TRỢ LỰC ĐIỆN
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
Với hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực truyền thống, sử dụng sức kéo từ động cơ đốt trong để dẫn động bơm thủy lực gặp phải những nhƣợc điểm chính là việc phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ, mà số vịng quay động cơ thì liên tục thay đổi theo điều kiện vận hành. Điều đó gây trở ngại cho việc trợ lực lái ở các điều kiện di chuyển khác nhau của xe nhƣ:
- Khi ô tô ra vào chỗ đỗ, động cơ hoạt động ở số vòng quay thấp, dẫn tới áp suất bơm thủy lực không đủ để trợ lực, làm gia tăng lực đánh lái của tài xế lên vô lăng.
- Khi động cơ hoạt động ở số vòng quay thấp, việc gia tăng tải cho động cơ có thể gây chết máy.
- Khi ô tô hoạt động ở tốc độ cao, động cơ làm việc ở số vòng quay lớn dẫn tới bơm quay nhanh làm tăng áp suất thủy lực nên việc trợ lực lái tăng lên, điều này có thể gây mất cảm giác lái cho tài xế.
Các trở ngại trên đƣợc khắc phục trên một số ơtơ bằng cách bố trí thêm bộ điều áp với sự điều khiển của ECU theo các chƣơng trình đã đƣợc cài đặt trƣớc. Tuy nhiên, đây không phải là giải pháp hồn hảo vì vừa tạo nên một hệ thống lái cồng kềnh, lại vừa làm phức tạp cơ cấu lái.
Để khắc phục những trở ngại đó, năm 1988 hãng SUZUKI đã đƣa ra một hệ thống trợ lực lái kiểu mới trên xe Cervo Suzuki, hệ thống trợ lực lái đó đƣợc gọi là hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering).
Do có nhiều ƣu điểm, nên ngày nay hầu hết các hãng sản xuất ô tô nhƣ: Toyota, BMW, Huynda…điều lắp đặt hệ thống lái trợ lực điện trên những chiếc ô tô của mình.
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 36
2.2 ƢU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG.
Về kinh tế.
Hệ thống lái trợ lực điện giá thành rẻ hơn hệ thống lái Thủy lực.
Khối lƣợng của hệ thống lái trợ lực điện nhẹ hơn hệ thống lái thủy lực và đặc biệt là nó chỉ hoạt động, tiêu hao công suất khi việc lái xảy ra, lái nhiều thì nó họat động nhiều, lái ít thì nó họat động ít. Khơng nhƣ hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực bơm dầu làm việc liên tục kể từ thời điểm máy nổ và tiêu hao đáng kể một phần công suất động cơ, ở những xe con thông thƣờng mức tiết kiệm nhiên liệu do sử dụng hệ thông lái trợ lực điện giúp tiết kiệm khoảng 0,2 L/100 Km.
Về sửa chữa.
Bảo dƣỡng đơn giản hơn hệ thống lái Thủy lực vì:
Các bộ phận của hệ thống lái trợ lực điện chủ yếu nằm trên trục lái, chiếm ít chỗ và dễ kiểm tra hơn nhiều so với các bộ phận của hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực. Đối với hệ thống trợ lực lái thủy lực việc tháo lắp bơm dầu và hệ thống phân phối dầu trợ lực là rất khó khăn do chúng nằm liền với cơ cấu lái ở các vị trí rất khó kiểm tra.
Về độ tin cậy.
Ƣu điểm lớn nhất của hệ thống lái trợ lực điện là đảm bảo trợ lực chính xác và nhẹ nhàng cho việc lái nhƣng không làm mất cảm giác lái cho tài xế.
2.3 VỊ TRÍ LẮP ĐẶT VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC BỘ PHẬN. 2.3.1 Vị trí lắp đặt các bộ phận. 2.3.1 Vị trí lắp đặt các bộ phận.
Vị trí lắp đặt có thể khác nhau phụ thuộc vào hãng sản xuất và các loại xe khác nhau, nhƣng cơ bản nó gồm các bộ phận sau:
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 37 Hình 2.1. Vị trí của các bộ phận.
1-EPS ECU. 2- Cảm biến mô men.
3- Động cơ điện D/C 4- Cơ cấu giảm tốc. 5- Bộ chấp hành ABS và ECU ABS 6- ECU động cơ.
7- Đèn báo EPS 8- Rờ le.
2.3.2. Chức năng các bộ phận.
Cụm chi tiết Chức năng
- Cảm biến
mô men
- Phát hiện sự xoay của thanh xoắn.
- Tính tốn momen tác dụng lên thanh xoắn nhờ vào sự thay đổi điện áp đặt trên nó.
- Đƣa tính hiệu điện áp đó về ECU EPS.
- Đ/c một chiều.
- Tạo ra trợ lực tùy thuộc vào tính hiệu từ
ECU EPS
- ECU EPS
- Vận hành động cơ điện D/C gắn trên trục lái để trợ lực. Nó căn cứ vào tín hiệu từ các cảm biến nhƣ: Tốc độ xe, tốc độ động cơ, cảm biến mô
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 38 - Cụm đồng
hồ táp lơ
- Đƣa tính hiệu tốc độ xe đến ECU EPS.
- Trƣờng hợp có sự cố đèn EPS sẽ bật sáng.
- Cơ cấu giảm tốc
- Giảm vận tốc truyền của động cơ điện D/C truyền chuyển động tới trục thứ cấp.
- Rơ le - Cung cấp dòng điện cho động cơ D/C và
ECU EPS
- ECU động cơ
- ECU động cơ nhận biết tốc độ của động cơ và đƣa tới ECU EPS
- ECU ABS - ECU ABS nhận biết tốc độ của xe và đƣa tới
ECU EPS.
Bảng 2.1 Chức năng các bộ phận (trích ơ tơ Hui). - Hoat động
của EPS - Chức năng của ECU EPS
- Điều khiển
chính
- Từ giá trị độ xoắn của thanh lái và vận tốc xe sẽ định mức dòng điện cấp tới động cơ điện D/C trợ lực lái.
- Điều khiển
bù quán tính
- Đảm bảo động cơ điện D/C trợ lực lái hoạt động ngay khi ngƣời lái xe khởi hành và xoay vô
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 39
lăng.
- Điều khiển trả lái
- Điều khiển hổ trợ lực trả lái của các bánh xe sau khi ngƣời lái đánh hết vô lăng sang một bên.
- Điều khiển giảm rung
- Điều chỉnh lƣợng trợ lực khi lái xe quay vô lăng ở tốc độ cao, do vậy sẽ giảm rung động do các thay đổi trong độ lệch của thân xe.
- Điều khiển bảo vệ quá nhiệt
- Dự tính nhiệt độ của động cơ điện D/C dựa trên cƣờng độ dòng điện và điện áp cấp vào. Nếu nhiệt độ của động cơ điện D/C hay ECU trợ lực lái vƣợt quá giá trị cho phép, nó sẽ giảm bớt cƣờng độ dịng điện vào để tránh tình trạng động cơ điện D/C hoặc ECU bị quá nhiệt.
Bảng 2.2 Chức năng của EPS ( trích ơ tơ Hui).
2.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.
Sơ đồ khối hệ thống.
Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống.
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 40 Hệ thống lái trợ lực điện hoạt động không nhƣ các hệ thống lái trợ lực khác. Khi xe chuyển động với tốc độ chậm, bình thƣờng thì tài xế phải mất nhiều lực để thay đổi hƣớng chuyển động của xe, nhận biết đƣợc đều này thông qua cảm biến mô men gắn trên trục lái nên ECU gởi tín hiệu tới động cơ D/C trợ lực cho nó hoạt động mạnh hơn giúp tài xế giảm lực đánh lái.
Khi xe chạy với tốc độ cao thì trợ lực ít hơn để cho ngƣời lái khơng mất cảm giác lái, nếu tình trạng mặt đƣờng xấu và có sự thay đổi đột ngột trong khi lái nhƣ qua khúc cua với tốc độ cao, lạng lách để tránh xe khác thì lúc này hệ thống lái trợ lực điện hoạt động nhanh để hỗ trợ cho tài xế xử lý tình huống một cách dễ dàng hơn.
Để biết đƣợc những sự thay đổi đó thì ở hệ thống lái trợ lực điện có cảm biến góc lái và cảm biến mơmen để thu nhận những tín hiệu và truyền các tín hiệu mà nó nhận đƣợc đến bộ xử lý trung tâm (ECU). Trong đó cảm biến quan trọng nhất là cảm biến mô men.
Các cảm biến nhƣ: Cảm biến tốc độ của xe, cảm biến mô men lái,…Các cảm biến này sẽ truyền tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm (ECU) sau khi nhận các tín hiệu từ các cảm biến, ECU sẽ tổng hợp và xử lý các tín hiệu đó đồng thời đƣa ra tín hiệu để điều khiển cho động cơ điện D/C quay, làm cho bộ trục vít bánh vít hoạt động làm quay trục lái chính và làm cho các bánh xe dẫn hƣớng chuyển động.
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 41
Các kiểu lái trực lực điện .
Hệ thống lái trợ lực điện của hãng Ford
Hình 2.4 Trợ lực kiểu dây đai Hệ thống lái trợ lực điện của hãng Suzuki Hệ thống lái trợ lực điện của hãng Suzuki
Hình 2.5 Trợ lực có mơ tơ trên trục lái Hệ thống lái trợ lực điện của xe AUDI
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 42
Chương III: HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN CỦA
SUZUKI
3.1. CÁCH BỐ TRÍ VÀ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG. 3.1.1. Cách bố trí. 3.1.1. Cách bố trí.
Có hai cách bố trí hệ thống lái:
Hệ thống lái bố trí bên trái (theo chiều chuyển động của ôtô) đƣợc dùng trên ôtô của các nƣớc có luật đi đƣờng bên phải nhƣ ở Việt nam và một số các nƣớc khác.
Hệ thống lái bố trí bên phải (theo chiều chuyển động của ôtô) đƣợc dùng trên ôtô của các nƣớc có luật đi đƣờng bên trái nhƣ ở Anh, Nhật, Thuỵ Điển,...
Hình 3.1. Hệ thống lái bố trí bên trái.
Hình 3.2 Hệ thống bố trí bên phải. 1. Vơ lăng. 2. Giá đỡ trụ lái. 1. Vô lăng. 2. Giá đỡ trụ lái. 3. Trục lái nhỏ. 4. ECU EPS.
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 43 5. Động cơ trợ lực D/C. 6. Cảm biến momen.
7. Bình ắc quy.
Vì trợ lực lái bên phải và bên trái có cấu tạo giống nhau, nên trong giới hạn bài này chúng em xin trình bày loại trợ lực bên trái và động cơ điện một chiều bố trí trên trục lái.
Cách bố trí động cơ trợ lực D/C.
Hình 3.3. Động cơ trợ lực D/C bố trí trên trục lái.
Sơ đồ khối mạch.
Hình 3.4. Sơ đồ lắp mạch của hệ thống 1. Cầu chì tổng của EPS 2. Cầu chì EPS. 1. Cầu chì tổng của EPS 2. Cầu chì EPS. 3. Cơng tắc máy. 4. Hộp cầu chì.
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 44 5. Cầu chì cơng tắc 6. Đồng hồ tích hợp
7. Đồng hồ tốc độ 8. Đèn báo EPS
9. Đến cảm biến tốc độ xe (vss 10. ECM/PCM 11. Dây nối đến giắc DLC 12. Bộ kiểm tra 13. Giắc chuyển đổi chẩn đoán 14. Điểm nối mass
15. Tới ABS 16. ECU EPS
17. Động cơ trợ lực D/C 18.Cảm biến momen 19. Điểm nối mass EPS ECU
Sơ đồ mạch trên xe
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 45
3.1.2 Nguyên lý hoạt động.
Khi mà tài xế muốn thay đổi hƣớng chuyển động của xe sang phải hoặc sang trái bằng cách tác dụng lực lên vơ lăng. Khi đó cảm biến momen trên trục lái sẽ xác định đƣợc hƣớng mà tài muốn xe chuyển động, sau đó cảm biến momen sẽ đƣa tín hiệu mà nó nhận đƣợc về ECU EPS bằng tín hiệu điện áp. Cùng lúc đó tín hiệu từ các cảm biến khác nhƣ: tốc độ xe, tốc độ động cơ…Đƣa về ECU EPS, khi đó ECU EPS sẽ tổng hợp các tín hiệu mà nó nhận đƣợc để tính tốn và đƣa ra mức độ trợ lực lái phù hợp với điều kiện chuyển động của xe.
3.2. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬN.
Hệ thống lái trợ lực điện của Suzuki có cấu tạo cũng tƣơng tự nhƣ hệ thống lái trợ lực điện của các hãng khác, đây là những bộ phận cơ bản:
Động cơ trợ lực D/C.
Cảm biến mô men xoắn.
ECU EPS.
Đèn báo EPS.
3.2.1. Động cơ điện một chiều.
Cấu tạo:
Hình 3.6 Cấu tạo động cơ D/C.
Để đảm bảo đƣợc 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.
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 46 Cơ cấu giảm tốc bao gồm trục vít và bánh vít. Mô men do rôto động cơ điện tạo ra đƣợc truyền tới cơ cấu giảm tốc sau đó đƣợc truyền tới trục lái chính. Trục vít đƣợc 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 D/C 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 đƣợc.
Bên trong động cơ D/C cịn bố trí một ly hợp từ để thực hiện quá trình ngắt hoặc kết nối giữa trục chính của động cơ D/C và trục vít.
Hoạt động.
Khi nhận đƣợc tín hiệu điều khiển từ ECU EPS thì mơ tơ D/C sẽ quay để thực hiện quá trình trợ lực nhƣ: quay nhanh, quay chậm, quay trái, quay phải và ngừng.
Trục thứ cấp đƣợc dẫn động bởi mô tơ D/C thơng qua cơ cấu trục vít bánh vít nên khi mô tơ D/C quay làm cho trục thứ cấp quay theo. Trục thứ cấp sẽ truyền mô men của mô tơ D/C đến cơ cấu lái. Ở đây mô men sẽ đƣợc cơ cấu lái làm tăng lên và truyền đến bánh xe dẫn hƣớng thông qua dẫn động lái.
3.2.2 Cảm biến mô mem xoắn.
Cấu tạo.
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 47 Hình 3.8 Mặt cắt ngang cảm biến mơ men xoắn.
Hoạt động.
Khi ngƣời lái xe điều khiển vô lăng, mô men tác động lên trục sơ cấp làm xoay rô to phát hiện số 1 và số 2 của cảm biến mô men thông qua thanh xoắn.
Ngƣời ta bố trí roto phát số 1 và 2 trên trục sơ cấp phía vơ lăng và roto phát số 3 trên trục thứ cấp.Trục sơ cấp và trục thứ cấp đƣợc nối với nhau bằng một thanh xoắn.
Các vịng phát hiện có cuộn dây phát hiện kiểu khơng tiếp xúc trên vịng ngồi để hình thành một mạch kích thích.
Khi tạo ra một mơ men lái thì thanh xoắn bị xoắn tạo ra độ lệch pha giữa roto phát hiện số 2 và số 3. Dựa trên độ lệch pha này một tín hiệu điện áp tỉ lệ với mơ men đƣợc đƣa đến ECU.
Khi vô lăng đƣợc đánh sang bên phải hoặc trái, phản lực của mặt đƣờng sẽ vặn
thanh xoắn và tạo nên sự thay đổi vị trí tƣơng quan giữa rơto phát hiện số 2 và rôto
phát hiện số 3, Khi đó một tín hiệu điện áp đƣợc cảm biến này tạo ra và gởi đến ECU
để thông báo cho ECU biết cần phải xuất tín hiệu trợ lực cho phù hợp .
Khi vơ lăng ở vị trí chính giữa ,thì VT1 và VT2 cùng ở vị trí trung gian, tức là chƣa có độ lệch pha hay là chƣa có tín hiệu xoắn ,điện áp lúc đó giữa 2 tín hiệu là 2.5V.
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 48 Hình 3.9 Khi tay lái ở vị trí trung gian
Hình 3.10 So sánh điện áp giữa 2 tín hiệu
Khi cảm biến mơmen xoắn có sự cố thì giá trị ra giữa VT1 sẽ khác VT2 khi ở vị trí
Thiết Kế, Chế Tạo Mơ Hình Lái Trợ Lực Điện. Trang 49 Hình 3.11. Cảm biến mơ men xoắn có sự cố.
3.2.3. ECU EPS.
ECU EPS nhận tín hiệu từ các cảm biến, so sánh các tín hiệu mà nó nhận đƣợc, tính tốn rồi đƣa ra tín hiệu để điều khiển tốc độ và hƣớng quay của mô tơ trợ lực D/C phù hợp với tín hiệu mà ECU nhận đƣợc từ các cảm biến.
Trong trƣờng hợp hệ thống có sự cố ECU EPS sẽ gửi tín hiệu tới rơle bật sáng đèn báo EPS trên đồng hồ táp lô, đồng thời ECU EPS là nơi lƣu mã hƣ hỏng để phục vụ