Lời mở đầu
Sau hơn 100 năm kể từ ngày đầu xuất hiện, nghành công nghiệp ô-tô đã
đạt được nhiều thành tựu về khoa học công nghệ, phát triển thành một trong
những nghành công nghiệp quan trọng hàng đầu trên thế giới. So với những
chiếc ô-tô thế hệ cũ, ô-tô ngày nay có công suất và tốc độ ngày càng tăng, tiết
kiệm nhiên liệu hơn, sạch hơn, thân thiện với người dùng hơn, và đặc biệt là
mức độ đảm bảo an toàn khi vận hành cao hơn. Để có được điều đó, các kỹ sư
ô-tô đã ứng dụng nhiều thành tựu trong nghiên cứu khoa học vật liệu, công
nghệ điện tử, điều khiển tự động trong quá trình thiết kế và chế tạo. Trong số
các thành tựu đó, hệ thống lái trợ lực điện được ứng dụng công nghệ điều
khiển tự động và được lắp đặt trên xe là một hệ thống đảm bảo về an toàn
chuyển động.
Một trong những yêu cầu trong việc thiết kế hệ thống lái trợ lực điện là
xác định thuật toán điều khiển tối ưu, đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề lý
thuyết cũng như được thử nghiệm trên xe thực tế hoặc trên mô hình vật lý.
Trên cơ sở đó đề tài “XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ
THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN” được đưa ra với mục đích thiết kế chế tạo
một băng thử hệ thống lái trợ lực điện, nhằm phục vụ cho quá trình xây dựng
đặc tính điều khiển tối ưu cho bộ điều khiển, đồng thời sử dụng phục vụ cho
việc giảng dạy về hệ thống lái trợ lực điện.
Hà Nội, tháng 6 năm 2012.
Sinh viên : Ngô Xuân Trường
1
MỤC LỤC
2
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI
1.1.Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống lái
Hệ thống lái được sử dụng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ
cho ô tô chuyển động theo một hướng nhất định bằng cách quay các bánh xe
dẫn hướng thông qua việc tác động lên vành lái của người điều khiển.
1- Vô lăng
2- Trục lái
3- Cơ cấu lái
4- Đòn quay đứng
5- Đòn kéo dọc
6- Hình thang lái
7- Đòn quay ngang
8- Cam quay
9- Bánh xe dẫn hướng
- 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
4
1.3.Các hệ thống lái có trợ lực
Để giảm cường độ hoạt động của người lái thì hệ thống lái cần có trợ
lực. Hình 1-2 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống lái có trợ lực.
Hình 1-2 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái có trợ lực
Hệ thống lái trợ lực trên xe du lịch có các kiểu sau: trợ lực thuỷ lực,trợ
lực thủy lực điều khiển điện, trợ lực điện.
a. Trợ lực thủy lực
• Cấu tạo : bao gồm ba bộ phận chính sau :
- Bơm trợ lực thường dùng là loại bơm cánh gạt có tác
dụng tạo ra dầu có áp suất đưa đến các xi lanh lực.
- Van điều khiển phân phối và điều khiển áp suất dầu trợ
lực cần thiết. Có ba loại van điều khiển đó là : kiểu van cánh, kiểu van
ống, và kiểu van quay.
- Ưu điểm :
+ Giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống
lái không có trợ lực nhờ có thêm lực tác động từ xi-lanh lực
+ Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống
đảm bảo được an toàn về hướng trong quá trình chuyển động
+ Kết cấu đơn giản hơn so với các hệ thống trợ lực khác
như trợ lực khí nén và trợ lực điện
+ Có độ bền cao và có khả năng chịu va đập nhẹ.
- Nhược điểm:
+ Áp suất dầu được tạo ra từ bơm dầu và được lai dẫn từ
trục khuỷu của động cơ vì vậy bơm dầu luôn luôn hoạt động trong suốt
quá trình chạy dẫn đến tổn hao công suất.
7
+ Hệ thống tủy lực có áp suất, vì vậy cần thiết độ kín khít
cao nên thường xuyên phải kiểm tra bảo dưỡng hệ thống trong quá
trình làm việc
+ Tuy kết cấu đơn giản nhưng hệ thống có khối lượng lớn
và cồng kềnh dẫn đến làm tăng tổng trọng lượng của xe
+ Hệ thống làm việc gây ra tiếng ốn do phải quay bơm dầu
liên tục và các đường ống,van dầu là chất thải gây ô nhiễm môi trường
• Hạn chế của hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thủy lực mới đáp ứng được công dụng trợ lực cho người
lái giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng,ngoài ra còn nó còn có một số hạn
chế sau:
+ Hệ thống làm việc theo hai thông số là mô men và góc
đánh lái,vì vậy hệ thống chỉ đáp ứng được về mặt trợ lực mà chưa thay
đổi được tỉ số truyền theo tốc độ xe.
+ Đối với tỉ số truyền trên xe cần đảm bảo yêu cầu đó là ở
tốc độ thấp có tỉ số truyền nhỏ để người lái quay vòng hiệu quả và ở tốc
độ cao yêu cầu tỉ số truyền lớn vì lúc này mức phản ứng của xe rất
- Khi quay vòng trái:
Ở tốc độ xe cao, dầu áp lực đi từ bơm dầu, đến van xoay và sau đó đi
vào van điều khiển ở cửa B và đi ra ở cửa A. Lúc này,nhờ lực đẩy của lò xo
mà thanh đẩy được hồi vị đóng kín khe hở pistong, làm cho dầu áp lực quay
trở lại van xoay và đi về bình chứa dầu. Do đó bơm không trợ lực cho người
lái
10
Khi tốc độ xe giảm, khe hở piston mở dần nhờ dòng điện cấp từ hộp điều
khiển,dầu áp suất đi qua van xoay vào cửa B và đến bên trái xi lanh,làm giảm
lực lái.
- Khi quay vòng phải:
Ở tốc độ cao, dầu đi qua van xoay và đi vào van điều khiển ở cửa A và
đi ra ở cửa B. Nhờ lò xo hồi vị thanh đẩy được hồi vị và khe hở đóng kín,làm
cho dầu trở về bình chứa dầu. Xi lanh lực không được trợ lực
Khi tốc độ xe giảm, khe hở piston được mở dần do dòng điện từ hộp điều
khiển,dầu có áp suất đi qua van xoay vào cửa B và đi đến xi lanh lực.
• Ưu nhược điểm
- Ưu điểm: do được cải tiến từ hệ thống trợ lực thủy lực
nên nó bao gồm những ưu điểm của hệ thống trợ lực thủy lực thông
thường, ngoài ra đối với hệ thống trợ lực điều khiển điện này còn có
thêm một van điện từ được điều khiển dựa vào thông số tốc độ ô tô và
một bộ phản ứng, tạo cảm giác lái phù hợp cho người lái ở các tốc độ
khác nhau. Yêu cầu đối với một hệ thống lái trên xe là ở tốc độ cao, mô
men cản nhỏ nên yêu cầu trợ lực ít và lực đánh lái phải lớn hơn khi ở
tốc độ thấp.
- Nhược điểm: tuy đã có nhiều cải tiến nhưng bản chất vẫn
là trợ lực thủy lực nên hệ thống vẫn gây tổn hao công suất do phải lai
dẫn bơm trợ lực, yêu cầu về đọ kín khít cao, khối lượng lớn và chiếm
diện tích bố trí lớn.
11
tương đối giữa hai đầu thanh xoắn sau đó truyền tín hiệu về ECU, kết
hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU tính toán ra
dòng điện điều khiển và chiều quay của mô tơ trợ lực cho phù hợp.
- Trạng thái đi thẳng : trục lái không được tác động do đó
không có hiện tượng xoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến
13
mô men không thay đổi điện áp, vì thế ECU không điều khiển mô tơ
trợ lực và trạng thái đi thẳng được giữ nguyên.
• Ưu nhược điểm
- Ưu điểm : Hệ thống trợ lực điện và điều khiển điện tử có
nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống trợ lực thủy lực:
+ Giảm tổn hao nhiên liệu 2-3% do không phải lai dẫn bơm
trợ lực giống như hệ thống trợ lực thủy lực
+ Không xảy ra hiện tượng rò rỉ dầu
+ Trọng lượng giảm so với hệ thống trợ lực thủy lực
+ Dễ dàng điều khiển
+ Việc lắp đặt hệ thống đơn giản và thuận tiện
+ Giảm thiểu chi tiết trong toàn bộ hệ thống
- Nhược điểm:
+ Kết cấu và chế tạo phức tạp
+ Chịu va đập kém
+ Giá thành cao
1.4.Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi
Các xe ô tô hiện đại ngày nay có vận tốc ngày càng lớn và đòi hỏi độ an
toàn cao cũng như tính tiện nghi khi sử dụng. Vì vậy khi thiết kế một hệ thống
dẫn hướng phải đảm bảo được các yêu cầu nghiêm ngặt trên, ngoài ra hệ
thống phải có tính thân thiện với môi trường. Giải quyết vấn đề về độ an toàn
khi quay vòng ở tốc độ cao và tính tiện nghi khi sử dụng ta xét đến tỉ số
truyền của hệ thống bao gồm tỉ số truyền động học và tỉ số truyền về lực
14
rất lớn và đặc biệt là khi xe chạy trên những đoạn đường quanh co gấp khúc.
Ở những trường hợp này, để kịp đánh tay lái, người lái thường phải giảm khá
nhiều tốc độ của xe.
Chỉ tiêu cao của tính năng quay vòng chỉ nhận được ứng với giá trị nhỏ
của tỷ số truyền cơ cấu lái, nhưng với giá trị nhỏ của tỷ số truyền lại làm giảm
khả năng dẫn hướng của xe khi chuyển động thẳng.
Cả hai yêu cầu hoàn toàn trái ngược nhau này chỉ có thể thỏa mãn được
khi sử dụng cơ cấu lái có tỷ số truyền thay đổi. Tuy nhiên việc chế tạo đòi hỏi
tính công nghệ cao nên giá thành đắt hơn so với cơ cấu lái có tỉ số truyền i
ω
không đổi. Về yêu cầu này thì hệ thống lái trợ lực điện có khả năng đáp ứng
tốt mà chỉ cần tới cơ cấu lái có tỉ số truyền i
ω
không đổi.
15
b. Tỷ số truyền lực.
r
F
v tl
M
i
M M
=
+
Trong đó:
i
F
- Tỷ số truyền lực.
M
3495-1595-1480
Chiều dài cơ sở(mm)
2370
Chiều rộng cơ sở trước/sau (mm)
1400/1385
Hộp số sàn
5 số
Cỡ lốp
165/60/R14
Bán kính quay vòng tối thiểu (m)
4,6
Trọng lượng không tải (N)
8500
Trọng lượng toàn tải (N)
13500
Trọng lượng cầu trước G
1
(N)
7400
Trọng lượng cầu sau G
2
(N)
6100
Vận tốc cực đại(km/h)
160
2.1.Kết cấu và nguyên lý hoạt động hệ thống lái điện
• Cấu tạo
Hình 2-1 là hình vẽ kết cấu của cụm trợ lực điện bao gồm các bộ phận
chính sau:
- Trục 1: Là trục bắt vào vành lái có nhiệm vụ truyền lực đánh lái của
không thay đổi vì vậy ở trạng thái này cảm biến mô men xác định
không có mô men tác động và gửi tín hiệu về ECU, ECU điều khiển
mô tơ không trợ lực vào trục 2.
- Trạng thái quay vòng: Khi người điều khiển đánh lái sang trái hoặc
sang phải , cảm biến mô men xác định chiều quay và mô men trên trục
lái, ECU điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp theo chiều quay của vành
lái.
- Nguyên lý chép hình : Khi quay vành lái, tính hiệu đưa ra của cảm biến
theo mô men đánh lái là ở dạng tuyến tính, sau đó ECU tính toán để
điều khiển mô tơ trợ lực cho phù hợp, khi ta giữ nguyên vành lái tại vị
trí nhất định và không quay thêm nữa, cảm biến mô men xác dịnh được
trạng thái này, vì vậy ECU điều khiển cho mô tơ điện dừng tại thời
điểm đó. Khi ta tiếp tục đánh lái, tín hiệu từ cảm biến mô men giúp
ECU xác định được mô men cần trợ lực , từ đó tính toán điều khiển mô
19
tơ trợ lực cho phù hợp với lực đánh lái và vận tốc xe. Mô men cản
càng lớn thì mô tơ trợ lực cho hệ thống càng nhiều.
2.2.Tính toán kiểm tra động học hệ thống lái
2.2.1. Xây dựng đường cong lý thuyết
Để đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng cần thỏa
mãn
B
Cotg Cotg
L
α − β =
(2.1)
Trong đó:
α : Góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài.
β : Góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên trong.
B : Chiều rộng cơ sở.
4600
2
o
arctg
β
= =
−
Từ 2.1 qua các phép biến đổi ta có :
β+
=α
gcotLB
L
arctg
(2.3)
Thay số vào 2.3 ta có phương trình :
2370
1400 2370cot
arctg
g
α
β
=
+
(2.4)
21
2.2.2.Xây dựng đường cong thực tế
a. Khi xe đi thẳng
Từ sơ đồ dẫn động lái trên hình 2-3 ta có thể tính được mối quan hệ
giữa các thông số theo các biểu thức sau:
2
2
2( cos sin )X B m p y m
θ θ
= − + − −
( 2.8)
Các đòn bên tạo với phương dọc một góc θ.
22
Hình 2-3 : Sơ đồ hình thang lái khi xe đi thẳng.
Khi ôtô quay vòng với các bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệ
giữa α và β vẫn được giữ nguyên như công thức trên thì hình thang lái Đan -
Tô không thể thoả mãn hoàn toàn được.
Tuy nhiên ta có thể chọn một kết cấu hình thang lái cho sai lệch với
quan hệ lý thuyết trong giới hạn cho phép tức là độ sai lệch giữa góc quay
vòng thực tế và lý thuyết cho phép lớn nhất ở những góc quay lớn, nhưng
cũng không được vượt quá 1
0
.
b. Trường hợp khi xe quay vòng
Trên hình 2-4 là Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vòng. Khi bánh xe
bên trái quay đi một góc α và bên phải quay đi một góc β, lúc này đòn bên
của bánh xe bên phải hợp với phương ngang một góc (θ-β) và bánh xe bên
trái là (θ +α). Ta có mối quan hệ của các thống số theo quan hệ sau:
β
X
ψ
D
A
C
B
22222
yADCDADAC
+=+=
( 2.11 )
2 2 2
2 . cosBC AC AB AB AC
ψ
= + −
Thay(2.11) vào biểu thức trên ta có:
2 2 2 2 2 2 2
2 2
cos
2 .
2
AC AB BC y m AD p
AC AB
m AD y
ψ
+ − + + −
= =
+
⇒
2 2 2 2
2 2
arccos
2
y m p AD
m AD y
arccos
2
y y m p AD
arctg
AD
m AD y
α θ
+ − +
= + −
+
(2.15 )
Trong đó:
24
( )
( ) ( )
( )
2
2
2
2
2 cos sin
cos sin
AD m p y m
m p y m
θ θ
θ β θ β
= + − −
15 13.02 13.20 0.26
20 16.67 17.20 0.45
25 20.08 21.02 0.82
30 23.29 24.12 0.72
35 26.35 26.75 0.55
40 29.29 28.76 0.26
Hình 2-5: Bảng giá trị góc quay tương ứng α theo β
Trong đó :
α
lt
: Góc α tính theo lý thuyết
α
tt
: Góc α tính theo thực tế
∆α : Độ sai lệch
Dựa vào các thông số ở bảng trên ta vẽ được đồ thị đặc tính động học
hình thang lái lý thuyết và thực tế trên cùng hệ trục tọa độ
25
Copyright: Tài liệu đại học ©