6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
2.3. Công dụng và phân loại hệ thống lái trợ lực
2.3.1. Công dụng hệ thống lái trợ lực:
Trợ lực của hệ thống lái ô tô có tác dụng giảm nhẹ cường độ lao động của người lái, giảm mệt mỏi khi xe hoạt động trên đường dài. Đặc biệt trên xe có tốc độ cao, trợ lực lái còn nhằm nâng cao tính an toàn chuyển động khi xe có sự cố ở bánh xe như nổ lốp, hết khí nén trong lốp và giảm va đập truyền từ bánh xe lên vành tay lái.
Để cải thiện tính êm dịu chuyển động, phần lớn các xe hiện đại đều dùng lốp bản rộng, áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc với mặt đường. Kết quả là cần một lực lái lớn hơn.
Lực lái có thể giảm bằng cách tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái. Tuy nhiên, việc đó lại đòi hỏi phải quay vô lăng nhiều hơn khi xe quay vòng dẫn đến không thể thực hiện được việc quay vòng ngoặc gấp.
Vì vậy, để giữ cho hệ thống lái nhanh nhạy trong khi vẫn chỉ cần lực lái nhỏ, cần phải có trợ lực lái.
2.3.2. Phân loại hệ thống lái trợ lực:
Hệ thống lái trợ lực được sử dụng phổ biến rộng rãi trên tất cả các ô tô với nhiều hình thức trợ lực khác nhau. Nhưng chủ yếu phụ thuộc 2 nhóm chính:
- Nhóm trợ lực thủy lực - Nhóm trợ lực điện
2.4. Hệ thống lái trợ lực thủy lực:
2.4.1. Cấu trúc tổng quát HTL trợ lực thuỷ lực:
Hình 2.1 là sơ đồ tổng quát HTL ô tô trợ lực thuỷ lực bao gồm các bộ phận chính sau: Vành lái, trục lái, bình chứa dầu, bơm trợ lực, cơ cấu lái, van điều khiển, xy lanh trợ lực và các ống dẫn dầu thủy lực.
Hình 2.6. Sơ đồ tổng quát hệ thống lái ô tô trợ lực thủy lực [8]
2.4.2. Mô hình toán học HTL trợ lực thuỷ lực:
Dựa trên mô hình tổng quát của hệ thống lái ô tô trợ lực thuỷ lực, ta có thể xây dựng mô hình toán học như sau:
Hình 2.7. Sơ đồ khối mô hình toán học HTL ô tô có trợ lực
1 2 3 4 5a 5b 6 P1 M1 M1 P2 P3-1 P3-2 Pc1 Pc2 PTL
1-Vô lăng; 2- Trục lái chính; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái; 5a, 5b – Bánh xe dẫn hướng; 6- Xi lanh trợ lực;
P1 - Lực quay vòng của người lái đặt trên vành tay lái. P2 - Lực trên ngõng lái (hoặc thanh răng). P3-1 , P3-2 - Lực cản quay vòng các bánh xe. M1 – Mô men do người lái tác động vào trục lái.
Trên mô hình toán học (Hình 2.7) của HTL có trợ lực có bố trí thêm phần tử 6, đó là phần tử trợ lực. Phần tử trợ lực tạo ra một lực PTL tác động vào cơ cấu lái để hỗ trợ cho lực của người lái. Như vậy, cơ cấu lái 3 sẽ là bộ phận tổng hợp của 2 lực: Lực do mô men M1 được chuyển hoá từ lực của người lái P1 và lực PTL sinh ra do phần tử trợ lực. Cả 2 thông số này đều biến đổi theo lực cản quay vòng của ô tô.
2.4.3. Đặc tính trợ lực lái:
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 (30 - 50)N ở vị trí PCmax. Tuy nhiên, nếu đặc tính này bất biến thì sẽ xảy ra tình trạng mất cảm giác 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 rất nhỏ làm mất cảm giác mặt đường của người lái. Vì vậy, trong các HTL ô tô 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 và có thể giảm tới 0. 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, xem Hình 2.8
Hình 2.8. Đồ thị đặc tính trợ lực [8] PT P Không có trợ lực Có trợ lực P1 O Pci PCmax PC
2.4.4. Giải pháp điều khiển thay đổi hệ số trợ lực lái:
Một số xe của hãng HONDA 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 ô tô tác động vào van trợ lực nên dẫn đến giảm hệ số trợ lực.
2.4.5. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện :
Hệ thống lái ô tô trợ lực thủy lực điều khiển điện có nhiều loại được thiết kế bố trí khác nhau với các kiểu như sau:
- Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực thực hiện điều khiển lưu lượng.
- Hệ thống trợ lực thủy lực với van điện từ trên mạch dầu van trợ lực lái - Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ tại cửa vào ra của van trợ lực - Hệ thống lái trợ lực thủy lực với cách thay đổi tốc độ bơm trợ lực lái
* Nhược điểm của hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực:
- Hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực có kích thước tương đối cồng kềnh, khó lắp đặt và bảo dưỡng.
- Tiêu tốn nhiên liệu do phải thường xuyên kéo bơm thủy lực trong quá trình xe vận hành.
- Khả năng trợ lực lái phụ thuộc vào tốc độ vòng quay của động cơ.
2.5. Hệ thống lái trợ lực điện :
Hệ thống lái ô tô trợ lực điện ra đời là 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 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 (Electric Power Steering – EPS) là một hệ thống điện hoàn chỉnh làm giảm đáng kể sức cản hệ thống lái bằng cách cung cấp trợ lực trực tiếp từ động cơ điện tới hệ thống lái. Thiết bị này bao gồm có cảm biến tốc độ xe, một cảm biến lái (mô men, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một động cơ điện trợ lực. 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 động cơ trợ lực.
Hệ thống lái ô tô trợ lực điện gồm có 3 loại trợ lực cơ bản:
Động cơ điện trợ lực bố trí trên trục lái (Hình 2.9)
Động cơ điện lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết kế rời (Hình 2.10)
Động cơ điện trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết kế liền (Hình 2.11)
Hình 2.9. Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên trục lái [13]
Cơ cấu lái trục răng – thanh răng Cảm biến mô men Trục lái Trục vít bánh vít Ly hợp điện từ
Hình 2.10. Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết rời [13]
Hình 2.11. Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên cơ cấu lái
và được thiết kế liền [13]
2.5.1. Trợ lực trên trục lái:
Động cơ điện 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 mô men lái. Cạnh đó là ECU trợ lực lái điện (ECU - EPS), xem Hình 2.12.
Đến vành lái
Ly hợp điện từ
Cơ cấu trục răng - thanh răng Cảm biến
Hình 2.12. Cơ cấu trợ lực lái điện trợ lực trên trục lái [13]
a. Bố trí tổng quát b. Cụm động cơ điện trợ lực
Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát (Hình 2.12 và 2.13), trên đó có thể nhận thấy các tín hiệu đầu vào của ECU-EPS gồm 4 nhóm tín hiệu chính:
1- Nhóm tín hiệu từ cảm biến mô men lái
2- Tín hiệu tốc độ ô tô: Tín hiệu này có thể gửi trực tiếp về ECU-EPS hoặc truyền dữ liệu thông qua mạng CAN (Controller Area Network).
3- Tín hiệu tốc độ động cơ (xung NE từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECU động cơ và mạng CAN truyền tới ECU-EPS.
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 2.14. Bố trí các cụm và Tablô thể hiện đèn báo lỗi P/S [13]
Những sự cố trong quá trình vận hành hệ thống được ghi lại trong bộ nhớ của ECU- EPS và cảnh báo bằng đèn P/S trên táplô (Hình 2.14)
Động cơ điện 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 2.15), tốc độ quay và mô men của động cơ điện trợ lực được điều khiển chủ yếu căn cứ vào tín hiệu của cảm biến mô men lái và cảm biến tốc độ đánh lái.
Bảng táplô
Trục lái
- Cảm biến mômen - Động cơ DC - Cơ cấu giảm tốc
ECU điều khiển trượt
Hình 2.15. Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển động cơ điện trợ lực lái theo phương pháp điều khiển điện áp [4]
Khi ô tô 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 động cơ điện 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 ô tô 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 mô men chống rung thường tỉ lệ với với tốc độ động cơ được phát ra.
- Trong phương pháp thứ hai – Điều khiển chống rung, mô men động cơ điện sinh ra sẽ ngược chiều với chiều quay của động cơ với V = 0 khi vành lái được tự do.
Phương pháp điều khiển dòng điện (Current Control Method): (xem Hình 2.16) Trong phương pháp này, giá trị cần đạt được đối với dòng điện của động cơ điện tương ứng với mô men của động cơ được thiết lập để nó bằng với tín hiệu tốc độ phản hồi của cảm biến tốc độ động cơ.
Hệ thống điều khiển
Hệ thống cảm biến
Cb mô men Cảm biến tốc độ xe Cảm biến tốc
độ đánh lái
Vành lái Thanh xoắn Bánh xe
Hình 2.16. Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển động cơ điện trợ lực lái theo phương pháp điều khiển dòng điện [4]
Hai phương pháp điều khiển trên dựa trên mối quan hệ các thông số của động cơ điện. Trong mạch tương đương của động cơ điện (xem Hình 2.17), 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 mô men quay của động cơ điện Tm.
Hình 2.17. Mạch tương đương của động cơ điện
Vành lái Thanh xoắn Tải Mạch phản hồi dòng Mạch chuyển đổi
Từ công thức (2.2), có hai phương pháp điều khiển động cơ điện. Trong phương pháp điều khiển dòng điện (Hình 2.16), dòng điện mục tiêu của động cơ IT (tỉ lệ với mô men quay TM) được xác định tín hiệu đầu ra T của cảm biến mô men, sự điều khiển được thực hiện để không có sự khác biệt giữa giá trị dòng điện mục tiêu IT
và giá trị tìm ra IM thông qua sự phản hồi của cảm biến dòng điện.
Trong phương pháp điều khiển điện áp (Hình 2.19), có hai điện áp thành phần được đưa vào và lấy ra. Điện áp thành phần đưa vào (VM1 = R.i = kT.TM; trong đó kT là hệ số tỉ lệ cố định). Tương ứng với mô men, điện áp thành phần lấy ra VM2 được tính toán dựa trên tín hiệu đầu ra của cảm biến mô men và điện áp thành phần của động cơ điện (VM2 = k.N). Nó tương xứng với tốc độ của động cơ điện khi được tính toán dựa trên tín hiệu đầu ra θ1 từ cảm biến vận tốc góc của bánh lái.
Sơ đồ điều khiển tổng quát của cả hệ thống được mô tả trên Hình 2.18.
Hình 2.18. Sơ đồ điều khiển tổng quát của ECU trợ lực lái điện [4]
Trong đó các tín hiệu từ cảm biến mô men lái, tốc độ ô tô, điện áp ắc quy, góc quay vô lăng được gửi về bộ sử lý trung tâm (ECU). Từ đây, ECU tính toán chế độ điều khiển đã được lập trình sẵn và điều khiển mạch công suất (Drive Unit) và các Transistor hoặc các mạch tổ hợp MOSFET được điều khiển ON/OFF để cấp điện cho động cơ điện trợ lực. Cảm biến vận tốc góc Cảm biến mô men Cảm biến tốc độ xe Điện áp ắc quy Đèn báo P/S Mạch điều khiển Mạch ổn áp Mạch kiểm tra mô men Mạch mã
hóa đầu vào
Mạch ĐK Mạch cầu MOSFET
Phương pháp điều khiển các MOSFET dẫn động động cơ điện (Hình 2.19)
Hình 2.19. Điều khiển chế độ động cơ điện [4]
Các đặc tính của quá trình điều khiển (Hình 2.20)
Trong tương lai, để giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa động cơ điện trợ lực thông thường được thay bằng động cơ bước (không cần cổ góp và chổi than).
Mô hình toán học của hệ thống này có thể được mô phỏng như sau:
Hình 2.21. Mô hình toán học của hệ thống trợ lực trên trục lái của ô tô
1- Vô lăng; 2- Trục lái chính; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái; 5a, 5b – Bánh xe dẫn hướng; 6- Động cơ điện trợ lực lái
P1 - Lực quay vòng của người lái đặt trên vành tay lái. P2 - Lực trên ngõng lái (hoặc thanh răng).
P3-1 , P3-2 - Lực cản quay vòng các bánh xe. M1 – Mô men do người lái tác động vào trục lái. MTL – Mô men trợ lực lái
2.5.2. Trợ lực trên cơ cấu lái ô tô:
Phương pháp điều khiển động cơ điện riêng được lắp ở cơ cấu lái cũng tương tự như cách điều khiển động cơ điện trên trục lái chính đã được trình bày ở phần 2.4.1.
Phương án tối ưu nhất là động cơ điện trợ lực được chế tạo liền với cơ cấu lái và là một bộ phận cấu thành của cơ cấu lái (Hình 2.22). Phương án này rất gọn, tuy nhiên giá thành hệ thống cao. Phương án này đang được áp dụng cho dòng xe Lexus và xe lai.
Phần kéo dài của thanh răng được chế tạo dưới dạng trục vít và trục vít này ăn khớp với ruột của rôto motor trợ lực lái thông qua các viên bi tuần hoàn (Rôto rỗng ruột và có các rãnh ren vít, xem Hình 2.24).