NGHIÊN cứu, THIẾT kế, CHẾ tạo mô HÌNH hệ THỐNG lái TRỢ lực điện CHO XE điện MINI

vị trí các giắc cắm có trên bộ ECU điều khiển của hệ thống trợ lực lái bằng điện Hình 2.13... Trên các xe cỡ nhỏ có thể không có Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng giảm nhẹ cường độ la

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN CHO XE

ĐIỆN MINI

Người hướng dẫn : Th.S ĐỖ PHÚ NGƯU Sinh viên thực hiện : LÊ DOÃN THÀNH, TRẦN VĂN DŨNG

Mã sinh viên : 1811504210243, 1811504210211 Lớp : 18DL2

Đà Nẵng, Tháng 6 năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN CHO XE

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái trợ lực điện

Nhóm sinh viên thực hiện: Mã số sinh viên: Lớp:

Nhóm chúng em dựa trên nền tảng lượng kiến thức cơ bản đã được học, cả nhóm bắt tay vào tìm hiểu nâng cao và ngiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện

Nội dung của đề tài này giúp em hệ thống được những kiến thức đã học,nâng cao tìm hiểu về hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô nói chung và hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô VIOS 2010 nói riêng Nội dung đề tài bao gồm:

Chương I Tổng quan về hệ thống lái trên ô tô

Chương II Hệ thống lái trợ lực điện

Chương III Thiết kế, chế tạo mô hình

Để thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện nhóm chúng em sử dụng một số thiết bị được liệt kê dưới đây

Là một trong những sinh viên của trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, nhận thức được tầm quan trọng của việc học tập, nghiên cứu và việc làm sau này Cùng với sự giúp đỡ dạy bảo tận tình của quý thầy cô trong suốt 4 năm học vừa qua Nhóm chúng em càng hiểu thêm sâu sắc hơn về tiềm năng của ngành công nghệ kỹ thuật ô tô đang theo học

Trên cơ sở kiến thức đã học 4 năm vừa qua, cộng với thời gian thực tập học kì doanh nghiệp, nhóm chúng em đã có cơ hội tìm hiểu và thực hành trên máy móc thiết bị hiện đại cũng như nắm được kiến thức về nhiều hệ thống trên ô tô Dựa trên nền tảng đó nhóm chúng

em nghiên cứu và phát triển đề tài hệ thống lái trợ lực

Với sự phát triển mạnh của khoa học và công nghệ nên nhiều hãng xe lớn như Toyota, Ford, Audi, BMW, Mercedes - Benz đã phát minh và tính toán thiết kế, chế tạo các phương pháp trợ lực mới cho hệ thống lái Trong quá trình chuyển động hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến an toàn chuyển động và quỹ đạo chuyển động của ô tô, đặc biệt đối với xe có tốc độ cao Do đó người ta không ngừng cải tiến hệ thống lái để nâng cao tính năng của nó Dựa trên nền tảng kiến thức được học và quá trình tham gia tìm hiểu nghiên cứu Nhóm chúng em phát triển đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái trợ lực điện

Chúng em xin cảm ơn trường đại học sư phạm kỹ thuật đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất cũng như môi trường giảng dạy đầy đủ các trang thiết bị để sinh viên theo học Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới giảng viên ThS Đỗ Phú Ngưu đã tận tình hướng dẫn nhóm chúng em thực hiện và hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp

Nhóm sinh viên chúng em xin chân thành cám ơn quý thầy cô khoa cơ khí đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho chúng em trong 4 năm học vừa qua Đây chắc chắn là những kiến thức không thể thiếu, là nền tảng cho chúng em trong con đường sự nghiệp Chúng em xin cám ơn tất cả các thầy cô đã tạo điều kiện cho chúng em trong thời gian học tập vừa qua

Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót, nhóm chúng

em xin được nhận những góp ý, phản hồi tích cực từ quý thầy cô để đồ án tốt nghiệp của nhóm chúng em trở nên hoàn thiện

Nhóm chúng em xin trân trọng cảm ơn

Nhóm sinh viên thực hiện “ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỘNG LỰC” xin cam đoan: Đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN”, dựa trên sự cố gắng, nỗ lực của cả nhóm, giúp đỡ từ phía nhà trường và dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Th.S Đỗ Phú Ngưu

Mọi thông số kỹ thuật, số liệu phân tích, viết báo cáo, xây dựng mô hình đều do nhóm sinh viên chúng em tự tìm hiểu, phân tích kỹ càng một cách khách quan, uy tín, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng Nhóm chúng em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sự không trung thực trong quá trình nghiên cứu đề tài này

Nhận xét của người hướng dẫn i

Nhận xét, đánh giá của doanh nghiệp ii

Nhận xét của người phản biện iii

TÓM TẮT iv

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp v

LỜI NÓI ĐẦU vi

CAM ĐOAN vii

MỤC LỤC viii

Danh sách bảng, hình ảnh x

Danh sách kí hiệu, chữ viết tắt xii

MỞ ĐẦU 1

1 Mục đích thực hiện đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu về hệ thống trợ lực lái 2

1.2 Khái quát về hệ thống trợ lực 2

1.2.1 Vai trò của trợ lực lái 2

1.2.2 Yêu cầu 3

1.3 Phân loại hệ thống lái 4

1.3.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 4

1.3.2 Hệ thống lái trợ lực điện 5

1.3.3 So sánh trợ lực lái điện với trợ lực lái thủy lực 7

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Chức năng của hệ thống lái 9

2.2 Kết cấu của hệ thống lái trợ lực điện 9

2.2.1 Các phần tử cơ bản của hệ thống trợ lực lái điện 9

2.2.2 Cấu tạo của hệ thống trợ lực lái điện EPS 11

2.2.3 Cấu tạo hộp giảm tốc 12

2.2.5 Cấu tạo của mô tơ trợ lực lái 18

2.2.6 ECU 19

2.2.7 Cơ cấu lái 20

2.3 Nguyên lý làm việc 21

2.4 Các thông số cơ bản của hệ thống lái 28

2.4.1 Tỉ số truyền của hệ thống lái 28

2.4.2 Tác dụng của các góc kết cấu 29

2.4.3 Các góc đặt bánh xe 29

2.2.4 Hình thang lái 32

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH 37

3.1 Thiết kế mô hình 37

3.1.1 Mô tả mô hình 37

3.1.2 Các thiết bị dùng để chế tạo mô hình 37

3.1.3 Các dụng cụ phục vụ cho quá trình lắp ráp mô hình 37

3.2 Chế tạo mô hình 38

3.2.1 những lưu ý trong quá trình chế tạo mô hình 38

3.2.2 Quy trình chế tạo mô hình 38

3.3 Các hư hỏng, bảo dưỡng và sửa chữa 43

3.3.1 Bảo dưỡng cơ cấu lái 43

3.3.2 Điều chỉnh hành trình tự do (độ rơ tự do) 44

3.3.3 Điều chỉnh lực quay vành tay lái 44

3.3.4 Bảo dưỡng dẫn động lái 45

3.3.6 Bảo dưỡng hệ thống lái điện tử 48

3.3.7 Khôi phục vị trí góc lái 49

3.3.9 Sửa chữa dẫn động lái 50

Kết luận 52

Tài liệu tham khảo 53

Hình 1.1 Hệ thống lái 3 Hình 1.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 4 Hình 1.3 Hệ thống lái trợ lực điện 6

Hình 2 11 vị trí các giắc cắm có trên bộ ECU điều khiển của hệ thống trợ lực lái bằng điện

Hình 2.13 Nguyên lí hoạt động của hệ thống trợ lực tay lái bằng điện trên xe ô tô: 21

Hình 2.15 Kí hiệu các chi tiết trên sơ đồ mạch điện hệ thống trợ lực lái điện trên xe ô tô [6]

23

Hình 3.1 Thiết kế bố trí hệ thống lái trợ lực điện trên xe điện mini 38 Hình 3.2 Cắt thép, làm khung sườn và giá đỡ các bộ phận của hệ thống 39

Hình 3.4 Gia công một số chi tiết nhỏ 40

Hình 3.5 Làm giá đỡ thước lái 40

Hình 3.6 Ráp các bộ phận 41

Hình 3.7 lắp bộ trợ lực lái điện lên mô hình 41

Hình 3.8 lắp vô lăng, các mạch điện và nối trục các đăng giữa trợ lực lái và thước lái 42

Hình 3.9 hoàn thiện mô hình 42

Bảng 1.1 Vị trí các giắc cắm 19

Bảng 2.1 bảng giải thích tên của các bộ phận chi tiết trên sơ đồ mạch điện của hệ thống trợ lực lái điện trên oto .24

Bảng 2.2 bảng giải thích tên của các giắc cắm tương ứng với các bộ phận chi tiết cấu thành có trên sơ đồ mạch điện của hệ thống trợ lực lái điện trên xe oto 28

Bảng 2.3 Thông số trên xe Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 các thiết bị 37

Tên viết tắt Chú thích tên tiếng anh Chú thích tên tiếng việt

EHPA Electro hydraulic Power Assist Trợ lực thủy lực điều khiển điện tử

MDPS Motor-Driven Power Steering Trợ lực lái sử dụng mô tơ điện hỗ

trợ đánh láiEHPS Electro Hydraulic Power Steering Trợ lực lái thủy lực điều khiển điện

MỞ ĐẦU

1 Mục đích thực hiện đề tài

Ô tô đã và đang trở thành một phương tiện thiết yếu và phổ biến trên thị trường Nhu cầu sử dụng xe ô tô cũng ngày càng cao kéo theo đó là nhu cầu về sự tiện nghi cũng như thuận tiện dễ sử dụng phù hợp với mọi người Đặt mình vào tâm lí của khách hàng, ngoài mẫu mã và giá thành của chiếc xe khách hàng còn quan tâm đến những tiện nghi cũng như những ưu điểm trong quá trình xe hoạt động đầu tiên phải kể đến là hệ thống lái, là một trong những hệ thống quan trọng nhất trong quá trình vận hành của xe

Trên cơ sở những kiến thức đã được học ở trường, cộng với sự tìm tòi, học hỏi những kiến thức mới Nhóm sinh viên chúng em đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái trợ lực điện nhằm làm rõ về vai trò cũng như ưu nhược điểm của hệ thống Giúp mọi người nắm được hững lợi ích hệ thống lái trợ lực điện mang lại cho chiếc xe, cũng như mang

đề tài này phục vụ cho quá trình học tập

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu,thiết kế, chế tạo mô hình mô phỏng lại hệ thống lái trợ lực điện:

- Mô tả chi tiết cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống

- Nhận biết các hư hỏng sữa chữa

- Góp phần phục vụ cho quá trình học tập, nghiên cứu và giảng dạy

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế, lắp đặt, chế tạo mô hình

Đối tượng nghiên cứu:

- Lĩnh vực công nghệ kỹ thuật ô tô

- Tính toán các chi tiết lắp đặt trên xe

- Tính chọn các thông số

4 Phương pháp nghiên cứu

Xây dựng chương trình và mô phỏng mô hình, từ đó thiết kế và chế tạo thành công

mô hình, chạy thực nghiệm và đánh giá kết quả

5 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về hệ thống trợ lực lái

Hệ thống lái trợ lực được coi là một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô Hệ thống lái trợ lực mang lại sự thuận tiện cho tài xế bằng việc tối ưu lực điều khiển vô lăng

Hệ thống lái là tập hợp các cơ cấu dùng để giữ cho ôtô máy kéo chuyển động theo một hướng xác định nào đó và để thay đổi hướng chuyển động khi cần thiết theo yêu cầu cơ động của xe Hệ thống lái bao gồm các bộ phận chính sau:

- Vô lăng, trục lái và cơ cấu lái: dùng để tăng và truyền mômen do người lái tác dụng lên vô lăng đến dẫn động lái

- Dẫn động lái: dùng để truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng

và để đảm bảo động học quay vòng cần thiết của chúng

- Cường hóa lái: Thường sử dụng trên các xe tải trọng lớn và vừa Nó dùng để giảm nhẹ lực quay vòng cho người lái bằng nguồn năng lượng bên ngoài Trên các xe cỡ nhỏ có thể không có

Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng giảm nhẹ cường độ lao động của người lái, giảm mệt mỏi khi xe hoạt động trên dường dài

1.2 Khái quát về hệ thống trợ lực

1.2.1 Vai trò của trợ lực lái

Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng giảm nhẹ cường độ lao động của người lái, giảm mệt mỏi khi xe hoạt động trên dường 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

Hệ thống lái giữ vai trò điều khiển hướng chuyển động của ô tô (thay đồi hay duy trì) theo tác động của người lái Hệ thống lái tham gia cùng với các hệ thống điều khiển khác thực hiện điều khiển ô tô và đóng góp vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông khi ô tô chuyển động Hệ thống lái bao gồm các cụm và chi tiết từ cơ cấu điều khiển (vành lái) tới các cơ cấu điều khiền hướng chuyển động toàn xe

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 vành lái nhiều hơn khi xe quay vòng dẫn đến không thể thực hiện được

việc vòng ngoặt 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

+ Đối với xe du lịch và tải trọng nhỏ: Plvmax không được lớn hơn 150 200 N; + Đối với xe tải và khách không được lớn hơn 500 N

+ Đảm bảo sự tỷ lệ giữa lực tác dụng lên vô lăng và mô men quay các bánh xe dẫn hướng (để đảm bảo cảm giác đường) cũng như sự tương ứng động học giữa góc quay của vô lăng và của bánh xe dẫn hướng

*Yêu cầu đối với hệ thống lái có trợ lực

- Đảm bảo tính tùy động

- Trợ lực lái phải có lực điều khiển trên vành tay lái đủ nhỏ để giảm cường độ lao động nhưng cũng đủ gây cảm giác điều khiển cho người lái

- Khi hệ thống trợ lực lái hỏng thì hệ thống lái vẫn điều khiển được như hệ thống lái

cơ khí thông thường;

- Kết cấu hệ thống trợ lực phải đơn giản, dễ chăm sóc bảo dưỡng, sửa chữa

1.3 Phân loại hệ thống lái

Có rất nhiều hệ thống lái khác nhau như Hệ thống lái thuần cơ khí, Hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS-Hydraulic Power Steering), Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện

tử (EHPA), hệ thống lái trợ lực điện EPS Trong đó thì hệ thống lái trợ lực được phân thành hai loại chính đó là hệ thống lái trợ lực thủy lực và hệ thống lái trợ lực điện

1.3.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống lái trợ lực thủy lực hay còn được gọi là hệ thống trợ lực lái dầu

Trong một hệ thống lái trợ lực thủy lực, nỗ lực cần thiết để quay bánh xe của xe bằng cách quay vô lăng được giảm bớt với sự trợ giúp của thủy lực

Hình 1.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực [2]

Ưu và nhược điểm của trợ lực dầu

Ưu điểm được nhắc đến đầu tiên đó là chi phí sản xuất thấp Do đã xuất hiện và được kiểm chứng từ rất lâu trên mọi thị trường về các kết cấu có cơ khí có độ tin cậy cao, tuổi thọ cao và rất ít khi bị hư hỏng Bên cạnh đó, những ưu điểm dưới đây giúp trợ lực lái thủy lực vẫn đang tồn tại Trong quá trình lái, tài xế có thể dễ dàng cảm nhận được lực phản hồi truyền ngược lên vô lăng Hệ thống trợ lực này ít bị hỏng hóc nên chi phí bảo dưỡng cũng rất thấp

Nhược điểm lớn nhất của loại trợ lực lái này là khi di chuyển với vận tốc cao cần công suất lớn, khi áp lực dầu lớn thì tay lái cũng trở nên nhạy quá mức cần thiết Ngoài ra,

hệ thống trợ lực lái thủy lực có cấu tạo gồm các bộ phận kích thước không nhỏ nên chiếm khá nhiều không gian Việc duy trì trạng thái hoạt động liên tục cũng khiến nhiên liệu bị tiêu hao nhiều độ chính xác không cao Dầu trợ lực lái cũng là một tác nhân gây ô nhiễm môi trường

1.3.2 Hệ thống lái trợ lực điện

Trên ô tô và các phương tiện cơ giới khác, hệ thống trợ lực lái giúp người lái điều khiển phương tiện bằng cách tăng thêm lực đánh lái cần thiết để quay vô lăng, giúp xe quay đầu, chuyển hướng hoặc điều khiển dễ dàng hơn Hệ thống lái trợ lực bổ sung mô-men xoắn mà người lái tác dụng cho vô lăng Hệ thống lái trợ lực truyền thống là hệ thống thủy lực, nhưng hệ thống lái trợ lực điện (EPS) đang trở nên phổ biến hơn nhiều EPS loại bỏ nhiều thành phần như bơm thủy lực, ống mềm (ống dầu thủy lực), chất lỏng (dầu trợ lực), dây đai truyền động và ròng rọc Vì lý do này, hệ thống lái trợ lực điện có xu hướng nhỏ hơn và nhẹ hơn hệ thống thủy lực Hệ thống lái

là một trong 7 hệ thống cơ bản cấu thành nên ô tô Chính vì vậy hệ thống lái có vai trò khá quan trọng trong ô tô

Hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS) hay còn gọi là Trợ lực lái dẫn động bằng động cơ (Motor-Driven Power Steering – MDPS) sử dụng động

cơ điện để hỗ trợ người lái xe khi ađánh lái Hệ thống bao gồm động cơ điện dẫn động, các cảm biến, mô-đun điều khiển và hệ thống lái cơ bản (cơ khí)

Hệ thống lái là một trong 7 hệ thống cơ bản cấu thành nên ô tô Chính vì vậy hệ thống lái có vai trò khá quan trọng trong ô tô

Hệ thống lái có nhiệm vụ điều khiển bánh xe chuyển hướng theo mong muốn chuyển hướng lái của tài xế

Chính vì vậy, việc hệ thống lái hoạt động không tối ưu Nghiêm trọng hơn là mất lái

vô cùng nguy hiểm cho người vận hành ô tô

Có rất nhiều hệ thống lái khác nhau như Hệ thống lái thuần cơ khí, Hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS-Hydraulic Power Steering), Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện

tử (EHPA), nhưng hiện nay hệ thống lái trợ lực điên EPS được xem là an toàn và đơn giản nhất

Chính vì vậy, việc hệ thống lái hoạt động không tối ưu Nghiêm trọng hơn là mất lái

vô cùng nguy hiểm cho người vận hành ô tô

Có rất nhiều hệ thống lái khác nhau như Hệ thống lái thuần cơ khí, Hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS-Hydraulic Power Steering), Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện

tử (EHPA), nhưng hiện nay hệ thống lái trợ lực điên EPS được xem là an toàn và đơn giản nhất

Hệ thống lái trợ lực điện EPS được sử dụng phổ biến như hiện nay 1 phần là do sự linh hoạt trong việc điều khiển lực của trợ lực lái Nếu như nói hệ thống lái trợ lực thủy lực có một nhược điểm vô cùng lớn đó chính vô lăng bị mất cảm giác lái ở tốc độ cao do mực dầu trong

cơ cấu trực lực dầu nâng cao làm cho trợ lực nhiều hơn so với khi di chuyển ở tốc độ thấp trong khi đó khi di chuyển tốc độ cao ta lại cần sự ổn định của vô lăng

Có thể các bạn đã biết, hệ thống lái trợ lực điện ESP không chỉ mang đến cho người lái một cảm giác lái thoải mái, an toàn mà còn giúp giảm được mức tiêu hao nhiên liệu và đặc biệt là dễ dàng sửa chữa khi hư hỏng…

Đồng hành cùng với hệ thống trợ lực lái trên thì hệ thống trợ lực lái thủy lực HPS, thì cho tới nay hệ thống trợ lực lái điện tử (điều khiển điện tử) EPS được áp dụng rất nhiều trên các dòng xe con, xe du lịch

Hệ thống lái trợ lực điện EPS (Electrically Power Steering) sử dụng một motor điện để đẩy thanh răng của hệ thống lái khi xe được đánh lái, giúp động cơ tiết kiệm nhiên liệu do không sử dụng sức mạnh động cơ để hoạt động Trợ lực lái điện có khả năng giảm moment trợ lực hoặc thay vào đó, hệ thống lái trợ lực điện còn có khả năng tạo ra moment cản giúp giữ ổn định vô lăng khi di chuyển ở tốc độ cao

Ưu điểm vượt trội của hệ thống trợ lực lái điện chính là khả năng hỗ trợ người lái tùy theo điều kiện vận hành Nhờ kết nối với cảm biến tốc độ và cảm biến góc đánh lái mà ECU

có thể tính toán chính xác để điều chỉnh lực vô lăng sao cho phù hợp nhất

Mặt khác, hệ thống hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng từ mô-tơ điện chứ không phải từ động cơ như trợ lực dầu nên có thể tiết kiệm nhiên liệu hơn Kích thước của

hệ thống trợ lực điện cũng tương đối gọn nhẹ nên có thể tối ưu được không gian và trọng lượng của xe

Trong một số trường hợp, trợ lực lái điện còn hỗ trợ cho một số hệ thống an toàn hay vận hành khác như cảnh báo chệch làn, đỗ xe tự động hay thay đổi làn đường…

Nhược điểm của hệ thống này là khi bị lỗi thường phải thay thế cả hệ thống nên chi phí sửa chữa cao hơn so với loại trợ lực dầu Ngoài ra, vì hệ thống trợ lực này giúp vô lăng trở nên quá nhẹ nên không mang lại cảm giác lái chân thực, nhất là khi lái ở chế độ off-road

1.3.3 So sánh trợ lực lái điện với trợ lực lái thủy lực

So với hệ thống lái trợ lực thủy lực hệ thống lái trợ lực điện tử có nhiều ưu điểm hơn

Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử sử dụng bộ trợ lực thủy lực thì với bơm thủy lực gắn với động cơ nên hoạt động liên tục trong quá trình chạy xe gây lãng phí công suất khi không sử dụng trợ lực lái, thêm vào đó dầu trợ lực lái là một nhân tố gây ô nhiễm môi trường Kết cấu của hệ thống lái trợ lực điện tử cũng gọn hơn

Cải tiến quan trong của hệ thống này là thay thế lực tác dụng từ bơm dầu trợ lực bằng động cơ điện

Mô tơ điện được điều khiển bằng hộp điều khiển nên các chế độ trợ lực được thay đổi một cách linh hoạt Hộp điều khiển ECU được lập trình dựa trên thuật toán điều khiển và mô hình toán điều khiển trợ lực hệ thống lái Tùy theo từng hãng xe, mô hình điều khiển được

sử dụng có sự khác nhau Tuy nhiên, có một đặc điểm chung nhất đó là các đặc tính trợ lực được xây dựng dựa trên đặc tính cản từ mặt đường Trong hệ thống này, cảm biến mô men cản (bố trí trên thanh xoắn) sẽ xác định mô men cản từ mặt đường tác dụng lên hệ thống, kết hợp với cảm biến vận tốc và các thông số chạy xe phần mềm sẽ quyết định trợ lực tỷ lệ trợ lực thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ điện

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Chức năng của hệ thống lái

Hệ thống lái có chức năng duy trì hoặc thay đổi hướng di chuyển của ô tô, giúp cho ô

tô có thể giữ nguyên hướng chuyển động thẳng, vòng sang trái hay sang phải một cách dễ dàng Tạo ra lực bổ trợ tác dụng lên cơ cấu dẫn động lái, nhằm duy trì hoặc thay đổi hướng chuyển động của xe

2.2 Kết cấu của hệ thống lái trợ lực điện

2.2.1 Các phần tử cơ bản của hệ thống trợ lực lái điện

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 điện tử 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 (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 cảm biến tốc độ xe, một cảm biến lái (mômen, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một môtơ 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

Các phần tử chính cua trợ lực lái điện gồm có: Mô tơ điện một chiều; Các cảm biến;

Bộ điều khiển trung tâm (ECU); Hộp giảm tốc

* Mô tơ:

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 mô men trợ lực dưới điều khiển của 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

* Bộ điều khiển trung tâm (ECU)

Bộ điều khiển trung tâm (ECU) nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin để điều khiển mô tơ

- 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 men đặt lên vành lái để đảm bảo lực lái thích hợp trong toàn dải tốc độ xe

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

- Đảm bảo độ tin cậy (Chức năng tự chuẩn đoán và sửa lỗi)

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)

Giảm tốc có nhiệm vụ tăng lực lái và truyền mô men trợ lực đến cơ cấu lái

2.2.2 Cấu tạo của hệ thống trợ lực lái điện EPS

Hệ thống trợ lực lái kiểu này được sử dụng trên xe Kia Mornig, 2009, Toyota Vioss

2008 có một môtơ 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 mômen lái Cạnh đó là bộ điều khiển điện tử của trợ lực lái điện (EPS ECU)

Hình 2.1 Cấu tạo của hệ thống lái trợ lực điện

Mô tơ điện

Trong đó thì ba phần tử chính của hệ thống lái trợ lực điện là: cơ cấu giảm tốc, cảm biến mô men và ECU

2.2.3 Cấu tạo hộp giảm tốc

Cơ cấu giảm tốc bao gồm trục vít và bánh vít Mô men do rôto động cơđiện tạo ra được truyền tới cơ cấu giảm tốc sau đó được truyền tới trục lái chính Trục vít được đỡ trên các ổ đỡ để giảm độ ồn và tăng tuổi thọ làm việc, khớp nối đảm bảo cho việc nếu động cơ điện bị hỏng thì trục lái chính và cơ cấu giảm tốc không bị khóa cứng lại và hệ thống lái vẫn

Sau đây là hình ảnh của hộp giảm tốc trên mô hình thực tế

Hình 2.3 Hình ảnh thực tế trên hệ thống trợ lực

2.2.4 Cấu tạo cảm biến mô men xoắn

Hình 2.4 Cấu tạo cảm biến mô men xoắn [4]

Rô to phát số 3

Rô to phát số 2

Rô to phát số 3 Rô to phát số 1

Một trong những cảm biến quan trọng nhất của hệ thống EPS là cảm biến mô-men xoắn trên trục lái Nó được đo ở trục đầu vào của hệ thống lái Dựa trên mômen lái đo được,

bộ điều khiển hệ thống lái EPS xác định góc đánh lái và điều khiển động cơ EPS phù hợp

Hệ thống lái EPS ảnh hưởng đến cảm giác lái nên giá trị được của mô men phải chính xác, đáp ứng độ phân giải cao và giá trị đo với độ tin cậy tuyệt đối Giá trị đo bị sai lệch dẫn đến việc hệ thống điều khiển động cơ EPS không đúng và có thể mất kiểm soát hệ thống lái

Các yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất đối với cảm biến mô-men xoắn của hệ thống EPS hiện đại được liệt kê như sau:

- Độ tin cậy cao nhất

- Phạm vi đo mô-men xoắn hoạt động khoảng ± 10 Nm

- Độ phân giải tín hiệu cao và độ chính xác của phép đo

- Xử lý tín hiệu với độ trễ ít

- Tuổi thọ cao, không cần phải bảo dưỡng trong thời gian dài

- Hệ thống có khả năng tự chẩn đoán, chống nhiễu với hộp ECU

- Dải nhiệt độ −40 đến +850C cho các hệ thống lái (EPSc) và −40 đến +1250C cho các ứng dụng khoang động cơ

- Chống bám bụi, rung động, mài mòn

Cảm biến mô-men xoắn có thể được phân loại theo cấu tạo của chúng gồm: cảm biến

có thanh xoắn và cảm biến không có thanh xoắn Yêu cầu thanh xoắn của cảm biến chịu lực xoắn trên mỗi góc quay, cảm biến chuyển đổi giá trị đo mômen xoắn thành giá trị góc xoay

Độ cứng của thanh xoắn trong các hệ thống EPS hiện đại là từ 2 đến 2,5 Nm trên mỗi độ góc xoắn (2 –2,5 Nm/0 ) Độ xoắn cao nhất được giới hạn ±5˚ để bảo vệ thanh xoắn

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế cảm biến momen xoắn

Khi người lái xe điều khiển vô lăng, momen lái tác động lên trục sơ cấp của cảm biến momen thông qua trục lái chính Người ta bố trí vòng phát hiện một và hai trên trục sơ cấp phía vô lăng và vòng phát hiện thứ ba trên trục thứ cấp Trục sơ cấp và trục thứ cấp được nối với nhau bằng một thanh xoắn

Các vòng phát hiện có cuộn dây phát hiện kiểu không tiếp xúc trên vòng ngoài để hình thành một mạch kích thích Khi tạo ra momen lái thanh xoắn bị xoắn tạo ra độ lệch pha giữa vòng phát hiện thứ hai và thứ ba Dựa trên độ lệch pha này một tín hiệu tỉ lệ với momen được đưa vào ECU Dựa trên tín hiệu này ECU tính toán momen trợ lực cho tốc độ

xe và dẫn động mô tơ điện với một cường độ, chiều và thời điểm cần thiết

Hình 2.6 Mặt cắt ngang của cảm biến mô men xoắn [4]

Hoạt động (đầu ra) của cảm biến momen xoắn: Khi vô lăng được đánh lái sang bên trái hoặc bên phải, phản lực của mặt đường sẽ vặn thanh xoắn và tạo nên sự thay đổi vị trí tương quan giữa rô to phát số 2 và rô to phát số 3 VT1 & VT2 có đặc tính giống nhau:

Cuộn phát hiện Cuộn hiệu chỉnh

Rô to phát số 1

Rô to phát số 2

Rô to phát số 3 Bánh răng

Thanh xoắn

Đầu ra

Đầu vào

Hình 2.7 Hoạt động đầu ra của cảm biến mô men xoắn [4]

Khi cảm biến momen xoắn có sự cố thì giá trị VT1 sẽ khác VT2:

Hình 2.8 Hoạt động đầu ra của cảm biến mô men xoắn khi gặp sự cố [8]

Cuộn hiệu chỉnh Cuộn phát hiện

VT2

*Cảm biến mô men xoắn loại cảm ứng

Cảm biến mô men xoắn cảm ứng là một loại cảm biến từ trường, dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Ưu điểm chính của phương pháp do cảm ứng là cảm biến chịu được các tác động bên ngoài như bụi bẩn, dầu và nước Cảm biến cảm ứng có thể hoạt động đáng tin cậy trong nhiều loại môi trường

Khi người lái xe điều khiển vô lăng, mô men lái tác động lên trục sơ cấp của cảm biến mô men thông qua trục lái chính Người ta bố trí các vòng phát hiện 1 và 2 trên trục

sơ cấp (phía vô lăng) và vòng 3 trên trục thứ cấp (phía cơ cấu lái)

Hình 2.9 Cấu tạo cảm biến mô men xoắn cảm ứng trên ô tô [7]

Trục sơ cấp và trục thứ cấp được nối bằng một thanh xoắn Các vòng phát hiện có cuộn dây phát hiện kiểu không tiếp xúc trên vòng ngoài để hình thành một mạch kích thích Khi tạo ra mô-men lái thanh xoắn bị xoắn tạo độ lệch pha giữa vòng phát hiện 2 và

3 Dựa trên độ lệch pha này, một tín hiệu tỷ lệ với mô men vào được đưa tới ECU Dựa trên tín hiệu này, ECU tính toán mô men trợ lực cho tốc độ xe và dẫn động động cơ điện

Cuộn phát hiện

Trục sơ cấp

Cuộn dây bù Vòng phát hiện 2 Vòng phát hiện 3 Trục thứ cấp

Từ cơ cấu lái

Từ trục lái Vòng phát hiện 1

Mô men trợ lực và chiều quay

Quay sang phải [N.m]

Vị trí trung gian khi đi trên đường thẳng

2.2.5 Cấu tạo của mô tơ trợ lực lái

Cơ cấu giảm tốc sẽ giảm vận tốc truyền động của mô tơ điện 1 chiều và truyền

chuyển động tới trục thứ cấp

Hình 2.10 Cấu tạo mô tơ trợ lực lái và trục lái [4]

Hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện EPS:

- Điều khiển chính: Từ giá trị độ xoắn của thanh lái và vận tốc xe sẽ định mức dòng điện cấp tới mô tơ trợ lực lái

- Điều khiển bù quán tình: Đảm bảo mô tơ trợ lực lái hoạt động khi người lái khởi hành và xoay vô lăng

- Điều khiển trả lái: Điều khiển hỗ trợ lực hồi về của bánh xe sau khi người lái đánh hết vô lăng sang 1 bên

- Điều khiển giảm rung: Điều khiển lượng trợ lực khi lái xe quay vô lăng ở tốc độ cao, do vậy sẽ giảm rung động các thay đổi trong độ lệch của thân xe

- Điều khiển bảo vệ quá nhiệt: Dự tính nhiệt độ của mô tơ dựa trên cường độ dòng điện và điện áp vào Nếu nhiệt độ của mô tơ và ECU trợ lực lái (ECU EPS) cao, nó sẽ giảm bớt cường độ dòng điện vào để tránh tình trạng mô tơ hoặc ECU bị quá nhiệt

Cơ cấu giảm tốc

Cảm biến mô men

Trục lái Trục thứ cấp

Thamh xoắn

Trục vít Bánh răng

Trục thứ cấp Động cơ điện 1

chiều

2.2.6 ECU

Hệ thống trợ lực tay lái điện có sử dụng bộ để cắm giắc vào có số chân cắm từ 2 đến

16 tùy vào mỗi vị trí giắc cắm trên bộ ECU điều khiển của hệ thống trợ lực bằng điện của xe

về ECU điều khiển để ECU hoạt động

được xử lí đến cho động cơ điện để hoạt động

với máy chuẩn đoán khi hệ thống trợ lực lái

có vấn đề

từ cảm biến moment xoắn về cho ECU điều khiển để xử lí

Bảng 1.1 Vị trí các giắc cắm

Hình 2 11 vị trí các giắc cắm có trên bộ ECU điều khiển của hệ thống trợ lực lái bằng điện

của xe oto