DATN_NGUYENNGOCKHUE

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN TRÊN XE TOYOTA VIOS 2018 Giảng viên hướng dẫn P[.]

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ

THỐNG LÁI ĐIỆN TRÊN XE TOYOTA VIOS 2018

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS DƯƠNG NGỌC KHÁNH

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC KHUÊ

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Đề tài: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

LÁI ĐIỆN TRÊN XE TOYOTA VIOS 2018 Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC KHUÊ

Lớp: 68DCCO21

a Về ý thức, thái độ thực hiện đồ án của sinh viên:

b) Những kết quả đạt được của đồ án:

c) Những hạn chế của đồ án:

d) Đề nghị:

Được bảo vệ  Không được bảo vệ 

Hà Nội, Ngày … Tháng Năm 2022 Giảng viên hướng dẫn

PGS.TS DƯƠNG NGỌC KHÁNH

LỜI NÓI ĐẦU

Trên nền tảng của đất nước đang trên đà phát triển lớn mạnh về kinh tế đó là sự thay dađổi thịt của quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước và sự hội nhập của cácnghành công nghiệp, kỹ thuật Ôtô ở nước ta ngày càng được chú trọng và phát triển Thểhiện bởi các liên doanh lắp ráp Ôtô giữa nước ta với nước ngoài ngày càng phát triển rộnglớn trên hầu hết các tỉnh của cả nước như: FORD, TOYOTA, NISSAN, DAEWOO, KIA,

…

Một trong những hệ thống đặc biệt quan trọng của Ôtô là hệ thống lái Hệ thống này cóchức năng điều khiển hướng chuyển động của Ôtô, nó đảm bảo tính năng ổn định chuyểnđộng thẳng cũng như quay vòng của bánh xe dẫn hướng Trong quá trình chuyển động hệthống lái có ảnh hưởng rất lớn đến an toàn chuyển động và quỹ đạo chuyển động của Ôtô,đặc biệt đối với xe có tốc độ cao Do đó người ta không ngừng cải tiên hệ thống lái đểnâng cao tính năng của nó

Đáp ứng nhu cầu đó và sự hiểu biết về các ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại Em đãđược giao nhiệm vụ “TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNGLÁI ĐIỆN TRÊN XE TOYOTA VIOS 2018” Với hệ thống lái có trợ lực cải tiến quátrình điều khiển làm tăng tính năng an toàn chuyển động và giúp cho người lái giảm mệtmỏi

Tuy nhiên, với một đề tài khá rộng đề cập đến nhiều vấn đề đòi hỏi phải có thời giandài nghiên cứu và thực nghiệm Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng với khả năng và thờigian hạn chế nên bản đồ án của em còn nhiều khiếm khuyết Em mong các thầy và cácbạn góp ý để bản đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy giáo hướng dẫn: Thầy DƯƠNG NGỌC KHÁNH đã tận tình chỉ bảo để em có thể hoàn thành được bản đồ án này Em xin chân

thành cảm ơn các Thầy, cô trong bộ môn Ôtô - Khoa Cơ Khí Trường Đại Học Công NghệGiao Thông Vận Tải cùng các bạn đã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoànthành đồ án

Sinh viên

NGUYỄN NGỌC KHUÊ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Công dụng, phân loại và yêu cầu

1.1.1 Công dụng

Hệ thống lái giữ vai trò điều khiển hướng chuyển động của ô tô (thay đổi hay duytrì) theo tác động của người lái Hệ thống lái tham gia cùng các hệ thống điều khiển khácthực hiện điều khiển ô tô và đóng góp vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giaothông khi ô tô chuyển động Hệ thống lái bao gồm các cụm và chi tiết từ cơ cấu điềukhiển (vành lái) tới các cơ cấu điều khiển hướng chuyển động toàn xe

1.1.2 Phân loại

• Phân loại theo phương pháp chuyển hướng

- Chuyển hướng hai bánh xe ở cầu trước (2WS)

- Chuyển hướng tất cả các bánh xe (4WS)

• Phân loại hệ thống lái theo đặc tính truyền lực

- Hệ thống lái cơ khí

- Hệ thống lái có trợ lực bằng thuỷ lực, bằng khí nén, kết hợp…

• Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái

- Cơ cấu lái kiểu trục vít globoit – con lăn

- Cơ cấu lái kiểu trục vít – răng rẻ quạt và trục vít – êcu bi

- Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng

• Phân loại theo cách bố trí vành lái

- Bố trí vành lái bên trái (theo luật đi đường bên phải)

- Bố trí vành lái bên phải (theo luật đi đường bên trái)

1.1.3 Yêu cầu

Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động củaôtô là hệ thống lái Theo đó hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối với người lái

- Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô có nghĩa là khả năng quay vòng nhanh vàngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé

- Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lết khiquay vòng

động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hướng.

- Tránh va đập truyền ngược từ bánh xe lên vành lái

- Cơ cấu lái phải được đặt ở phần được treo để kết cấu hệ thống treo trước khôngảnh hưởng đến động học cơ cấu lái

- Giữ chuyển động thẳng ổn định

- Hệ thống lái phải bố trí thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa

1.2 Kết cấu hệ thống lái

Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu hệ thống lái đơn giản

1 Vành lái; 2 Trục lái; 3 Cơ cấu lái; 4 Khung xe; 5 Đòn dẫn động

Trong đó: Mvl : Là mô men vành lái

Pl : Là lực mà người lái tạo ra trên vành lái

rvl : Là bán kính vành lái

Vành lái của bất kỳ loại ôtô nào cũng có độ dơ nhất định, với xe con không được

vượt quá 8

0

1.2.2 Trục lái

Trục lái có nhiệm truyền mô men lái xuống cơ cấu lái Trục lái gồm có trục lái chính

có thể chuyển động truyền chuyển động quay của vô lăng xuống cơ cấu lái và ống truc lái

để cố định trục lái vào thân xe Trục lái kết hợp với một cơ cấu hấp thụ va đập Cơ cấunày hấp thụ lực dọc trục tác dụng lên người lái khi có va đập mạnh hoặc khi tai nạn xảy

để có thể điều chỉnh được chiều dài của trục lái và đạt được vị trí ngồi lái tốt nhất chongười lái

1.2.3 Cơ cấu lái

Cơ cấu lái là bộ phận cơ bản trong hệ thống lái, nó có nhiệm vụ biến chuyển độngquay vòng của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng và đảm bảo tỉ số truyềntheo yêu cầu

Về bản chất, cơ cấu lái là hộp giảm tốc và có nhiệm vụ tăng mômen truyền từ vôlăng tới các bánh xe dẫn hướng Các thông số đặc trưng cho cơ cấu lái gồm tỷ số truyền,hiệu suất thuận, hiệu suất nghịch

1.3 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

1.3.1 Thông số loại xe nghiên cứu

Thông số cơ bản của xe Toyota Vios 2018

KÍCH THƯỚC – TRỌNG LƯỢNG

Kích thước tổng

Chiều dài cơ sở mm 2550

121/4400

Halogen, phản xạ đa chiều

Màu đen

gian

Gián đoạn

CD, 1 đĩa,

04 loa, bluetooth

CD, 1 đĩa, 02 loa, bluetoothCửa sổ điều chỉnh

Màn hình đa

Không

AN TOÀN

Hệ thống phanh Trước/sau

Đĩa thông gió/đĩa đặc

Đĩa thônggió/Tangtrống

Bảng 1.1 Các thông số cơ bản trên xe TOYTA VIOS 2018

1.3.2 Lựa chọn phương án thiết kế

1.3.2.1 Hệ thống lái trợ lực điện điều khiển điện

1.3.2.1.1 Đặc điểm của hệ thống lái trợ lực điện:

Các bộ phận của phần trợ lực điện gồm các bộ phận sau: cảm biến mô men, mô tơđiên 1 chiều, ECU, cảm biến tốc độ ô tô và các dây điện

+ Cảm biến mô men có nhiệm vụ xác định mô men trên trục lái do người lái tác dụngthông qua vành lá, từ đó gửi tín hiệu nàyđến ECU

+ Cảm biến mụ men cú nhiệm vụ xác định mô men trên trục lái do người lái tác dụngthông qua vành lá, từ đó gửi tín hiệu này đến ECU

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện

+ Motor điện 1 chiều:

Hình 1.3 Motor và bộ truyền trục vít – bánh ví

Trên hình 1.3 ta có motor điện được dẫn động từ ECU Motor truyền mô men quakhớp nối sang trục vít sang bánh vít bắt trên trục lái

+ ECU là bộ phận điều khiển ECU nhận tín hiệu từ cảm biến mô men và cảm biến tốc độ

xe từ đó tính toán mô men cần trơ lực từ đó điều khiển motor điện

+ Cảm biến tốc độ xe có nhiệm vụ đưa tín hiệu tốc độ của ô tô tới ECU

1.3.2.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống trợ lực lái bằng điện

Cảm biến vận tốc xe

Hình 1.4 Sơ đồ tín hiệu vào ra.

Theo hình 1.2 và hình 1.4 ta thấy nguyên lý làm việc dựa trên nguyên tắc là ECUtiếp nhận 2 tín hiệu chính: tín hiệu đưa vào từ cảm biến mô men của trục lái và tín hiệucủa cảm biến tốc độ bánh sau của xe từ đó ECU tính toán dẫn động motor điện trợ lưc mômen thích hợp với lực đánh lái Lực đánh lái càng nhiều thì motor điện càng phải trợ lựcnhiều hơn, nhưng mô men trợ lực của motor sẽ được điều khiển giảm dần khi vận tốc xetăng dần

+ Trạng thái quay vòng: khi người điều khiển quay vành lái tác động lên cảm biến mômen, cảm biến mô men truyền tín hiệu cảm biến được tới ECU kết hợp với tín hiệu từcảm biến tốc độ của xe mà ECU tính toán dẫn động mô tơ điện trợ lực mô men thích hợp

và nhờ cảm biến mô men mà ECU xác định được chiều quay của trục lái từ đó điều khiểnchiều quay của motor điện cho thích hợp

+ Trạng thái đi thẳng: trục lái không quay nên cảm biến mô men không phát hiện có mômen trên trục lái tín hiệu đưa vào ECU của cảm biến mô men là không có nên ECU chưađiều khiển mô tơ điện trợ lực vì thế mà trạng thái đi thẳng được giữ nguyên mà không có

sự trợ lực

1.3.2.2 Phương án lựa chọn thiết kế

Qua phân tích đặc điểm các hệ thống lái trợ lực, với những ưu điểm của hệ thốnglái trợ lực điện đã trình bày ở trên, em chọn phương án lựa chọn thiết kế là: hệ thống láitrợ lực điện EPS Vậy ta cần phải lựa chọn và thiết kế các cụm chính sau: Lựa chọn thiết

kế cơ cấu lái, lựa chọn dẫn động lái, lựa chọn thiết kế trợ lực lái

1.3.2.2.1 Phương án lựa chọn thiết kế cơ cấu lái

+ Phương án 1 : Cơ cấu lái trục vít con lăn

Hình 1.5 Cơ cấu lái trục vít – con lăn

1 -Trục vít; 2 -Con lăn.

Ưu điểm:

- Nhờ trục vít có dạng glô-bô-it cho nên tuy chiều dài trục vít không lớn nhưng sự tiếpxúc các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, nghĩa là giảm được áp suấtriêng và tăng độ chống mài mòn

- Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc được phân tán tùy theo cỡ ôtô mà làm con lăn cóhai đến bốn vòng ren

- Mất mát do ma sát ít hơn nhờ thay được ma sát trượt bằng ma sát lăn

- Có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa các bánh răng Đường trục của con lăn nằmlệch với đường trục của trục vít một đoạn ∆ = 5 ÷ 7mm, điều này cho phép triệt tiêu sự ănmòn khi ăn khớp bằng cách điều chỉnh trong quá trình sử dụng Tỷ số truyền cơ cấu láitrục vít con lăn xác định tại vị trí trung gian xác định theo công thức:

t - bước của trục vít.

z1 - số đường ren của truc vít

Tỷ số truyền của cơ cấu lái ic sẽ tăng lên từ vị trí giữa đến vị trí rìa khoảng 5 ÷ 7% nhưng

sự tăng này không đáng kể coi như tỷ số truyền của loại trục vít con lăn là không thayđổi Hiệu suất thuận ηth = 0.65, hiệu suất nghịch, ηng = 0.5

+ Phương án 2: Cơ cấu lái trục vít chốt quay

Cơ cấu lái loại này gồm hai loại:

- Cơ cấu lái trục vít và một chốt quay

- Cơ cấu lái trục vít và hai chốt qua

Hình 1.6 Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay

Ưu điểm:

Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay có thể thay đổi tỷ số truyền theo yêu cầu chotrước Tùy theo điều kiện cho trước khi chế tạo khi chế tạo trục vít ta có thể có loại cơcấu lái chốt quay với tỷ số truyền không đổi, tăng hoặc giảm khi quay vành lái ra khỏi vịtrí trung gian Khi gắn chặt chốt hay ngỗng vào đòn quay giữa ngỗng và trục vít hay đònquay và trục vít phát sinh ma sát trượt Để tăng hiệu suất của cơ cấu lái và giảm độ mòncủa trục vít và chốt quay thì chốt được đặt trong ổ bi

Nếu bước của trục vít không đổi thì tỷ số truyền được xác định theo công thức:

Ω - góc quay của đòn quay đứng.

Khi truc vít quay (phần chủ động), êcu bi chạy dọc trục vít, chuyển động này làm quayrăng rẻ quạt Trục của bánh răng rẻ quạt là trục đòn quay đứng Khi bánh răng rẻ quạtquay làm cho đòn quay đứng quay, qua các đòn dẫn động làm quay bánh xe dẫn hướng

10 9 8.

Hình 1.7 Cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn

1 Vỏ cơ cấu lái 6 Phớt 2.Bi dưới 7 Đai ốc điều chỉnh 3.Trục vít 8 Đai ốc hãm

4.Êcu bi 9 Bánh răng rẻ quạt

5.ổ bi trên 10 Bi

Cơ cấu lái kiểu trục vít-êcu bi –cung răng có những ưu điểm sau: Do lực cản nhỏ, do

ma sát giữa trục vít và trục rẻ quạt rất nhỏ (do có ma sát lăn)

+ Tỷ số truyền:

Ta có thể giảm nhẹ lực đánh lái khi xe chạy chậm hoặc đang đỗ bằng cách thay đổi tỷ

số truyền của cơ cấu lái Tuy nhiên khi tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái thì làm giảm độnhạy của cơ hệ thống lái Trên các xe có trợ lực lái ta dùng cơ cấu lái có tỷ số truyềnkhông thay đổi được

Đặc điểm của loại cơ cấu lái có tỷ số truyền không đổi là các bán kính ăn khớp của cácrăng rẻ quạt C1, C2, C3 là bằng nhau và các bán kính ăn khớp D1, D2, D3 của các răng đai

ốc bi cũng bằng nhau Do vậy tỷ số truyền của mỗi răng là không đổi ở bất kỳ góc quaynào của trục răng rẻ quạt và bằng tỷ số sau:

11 10

9

8

5 4 3

+Phương án 4: Kiểu bánh răng - thanh răng

Cơ cấu lái kiểu bánh răng -thanh răng gồm bánh răng ở phía dưới trục lái chính ăn khớpvới thanh răng, trục bánh răng được lắp trên các ổ bi Thanh răng có cấu tạo dạng răngnghiêng, phần cắt răng của thanh răng nằm ở phía giữa, phần thanh còn lại có tiết diệntròn Khi vô lăng quay, bánh răng quay làm thanh răng chuyển động tịnh tiến sang phảihoặc sang trái trên hai bạc trượt Sự dịch chuyển của thanh răng được truyền tới đòn bênqua các đầu thanh răng, sau đó làm quay bánh xe dẫn hướng quanh trụ xuay đứng

Hình 1.9 Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng 1.Trục lái 2.Chụp nhựa 3 Đai ốc điều chỉnh 4 Ổ bi trên 5 Vỏ cơ cấu lái 6 Dẫn hướng thăng răng 7 Đai ốc 8.Đai ốc điều chỉnh 9 Lò xo 10.Thanh răng 11 Trục răng 12 ổ

bi dưới.

truyền lớn, do đó làm việc êm và phù hợp với việc bố trí vành lái trên xe.

Cơ cấu lái kiểu bánh răng- thanh răng có các ưu điểm sau:

- Cơ cấu lái đơn giản gọn nhẹ Do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanh răng tác dụng nhưthanh dẫn động lái nên không cần các đòn kéo ngang như các cơ cấu lái khác

+ Có độ nhạy cao vì ăn khớp giữa các răng là trực tiếp Sức cản trượt, cản lăn nhỏ vàtruyền mô men rất tốt nên tay lái nhẹ

+ Cơ cấu lái được bao kín hoàn toàn nên ít phải chăm sóc bảo dưỡng

Lựa chọn phương án:

Với 4 phương án trên em lựa chọn phưong án 4 làm phương án thiết kế vì hệ thống đã

có trợ lực ta chỉ cần cơ cấu lái đơn giản không cần có tỉ số truyền phải lớn và thay đổi, vàlúc đó thanh răng được lấy luôn là 1 khâu của hình thang lái

1.3.2.2.2 Phương án lựa chọn dẫn động lái

Dẫn động lái gồm tất cả các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngỗng quay của tất cảcác bánh xe dẫn hướng khi quay vòng

Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái, nó được tạo bởi cầu trước, đòn kéongang và các đòn bên Sự quay vòng của ôtô là rất phức tạp, để đảm bảo đúng mối quan

hệ động học của các bánh xe phía trong và phía ngoài khi quay vòng là một điều khó thựchiện vì phải cần tới dẫn động lái 18 khâu Hiện nay người ta chỉ đáp ứng điều kiện gầnđúng của mối quan hệ động học đó bằng hệ thống khâu khớp và đòn kéo tạo lên hìnhthang lái

+ Dẫn động lái bốn khâu.

Hình thang lái bốn khâu đơn giản dễ chế tạo đảm bảo được động học và động lực họcquay vòng các bánh xe Nhưng cơ cấu này chỉ dùng trên xe có hệ thống treo phụ thuộc(lắp với dầm cầu dẫn hướng) Do đó chỉ được áp dụng cho các xe tải và những xe có hệthống treo phụ thuộc, còn trên xe du lịch ngày nay có hệ thống treo độc lập thì khôngdùng được

Hình 1.10 Dẫn động lái 4 khâu.

+ Dẫn động lái sáu khâu:

Dẫn động lái sáu khâu được lắp đặt hầu hết trên các xe du lịch có hệ thống treo độc lậplắp trên cầu dẫn hướng Ưu điểm của dẫn động lái sáu khâu là dễ lắp đặt cơ cấu lái, giảmđược không gian làm việc, bố trí cường hoá lái thuận tiện ngay trên dẫn động lái, Hiệnnay dẫn động lái sáu khâu được dùng rất thông dụng trên các loại xe du lịch như: Toyota,Nisan, Mercedes, KIA, …

Với đề tài “TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁIĐIỆN TRÊN XE TOYOTA VIOS 2018”, hệ thống treo độc lập do đó ta chọn dẫn độnglái sáu khâu Đặc điểm của dẫn động lái sáu khâu là có thêm thanh nối nên ngăn ngừađược ảnh hưởng sự dịch chuyển của bánh xe dẫn hướng này lên bánh xe dẫn hướng khác

Hình 1.11 Dẫn động lái sáu khâu

1.3.2.2.3 Phương án lựa chọn thiết kế trợ lực điện.

Theo vị trí của motor trợ lực ta có các phương án bố trí sau:

+ Phương án 1: Motor trợ lực cho bánh răng chủ động(pinion-type)

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý trợ lực kiểu pinion-type

- Nguyên lý hoạt động: ECU điều khiển motor trợ lực vào bánh răng chủ động của cơ cấulái, nên mô men của motor không cần phải lớn và tốn không gian bố trí bên dưới

+ Phương án 2: Motor trợ lực vào thanh răng(rack-type).

- Nguyên lý hoạt động: ECU điều khiển motor trợ lực vào thanh răng của hệ thống

- Mô men của motor cần phải lớn và tốn không gian bố trí bên dưới

`

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý trợ lực kiểu rack-type

+ Phương án 3: Motor trợ lực cho trục lái (column -type )

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý trợ lực kiểu column -type

- Nguyên lý hoạt động: ECU điều khiển motor trợ lực vào trục lái của hệ thống

- Motor trợ lực, cảm biến mô men, và ECU được gắn vào trục lái

- Với kiểu này motor và phần điều khiển ECU đặt trên trục lái nên không gian bên dướiphần cơ cấu lái và thanh răng gọn nên rễ ràng bố trí và cũng thuận tiện cho công việctháo lắp bảo dưỡng sửa chữa motor và phần điều khiển ECU

- Vì motor trợ lực đặt trước cơ cấu lái nên mô men lớn nhất của motor không cần phảilớn

+ Phương án 4: Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực - điện

- Nguyên lý hoạt động: lưu lượng dầu từ bơm đến van phân phối được điều chỉnh bằngvan điện từ: ECU tiếp nhận tớn hiệu từ cảm biến tốc độ xe từ đú điều khiển van điện từtăng giảm lưu lượng dầu phự hợp theo tốc độ của ô tô, vận tốc ô tô càng cao thì van điện

từ đúng bớt đường dầu lại và ngược lại

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực thuỷ lực - điện

Hình 1.16 Sơ đồ bố trí chung của hê thống lái trợ lực điện kiểu column-type.

Cơ cấu lái

Motor

Trục láiCảm biến

mô men

ECU

Vô Lăng

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN TRÊN XE TOYOTA VIOS 2018

2.1 Tính toán các thông số cơ bản

Thông số đầu vào cho tính toán kiểm tra động học hình thang lái, và tính bền hệ thống lái được cho trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Thông số đầu vào 2.2 Thiết kế, kiểm nghiệm các cụm, chi tiết chính

2.2.1 Đặc điểm kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống đã lựa chọn

Hình 2.1 Kết cấu cụm trợ lực điện

+ Motor điện 1 chiều, có nhiệm vụ tạo ra mô men trợ lực vào trục 2

+ Trục vít - bánh vít: bánh vít chế tạo liền với trục 2, trục vít nối với motor điện 1 chiềubằng khớp nối

+ ECU có nhiệm vụ nhận tín hiệu của cảm biến mô men và cảm biến tốc độ xe, từ đó tínhtoán dẫn động motor điện trợ lực vào trục 2

+ Các trạng thái làm việc

+ Lực cản quay vòng nhỏ (chưa có trợ lực): Với mô men cản ở mặt đường nhỏ hơn 44

N.m (hay lực tác động lên vành lái nhỏ hơn 20N) thì hệ thống làm việc như hệ thống cơ

khí đơn thuần không có trợ lực

+ Lực cản quay vòng lớn (có trợ lực): Khi mô men cản lớn hơn 44 N.m (hoặc lực tácdụng lên vành lái lớn hơn 20N), thì ECU nhận tín hiệu từ cảm biến mô men và cảm biếntốc độ xe, từ đó tính toán rồi điều khiển motor trợ lực phù hợp cho hệ thống bằng bộtruyền lực trục vít - bánh vít, cho đến khi lực tác dụng lên vành lái là cực đại là: 60 N thìmotor trợ lực cực đại cho hệ thống.

+ Khi lực cản quay vòng không đổi: Khi đó mô men tác dụng trên trục lái 1(xem hình1.13) là không đổi, cảm biến mô men xác định trạng thái này, cảm biến gửi tín hiệu đếnECU, ECU điều khiển điều khiển motor không trợ lực mô men không đổi vào trục 2 (xemhình 1.20)

- Trạng thái quay vòng: khi người lái quay vành lái sang, cảm biến mô men xác định đượcchiều quay và mô men tác dụng trên trục lái, ECU điều khiển motor trợ lực phù hợp theochiều quay của vành lái

- Nguyên lý chép hình: khi ta quay vành lái, dựa vào tín hiệu của cảm biến mô men màECU tính toán điều khiển motor trợ lực phù hợp, khi ta giữ nguyên vành lái không quaynữa, cảm biến mô men xác định được trang thái này, thì ECU điều khiển motor trợ lựcđến đó không quay nữa khi ta quay tiếp cảm biến mô men xác định được tín hiệu này,ECU điều khiển motor trợ lực tiếp tục trợ lực phù hợp lực tác dụng lên vành lái và vận tốccủa xe Khi ta quay vành lái càng mạnh thì motor trợ lực cho hệ thống càng nhiều

+Cảm biến mô men trục lái.

Hình 2.2 Cảm biến mô men

Hình 2.3 - Cấu tạo roto.

- Trên vỏ roto có gắn các nam châm vinh cửu ở vành trên và vành dưới

- Roto có nhiệm vụ tạo ra từ trường biến thiên khi ta quay trục lái

+ Mạch điện cảm ứng (xem hình 2.1)

Hình 2.4 Bộ phận cảm ứng và mạch điện.

Cấu tạo gồm các phần: Vỏ nhựa, các lớp bán dẫn, nam châm vĩnh cửu, mạch điện

+ Vỏ: Có nhiệm vụ giữ và bảo vệ các chi tiết bên trong, vỏ trên và vỏ dưới được ghép vớinhau bằng các nẫy

Nguyên lý hoạt động (xem hình 2.2)

Nam châm vĩnh cửu

Then hoaNam châm vĩnh cửu

Lớp bán dẫn

Nam châm vĩnh cửu Lớp bán dẫn

Vỏ nhựa

Khi tác dụng mô men lên trục lái, roto quay cùng trục lái(nhờ then hoa),lúc này từ thông

đi qua các lớp bán dẫn biến thiên, dẫn đến trong mạch bán dẫn xuất hiện suất điện độngcảm ứng hall, và giá trị suất điện động này thay đổi tỉ lệ với mô men tác dụng lên trục lái

Eh = kBi/δ

Đặc tính làm việc của cảm biến mô men trục lái (xem hình 2.5)

Hình 2.5 Tín hiệu ra của cảm biến

Trên hình 2.5 thể hiện hiệu điện thế đầu ra của cảm biến ở 2 trạng thái trục lái quay phải

và quay trái:

- Khi trục lái quay phải hiệu điện thế tăng từ 2,5 đến 4 vol

- Khi trục lái quay trái hiệu điện thế giám từ 2,5 đến 1 vol

+ Cảm biến có 2 tín hiệu ra: Chính và phụ, để đảm bảo tính an toàn tin cậy của hệ thống

2.2.2 Kiểm tra động học quay vòng của hình thang lái:

2.2.2.1 Xây dựng đường cong lý thuyết:

Trên hình 3.6 là sơ đồ nguyên lý quay vòng Từ lý thuyết quay vòng, để bánh xe lăn tinhkhi quay vòng thì hệ thống lái phải đảm bảo mối quan hệ dưới đây của các bánh xe dẫnhướng

cotgα - cotgβ = L

B

(2.1)trong đó: B – khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng, B =1400(mm)

α - góc quay bánh xe dẫn hướng phía ngoài,

β - góc quay bánh xe dẫn hướng phía trong,

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý quay vòng

Xác định góc quay lớn nhất của bánh xe dẫn hướng phía trong βmax:

βmax = arctg 2

BR

L

min−

(2.2)với : Rmin – là bán kính quay vòng nhỏ nhất của Ôtô, Rmin = 4,6 (m)

⇒βmax = arctg

237014004600

thay số vào 3.3 ta có phương trình :

2.2.2.2 Xây dựng đường cong thực tế:

a) Trường hợp xe đi thẳng:

Từ sơ đồ dẫn động lái trên hình 3.7 ta có thể tính được mối quan hệ giữa các thông sốtheo các biểu thức sau:

Hình 2.7 Sơ đồ hình thang lái khi xe chạy thẳng.

Cácđònbêntạo với phương dọc một góc θ.

Khi ôtô quay vòng với các bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệ giữa α và β vẫnđược giữ nguyên như công thức trên thì hình thang lái Đan - Tô không thể thoả mãn hoàntoàn được

Tuy nhiên ta có thể chọn một kết cấu hình thang lái cho sai lệch với quan hệ lý thuyếttrong giới hạn cho phép tức là độ sai lệch giữa góc quay vòng thực tế và lý thuyết chophép lớn nhất ở những góc quay lớn, nhưng cũng không được vượt quá 10

b) Trường hợp khi xe quay vòng:

Trên hình 2.8 là Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vòng Khi bánh xe bên trái quay đi mộtgóc α và bên phải quay đi một góc β, lúc này đòn bên của bánh xe bên phải hợp vớiphường ngang một góc (θ-β) và bánh xe bên trái là (θ +α) Ta có mối quan hệ của cácthống số theo quan hệ sau:

β

X

ψ

D A C

tgϕ= =

⇒ AD

y arctg

=

ϕ

Mặt khác:

2 2

2 2

θ - góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang: θ =78°

m - chiều dài đòn bên hình thang lái m = 180 (mm)

y - Khoảng cách giữa đòn ngang với trục trước trong hình thang lái

y = 182 (mm)

p - Chiều dài đòn thanh nối bên hình thang lái P = 250 (mm)

Dựa vào công thức(3.4) và (3.15) ta xây dựng các đường đặc tính hình thang lái lýthuyết và thực tế ứng với mỗi giá trị của góc α = (00, 50, , 400) ta lấy góc θ theo xe thiết

kếθ = 780 Các giá trị tương ứng được thể hiện trong bảng dưới đây:

Bảng 2.2 Tính giá trị góc α

Xác định mômen cản quay vòng taị chỗ:

Lực tác động lên vành tay lái của ôtô sẽ đạt giá trị cực đại khi ta quay vòng ôtô tại chỗ.Lúc đó mômen cản quay vòng trên bánh xe dẫn hướng Mc sẽ bằng tổng số của mômencản chuyển động M1, mômen cản M2 do sự trượt lê bánh xe trên mặt đường và mômencản M3 gây nên bởi sự làm ổn định các bánh xe dẫn hướng

12

trong dẫn động lái η = 0,5- 0,7 chọn η = o,7

a -cánh tay đòn của bánh xe dẫn hướng với xe thiết kế đo được a = 0,03 m

f -hệ số cản lăn ta xét trong trường hợp khi ôtô chạy trên đường nhựa và khô ta chọn f =0,015

Vậy:

β

r

a B

B t

1 3700.0,015.0,03 1,665

(Nm)

+ Mômen cản M 2 do sự trượt bên của bánh xe trên mặt đường:

Trên hình 2.11 Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe thì bề mặt tiếp xúc giữa lốp vàđường sẽ bị lệch đi đối với trục bánh xe Nguyên nhân lệch này là do sự đàn hồi bên củalốp Điểm đặt của lực Y sẽ nằm cách hình chiếu

Hình 2.11 Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi xe quay vòng

của trục bánh xe một đoạn x về phía sau đoạn x được thừa nhận bằng nửa khoảng cáchcủa tâm diện tích tiếp xúc đến rìa ngoài của nó theo công thức sau:

2 2

5

Với B là chiều cao lốp : B = 0,6.165 =99 (mm)

Với d là đường kính vành bánh xe : d = 14 (ins) = 14.25,4 = 355,6 (mm)

⇒ (mm) + rbx - bán kính làm việc của bánh xe.

Ta thừa nhận:

rbx = 0.96r = 0,96 276.8 = 265,7 (mm)

Nên:

2 ( )2

Ta có mômen ma sát giữa bánh xe và đường là:

x G

M2 = bx.ϕ

Với ϕ là hệ số bám ngang Lấy ϕ = 0,85

Vậy: M2 = 3700.0,85.0,14.276,8.10-3 =122 (Nm)

M3 mô men gây bởi các góc đặt của bánh xe và trụ đứng, việc tính toán mô men nàytương đối phức tạp nên trong khi tính toán có thể thay thế M3 bằng một hệ số λkhi đó mômen cản quay vòng tại 1 bánh xe dẫn hướng được tính như sau :

M = (M1 + M2)λ

Với λ = 1,07- 1,15 ta chọn λ = 1,1 suy ra ta có :

M = (1,665 +122).1,1 = 136 (Nm)Vậy mô men cản quay vòng là: Mc =2.136/0,7 = 388 (Nm)

+ Xác định lực cực đại tác dụng lên vành tay lái:

Khi đánh lái trong trường hợp ôtô đứng yên tại chỗ thì lực đặt lên vành tay lái để thắngđược lực cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng là lớn nhất Lực lớn nhất đặt lênvành tay lái được xác định theo công thức:

ic -tỷ số truyền cơ cấu lái: Chọn ic = 20

ηth -hiệu suất thuận của cơ cấu lái, đối với cơ cấu lái thanh răng - trục rănghiệu suất thuận ηth = 0,65

id - tỷ số truyền của truyền động lái id = 0,85- 1,1; chọn id = 1

vl

2.2.3 Xác định chiều dài thanh răng:

Theo sơ đồ dẫn động lái, khi bánh xe dẫn hướng quay đi một góc

 40 max =

β

thì thanhrăng dịch chuyển một đoạn là X

2.2.4 Tính toán bộ truyền cơ cấu lái:

Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng:

Để xác định được bán kính vòng lăn của bánh răng ta có thể thực hiện theo các phươngpháp sau:

+ Chọn trước đường kính vòng lăn của bánh răng từ đó tính ra vòng quay của bánh răng

có phù hợp không Có nghĩa là ứng với số vòng quay (n) nào đó thì thanh răng phải dịchchuyển được một đoạn X1 = 84,78 (mm)

+ Chọn trước số vòng quay của vành lái rồi sau đó xác định bán kính vòng lăn của bánhrăng đối với cơ cấu lái loại bánh răng - thanh răng thì số vòng quay của vành lái thì cũng

là số vòng quay của bánh răng

Dựa vào xe tham khảo, chọn số vòng quay về 1 phía của vành lái ứng với bánh xe quay là

n = 1,5 vòng

Ta có công thức :

Xác định các thông số của bánh răng:

Tính số răng theo tài liệu chi tiết máy

mn : Môdun pháp tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn mn = 2.5

 : Góc nghiêng ngang của bánh răng, chọn sơ bộ góc nghiêng  = 120

Từ công thức (2.22) ta suy ra số răng của bánh răng:

Z=

cos

c n

D m

β

=

0 15,68cos12 2,5

= 6,13Chọn số răng Z = 6 răng

Tính chính xác lại góc nghiêng, ta có :

Cos =

n c

Zm D

=

6.2,515,68 = 0,956Suy ra  = arccos 0.956 = 180

Môdun ngang của bánh răng :

5.2

= 2.62

Số răng tối thiểu: