6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
3.2. Bài 2: Các hư hỏng thường gặp và biện pháp khắc phục
3.2.1. Một số nguyên nhân gây hư hỏng:
Trong thực tế, có nhiều nguyên nhân gây hư hỏng có thể xảy ra đối với các hệ thống lái trợ lực điện. Các hư hỏng này có thể bắt nguồn từ hư hỏng của phần cơ hoặc phần điện. Có thể kể ra một số hư hỏng điển hình và nguyên nhân gây ra như sau:
Bảng 3.1. Một số nguyên nhân hư hỏng của hệ thống lái ô tô trợ lực điện
Hiện tượng Nguyên nhân
Lốp trước không đủ áp suất, mòn
Khớp cầu treo trước rơ
Lắp ráp cơ cấu lái không đúng
Động cơ điện trợ lực hỏng
Hệ thống nguồn và ắc qui hư hỏng
Nguồn của ECU không đủ Lái nặng
ECU hỏng
Vị trí “ không ” của vành lái báo không chính xác.
Hiệu quả lái khi quay phải và quay trái khác nhau
Khớp cầu treo trước rơ
Lắp ráp cơ cấu lái không đúng
Càm biến mô men trong cọc lái hỏng
Cọc lái trục trặc
Động cơ điện trợ lực hỏng
ECU hỏng
Khớp cầu treo trước rơ
Cảm biến tốc độ hỏng
Điều khiển ECU bị trượt
Cảm biến mô men trong cọc lái hỏng
Cọc lái trục trặc
Động cơ điện trợ lực hỏng Khi chuyển động lực lái không thay
đổi theo vận tốc chuyển động hoặc vành lái không trả về vị trí trung gian
Hệ thống mạng CAN hỏng
Động cơ điện trợ lực hỏng Có ma sát khi quay vành lái ở vận
tốc thấp
Cọc lái trục trặc Có tiếng kêu khi đánh vành lái với
tốc độ chậm khi xe dừng Động cơ điện trợ lực hỏng
Vành lái rung và có tiếng ồn khi quay vành lái khi xe đứng yên
Động cơ điện trợ lực hỏng
Đèn P/S luôn bật
Điện áp nguồn của ECU
Giắc báo tín hiệu P/S chập
Nguồn ECU không đủ
Không thể chuẩn “không” cho cảm biến mô men
Đoản mạch giữa hai đầu TS và CG
Nguồn ECU không đủ
Có thể nhận thấy nhiều Pan hư hỏng không thể thể hiện được trên mô hình, các Pan này cần được giáo viên hướng dẫn mô tả thêm bên ngoài. Trong mô hình thiết kế, chỉ có thể tạo ra các Pan do lỗi thường gặp trong thực tế từ phần hư hỏng thiết bị điện điều khiển bộ phận trợ lực lái. Vì vậy, trong thiết kế này chỉ thể hiện chủ yếu các Pan loại này.
3.2.2.Tạo các Pan hư hỏng trên mô hình:
Mô hình cần được thiết kế để có thể giả lập được các Pan hư hỏng điển hình, báo mã lỗi có trong thực tế đối với chủng loại thiết bị lái đã chọn, để người học làm quen với dạng mã lỗi này và biện pháp khắc phục. Các dạng Pan hư hỏng có thể thiết kế trên mô hình như sau:
Tạo pan Hở mạch chân IG của ECU – EPS.
Tạo pan Hở mạch chân PIG của ECU – EPS.
Tạo pan Hở mạch chân TRQV của cảm biến mô men.
Tạo pan Hở mạch chân TRQ1 của cảm biến mô men.
Tạo pan Hở mạch chân TRQ2 của cảm biến mô men.
Chương 4: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH.
4.1. Lựa chọn phương án:
Mô hình được chế tạo phục vụ đào tạo. Vì vậy, nó phải thể hiện được đầy đủ đặc điểm cấu tạo cũng như nguyên lí làm việc của một hệ thống lái ô tô trợ lực điện trong thực tế. Trên cơ sở chức năng, nhiệm vụ và nguyên lí làm việc của hệ thống lái ô tô trợ lực điện đã nêu trong các chương trước, tôi lựa chọn phương án chế tạo mô hình hệ thống lái như sau:
Các chi tiết linh kiện chính sẽ sử dụng các thiết bị có sẵn trên thị trường nhằm mục đích thể hiện trực quan, chính xác cấu tạo của hệ thống lái trợ lực điện. Theo đó, các thiết bị chính được lựa chọn bao gồm: cảm biến vành tay lái, động cơ điện trợ lực, cơ cấu lái và dẫn động lái.
Để mô tả nguyên lí làm việc hoàn chỉnh; có thể chỉ rõ được cách thức làm việc cho đối tượng đào tạo, tác giả quyết định tự chế tạo phần điều khiển cho hệ thống, bao gồm: mạch điều khiển trung tâm, mô đun nhận tín hiệu từ các cảm biến, giao diện công suất cho động cơ điện trợ lực. Ngoài ra, để khảo sát rõ đặc điểm làm việc của hệ thống một cách sinh động hơn, tôi xây dựng thêm mạch giao tiếp và phần mềm trên máy tính. Dưới đây là sơ đồ khối của mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện (Hình 4.1):
Hình 4.1. Sơ đồ khối mô hình hệ thống
E
C
U
Cảm biến tốc độ xe
Giao diện công suất động cơ trợ
lực Cảm biến mô men
vành tay lái
Hiển thị LCD
4.1.1. Lựa chọn hệ thống lái trợ lực điện trên mô hình:
Hệ thống lái trợ lực điện được trang bị khá phổ biến trên các xe ô tô hiện nay. Các loại xe điển hình sử dụng hệ thống lái kiểu này có thể kể đến gồm: Toyota, Kia, Honda, Ford, Mitsubishi, BMW, Lexus… Các bộ phận cơ bản của hệ thống lái trợ lực điện trên các dòng xe này về cơ bản bao gồm:
Cảm biến mô men xoắn, bộ phận này được dùng để xác định mô men đánh lái của người điều khiển tác động lên hệ thống lái.
Động cơ điện một chiều, bộ phận này có chức năng tạo ra mô men trợ lực tác động lên hệ thống khi cần trợ lưc.
Cơ cấu hộp giảm tốc, nó có tác dụng là làm giảm tốc độ và tăng mô men trợ lực của động cơ điện một chiều truyền tới hệ thống lái.
Bộ phận điều khiển ECU-EPS.
Ngoài ra còn có thiết bị để tạo ra nguồn điện cung cấp cho hệ thống.
Dưới đây là một số so sánh về khác biệt giữa cấu tạo và cách bố trí các bộ phận cơ bản trên các dòng xe:
Điển hình cho hệ thống lái trợ lực điện của hãng Ford có thể kể đến dòng xe Focus đời 2012. Trên dòng xe này, động cơ điện trợ lực được đặt trên cơ cấu lái và được thiết kế rời, hộp giảm tốc trên hệ thống này là hộp giảm tốc kiểu dây đai, cảm biến mô men xoắn thì được bố trí gần bánh răng trục lái. Sơ đồ cấu tạo và bố trí như Hình 4.2.
Với cách bố trí như vậy nên hệ thống lái trợ lực điện này có một số ưu điểm nổi bật như sau: kết cấu của hệ thống ít cồng kềnh; động cơ điện được đặt gần cơ cấu lái nên mô men truyền lực sinh ra được truyền trực tiếp tới cơ cấu lái và ít bị tổn thất hơn.
Ngoài những ưu điểm có được, hệ thống này cũng có một số khuyết điểm như sau:
- Cách bố trí gây khó khăn cho việc kiểm tra, sửa chữa sau này vì động cơ điện, hộp giảm tốc và cảm biến đều được đặt dưới gầm xe.
- Động cơ điện bố trí như vậy nên cơ cấu hộp giảm tốc được sử dụng là hộp giảm tốc kiểu dây đai, đây là loại có cấu tạo phức tạp gồm nhiều chi tiết hơn so với hộp giảm tốc trục vít - bánh vít. Chính vì vậy mà độ tin cậy của nó sẽ không bằng loại trục vít - bánh vít. Mặt khác, do cấu tạo phức tạp nên giá thành chắc chắn cao hơn.
Với dòng xe Toyota, có thể kể đến hệ thống lái trợ lực điện được trang bị trên xe Toyota Vios. Hệ thống lái trợ lực này được sử dụng là kiểu hệ thống lái với động cơ điện một chiều và cảm biến mô men xoắn được bố trí trên trục lái. Những bộ phận sử dụng trong hệ thống thuộc các loại sau: Cảm biến mô men xoắn là cảm biến loại lõi thép xoay; Động cơ điện một chiều là loại chế tạo rời rất dễ tháo lắp; Bộ phận hộp giảm tốc sử dụng loại trục vít - bánh vít. Về cơ cấu lái, cũng như những dòng xe khác có sử dụng hệ thống lái trợ lực điện, thường được sử dụng là cơ cấu lái thanh răng – bánh răng. Hình ảnh của hệ thống lái trên dòng xe này được trình bày ở Hình 4.3
Với đặc điểm cấu tạo và cách bố trí như vậy, hệ thống lái trên dòng xe này có những ưu điểm sau:
- Cách bố trí của dòng xe này sẽ thuận lợi cho việc kiểm tra, sửa chữa khi có xảy ra sự cố, hư hỏng.
- Động cơ trợ lực là loại được chế tạo rời nên có cấu tạo không quá phức tạp, dễ chế tạo hơn loại liền khối với cơ cấu lái. Do đó, loại động cơ điện này có giá thành thấp. Hơn nữa, với cấu tạo là một bộ phận rời nên loại động cơ điện này sẽ thuận lợi và dễ dàng cho việc tìm hiểu cũng như kiểm tra, sửa chữa sau này.
- Bộ phận cảm biến mô men xoắn là loại lõi thép xoay. Theo tìm hiểu ở chương 2, ta thấy loại lõi thép xoay có cấu tạo với ít cuộn dây hơn (hai cuộn phát hiện), các rô to được làm từ kim loại và được liên kết thành một khối thống nhất, bền vững. Do đó, cảm biến mômen xoắn loại lõi thép xoay sẽ làm việc tin cậy hơn và bền hơn cảm biến mômen xoắn loại lõi thép trượt và loại 4 vành dây.
- Hộp giảm tốc của hệ thống này thuộc loại kiểu trục vít - bánh vít nên có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, độ tin cậy cao và giá thành thấp.
Ngoài những ưu điểm có được, hệ thống lái trợ lực điện trên dòng xe này cũng có những mặt hạn chế như sau: động cơ điện được chế tạo rời nên kết cấu sẽ cồng kềnh hơn so với loại chế tạo liền với cơ cấu lái; việc bố trí động cơ điện trên trục lái sẽ làm cho mô men trợ lực sinh ra để truyền tới cơ cấu lái sẽ bị tổn thất trên trục lái; Hộp giảm tốc kiểu trục vít - bánh vít cũng sẽ làm cho hệ thống thêm cồng kềnh.
Tiếp theo xin giới thiệu về hệ thống lái trên xe Kia Morning. Hệ thống lái trợ lực điện trên xe này hoàn toàn giống với hệ thống lái trên xe Toyota Vios. Từ cách bố trí cho tới các bộ phận trên hệ thống đều giống nhau. Vì vậy mà ưu, nhược điểm của hệ thống này cũng giống như hệ thống trên xe Toyota Vios.
Hình ảnh cách bố trí của hệ thống lái trợ lực điện trên xe Kia Morning được trình bày ở Hình 4.4.
Hình 4.4 . Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Kia morning [9]
Cuối cùng xin giới thiệu hệ thống lái trợ lực điện trên xe Lexus. Hệ thống lái trợ lực điện trên xe này có cách bố trí và các bộ phận trong hệ thống có sự khác biệt so với các loại đã trình bày ở trên. Khác biệt đầu tiên là hệ thống này bố trí cảm biến mômen xoắn nằm ngay vị trí bánh răng của cơ cấu lái. Khác biệt lớn nhất là nằm ở bộ phận động cơ điện trợ lực. Động cơ điện sử dụng trong hệ thống là loại được chế tạo liền khối với cơ cấu lái, bộ phận hộp giảm tốc cũng được chế tạo chung với động cơ điện tạo thành một khối. Việc chế tạo liền khối này làm cho cấu tạo của động cơ điện, hộp giảm tốc và cơ cấu lái khá phức tạp. Do đó, chắc chắc giá thành sẽ cao hơn nhiều so với các loại trên.
Do cách bố trí và chế tạo liền khối nên ưu điểm của hệ thống này là rất gọn và chắc chắn. Tuy nhiên việc chế tạo liền khối làm cho việc khắc phục sự cố, sửa chữa, kiểm tra hư hỏng trong quá trình sử dụng sẽ khó khăn. Hình ảnh bố trí được trình bày ở Hình 4.5.
Hình 4.5 . Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Lexus [11]
Sau khi xem xét các đặc điểm về cấu tạo cũng như cách bố trí, nhận thấy: Tuy trên mỗi hãng xe, mỗi dòng xe có cách bố trí cũng như các bộ phận có cấu tạo khác nhau, nhưng chúng cũng sẽ làm việc theo một nguyên lý nhất định. Với các nhận xét đánh giá về ưu khuyết điểm của các loại hệ thông lái trợ lực điện đã nêu trên, đề tài lưa chọn sử dụng hệ thống lái trợ lực điện của dòng xe Toyota Vios phục vụ cho việc chế tạo mô hình. Hơn nữa, dòng xe Toyota Vios được sử dụng rất phổ biến ở nước ta nên sản phẩm mô hình sẽ giúp cho sinh viên có điều kiện tiếp cận nhiều hơn trong thực tế. Các bộ phận cơ bản được lựa chọn từ hệ thống trợ lực điện của xe Toyota Vios 2007 như Hình 4.6.
Hình 4.6 . Các bộ phận cơ bản của Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios 2007 [12]
Các mô tả chính theo hướng dẫn kỹ thuật như sau:
Cảm biến mô men xoắn:
Sơ đồ đấu dây:
Bảng 4.1. Bảng chỉ dẫn kỹ thuật
Ký hiệu chân Mô tả chức năng Giá trị quy định TRQV (c1-6) Nguồn dương cấp
cho cảm biến
Điện áp cung cấp: 7.5 tới 8.5 V
TRQ1 (c1-5) Đầu ra 1 của cảm biến mô men xoắn
Min : 0,3 V; Max: 4,7 V
1. Khi tay lái không quay: 2,3 V tới 2,7 V 2. Quay tay lái sang phải: 2.5 tới 4.7 V 3. Quay tay lái sang trái: 0.3 tới 2.5 V TRQ2 (c1-7) Đầu ra 2 của cảm
biến mô men xoắn
Min : 0,3 V; Max: 4,7 V
1. Khi tay lái không quay: 2,3 V tới 2,7 V 2. Quay tay lái sang phải: 2,5 tới 4,7 V 3. Quay tay lái sang trái: 0,3 tới 2,5 V TRQG (c1-8) Mass cấp cho cảm
biến mô men xoắn
So sánh với mass nguồn có trở kháng < 1 Ohm
Động cơ trợ lực:
Sơ đồ đấu dây:
Bảng chỉ dẫn kỹ thuật:
Điện áp làm việc: 11V – 14 V
Trở kháng cuộn dây: 0,08 – 0,15 Ohm
Trở kháng cách điện cuộn dây và mass: > 1Mohm
Dòng điện khi quay từ trái qua phải và ngược lại: từ 10 A – 55 A
4.1.2. Lựa chọn phương án tạo mô men cản của mặt đường:
Để mô hình có thể làm việc với chức năng trợ lực của động cơ điện, cần phải mô phỏng được mô men cản từ mặt đường tác động lên bánh xe đưa lên vành tay lái thông qua cảm biến mô men lái. Có nhiều phương án có thể gây mô men cản lên vành tay lái như: sử dụng lò xo, sử dụng hệ thống phanh xe hoặc dùng li hợp điện từ tác động lên dẫn động lái.
Ở phương án thứ nhất, lò xo sẽ được giữ cố định một đầu với khung xe, đầu còn lại sẽ được cố định với dẫn động lái. Như vậy, khi quay vành tay lái sẽ làm thay đổi chiều dài lò xo từ đó thay đổi tải trọng tác động lên vành tay lái. Tùy thuộc vào góc quay, lực lò xo thay đổi sẽ tác động cảm biến mô men lái và tác động dòng điện trợ lực của động cơ. Có thể thấy rằng phương án này có ưu điểm lớn là việc chế tạo đơn giản, giá thành hạ tuy nhiên nhược điểm lớn nhất là không có khả năng thay đổi mô men cản khi quay và giá trị này lại phụ thuộc vào góc quay nên không được lựa chọn.
Trong phương án thứ hai, có thể sử dụng phanh xe đạp hoặc xe máy với phần vỏ cố định vào khung xe, phần quay có má phanh được hàn cố định vào trục quay của dẫn động lái. Việc thay đổi tải tác động vào vành tay lái có thể thực hiện dễ dàng bằng cách thay đổi lực cung cấp cho má phanh tác động lên trống phanh. Ưu điểm của phương pháp này cũng đơn giản và dễ dàng chế tạo và thực hiện thay đổi lực phanh dễ dàng. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là không thể thay đổi lực phanh cố định giữa các