CHƯƠNG 3 : KHẢO SÁT CÁC TRƯỜNG HỢP QUAY VÒNG CỦA ÔTÔ
c. Nhóm giải pháp liên quan đến ôtô
- Tăng hiệu quả phanh: Về góc độ an tồn, khi phanh người ta quan tâm đến hai yếu tố: quãng đường phanh và độ lệch hướng của xe khi phanh. Ngày nay việc tăng mô men phanh Mp không có gì là khó khăn cả, tuy nhiên mơ men phanh bị khống chế bởi mô men bám Mφ. Khi Mp> Mφ thì bánh xe bị trượt lết, khi trượt lết, hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy đều giảm. φx giảm làm giảm quãng đường phanh, còn φy giảm sẽ làm gia tăng nguy cơ lệch hướng xe. Giải pháp cho vấn đề này là trang bị hệ thống ABS cho xe.
- Trang bị hệ thống điều khiển lực kéo TCS (Traction Control System)
Về nguyên lý đó là một hệ thống phanh “phụ” làm việc độc lập với hệ thống phanh bình thường của xe. Hệ thống phanh của xe làm việc theo sựđiều khiển của người lái, còn hệ thống phanh phụ được điều khiển hoàn toàn tựđộng. ECU của hệ thống nhận tín hiệu từ các cảm biến như vận tốc bánh xe, góc đánh lái, góc quay thân xe, ... sau đó phân tích và ra các lệnh để tiến hành phanh một hoặc nhiều bánh xe tùy theo tính huống cụ thể. Ta xét tình huống sau đây (hình 4.1):
70
Hình 4.1. Các trường hợp quay vịng của xe
Ở hình 4.1.a là một trường hợp quay vịng thiếu, nguy cơ xẩy ra tai nạn là rất cao. Hệ thống TCS sẽ kích hoạt và phanh các bánh xe bên phải, làm cho xe ngoặt sang bên phải.
Ở hình 4.1.b là một trường hợp quay vịng thừa. Lúc này hệ thống TCS sẽ điều khiển để phanh các bánh xe bên trái, làm cho xe ngoặt sang bên trái.
Xét tình huống thứhai sau đây (hình 4.2): Xe đang đi thẳng qua ngã ba. Bất ngờ có một xe khác đi từhướng vng góc (như hình vẽ). Theo phản ứng, lái xe sẽ quay vô lăng sang phải đểtránh sau đó đánh trở lại để trở về quỹđạo đi thẳng.
71
Hình 4.2. Phản ứng của người điều khiển khi gặp chướng ngại vật đột ngột
Nếu mọi việc diễn ra sn sẻ thì quỹ đạo của xe sẽ theo đường mũi tên nét liền. Tuy nhiên rất có thể do bất ngờ nên lái xe đánh vơ lăng sang phải hơi nhanh làm cho xe có nguy cơ vượt ra khỏi đường và do đó lái xe lại vội quay vô lăng sang trái đột ngột, lực qn tính làm “văng” đi xe sang phải. Nếu khơng có sự can thiệp thì quỹđạo xe sẽtheo đường mũi tên nét đứt. Lúc này TCS sẽđiều khiển để phanh các bánh xe bên phải lại, tạo ra mô men quay đầu xe sang phải.
Trên hệ thống phanh có TCS thường là có cảABS và như vậy hệ thống phanh xe này tích hợp cả hai hệ thống và là xe có an tồn chủ động cao. Hệ thống TCS còn hỗ trợ xe khắc phục hiện tượng trượt quay bánh xe chủđộng khi tăng tốc, khi đi trên đường có hệ số bám thấp như bùn lầy, băng tuyết.
Ngày nay do những tiến bộ nhanh chóng về công nghệ, nhiều giải pháp kỹ thuật khác cũng đang được nghiên cứu và áp dụng.
Để thực hiện được điều này thì về mặt kết cấu người ta sử dụng các biện pháp sau:
4.2. Giải pháp kết cấu cho hệ thống lái
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
72
mô tơ điện tới hệ thống lái. Thiết bị này bao gồm có cảm biến tốc độ xe, một cảm biến lái (mơmen, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một mơtơ. Tín hiệu đầu ra từ mỗi cảm biến được đưa tới ECU có chức năng tính tốn chếđộ điều khiển lái đểđiều khiển hoạt động của mơtơ trợ lực.
Hình 4.3. Sơ đồ khối nguyên lý trợ lực lái điện
1- Dịng cấp mơ tơ; 2- Tốc độ mơ tơ; 3- Vận tốc mô tơ; 4- Mô men lái; 6- Điều khiển dịng tối đa cho mơ tơ; 7- Điều khiển bù rung động; 8- Điều khiển phục hồi; 9- Điều khiển bù; 10- Điều khiển chính; 11- Dịng đích; Hạn chế dòng cấp áp tối đa
ra mơ tơ; 13- Điều khiển dịng cấp ra mơ tơ; 14- Dịng cấp cho mơ tơ
Các phần tử chính cua trợ lực lái điện gồm có: Mơ tơ điện một chiều; Các cảm biến; Bộđiều khiển trung tâm (ECU); Hộp giảm tốc.
4.2.1. Mô tơ trợ lực
Mô tơ điện của trợ lực lái là một mô tơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, gắn với bộ truyền động của trợ lực lái.
73
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 2.
Mơ tơ chấp hành của trợ lực lái điện có nhiệm vụ tạo ra mô 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.
Hình 4.5. Cụm mơ tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay 1-Cảm biến mơ 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- Rô to; 11- Nam châm; 12- Vỏ thanh răng; 13- Thanh răng của cơ cấu lái; 14- Vòng bi
Do vậy Mơ tơ điện có các đặc điểm: - Nhỏ, nhẹ, và có kết cấu đơn giản.
- Lực, mô men xoắn biến thiên nhỏthông qua điều khiển. - Dao động và tiếng ồn nhỏ.
- Lực quán tính và ma sát nhỏ. - Độan toàn và độ bền cao.
4.2.2. Bộđiều khiển trung tâm (ECU)
Bộ điều khiển trung tâm (ECU) nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin đểđiều khiển mơ tơ.
74
u cầu đối với ECU gồm có:
- Đảm bảo tính tiện nghi khi lái (chức năng điều khiển dịng điện mơ tơ). Các chức năng này gồm có:
(1) Điều khiển được dịng điện cấp cho Mô tơ theo qui luật xác định
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 đểđảm bảo lực lái thích hợp trong toàn dải tốc độ xe.
(2) Điều khiển bù
Giảm thiểu sự biến động của lực lái bằng cách bù dòng điện cấp cho Mô tơ tương ứng với sự biến động mô-men xoắn đầu vào.
(3) Bù ma sát
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 .
(4) điều khiển tụ
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 .
(5) Tối đa dịng điện cấp cho mơ tơ.
Giới hạn dịng điện của mô tơ tối đa đến mức tối ưu để bảo vệ ECU và mô tơ không bịhư 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 sẽđiều 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).
75
Hình 4.6. Bản đồ điều khiển ECU trong hệ thống trợ lực lái điện
Nguyên lý làm việc của trợ lực lái gồm các bước:
Bước 1. Trợ lực lái sẽ 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 mô men lái sẽ xác định góc quay của thanh xoắn và gửi các lực lái đã được tính tốn đên 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 độđánh 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.
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.
76
4.2.3.Cảm biến vành tay lái:
Hình 4.7. Vị trí lắp, cấu trúc và đặc tính của cảm biến mơmen lái loại lõi thép xoay
1- Cảm biến mơ men; 2- Trục lái chính; 3- Bộ giảm tốc; 4- Vơ lăng; 5- Vành phát hiện 1; 6- Trục sơ cấp;7- Cuộn dây bù;8-Vành cảm ứng 1; 9- Vành cảm ứng
3; 10- Trục thứ cấp; 11- Từ trục lái; 12- Từ cơ cấu lái; 13-Vành cảm ứng 2
Các cảm biến có nhiệm vụ cấp tín hiệu mơ men lái, vận tốc chuyển động xe và tốc độ trục khuỷu động cơ. Vềcơ bản trợ lực lái điện có cảm biến mơ men lái hoặc tốc độ đánh lái. Đa phần hiện nay sử dụng cảm biến mô 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 : không bị mịn do lão hóa, từ trễ nhỏ, là ít bị ảnh hưởng bởi dịch chuyển dọc trục và lệch trục.
77
KẾT LUẬN 1- Vềphương pháp
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, luận văn đã đặt vấn đề về nghiên cứu các trường hợp quay vịng của ơ tơ. Những trường hợp đã khảo sát cho thấy đây là những trạng thái có thể xảy ra thực tế với những điều kiện chuyển động thực của xe. Việc nghiên cứu tìm hiểu chúng là một việc hồn tồn cần thiết làm cơ sở để mơ hình hóa hệ thống lái nói riêng và của tồn xe nói chung, từđó đưa ra được những biện pháp kỹ thuật phù hợp đểngăn ngừa những tình huống xấu có thể xảy ra, đảm bảo an toàn chuyển động cho xe.
Phương pháp nghiên cứu đã chỉ ra những tình huống quay vịng xấu có thể gây ra mất an tồn cho xe. Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong điều kiện khó khăn về kinh phí và thiết bị thí nghiệm ở các cơ sở nghiên cứu và sản xuất của nước ta hiện nay.
2- Tính đúng đắn của phương pháp
Các kết quả nghiên cứu trong luận văn đều phù hợp với lý thuyết và thực tế, điều này càng khẳng định tính đúng đắn và độ tin cậy cao của phương pháp
Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy:
- Ảnh hưởng của kết cấu lốp tới chuyển động của xe - Hệ số bám và các yếu tốtác động đến hệ số bám - Các trường hợp quay vòng của xe
- Các biện pháp kỹ thuật để cải thiện quỹđạo chuyển động ổn định của xe
3- Khảnăng ứng dụng của phương pháp vào thực tế thiết kế
Phương pháp nghiên cứu trình bày trong luận văn có thể giúp các nhà thiết kế, chế tạo cải tiến các hệ thống lái của xe mình, đồng thời phối hợp với hệ thống treo, hệ thống điều khiển tự động động cơ để điều khiển ổn định cho. Nhờ đó kết quả nghiên cứu người ta có thểđánh giá sơ bộ hiệu quả của hệ thống lái ngay trong khâu thiết kế và kịp thời đưa ra những giải pháp kỹ thuật hợp lý nhằm cải thiện chất lượng làm việc của hệ thống, đáp ứng được các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Tuy nhiên việc kiểm chứng bằng thực nghiệm vẫn rất cần thiết, nhưng
78
nếu áp dụng phương pháp nghiên cứu bằng mô phỏng sẽ tiết kiệm được thời gian và kinh phí trong q trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm
4- Khảnăng mở rộng của đề tài
Với những ưu điểm của phương pháp mô phỏng và kết quả đạt được, đề tài có thể hồn thiện và mở rộng theo hướng:
- Mơ hình hóa hệ thống lái trên ơ tơ
- Mơ phỏng hệ thống lái có sử dụng trợ lực điện. - Mơ phỏng các hệ thống điều khiển ổn định nói chung
79
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Hữu Cẩn (2008), Lý thuyết ô tô máy kéo, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[2]. Nguyễn Khắc Trai (1999), Cấu tạo hệ thống truyền lực xe con, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[3]. Nguyễn Khắc Trai (2006), Cơ sở thiết kế ôtô, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội.
[4]. Gisbert Lechner – Harald Naunheimer (1999), Automative Tranmission (Fundamentals, Selection, Design and Application), Stuttgart and Augsburg, Germany.