032 30 4 40 0042 40 0039 40 0040 40 5 50 0050 50 0051 50 0050 50 6 60 0058 60 0060 60 0062 60 7 70 0067 70 0070 70 0072 70 8 80 0080 80 0080 80 0082 80 9 90 0910 90 0897 90 0902 90 10 100 100 100 100 11 110 1101 110 1100 110 1098 110 12 120 1201 120 1197 120 1203 120
Để đạt được kết quả chuẩn định chính xác, quá trình này được thực hiện lặp lại 3 lần và lấy kết quả trung bình
Đo và chuẩn định các góc đặt bánh xe: Sử dụng thước mét, thước đo góc và Livô bọt nước.
- Sau khi chuẩn định xong, thiết bị đo mô men sẵn sàng cho thí nghiệm
1.3.3. Hệ thống trợ lực điện lắp ráp trên mô hình
Mô tơ trợ lực lái cho mô hình được chế từ mô tơ gạt nước có sẵn bộ truyền trục vít bánh vít và có mômen đầu ra khá lớn (đạt 50 N.m) và tốc độ 60 (vòng/ phút) có thể phù hợp cho mô hình thí nghiệm. Bánh vít của mô tơ gạt nước được chế chế lại trục để có thể lắp trên trục lái. Trên vỏ bộ giảm tốc trục vít bánh vít có sẵn 3 lỗ ren, dùng để bắt vào giá trên vỏ trục lái ( hình 1.11)
Hình 1.11. Lắp môtơ trợ lực trên vỏ trụ lái
Để phản ảnh tốc độ đánh lái ( tốc độ quay trục lái) trên trục lái còn lắp thêm 1 bánh vít ăn khớp với trục vít của một cảm biến tốc độ ôtô loại MRE ( đã trình bày ở hình 2.35 – chương 2). Khi trục lái quay, cảm biến sẽ phát ra chuỗi xung vuông 0v-5v có tần số tỷ lệ với tốc độ đánh lái.
Hình 1.12. Lắp cảm biến tốc độđánh lái
Cảm biến tốc độ ô tô dùng trên mô hình hệ thống lái là loại công tắc lưỡi gà được tổ hợp ngay trong đồng hồ tốc độ ôtô ( côngtơmét). Vì vậy để dẫn động công tơ mét, mô hình được chế thêm một động cơ điện 1 chiều 12v loại nhỏ gắn ngay sau côngtơmét. Để thay đổi tốc độ môtơ điện ( tức tốc độ ôtô giả định) mạch môtơ được bố trí thêm một chiết áp có thể tùy ý đặt tốc độ ôtô giả định ( hình 1.13)
Để lập trình điều khiển cho hệ thống lái trợ lực điện trên mô hình cần phải xây dựng lưu đồ thuật toán. Lưu đồ thuật toán của hệ điều khiển như sau:
Hình 1.14. Lưu đồ thuật toán
Trên cơ sở lưu đồ thuật toán chọn vi sử lý ATmega16 và thiết kế mạch điều khiển và lập trình điều khiển.
Chương trình điều khiển viết cho vi xử lý ATmega16 được trình bày trong phụ lục 3
CHƯƠNG 2 – THÍ NGHIỆM
2.1. QUY TRÌNH VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Với mô hình hệ thống lái và các thiết bị đo được bố trí trên mô hình sơ đồ thí nghiệm được trình bày trên hình 2.1
Hình 2.1. Sơđồ thí nghiệm Dẫnđộng lái Mặt đường Bánh xe dẫn Bánh xe dẫn Pdđl Pcản Hiển thị kết quả Máy tính Pcản Vô lăng thứ 2 Cảm biến Vô lăng thứ 1 Trục lái
Cơ cấu lái
Bộ chuyển đổi A/D Cạc + phần mềm chuyển Plái Ml Ml Ml Ml Mccl V=f(Ml)
Trong đó giữa vô lăng thứ hai ( tự chế thêm) và vô lăng thứ nhất ( nguyên bản của hệ thống lái) bố trí một cảm biến đo mô men. Sự dịch chuyển góc giữa 2 vô lăng theo mức tải cản lái sẽ thể hiện mô men lái và được cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện áp V=f(Ml). Điện áp của cảm biến sẽ được số hóa thông qua bộ chuyển đổi A/D và đưa lên mạch hiển thị LED 7 thanh 4 số. Tín hiệu này cũng có thể thông qua 1 cạc chuyển đổi và phần mềm để đưa vào máy tính và hiển thị trong máy tính ( đường và khối chấm nét đứt).
Khi xác định lực lái Pl với những tải trọng khác nhau, góc đặt bánh xe khác nhau và chưa trợ lực lái thì không có thành phần Ptrl = f(Vôtô)
Khi có trợ lực lái và thay đổi tốc độ ôtô giả định ( như đã trình bày ở trên) thì sẽ có thêm thành phần PTrl = f(Vôtô)
Như đã trình bày ở chương 1 phần 3, do chưa có điều kiện chế tạo EPS ECU nên phần trợ lực lái sử dụng 1 PS ECU có sẵn để điều khiển môtơ trợ lực. PS ECU nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ và tạo ra chuỗi xung ON/OFF có tỉ lệ thường trực thay đổi và qua mạch khuyếch đại điều khiển mô tơ trợ lực
Các thí nghiệm được tiến hành gồm:
*THÍ NGHIỆM 1.
Xác định mômen lái khi thay đổi tải trọng
Đặt các giá trị góc đặt bánh xe, đo áp suất lốp và tiến hành đo mô men trên vành lái với các mức chất tải khác nhau khi chưa có trợ lực và có trợ lực. Kết quả đọc trên hiển thị số được tính khi đánh lái ổn định (đánh lái đều) và giá trị hiển thị cũng tương đối ổn định. Mức chất tải thay đổi từng 7000 N.
Kết quả thí nghiệm được trình bày trên các bảng TN1, TN2, TN3 . . .
Bảng TN1: Thay đổi tải trọng với các mức tải khác nhau
TOE-IN= 0.5±0.5 mm; CAMBER= 00±45’; CASTOR=1024’±45’; Kích cỡ lốp: 195/70 ; Áp suất lốp: 3.5 kg/cm2 ; Nền xi măng (bê tông)
STT Mức chất tải (kg) ML (Nm) Không trợ lực ML (Nm) có trợ lực Với Vôtô=0 (km/h) ML (Nm) có trợ lực Với Vôtô=60 (km/h) 01 105 53.19 22.40 24.64 02 175 55.31 22.52 22.38 03 245 59.57 22.60 23.39 04 315 64.86 23.00 24.42 05 385 71.26 23.15 25.43 06 455 79.78 23.30 27.46 07 525 88.66 24.80 29.50 08 595 98.90 25.50 31.53 09 665 109.13 26.52 33.57 10 735 120.86 28.37 35.60 * THÍ NGHIỆM 2
Xác định mômen lái khi thay đổi góc CASTOR và tải trọng khi có và không có trợ lực điện.
Giữ nguyên góc CAMBER= 00±45’; TOE-IN=0.5±0.5
Kích thước lốp: 195/70 ; Áp suất lốp: 3.5 kg/cm2 ; Nền xi măng (bê tông) Thay đổi góc CASTOR lớn lên (+) và giảm đi so với ban đầu (-). Thực hiện việc thay đổi tải trọng khi có và không có trợ lực thuỷ lực, kết quả thí nghiệm được trình bày trên bảng TN2.
Bảng TN2: Thay đổi tải trọng và thay đổi góc CASTOR khi có và không có trợ lực điện.
TOE-IN= 0.5±0.5 mm; CAMBER= 00±45’;
Kích cỡ lốp: 195/70 ; Áp suất lốp: 3.5 kg/cm2 ; Nền xi măng (bê tông)
* THÍ NGHIỆM 3.
Xác định mômen lái khi thay đổi góc CAMBER và tải trọng khi không có và có trợ lực điện.
Giữ nguyên góc CASTOR và TOE-IN như ở thí nghiệm 1, chỉ thay đổi góc CAMBER tăng lên (camber dương) và giảm đi (camber âm) và thay đổi tải trọng theo các mức như ở thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2. Kết quả thí nghiệm được trình bày trên bảng TN3.
ML (Nm) (không có trợ lực) ML (Nm) (có trợ lực, Vôtô=0 km/h) ML (Nm) (có trợ lực Vôtô=60km/h) STT Mức chất tải (kg) Castor (+) +2015’±45’ Castor (-) -10±30’ Castor (+) +2015’±45’ Castor (-) -10±30’ Castor (+) +2015’±45’ Castor (-) -10±30’ 01 105 46.80 72.33 20.05 27.05 22.05 29.75 02 175 55.31 76.59 25.30 27.50 27.83 30.25 03 245 63.82 80.84 25.70 28.10 28.27 30.91 04 315 72.33 89.35 26.0 29.30 28.60 32.23 05 385 80.84 93.61 26.50 32.25 29.15 35.47 06 455 89.35 97.86 27.15 35.15 29.86 38.67 07 525 93.61 102.12 28.0 38.00 30.80 41.80 08 595 102.12 110.63 29.10 41.20 32.01 45.32 09 665 110.63 114.88 30.15 45.15 33.16 49.66 10 735 119.14 127.65 31.20 48.20 34.32 53.02
Bảng TN3: Thay đổi tải trọng và thay đổi góc CAMBER khi có và không có trợ lực điện.
TOE-IN= 0.5±0.5 mm; CASTOR=1024’±45’;
Kích cỡ lốp: 195/70 ; Áp suất lốp: 3.5 kg/cm2; Nền xi măng (bê tông) ML (Nm) (không có trợ lực) ML (Nm) (có trợ lực Vôtô=0 km/h) ML (Nm) (có trợ lực Vôtô=60 km/h) STT Mức chất tải (kg) Camber (+) +0050’±45’ Camber (-) +00 -30’ Camber (-) -00-30’ Camber (-) -00-30’ Camber (+) +0050’±45’ Camber (-) -00-30’ 01 105 49.13 75.94 21.30 24.08 23.43 26.49 02 175 58.07 80.41 21.75 24.64 23.92 27.10 03 245 67.01 84.88 22.50 26.30 24.75 28.93 04 315 75.94 93.81 23.35 28.42 25.68 31.26 05 385 84.88 98.29 24.15 30.25 26.56 33.27 06 455 93.81 102.75 25.00 32.31 27.5 35.54 07 525 98.29 107.22 26.20 35.00 28.82 38.50 08 595 107.22 116.16 27.35 36.96 30.08 40.65 09 665 116.16 120.62 28.15 37.23 30.96 40.95 10 735 125.09 134.03 29.45 38.09 32.39 41.89 * THÍ NGHIỆM 4.
Xác định mômen lái khi thay đổi tải trọng và thay đổi độ chụm bánh xe dẫn hướng khi có và không có trợ lực.
Giữ nguyên góc CAMBER và góc CASTOR như ở thí nghiệm 1, thay đổi độ chụm tăng lên (độ chụm dương) và giảm đi (độ chụm âm), đồng thời thay đổi tải trọng chất lên giá chất tải, rồi thực hiện các thao tác đo như ở các thí