1- Khớp cầu; 2- Chụp cao su; 3- Thanh lái; 4- Mô tơ; 5- Giắc điện; 6- Trục lái
Phần kéo dài của thanh răng 13 được chế tạo dưới dạng trục vít và trục vít này ăn khớp với đai ốc 7, liên kết cứng với rô to 10 của mô tơ trợ lực lái thông qua các viên bi tuần hồn 9.
Hình 2.5 Cụm mơ tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay
1- Cảm biến mô men; 2- Stator; 3- Cuộn dây; 4- Bi cầu;5- Giắc điện; 6- Gioăng làm kín; 7- Đai ốc; 8- Chốt ; 9- Bi cầu; 10- Rơ to; 11- Nam châm;
Hình 2.6 Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái
1- Cảm biến mô men; 2- Vành tay lái; 3- Cảm biến góc quay; 4- Mơ tơ trợ lực; 5- Tăng điện thế
Cảm biến mô men này là loại khơng tiếp điểm được bố trí trên trục lái, cấu tạo của nó thể hiện trên (Hình 2.6). Để điều khiển mơ tơ trợ lực cảm biến mơ men lái gửi tín hiệu giá trị mơ men về EPS ECU. Tại đây, EPS ECU sẽ tính tốn chế độ trợ lực theo chương trình đã được cài đặt sẵn và điều khiển mô tơ trợ lực bằng chuỗi xung để tạo ra các mức điện áp khác nhau tùy theo việc cần trợ lực mạnh hay yếu.
Trong hệ thống điều khiển này để tăng độ nhạy chấp hành và giảm kích thước, trọng lượng mơ tơ điều khiển EPS ECU có thêm mạch tăng thế, nâng điện áp điều khiển lên gấp đơi (24V).
Hình 2.7 Cụm mơ tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay
1- Trục bánh răng của cơ cấu lái; 2- Thanh xoắn; 3- Trục vào; 4- Thanh răng; 5- Cuộn phân tích 1; 6- Cuộn phân tích
Các tín hiệu từ động cơ, hệ thống phanh thông qua mạng CAN gửi về EPS ECU, cịn các tín hiệu từ các cảm biến khác được gửi trực tiếp về EPS ECU. EPS ECU sẽ tính tốn và đưa ra lệnh điều khiển mơ tơ lực, trong đó tín hiệu của cảm biến mơ men đóng vai trị quan trọng nhất.
2.7.2 Hệ thống trợ lực lái điện thích ứng nhanh chuyển động
Hình 2.8 Hoạt động của EPS thích ứng chuyển động trên Honda City 2015
Hệ thống trợ lực lái điện thích ứng nhanh chuyển động MA-EPS (Motion Adaptive
Electric Power Steering).
- MA-EPS là sự kết hợp giữa hệ thống trợ lực lái điện tử EPS với hệ thống VSA - MA-EPS sử dụng dữ liệu về tốc độ và góc lái của xe làm tín hiệu đầu vào để phân tích, tính tốn và đưa ra những điều chỉnh cho hệ thống lái. .
- Lực đánh lái sẽ nhẹ nhàng khi xe vận hành ở tốc độ thấp và sẽ đầm hơn khi xe vận hành ở tốc độ cao. .
- Trong các trường hợp: thừa lái, thiếu lái, đường trơn trượt, MA-EPS giúp người lái dễ đánh tay lái về hướng ổn định & khó đánh lái về hướng mất ổn định. Điều này giúp xe cân bằng hơn và an toàn trên mọi cung đường.
MA-EPS thích ứng chuyển động là một hệ thống có chức năng làm ổn định chuyển động của xe bằng cách điều khiển mô men trợ lực hệ thống lái của EPS khi xe đi trên bề mặt đường trơn trượt kết hợp với chức năng điều chỉnh tốc độ bánh xe của mô đun điều khiển VSA. Hệ thống này được thiết kế để điều khiển mô men hệ thống lái EPS theo cách làm giảm mô men hệ thống lái của người lái xe theo hướng chuyển động của xe ổn định.
Nó có nhiệm vụ làm giảm mơ men hệ thống lái theo hướng mà chuyển động xe trở nên ổn định và làm tăng mô men hệ thống lái theo hướng không ổn định xe. Hệ thống điều khiển của EPS thích ứng chuyển động. Bộ mơ đun điều khiển VSA xác định chuyển động của xe dựa trên thông tin gửi từ Cảm biến tốc độ bánh xe, Cảm biến góc lái và các thơng tin đầu vào khác để điều khiển EPS.
Với hệ thống lái điện tử EPS và MA-EPS, dòng xe Honda City sẽ đem lại cho khách hàng sự tự tin để thao tác nhanh nhạy, chính xác và ổn định trong suốt hành trình, khách hàng sẽ yên tâm và thật an toàn khi rong ruổi trên mọi cung đường với chiếc xe Honda.
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT: NGHIÊN CỨU VỀ CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN 3.1 Cấu tạo hệ thống lái trợ lực điện trên Kia Morning 2013
3.1.1 Mô tơ trợ lực
Hình 3.1 Mơ tơ trợ lực DC
Bảng 3.2 Bảng thông số kỹ thuật của mô tơ trợ lực Thơng số Thơng số
Đặc tính của động cơ
- Loại động cơ: DC
- Điện áp hoạt động: 9 ~ 16V - Mô men xoắn định mức: 1.83Nm - Tốc độ định mức: 1.530rpm - Tốc độ khơng tải: 2.036rpm - Cường độ dịng định mức: 35A - Kích thước: ϕ63 * 124mm
Đặc tính của bánh răng
- Tỉ số truyền: 16.33 ÷ 1 - Chất liệu: Nhựa (giảm ồn)
Hình 3.3 Cấu tạo hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái
1- vịng bi; 2- trục vít; 3- vỏ trục lái; 4- khớp nối; 5- roto; 6- stator; 7- trục mô tơ; 8- trục lái chính; 9- bánh vít
Để đảm bảo được công suất trợ lực cần thiết trên bộ trợ lực điện sử dụng loại động cơ điện một chiều, nó bao gồm: Rơto, stato, trục lái chính và cơ cấu giảm tốc. Cơ cấu giảm tốc bao gồm trục vít và bánh vít. Mơ men do rơto động cơ điện tạo ra được truyền tới cơ cấu giảm tốc sau đó được truyền tới trục lái chính. Trục vít được đỡ trên các ổ đỡ để giảm độ ồn và tăng tuổi thọ làm việc, khớp nối đảm bảo cho việc nếu động cơ điện bị hỏng thì trục lái chính và cơ cấu giảm tốc khơng bị khóa cứng lại và hệ thống lái vẫn có thể hoạt động được. Bên trong động cơ cịn bố trí một ly hợp từ để thực hiện q trình ngắt hoặc kết nối giữa trục chính của động cơ và trục vít.
Nguyên lý hoạt động
Khi nhận được tín hiệu điều khiển từ ECU EPS thì mơ tơ sẽ quay để thực hiện quá trình trợ lực như: quay nhanh, quay chậm, quay trái, quay phải và dừng.
Trục thứ cấp được dẫn động bởi mô tơ thông qua cơ cấu trục vít bánh vít nên khi mơ tơ quay làm cho trục thứ cấp quay theo. Trục thứ cấp sẽ truyền mô men của mô
tơ đến cơ cấu lái. Ở đây mô men sẽ được cơ cấu lái làm tăng lên và truyền đến bánh xe dẫn hướng thông qua dẫn động lái.
Mô tơ chấp hành của trợ lực lái điện có nhiệm vụ tạo ra mơ men trợ lực dưới điều khiển của ECU và phải đáp ứng các yêu cầu:
Mô tơ phải đưa ra được mô men xoắn và lực xoắn mà không làm quay vô lăng Mơ tơ phải có cơ cấu đảo chiều quay khi có sự cố xảy ra
Những dao động của mô tơ và mô men xoắn, lực xoắn phải trực tiếp chuyển đổi thông qua vành lái tới tay người lái phải được cân nhắc.
Do vậy, mơ tơ điện có các đặc điểm sau:
Nhỏ, nhẹ, có kết cấu đơn giản, độ an toàn và độ bền cao
Lực, mô men xoắn biến thiên nhỏ thông qua điều khiển
Dao động và tiếng ồn nhỏ
Lực quán tính và ma sát nhỏ
3.1.2 Bộ điều khiển trung tâm (ECU EPS)
Hình 3.4 Bộ điều khiển trung tâm của EPS
ECU có nhiệm vụ điều khiển mơ tơ trợ lực cho người lái. Từ giá trị độ xoắn của thanh lái và vận tốc xe sẽ định mức dịng điện cấp tới mơ tơ trợ lực lái. ECU EPS còn điều khiển bù qn tính: Đảm bảo mơ tơ hoạt động ngay khi người lái khởi hành và xoay vơ lăng. Đảm bảo tính điều khiển trả lái, điều khiển hỗ trợ lực hồi về của các
bánh xe sau khi người lái đánh hết vô lăng sang một bên. Dự tính nhiệt độ mơ tơ dựa trên cường độ dòng điện và điện áp đưa vào. Nếu nhiệt độ của mô tơ hoặc ECU vượt quá giá trị cho phép thì nó sẻ giảm bớt cường độ dịng điện đánh tránh cho mô tơ hoặc ECU bị quá nhiệt.
Yêu cầu đối với ECU gồm có:
Đảm bảo độ chính xác khi làm việc
Tạo ra lực trợ lực (tương ứng với dòng điện cấp cho mô tơ) theo tốc độ xe và mô men đặt lên vành lái để đảm bảo lực lái thích hợp trong tồn dải tốc độ xe.
Giảm thiểu sự biến động của lực lái bằng cách bù dịng điện cấp cho mơ tơ tương ứng với sự biến động mô men xoắn đầu vào. Khi ô tô chuyển động với vận tốc thấp, trợ lực lái điện giúp cho vành tay lái trở lại vị trí chuyển động thẳng sau khi đã quay vịng bằng cách bù dịng điện mơ tơ.
Khi ô tô chuyển động với vận tốc cao, trợ lực lái giữ ổn định lực tác động lên vành lái ở vị trí đang quay vịng (ví dụ, trong khi chuyển làn đường) bằng cách bù dòng điện cấp cho mơ tơ làm cho vành lái có thể dễ dàng trở về vị trí thẳng.
Giới hạn dịng điện của mơ tơ tối đa đến mức tối ưu để bảo vệ ECU và mô tơ không bị hư hỏng do quá tải.
Đảm bảo độ tin cậy (Chức năng tự chuẩn đoán và sửa lỗi)
Để đảm bảo độ tin cậy trong ECU sẽ có mạch tự chuẩn đốn và sửa lỗi). Nó sẽ theo dõi sự sai lệch của các phần tử trong hệ thống và khi phát hiện bất kỳ sai lệch nào, nó sẽ điều khiển các chức năng EPS phụ thuộc vào ảnh hưởng của sự sai lệch và cảnh báo cho người lái xe. Ngồi ra, nó cịn lưu trữ các vị trí các sai lệch trong ECU. Đảm bảo tính đối thoại với các hệ thống khác (Chức năng truyền tin và kiểm
tra hệ thống EPS).
Các cảm biến có nhiệm vụ cấp tín hiệu mơ men lái, vận tốc chuyển động xe và tốc độ trục khuỷu động cơ. Về cơ bản trợ lực lái điện có cảm biến mơ men lái hoặc tốc độ đánh lái. Đa phần hiện nay sử dụng cảm biến mơ men lái. Các cảm biến này có hai loại chính là có tiếp điểm và khơng có tiếp điểm.
Ưu điểm của loại khơng tiếp điểm là: khơng bị mịn do lão hóa, từ trễ nhỏ, là ít bị ảnh hưởng bởi dịch chuyển dọc trục và lệch trục. Giảm tốc có nhiệm vụ tăng lực lái và truyền mô men trợ lực đến cơ cấu lái.
3.1.3 Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện
• Cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall
1- Vỏ; 2- Rô to nam châm; 3- Ổ bi;
4- IC Hall; 5- Giắc điện; 6- Nhựa từ tính
Hình 3.5 Cảm biến tốc độ đánh lái loại Hall
Cảm biến loại này ngày này được sử dụng khá phổ biến do những ưu điểm sau: chính xác, bền, ít chịu ảnh hưởng của bụi bẩn như loại quang, không cần các hàm điều khiển logic như loại từ trở sử dụng bánh răng, không tiếp xúc nên rất bền.
Có cấu tạo đơn giản hơn, dễ lắp đặt và đặc tính ra là dạng xung số. Vì vậy các xe ngày nay thường sử dụng loại cảm biến này.
Cấu tạo của cảm biến gồm một rôto nam châm nhiều cực gắn với trục lái. Một IC Hall được đặt đối diện với vành nam châm (Cách 1 khe hở nhỏ: 0,2 ÷ 0,4 mm).
Cảm biến được cấp nguồn điện 12V một chiều.
Khi đánh tay lái, vành nam châm quay và từ trường nam châm tác động vào IC Hall tạo ra chuỗi xung vng 0V ÷ 5V. Số xung tăng dần theo góc quay trục lái. Tín hiệu được gửi về hộp EPS và phân tích thành góc quay trục lái và tốc độ đánh lái.
Nguyên lý họat động của nó tương tự như loại cảm biến Hall trên cảm biến vị trí bướm ga, trục cam, trục khuỷu. Nó xác định tốc độ thay đổi dựa trên tần số, góc dựa trên số lượng xung.
• Cảm biến mơ men lái
Hình 3.6 Cấu tạo cảm biến mô men lái
Hoạt động (đầu ra) của cảm biến mô men xoắn: Khi vô lăng được đánh lái sang bên
trái hoặc bên phải, phản lực của mặt đường sẽ vặn thanh xoắn và tạo nên sự thay đổi vị trí tương quan giữa rơ to phát số 2 và rô to phát số 3. VT1 & VT2 có đặc tính giống nhau:
3.1.4 Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc của hệ thống trợ lực lái điện a. Sơ đồ khối hệ thống lái trợ lực điện a. Sơ đồ khối hệ thống lái trợ lực điện
Tín hiệu đầu vào Bộ xử lý Bộ chấp hành
b. Nguyên lý làm việc của hệ thống lái trợ lực điện
Bước 1. Trợ lực lái bắt đầu làm việc khi người lái tác dụng lực để quay vô lăng.
Bước 2. Lực tác dụng lên vành lái sẽ làm cho thanh xoắn trong cơ cấu lái xoay. Cảm biến mơ men lái sẽ xác định góc quay của thanh xoắn và gửi các lực lái đã được tính tốn đến ECU
Bước 3. Cảm biến góc quay của vơ lăng sẽ thơng báo góc quay vành lái và tốc độ đánh tay lái hiện thời.
Bước 4. Phụ thuộc vào lực lái, tốc độ chuyển động, tốc độ động cơ, góc quay vơ lăng, tốc độ đánh tay lái và bản đồ được lưu giữ trong ECU, EPS ECU sẽ tính tốn lực trợ lực cần thiết và gửi đến động cơ điện.
Lực tác dụng lên vành tay lái Cảm biến tốc mô men Cảm biến tốc tốc độ đánh lái
Mô tơ trợ lực DC Đèn báo trên táp lô Cảm biến tốc độ ô tô
ECU
Electric Pow
er Steeri
Bước 5. Trợ lực lái sẽ tác động lên cơ cấu lái một lực trợ lực song song với lực đặt lên vành lái.
Bước 6. Tổng của lực đặt lên vành lái và lực trợ lực sẽ tác động lên cơ cấu lái để quay vòng xe.
Trợ lực lái được điều khiển dựa theo các bản đồ được lưu trữ sẵn trong bộ nhớ của ECU EPS và nó có thể lưu trữ 16 bản đồ, các bản đồ này được kích hoạt phụ thuộc vào các yêu cầu cho trước.
Hình 3.7 Bản đồ điều khiển ECU trong hệ thống trợ lực lái điện 3.1.5 Sơ đồ mạch điện của hệ thống lái trợ lực điện 3.1.5 Sơ đồ mạch điện của hệ thống lái trợ lực điện
3.1.5.1 Các mạch điều khiển động cơ trợ lực DC
Động cơ điện dùng trong hệ thống trợ lực lái là loại động cơ điện một chiều DC và có chế độ làm việc thay đổi liên tục, thích nghi với các điều kiện khác nhau của đường, tốc độ xe… Do đó, đặc tính của nó cũng được thay đổi theo để đáp ứng yêu
cầu của hệ thống lái như tốc độ đánh lái, mô men cần cung cấp, công suất sinh ra, mô men khi đảo chiều, thời gian trễ khi đảo chiều động cơ…Do vậy mạch điều khiển động cơ bao gồm:
- Mạch kích từ song song - Mạch điều khiển tốc độ - Mạch điều khiển mô men - Mạch đảo chiều dòng điện
Hệ thống tự động điều chỉnh động cơ điện cần phải đo lường các tham số của đại lượng điều chỉnh như điện áp, dịng điện, tốc độ, mơ men… độ chính xác của các bộ đo lường này ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng điều chỉnh bởi vì nhiệm vụ của nó là đo lường để điều khiển hệ. Vì vậy, yêu cầu các bộ đo lường là phải đảm bảo tỷ lệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào khơng bị trễ, khơng có thành phần dao động ký sinh.
a. Mạch kích từ song song của động cơ điện một chiều
Nguồn điện một chiều dùng cho động cơ điện trợ lực là nguồn có cơng suất vơ cùng lớn vì nó ln ln được máy phát nạp điện khi xe hoạt động. Và để có điện áp khơng đổi thì mạch kích từ thường được mắc song song với một mạch phản ứng và sau đây