Đề tài: NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN EPS

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài::
1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ và kĩ thuật luôn là những thứ phát triển mạnh mẽ nhất trong suốt thời kì công nghiệp hóa. thời kì mà được xem là. Thời kỳ mà được xem là bước chuyển mình có tầm ảnh hưởng lớn đến thế giới, vũ trụ và con người. Một trong số đó là trang sử hào nhoáng trong quá trình phát triển của ngành công nghiệp ô tô. Phương tiện phổ biến nhất của thế kỷ 21. Chúng ta đã tạo ra được những dòng xe cao cấp và hiện đại, đi cùng với nó là sự tiện nghi, an toàn rất được chú trọng nghiên cứu và phát triển nhằm tạo ra sự êm ái và an toàn khi vận hành phương tiện. Hệ thống lái là một trong những hệ thống quan trọng nhất quyết định an toàn và sự trải nghiệm tuyệt vời nhất của một chiếc xe. Chính vì vậy, nhóm chúng em đã đi tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện. 1.1.2 Ý nghĩa của đề tài: Đề tài giúp cho những sinh viên năm cuối củng cố lại kiến thức để chuẩn bị cho sinh viên khi ra trường để đáp ứng được phần nào nhu cầu của công việc. Đề tài nghiên cứu về “Nghiên cứu động lực học hệ thống lái trợ lực điện EPS ” giúp chúng em hiểu rõ hơn nữa và bổ trợ thêm kiến thức mới về hệ thống này. Nội dung và kết quả của đề tài này có thể làm tài liệu tham khảo cho học sinh, sinh viên các khóa biết được các cấu tạo, nguyên lý hoạt động để dễ dàng chẩn đoán, sửa chữa trong các trường hợp thực tế bên ngoài. Kết quả đạt được sẽ làm cơ sở để phát triển đề tài ở mức cao hơn 1.2 Hiện trạng nghiên cứu trong và ngoài nước::
1.2.1 Trong nước: Với sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật và công nghệ thông tin, cũng như xu hướng toàn cầu hóa đã tạo điều kiện thuận lợi cho các công trình nghiên cứu trong nước. Tuy nhiên, đối với ngành công nghệ ô tô thì có rất nhiều mặt hạn chế trong việc đẩy mạnh nghiên cứu. Một trong số đó là chưa có nguồn đầu tư đủ lớn và duy trì kéo dài cho việc nghiên cứu. Nguồn nhân lực chưa đạt đủ trình độ và yêu cầu cho việc nghiên cứu song song với quốc tế. Nhưng gần đây đã có tập đoàn Vinfast đã tiên phong trong công cuộc sản xuất ô tô mang thương hiệu Việt cạnh tranh với quốc tế. Cùng với đó là đầu tư nghiên cứu, ưu tiên cho giáo dục tinh hoa để tạo ra thế hệ kỹ sư chất lượng phục vụ cho nền công nghiệp trong nước. 1.2 Hiện trạng nghiên cứu trong và ngoài nước::
1.2.2 Ngoài nước: Hiện nay, trên thế giới, cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác như vô tuyến điện tử, chế tạo máy, tự động hóa,… thì ngành công nghiệp ô tô cũng đang có những bước phát triển mạnh mẽ với việc ứng dụng công nghệ tin học, điều khiển, khoa học mô phỏng, vật liệu mới. Ô tô ngày nay được sử dụng với tốc độ cao, vấn đề an toàn chuyển động ngày càng được các nhà khoa học tại các nước có ngành công nghiệp nặng phát triển như Mỹ, Nhật, Đức,… đầu tư nghiên cứu. Trong cấu tạo của ô tô, hai hệ thống được coi là quan trọng nhất đảm bảo an toàn chuyển động được kể đến như hệ thống lái và hệ thống phanh. Trong những năm gần đây, hàng trăm các công trình khoa học nhằm hoàn thiện hệ thống lái trên ô tô được ra đời. Các công trình chủ yếu tập trung vào lĩnh vực động học và động lực học của hệ thống lái 4WD nhằm tăng tính cơ động và hoàn thiện tính điều khiển của hệ thống lái. Tác giả Samkr Moham USA vào tháng 6 năm 2000 đã công bố công trình về loại xe có hệ thống lái ở cả 4 bánh (AWD). Nhiều nhà khoa học Đức cũng tập trung nghiên cứu cho các hệ thống điều khiển cho các loại xe có hệ thống lái 4WD. Những trung tâm khoa học công nghệ lớn như ở Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản hiện đang có nhiều nổ lực để nghiên cứu về vấn đề tự động điều khiển hệ thống lái, đó là những công trình nghiên cứu lớn với sự hỗ trợ của hàng trăm nhà khoa học khắp nơi trên thế giới. Hãng Mercedes-Benz cũng đã từng trình diễn loại xe với hệ thống lái tự động và trong tương lai sẽ được áp dụng trên các loại đường thông minh. Để tăng tính điều khiển và tiện nghi cho việc hoàn thiện hệ thống lái, các nhà khoa học đã đi sâu vào việc chế tạo các bộ cường hóa tích cực PPS (Progressive Power Steering) để đảm bảo cảm giác của người lái với mặt đường, tăng tính năng điều khiển của hệ thống lái khi chạy ở tốc độ cao, đặc biệt là các xe thế hệ mới được sử dụng ở tốc độ cao hơn 100km/h. 1.2 Hiện trạng nghiên cứu trong và ngoài nước::
Những nhà khoa học cũng luôn tiến tới việc phát triển những kết cấu mới cho hệ thông lái như việc phát triển các cơ cấu điều khiển góc đặt trục lái và vô lăng TS (Tilt Steering), cùng với đó là việc ghế ngồi người lái có thể chỉnh theo ba chiều nhằm bổ sung cho người lái một ví trị điều khiển thuận tiện nhất.. Xu thế chung của các trung tâm công nghiệp ô tô lớn trên thế giới là nghiên cứu các hệ thống lái tích cực, nhằm sử dụng các thành tựu về điện, điện tử ứng dụng, các thành tựu về tin học để kiểm soát các tính năng của hệ thống lái và đảm bảo các chế độ hoạt động được tối ưu. Như vậy, có thể thấy rằng, hệ thống lái với những chức năng đảm bảo tính dẫn hướng đang được các nhà khoa học hàng đầu thế giới tập trung nghiên cứu với nhiều nổ lực lớn, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào các nội dung sau: - Nghiên cứu động học hệ thống lái thông qua mối tương quan hình học các khâu độc lập từ đó xác định sự thay đổi động học các khâu, kết luận khả năng sử dụng của hệ thống lái trên từng loại xe. - Xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính toán khả năng áp dụng các hệ thống trợ lực để điều khiển lái. - Nghiên cứu các hệ thống lái điều khiển điện – thủy lực hoặc điện điện tử - Nghiên cứu các hệ thống lái tự động. 1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài::
Nghiên cứu về hệ thống lái trợ lực điện trên xe honda đời mới. Chỉ ra được sự tiện lợi và an toàn hơn các hệ thống trợ lực đời cũ. Nghiên cứu đặc tính quay vòng và điều kiện an toàn khi xe đi vào đường vòng. 1.4 Các phương pháp nghiên cứu::
1.4.1 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu lý thuyết: Đọc tài liệu, tìm hiểu, quan sát hệ thống trên xe. Phân tích cấu tạo và nguyên lý làm việc để hiểu sâu hơn về hệ thống. Nghiên cứu thực nghiệm: Tìm hiểu động lực học hệ thống lái điện EPS. 1.4.2 Phương pháp nghiên cứu tài liệu: a) Khái niệm: Là phương pháp nghiên cứu thu thập thông tin khoa học trên cơ sở nghiên cứu các văn bản, tài liệu đã có sẵn và bằng các thao tác tư duy lôgic để rút ra kết luận khoa học cần thiết. b) Các bước thực hiện: Bước 1: Thu thập, tìm kiếm các tài liệu viết về hệ thống lái trợ lực điện. Bước 2: Sắp xếp các tài liệu khoa học thành một hệ thống lôgic chặt chẽ theo từng bước, từng đơn vị kiến thức, từng vấn đề khoa học có cơ sở và bản chất nhất định. Bước 3: Đọc, nghiên cứu và phân tích các tài liệu nói về hệ thống lái trợ lực điện phân tích kết cấu, nguyên lý làm việc một cách khoa học. Bước 4: Tổng hợp kết quả đã phân tích được, hệ thống hoá lại những kiến thức (liên kết từng mặt, từng bộ phận thông tin đã phân tích) tạo ra một hệ thống lý thuyết đầy đủ và sâu sắc. 1.4 Các phương pháp nghiên cứu:
1.4.3 Phương pháp phân tích thống kê và mô tả: Là phương pháp tổng hợp kết quả nghiên cứu thực tiễn và nghiên cứu tài liệu để đưa ra kết luận chính xác, khoa học. 1.4.4 Giả thuyết khoa học: Hệ thống lái trợ lực điện ngày nay vẫn còn là một nội dung mới đối với học sinh - sinh viên. Những hệ thống mới ngày nay chưa được đưa vào nhiều làm nội dung giảng dạy, nghiên cứu, học tập. Hệ thống bài tập, tài liệu nghiên cứu, tài liệu tham khảo về hệ thống lái trợ lực điện phục vụ cho học tập và nghiên cứu cũng như ứng dụng trong thực tế chưa nhiều. 1.5 Giới hạn của đề tài:
Hệ thống lái trợ lực trên ôtô Honda đời mới thì đây là một đề tài khó trong việc nghiên cứu. Vấn đề giải quyết các bài toán chuyển động quay vòng ổn định là quá phức tạp. Với mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra ở trên nên đề tài không đi sâu vào tính toán. Do thời gian có hạn nên đề tài chỉ nghiên cứu ở phạm vi các hệ thống trợ lực lái điều khiển điện tử trên các dòng xe du lịch Honda đời mới. Sự điều khiển điện tử hệ thống trợ lực lái chỉ đưa ra tính năng và nguyên lý của một vài hệ thống. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Những vấn đề chung về hệ thống lái trên ô tô:
2.1.1 Giới thiệu về hệ thống lái trên ô tô Hệ thống lái là một trong bảy hệ thống cơ bản, quan trọng nhất trên ô tô. Trong khi động cơ và hệ thống truyền lực truyền công suất xuống bánh xe, thì hệ thống lái dùng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ô tô chuyển động theo một quỹ đạo nhất định nào đó như: quay vòng trái, quay vòng phải, đi thẳng… Hệ thống lái trên ô tô có nhiệm vụ giúp ô tô chuyển hướng theo ý muốn của người lái và đảm bảo tâm quay của các bánh xe tuân thủ theo đúng động học quay vòng. Có thể thay đổi hướng chuyển động bằng cách: Thay đổi phương chuyển động của bánh xe dẫn hướng. Thay đổi mô men xoắn ở bánh sau chủ động. Kết hợp đồng thời cả hai phương pháp trên. Hệ thống lái có nhiều loại, thông thường bao gồm các bộ phận chính như: - Vành lái: là cơ cấu điều khiển nằm trên buồng lái, chịu tác động trực tiếp của người điều khiển. - Cơ cấu lái: là một hộp giảm tốc được bố trí trên khung hoặc vỏ của ôtô đảm nhận phần lớn tỉ số truyền của hệ thống lái - Dẫn động lái: bao gồm đòn quay đứng, đòn kéo dọc, hình thang lái, đòn quay ngang, có nhiệm vụ liên kết cơ cấu lái với bánh xe và dẫn động cho bánh xe dẫn hướng - Trợ lực lái: Trợ lực lái có thể có hoặc không. Dùng để giảm nhẹ lực quay vòng của người lái bằng nguồn năng lượng từ bên ngoài. Nó thường được sử dụng trong các xe có tải trọng vừa và lớn 2.1 Những vấn đề chung về hệ thống lái trên ô tô:
2.1 Những vấn đề chung về hệ thống lái trên ô tô:
Quá trình quay vòng ô tô: Quá trình quay vòng ô tô gồm 3 giai đoạn: Gia đoạn I - Xe bắt đầu đi vào đường vòng (đoạn 1 – 2 ), đặc trưng bằng bán kính quay vòng giảm dần (R ≠ const ). Gia đoạn II – Là giai đoạn xe quay vòng đều (đoạn 2 – 3 ), đặc trưng bằng bán kính quay vòng không đổi (R = const ). Gia đoạn III – Xe đi ra khỏi đường vòng (đoạn 3 – 4 ), đặc trưng bằng bán kính quay vòng tăng dần (R ≠ const ) và ở cuối giai đoạn này thì xe trở lại trạng thái chuyển động thẳng (R = ∞ ). Hình 2. 1: Quá trình quay vòng ô tô Hình 2. 2: Sơ đồ quay vòng của ô tô. 2.1.2 Các trường hợp quay vòng::
2.1.2.1 Trường hợp quay vòng trung tính: Đây là trường hợp tâm quay vòng khác nhau mà bán kính quay vòng bằng nhau. Ở trường hợp này, để giữ cho xe chuyển động thẳng khi có lực ngang tác dụng thì người lái cần quay vô lăng sao cho xe lệch khỏi trục đường một góc β1 = β2. Hình 2.3: Trường hợp quay vòng trung tính Hình 2.4: Trường hợp quay vòng trung tính xuất hiện lực ngang. 2.1.2 Các trường hợp quay vòng::
2.1.2.2 Trường hợp quay vòng thừa: Trong trường hợp quay vòng thừa, góc lệch hướng của cầu sau lớn hơn cầu trước (β1 < β2). Khi đó, bán kính quay vòng thực tế lớn hơn bán kính quay vòng lí thuyết (R > R0) làm cho xe bị mất khả năng chuyển động thẳng ổn định vì chiều của lực ly tâm Pl xuất hiện trùng với chiều của lực ngang Y. Sự mất ổn định càng lớn khi vận tốc xe càng cao. Để tránh khả năng lật đổ xe trong trường hợp này, người lái phải nhanh chóng đánh tay lái theo hướng ngược lại với chiều xe bị lệch để mở rộng bán kính quay vòng. Phản ứng của người lái trong trường hợp này là nghịch. Như vậy, quay vòng thừa là cần tránh trong thiết kế và vận hành ô tô. Hình 2.5: Trường hợp quay vòng thừa Hình 2.6: Trường hợp quay vòng thừa xuất hiện lực ngang. 2.1.3 Tính dẫn của ô tô hướng:
Tính dẫn hướng của ô tô là khả năng giữ được hướng chuyển động của ô tô theo góc quay vành lái khi chịu tác dụng của các lực và mômen ngoại cảnh. Khi thực hiện quay vòng thì yêu cầu đặt ra đối với hệ thống lái là phải đảm bảo động lực chuyển động và quay vòng xe, người lái quay vành tay lái thông qua dẫn động lái và cơ cấu lái làm bánh xe dẫn hướng quay đi một góc. Quỹ đạo chuyển động của ô tô liên quan đến tính dẫn hướng của xe. Sự chuyển động của ôtô trên đường phụ thuộc vào rất nhiều mối quan hệ của bánh xe với nền đường. Khi chuyển động trên các đường xá khác nhau cùng với việc sử dụng lốp đàn hồi đã ảnh hưởng không nhỏ tới khả năng điều khiển cũng như độ ổn định của ô tô. Khi đó, tại bánh xe luôn xuất hiện góc lăn lệch (biến dạng bên) do chịu đồng thời lực kéo và lực bên. Hình 1.2 thể hiện biến dạng của lốp khi chịu tác động của lực ngang, biến dạng bên này làm sai lệch quỹ đạo chuyển động. Để khắc phục hiện tượng này thì trong hệ thống lái cần phải bố trí cơ cấu để bù được sự biến dạng của lốp. Hình 1.2: Biến dạng của lốp 2.1.3 Tính dẫn của ô tô hướng:
Việc lắp đặt các bánh xe dẫn hướng giúp xe điều khiển chuyển động nhẹ nhàng, chính xác đảm bảo ổn định khi đi thẳng cũng như khi quay vòng, kể cả khi có sự cố ở các hệ thống khác. Góc đặt bánh xe gồm có: - Góc Camber. - Góc Caster. - Góc Kingpin. - Độ chụm. - Bán kính quay vòng. 2.1.3 Tính dẫn của ô tô hướng:
2.1.3.1 Góc camber: Góc camber là góc bánh xe nghiêng về bên phải hay nghiêng về bên trái đối với đường thẳng góc với mặt đường. Nếu đầu trên bánh xe nghiêng ra ta có góc camber dương. Nếu đầu trong bánh xe nghiêng vào phía trong xe ta có góc camber âm. Số đo được tính bằng độ và gọi là góc camber của bánh xe trước. Trong các kiểu xe trước đây, các bánh xe thường có camber dương để tăng độ bền của trục trước, ngăn ngừa hiện tượng tuột bánh xe khỏi trục, và để cho lốp xe tiếp xúc thẳng góc với mặt đường nhằm ngăn ngừa hiện tượng mòn không đều vì phần tâm đường thường cao hơn phần rìa đường. Tuy nhiên, nếu xe có góc Camber âm hoặc Camber dương quá lớn thì sẽ làm cho lốp mòn không đều. Nếu xe có góc Camber âm quá lớn thì phần phía trong của lốp sẽ bị mòn nhanh, còn nếu góc Camber dương quá lớn thì phần phía ngoài của lốp sẽ mòn nhanh. Hình 2.10: Góc Camber 2.1.3 Tính dẫn của ô tô hướng:
Trong các kiểu xe hiện đại, hệ thống treo và trục đã được cải tiến và có độ bền cao hơn trước đây và mặt đường bằng phẳng nên bánh xe không cần Camber dương nhiều như trước nữa. Vì vây, góc Camber được giảm xuống (một số xe có góc Camber bằng không) Trên thực tế, bánh xe có Camber âm đang được áp dụng phổ biến trên các dòng xe du lịch để tăng tính năng chạy đường vòng của xe. Vì khi xe chạy trên đường vòng, lực ly tâm làm cho xe nghiêng đi vì tác dụng của các lò xo hệ thống treo, do xe có xu hướng nghiêng ra phía ngoài, nên Camber của lốp xe trên nên dương hơn và lực đẩy ngang về phía trong xe cũng giảm xuống, lực quay vòng cũng bị giảm xuống. Nếu trong trường hợp này xe không có Camber âm thì bánh xe sẽ được giữ không cho bánh xe bị nghiêng dương khi chạy vào đường vòng và duy trì lực quay vòng thích hợp. Hình 2.11: Khi xe quay vòng 2.1.3 Tính dẫn của ô tô hướng:
2.1.3.2 Góc caster: Góc Caster được xác định bằng góc nghiêng giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng, khi trục xoay đứng nghiêng về phía sau thì ta gọi là góc Caster dương, ngược lại ta gọi là góc Caster âm, hướng nhìn từ cạnh xe. Khoảng cách từ giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng và mặt đường đến giao điểm giữa đường tâm lốp xe và mặt đường được gọi là khoảng Caster của trục xoay đứng. Hình 2. 12: Góc Caster Góc Caster ảnh hưởng đến độ ổn định khi xe chạy trên đường thẳng, còn khoảng Caster thì ảnh hưởng đến tính năng hồi vị của bánh xe sau khi xe chạy trên đường vòng. Vì khi trục xoay đứng để xe chạy vào đường vòng, nếu các bánh xe có góc Caster thì lốp sẽ bị nghiêng đi so với mặt đường và tạo ra momen kích, có xu hướng nâng thân xe lên. Momen kích này đóng vai trò như một lực hồi vị bánh xe, nó có xu hướng đưa thân xe trở về vị trí nằm ngang và duy trì độ ổn định của xe trên đường thẳng. Hình 2.13:Hồi vị bánh xe nhờ có khoảng caster 2.1.3 Tính dẫn của ô tô hướng:
Ngoài ra, nếu bánh xe có góc Caster thì giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng với mặt đường sẽ nằm phía trước tâm điểm tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường. Vì lốp xe được kéo về phía trước nên lực kéo này sẽ lấn át các lực có xu hướng làm cho bánh xe mất ổn định, giữ cho bánh xe chạy ổn định theo đường thẳng. Khi bánh xe chuyển hướng sang một bên (do lái hoặc trở ngại trên đường thẳng) thì sẽ phát sinh các lực bên F2 và F’2. Những lực bên này có tác dụng làm quay trục xoay đứng và có xu hướng hồi vị bánh xe về vị trí ban đầu của nó (lực hồi vị T và T’). Vào lúc này, với cùng một lực bên như nhau, nếu khoảng Caster lớn, lực hồi vị bánh xe cũng lớn. Vì vậy, khoảng Caster càng lớn thì độ ổn định trên đường thẳng và lực hồi vị càng lớn. Hình 2.14: Độ ổn định trên đường thẳng nhờ góc Caster. 2.1.3 Tính dẫn của ô tô hướng:
2.1.3.3 Góc kingpin (Góc nghiêng ngang trụ đứng): Góc lệch được tạo bởi đường tâm trục xoay đứng và đường thẳng đứng tại tâm bánh xe tiếp xúc với mặt đường gọi là góc Kingpin hay góc nghiêng của trục lái. Trục xoay đứng là trục mà trên đó bánh xe có thể xoay về phía phải hoặc phía trái. Trục này được xác định bằng cách vạch một đường thẳng tưởng tượng đi qua tâm của ổ bi trên bộ giảm chấn và khớp cầu của đòn treo dưới. Hướng nhìn từ phía trước xe, đường thẳng này nghiêng về phía trong. Khoảng cách L là từ giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng và mặt đường đến giao điểm giữa đường tâm bánh xe và mặt đường được gọi là độ lệch Kingpin. Hình 2.15: Góc Kingpin 2.1.3 Tính dẫn của ô tô hướng:
Vai trò của góc Kingpin là làm giảm lực đánh lái. Khi đánh lái sang phải hoặc sang trái với tâm quay là trục xoay đứng còn bán kính quay là khoảng lệch, nếu khoảng lệch càng lớn thì momen cản quay càng lớn (do sức cản của lốp xe ), vì vậy lực đánh lái cũng tăng lên. Giảm lực phản hồi, mọi chấn động lên bánh xe sẽ làm cho vô lăng bị dật hoặc bị rung lắc. Những hiện tượng này có thể cải thiện bằng cách giảm khoảng lệch L. Tăng độ ổn định chạy trên đường thẳng. Góc nghiêng của trục lái giúp cho bánh xe tự động quay trở về vị trí chạy thẳng sau khi đã quay vòng. Hình 2.16: Góc Kingpin thay đổi. 2.1.3 Tính dẫn của ô tô hướng:
2.1.3.4 Độ chụm:. Độ chụm là độ lệch của phần sau so với phần trước của bánh xe khi nhìn từ trên xuống, khi phần trước của các bánh xe dẫn hướng gần nhau hơn so với phần phía sau gọi là độ chụm, ngược lại gọi là độ choãi. Góc lệch của bánh xe được gọi là góc chụm. Mục đích ban đầu của góc chụm là khử bỏ lực đẩy ngang do góc Camber tạo ra. Vì vậy góc chụm ngăn ngừa bánh xe mở ra hai bên khi có Camber dương. Tuy nhiên, những năm gần đây do áp dụng góc Camber âm và do hiệu quả của hệ thống treo và lốp tăng lên nên nhu cầu khử bỏ lực đẩy ngang không còn nữa. Do vậy, mục đích của góc chụm đã chuyển thành đảm bảo độ ổn định chạy trên đường thẳng. Khi xe chạy trên đường nghiêng, thân xe nghiêng về một bên. Khi đó xe có khuynh hướng chạy theo hướng quay về phía nghiêng. Nếu phần phía trước của mỗi bánh xe chụm vào trong thì xe có khuynh hướng chạy theo hướng ngược lại hướng nghiêng. Vì vậy độ ổn định đường thẳng được duy trì. Hình 2.17: Độ chụm. 2.1.3 Tính dẫn của ô tô hướng:
2.1.3.5 Bán kính quay vòng: Bán kính quay vòng là góc quay của bánh xe phía trước bên trái và bên phải khi chạy trên đường vòng. Với góc quay của các bánh xe bên phải và bên trái khác nhau, phù hợp với tâm quay của cả bốn bánh xe thì độ ổn định của xe chạy trên đường vòng tăng lên. Hình 2.18: Bán kính quay vòng của ô tô. 2.2 Một số hệ thống lái phổ biến:
2.2.1 Hệ thống lái thuần cơ khí: Được xuất hiện lần đầu trên các xe thế hệ đầu tiên từ thập kỷ 50 và vẫn liên tục được phát triển, cải tiến cho đến ngày nay. Trong hệ thống lái cơ khí người lái phải sử dụng 100% năng lượng để thực hiện việc quay vòng bánh xe trong quá trình chuyển động, đồng thời cũng tiếp nhận những phản hồi không mong muốn từ mặt đường điều này làm cho người lái cảm thấy mệt mỏi khi sử dụng và gặp khó khăn trong nhiều tình huống bất ngờ. Sự va đập khi xảy ra sự cố sẽ ảnh hưởng nhiều đến người lái và các chi tiết trong xe Hình 2.19: Hệ thống lái cơ khí 2.2 Một số hệ thống lái phổ biến:
2.2.2 Trợ lực tay lái thủy lực (trợ lực dầu) - Hydraulic Power Steering (HPS): Hệ thống lái có trợ lực thủy lực là sự cải tiến của hệ thống lái thuần cơ khí nhắm giải quyết vấn đề chính là hỗ trợ một phần năng lượng của người lái trong quá trình điều khiển xe tạo cảm giác thoải mái khi lái xe. Tùy theo thiết kế và chế độ chuyển động của xe, năng lượng hỗ trợ của bộ trợ lực do động cơ tạo ra có thể lên đến 80% năng lượng tổn hao cho việc đánh lái. Hệ thống lái trợ lực dầu hỗ trợ một phần năng lượng của người lái trong quá trình điều khiển xe tạo cảm giác thoải mái khi lái xe. Hệ thống này có kết cấu hoàn toàn bằng cơ khí nên khi xe đi qua các mặt đường xấu, bánh xe tiếp xúc với mặt đường, khi đó người lái sẽ cảm nhận được các rung động từ bánh xe lên vô lăng. Hình 2.20: Hệ thống lái thủy lực trợ lực dầu 2.2 Một số hệ thống lái phổ biến:
2.2.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử -Electrically Powered Hydraulic Steering(EHPS) Hệ thống lái trợ lực – thủy lực còn được gọi là “hệ thống trợ lực lai” sử dụng cơ cấu trợ lực tương tự như trợ lực dầu thông thường nhưng áp suất thủy lực được cung cấp từ một motor điện. Hai bộ phận là cơ cấu lái và dẫn động lái vẫn như hệ thống lái thuần cơ khí. Hình 2.21: Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử. 2.2 Một số hệ thống lái phổ biến:
2.2.4 Hệ thống lái điện (Không trục lái - Steer by wire): Với các hệ thống lái đã trình bày ở trên, khi quay vòng ở các tốc độ khác nhau người lái chỉ kiểm soát được một số trạng thái động lực học của xe. Ô tô có thể được kiểm soát hoàn toàn khi quay vòng với hệ thống lái không trục lái (Steer by wire). Đây là hệ thống lái có khả năng tạo ra lực hỗ trợ lái xe quay vành lái với 100% năng lượng. Phía dưới vành lái của hệ thống lái Steer by wire được bố trí một cảm biến vị trí góc quay, khi người lái tác động vào vành lái, tín hiệu được cảm biến thu nhận và truyền qua hộp điều khiển, hộp điều khiển phân tích và xuất tín hiệu điều khiển động cơ gắn trên cơ cấu lái để điều khiển cơ cấu lái đúng như tín hiệu mà người điều khiển mong muốn. Ngoài khả năng hỗ trợ lực lái, hệ thống lái này còn có khả năng hạn chế phản hồi từ mặt đường khi xe di chuyển vào mặt đường xấu, gập ghềnh thì các rung động từ mặt đường tác dụng lên vô lăng sẽ được loại bỏ, giúp người lái điều khiển xe dễ dàng, tránh tình trạng mỏi tay. Hình 2.22: Hệ thống lái điện Steer by wire 2.3 Hệ thống trợ lực lái điện-Electric Power Steering(EPS) và nguyên lí hoạt động:
2.3.1 Hệ thống trợ lực lái điện EPS 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 mô tơ điện tới hệ thống lái. Thiết bị này bao gồm có các chi tiết chính như cảm biến momen xoắn, ECU trợ lực lái( EPS ECU) và một mô tơ. Ngoài ra còn có các bộ phận khác như ECU động cơ, cụm đồng hồ bảng tap lô, giắc chẩn đoán, cơ cấu giảm tốc. 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 môtơ trợ lực. Hình 2.23: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện EPS. 2.3 Hệ thống trợ lực lái điện-Electric Power Steering(EPS) và nguyên lí hoạt động:
a) Mô tơ điện: - 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. Mô tơ chấp hành của trợ lực lái điện có nhiệm vụ tạo ra lực trợ lực tùy vào tín hiệu EPS 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. - Mô 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, mô tơ điện có các đặc điểm: - Nhỏ, nhẹ, và có kết cấu đơn giản. - Lực, mô men xoắn biến thiên nhỏ thông qua điều khiển. - Dao động và tiếng ồn nhỏ. - Lực quán tính và ma sát nhỏ. - Độ an toàn và độ bền cao. Hình 2.24: Các kiểu bố trí motor trợ lực 2.3 Hệ thống trợ lực lái điện-Electric Power Steering(EPS) và nguyên lí hoạt động:
b) ECU trợ lực lái Hộp điều khiển EPS (bên trong gồm các mạch điều khiển môtơ mà hoạt động theo chương trình nạp sẵn) lắp trên hộp cơ cấu lái. Hộp điều khiển này nhận các tín hiệu điện áp từ cảm biến lái, cảm biến tốc độ xe. Khi các tín hiệu này được nhận vào, bộ điều khiển sẽ tính toán ra giá trị cần trợ lực và chiều quay lái thích hợp. Bộ điều khiển sẽ phát một dòng điện dẫn động môtơ điện trong hộp cơ cấu lái kéo thanh răng di chuyển sang phải hay sang trái với cường độ trợ lực thích hợp. Hình 2.25: ECU 2.3 Hệ thống trợ lực lái điện-Electric Power Steering(EPS) và nguyên lí hoạt động:
Yêu cầu đối với ECU gồm có: Đảm bảo tính tiện nghi khi lái (chức năng điều khiển dòng điện mô tơ). Các chức năng này gồm có: - Điều khiển được dòng 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 để đảm bảo lực lái thích hợp trong toàn dải tốc độ xe. - 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. - 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 vòng bằng cách bù dòng điện mô tơ . - 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 vòng (ví dụ, trong khi chuyển làn đường) bằng cách bù dòng điện cấp cho mô tơ làm cho vành lái có thể dễ dàng trở về vị trí thẳng . - Tối đa dòng điện cấp cho mô tơ: Giới hạn dòng điện của mô tơ tối đa đến mức tối ưu để bảo vệ ECU và mô tơ không bị hư hỏng do quá tải. - Để đảm bảo độ tin cậy trong ECU sẽ có mạch tự chuẩn đoán 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. Ngoài ra, nó còn 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). 2.3 Hệ thống trợ lực lái điện-Electric Power Steering(EPS) và nguyên lí hoạt động:
c) Cảm biến momen: Phát hiện sự xoay của thanh xoắn. Tính toán mo men tác dụng lên thanh xoắn nhờ vào sự thay đổi điện áp đặt trên đó. Đưa tín hiệu điện áp đó về EPS ECU. Hình 2.26: Cảm biến momen xoắn. 2.3 Hệ thống trợ lực lái điện-Electric Power Steering(EPS) và nguyên lí hoạt động:
d) ECU động cơ Đưa tín hiệu tốc độ động cơ đến EPS ECU. Hình 2. 27: ECU động cơ. e) Cụm đồng hồ bảng tap lô Đưa tín hiệu tốc độ xe đến EPS ECU. Hình 2.28: Cụm đồng hồ bảng tap lo 2.3 Hệ thống trợ lực lái điện-Electric Power Steering(EPS) và nguyên lí hoạt động:
f) Giắc chẩn đoán OBD Dùng để chẩn đoán lỗi trên hệ thống lái EPS Hình 2.29: Giắc OBD.. g) Cơ cấu giảm tốc Cơ cấu giảm tốc có nhiệm vụ tăng lực đánh lái, giảm vận tốc truyền động của mô tơ điện một chiều và truyền chuyển động đến cơ cấu lái. Hình 2.30: Cơ cấu giảm tốc. 2.3 Hệ thống trợ lực lái điện-Electric Power Steering(EPS) và nguyên lí hoạt động:
2.3.2 Nguyên lý hoạt động: Trợ lực lái sẽ bắt đầu làm việc khi người lái tác dụng lực để quay vô lăng. 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 toán đến ECU. Cảm biến góc quay của vô lăng sẽ thông báo góc quay vành lái và tốc độ đánh tay lái hiện thời. Phụ thuộc vào lực lái, tốc độ chuyển động, tốc độ động cơ, góc quay vô lăng, tốc độ đánh tay lái và bản đồ được lưu giữ trong ECU, EPS ECU sẽ tính toán lực trợ lực cần thiết và gửi đến động cơ điện. Motor trợ lực lái sẽ tác động lên cơ cấu lái một lực trợ lực song song với lực đặt lên vành lái. Tổng của lực đặt lên vành lái và lực trợ lực sẽ tác động lên cơ cấu lái để quay vòng xe. 2.3 Hệ thống trợ lực lái điện-Electric Power Steering(EPS) và nguyên lí hoạt động:
2.3.3 Chế độ dự phòng của EPS Khi phát hiện sự cố xe sẽ chuyển sang chế độ dự phòng: Sự cố Chế độ hoạt động Hỏng cảm biến momen xoắn Moto bị quá dòng Moto bị ngắn mạch Hư hỏng trong ECU trợ lực lái Không trợ lực Moto bị quá nhiệt Nhiệt độ cao trong ECU trợ lực lái Hư hỏng của cảm biến nhiệt độ trong ECU trợ lực lái Sự cố tín hiệu vận tốc xe và tốc độ động cơ Hạn chế lực trợ lực Sự cố nguồn điện Tạm dừng trợ lực