GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, phần lớn tai nạn giao thông liên quan đến ô tô do hệ thống lái gây ra, chủ yếu là do hiện tượng thừa lái và thiếu lái Để khắc phục tình trạng này, các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển hệ thống lái bốn bánh (4WS), cho phép hỗ trợ lái cả bốn bánh thay vì chỉ hai bánh như thông thường Mặc dù nghiên cứu về 4WS mới chỉ bắt đầu trong hơn 10 năm qua và còn nhiều vấn đề cần giải quyết, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ lái tiên tiến Tại Việt Nam, chưa có nghiên cứu sâu về hệ thống này, tạo cơ hội cho các nghiên cứu mới nhằm làm rõ cơ sở lý luận và thực tiễn Vì vậy, nhóm chúng tôi đã tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái bốn bánh, từ đó chế tạo mô hình mô phỏng phục vụ cho đồ án tốt nghiệp.
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu về hệ thống lái trợ lực thủy lực trên xe đã được thực hiện qua nhiều giai đoạn, bắt đầu từ năm 2001 với công trình của ông Nguyễn Thanh Quang, tập trung vào động học, động lực học và độ bền của chi tiết hệ thống lái trên xe Mekong Tiếp theo, vào năm 2004, Mai Khoa đã nghiên cứu tính điều khiển của ô tô tải với hệ thống lái trợ lực thủy lực Đến năm 2010, Nguyễn Tuấn Anh công bố nghiên cứu về điều khiển tối ưu hệ thống lái tích cực trên ô tô Năm 2015, ông tiếp tục công bố nghiên cứu về thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống này.
Ông đã nghiên cứu hệ thống lái trợ lực điện ESP và phát triển mô hình hệ thống lái trong đề tài thạc sỹ vào năm 2008 Trong nghiên cứu, tác giả thiết kế giao diện điều khiển và giám sát hệ thống bằng phần mềm LabVIEW, đồng thời theo dõi phản hồi trên vô lăng Tuy nhiên, đây chỉ là bước khởi đầu, vì các thông số và bộ điều khiển vẫn chưa được chú trọng nhiều.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ô tô ngày nay được sử dụng ở tốc độ cao, vấn đề an toàn chuyển động ngày càng được các nhà khoa học của các trung tâm nghiên cứu lớn ở các nước đầu tư nghiên cứu Đã có những công trình khoa học được được công bố nhằm hoàn thiện hệ thống lái Tác giả Samkr Moham USA đã công bố công trình về loại xe có hệ thống lái ở cả bốn bánh tháng
Vào năm 2000, nhiều nhà khoa học Đức đã nghiên cứu hệ thống điều khiển cho xe có hệ thống lái bốn bánh Hãng Mercedes đã trình diễn xe với hệ thống lái tự động, dự kiến sẽ được ứng dụng trên các loại đường thông minh trong tương lai Để nâng cao tính năng điều khiển và tiện nghi, các nhà nghiên cứu đã phát triển bộ cường hóa tích cực PPS (Progressive Power Steering), nhằm cải thiện cảm giác lái và khả năng điều khiển khi xe di chuyển ở tốc độ cao.
Mục đính nghiên cứu
- Hiểu rõ được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trên ô tô nói chung và hệ thống lái bốn bánh xe (4WS)
- Tìm hiểu các thành phần, phân loại và nguyên lý hoạt động của các bộ phận có trong hệ thống lái
- Biết được cách tìm các tài liệu chuyên ngành
- So sánh được ưu và nhược điểm của hệ thống lái hai bánh (2WS) và hệ thống lái bốn bánh (4WS)
- Xây dựng và hoàn thiện được mô hình về hệ thống lái đa hướng 4WS.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu lịch sử hình thành hệ thống lái
- Tìm các nguồn tài liệu chuyên ngành ô tô liên quan đến đề tài
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết và hệ thống lái bốn bánh, hiểu được cấu tạo, nguyên lý của hệ thống lái bốn bánh
- Thiết kế tính toán cơ cấu điều khiển lái
- Tính toán, thiết kế hệ thống lái và cơ cấu lái đa hướng
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống lái đa hướng.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài này, nhóm em đã đưa ra các vấn đề và các phương pháp để giải quyết:
- Tìm kiếm tài liệu về hệ thống lái sau
- Tìm hiểu lịch sử ra đời của hệ thống lái, phân loại hệ thống lái, đánh giá ưu và nhược điểm của hệ thống lái
- Tham khảo các tài liệu của các hãng xe, các video liên quan đến đề tài
- Tham khảo các giáo trình.
Các kết quả đạt được của đề tài
- Hiểu được nguyên lý hoạt động
- Hệ thống lái bốn bánh này sẽ làm giảm thiểu các tai nạn xảy ra do hiện tượng thừa lái và thiếu lái gây ra
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Nội dung của đồ án tốt nghiệp bao gồm 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương 2: Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng
Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống lái
Chương 4: Quy trình thiết kế và mô phỏng
Chương 5: Đánh giá kết quả và kết luận
Tổng quan giải pháp
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu và công trình khoa học đã được thực hiện để hoàn thiện hệ thống lái bốn bánh, tập trung vào động học và động lực học nhằm nâng cao tính cơ động và khả năng điều khiển Các trung tâm nghiên cứu lớn ở Mỹ và Tây Âu cũng đang nỗ lực nghiên cứu các hệ thống điều khiển cho xe có hệ thống lái bốn bánh, với sự tham gia của hàng trăm nhà khoa học hàng đầu Các nội dung nghiên cứu chính bao gồm động học của hệ thống lái thông qua mối tương quan hình học, xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính toán khả năng áp dụng hệ thống trợ lực, xây dựng mô hình động học phù hợp với thực tế, và nghiên cứu các hệ thống lái điều khiển bằng điện hoặc điện tử.
Tại Việt Nam, việc phát triển công nghệ lái bốn bánh đang gặp nhiều hạn chế do trình độ kỹ thuật và công nghệ còn thấp Hiện tại, chúng ta chỉ dừng lại ở việc khai thác, vận hành, kiểm tra và sửa chữa, mà chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào về hệ thống này Do đó, nghiên cứu về công nghệ lái bốn bánh là rất cần thiết để tiến bộ trong lĩnh vực này, nhằm nắm bắt và làm chủ công nghệ hiện đại.
Nhóm sinh viên đã chọn đề tài "Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái đa hướng" cho đồ án tốt nghiệp, nhằm tiến tới làm chủ công nghệ và phát triển các công nghệ mới tại Việt Nam.
HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG
Hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng
- Four-wheel steering hay 4WS đều là tên gọi của hệ thống tất cả các bánh xe dẫn hướng
Hệ thống lái 4 bánh cho phép điều khiển cả hai bánh xe trước và sau, mang lại sự linh hoạt cho xe Ở tốc độ thấp, bánh xe sau quay ngược lại với bánh trước, giúp giảm bán kính quay vòng Khi di chuyển với tốc độ cao, bánh xe sau quay cùng hướng với bánh trước, tạo điều kiện cho việc thay đổi làn đường ổn định và dễ dàng hơn Công nghệ này, mặc dù tương đối mới, đã nâng cao tính linh hoạt của ô tô Hệ thống lái 4 bánh được xây dựng dựa trên ba phương pháp chính: cơ khí, thủy lực và điện tử.
Hình 2.1: Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng
Lịch sử hình thành
Hệ thống lái bốn bánh đầu tiên được phát triển vào giữa những năm 1930, với chiếc Mercedes-Benz 170VL (W139) ra mắt vào năm 1936 Tuy nhiên, chỉ có 42 chiếc được sản xuất và giao cho Wehrmacht (Oswald 1987) Kể từ đó, hệ thống lái bốn bánh đã trở thành một tính năng quan trọng trong nhiều loại ô tô qua các thập kỷ.
Hình 2.2: Chiếc Mecerdes-Benz 170VL (W139) sử dụng hệ thống lái bốn bánh
Nissan đã phát triển hệ thống lái bốn bánh và sản xuất một số lượng lớn xe sử dụng công nghệ này vào những năm 1980.
Vào tháng 4 năm 1987, hệ thống lái bốn bánh trên chiếc Honda Prelude đã được giới thiệu và trở thành mẫu xe đầu tiên được bán tại Hoa Kỳ vào cuối thập niên 80 và đầu thập niên 90.
- Vào cuối năm 1985 Ở thị trường Nhật bản chiếc Nissan R31 Shyline đã được ra mắt đầu tiên
- Mazda cũng giới thiệu hệ thống đầu tiên trên chiếc Capella-626-MX-6
- Hệ thống này cũng được Mitsubishi ra mắt trên Galant VR-4 vào cuối năm 1987
- Toyota cũng giới thiệu hệ thống lái bốn bánh trên chiếc Celica tại thị trường Nhật Bản vào cuối năm 1989
- Honda thế hệ thứ 4, cũng ra mắt trên chiếc Prelude thế hệ tiếp theo vào tháng 9 năm
Bảng 2.1: Tổng quan về hệ thống lái tất cả các bánh xe
Góc chỉ đạo Dòng Xe
Kết nối với vô lăng bánh trước, hộp số
Bơm thủy lực, van thủy lực, bộ truyền động định tâm
WKR 15 ° MegaCruiser (1995) Điện- thủy lực
Bơm thủy lực, van thủy lực, bộ truyền động định tâm
Hộp số động cơ điện, ổ trục chính
Bơm thủy lực, bộ truyền động định tâm van thủy lực
Cơ điện Động cơ điện, hộp số, ổ trục chính
Cơ điện Động cơ điện, hộp số, ổ trục chính
Kết nối với vô lăng bánh trước, hộp số
Accord(1990) Điện cơ Động cơ điện, ổ trục chính
Bơm thủy lực, động cơ điện, hộp số
Bơm thủy lực, động cơ điện, hộp số
Bơm thủy lực, van thủy lực, thiết bị truyền động định tâm
(1988), GTO/ 3000GT (1991) Điện- thủy lực
Bơm thủy lực, van thủy lực, thiết bị truyền động định tâm
Subaru Cơ điện Động cơ điện, hộp số FS (VS) 1.5 ° Alcyone (1991)
Kết nối với vô lăng bánh trước, hộp số
Bơm thủy lực, van thủy lực, bộ truyền động định tâm
Cơ điện Động cơ điện, ổ trục chính
Renault Cơ điện Động cơ điện, hộp số, ổ trục chính
WKR, FS(VS), FS(FDR)
GM Cơ điện Động cơ điện, hộp số, ổ trục chính
Hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng cơ khí
Hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng cơ khí kết nối trực tiếp giữa trục trước và bánh sau, tạo ra một trục với số bậc lên xuống tương ứng Kết nối này khóa các góc lái của trục trước và trục sau, trong đó góc lái ở trục sau được gán cho mọi góc lái ở trục trước.
Hình 2.3: Hệ thống lái hoàn toàn bằng cơ của Honda Prelude
Hệ thống lái cơ khí của Honda Prelude có thiết kế đặc biệt với góc lái nhỏ ở trục trước và bánh sau quay cùng hướng, giúp tăng tính ổn định ở tốc độ cao nhờ giảm xung lực ngang Khi góc lái vượt quá 127°, tỷ số truyền cơ học thay đổi, khiến bánh sau quay ngược lại với bánh trước, cải thiện sự nhanh nhẹn ở tốc độ thấp Tuy nhiên, sự kết nối cứng với trục trước có thể làm giảm nhanh nhẹn ở các góc lái nhỏ, trong khi ở góc lái lớn hơn, hệ thống có thể tạo ra phản ứng vượt mức và góc lái "đối trọng".
Hình 2.4: Cơ cấu lái bánh sau của Honda Prelude
Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của cơ cấu lái bánh sau
Cơ cấu lái trước sử dụng kiểu bánh răng-thanh răng, với hộp tích lực truyền động đến cầu sau thông qua bánh răng ăn khớp với thanh răng Tỷ số truyền giữa vành lái và trục các đăng là hai, trong khi trục chủ động mang theo bánh răng hành tinh được thiết kế lệch trục, cho phép bánh răng quay mượt mà Bánh răng hành tinh sẽ hoạt động hiệu quả trong hệ thống này.
Bánh răng ngoại luân được thiết kế với 14 khớp, trên đó có một trục AA Con trượt sẽ quay trơn trên trục AA và trượt dọc theo máng trượt, trong khi máng trượt chỉ tiếp nhận chuyển động tịnh tiến từ đòn quay.
Hình 2.6: Cấu tạo hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng
1-Vành tay lái; 2- Trục lái; 3- Hộp số lái của hai bánh trước;
4,5 – Dẫn động lái đến hai bánh xe sau; 6- Hộp số lái bánh sau
Hình 2.7: Cơ cấu lái các bánh xe sau
1- Trục chủ động; 2- Bánh răng ngoại luân ; 3- Máng trượt ; 4 – Con trượt;
5- Đòn ngang ; 6 – Bánh răng hành tinh
Hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng hoạt động bằng cách điều chỉnh hướng quay của bánh xe trước và sau tùy thuộc vào tốc độ di chuyển Khi xe di chuyển với tốc độ cao, tay lái được xoay nhỏ, khiến bánh xe trước và sau quay cùng chiều Ngược lại, khi xe di chuyển chậm hoặc khi vào chỗ đỗ, tay lái có thể xoay lớn, làm cho bánh xe trước và sau quay ngược chiều Quá trình này liên quan đến sự chuyển động của trục chủ động và bánh răng hành tinh, với góc quay lớn nhất đạt 17° khi bánh xe quay cùng chiều Khi trục chủ động tiếp tục quay, bánh xe sau sẽ quay ngược chiều với bánh xe trước, đặc biệt khi tay lái xoay 120°, và khi góc quay bánh xe trước đạt 35°, bánh xe sau sẽ quay -5°.
Hệ thống lái 4 bánh đang trở thành một lĩnh vực phát triển mạnh mẽ trong ngành công nghệ ôtô Trước đây, nó chủ yếu được áp dụng trên xe tải và xe nhiều cầu, nhưng hiện nay đã trở nên phổ biến hơn nhờ vào nhiều tính năng mới Hệ thống này giúp xe dễ dàng ra vào chỗ đậu trong không gian hẹp và quay vòng nhanh chóng ở tốc độ cao Khi di chuyển qua các khúc cua, bánh xe tự động điều chỉnh về trạng thái chuyển động thẳng, cho phép xe quay vòng dễ dàng hơn trên diện tích mặt đường hạn chế.
Hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng thủy lực
Hệ thống lái tất cả các bánh có thể được điều khiển bằng thủy lực hoặc điện tử, với ví dụ điển hình là hệ thống chuyển động cầu sau chủ động AHK của BMW, được áp dụng cho 8 mẫu xe từ năm 1992 Mục tiêu chính của việc phát triển động học cầu sau chủ động là nâng cao khả năng lái xe an toàn trong mọi tình huống Để đạt được điều này, hệ thống lái bánh sau cần kiểm soát hiệu quả các lực bên tác động lên trục sau trong điều kiện gia tốc bên cao Cấu tạo của hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng thủy lực được phân chia thành ba hệ thống chính.
16 con: Bộ truyền động và cung cấp thủy lực, điều khiển và giám sát hệ thống, cấu trúc điều khiển trục sau
Bộ thủy lực của hệ thống bao gồm một bơm piston hướng tâm kết hợp với bơm kiểu cánh gạt cho tay lái trợ lực cầu trước, cùng với bộ phận cung cấp áp suất và bộ tích trữ thủy lực Hệ thống còn có bộ nạp van tích lũy và cảm biến áp suất để duy trì áp suất hoạt động cho bộ truyền động thủy lực trong phạm vi xác định Thiết bị điều khiển nhận tín hiệu từ tốc độ lái và góc vô lăng để tính toán góc lái đặt trước của bánh sau, kết hợp với các cảm biến về tốc độ lái, góc đánh và vị trí bánh lái sau, nhằm đảm bảo an toàn cho người lái.
Hình 2.8: Động học hệ thống lái bánh sau
Bộ phận thủy lực được bố trí ở giữa dầm ngang phía sau tại trục sau, giúp truyền động thẳng thông qua khớp trục kép tới đĩa đệm Đĩa đệm này nhận lực từ lò xo truyền động và hỗ trợ tải trọng bánh xe tại giá đỡ trục sau Tỷ số truyền giữa hành trình của bộ truyền động và di chuyển ổ lò xo được xác định qua các điểm truyền động của khớp trục kép và ổ lò xo.
Hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng điện tử
Các hệ thống cơ điện đã chứng minh giá trị của mình trong quá trình phát triển nhờ vào tính phức tạp cao của hệ thống thủy lực và những hạn chế của hệ thống cơ khí Hệ thống lái này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc xây dựng đơn giản hơn, khả năng điều chỉnh góc lái độc lập giữa trục sau và trục trước, cảm giác lái nhẹ nhàng hơn, và độ nhạy cảm với lỗi thấp.
Hệ thống bánh sau của cơ điện được điều khiển bởi một cơ cấu truyền động cơ điện, với ECU tính toán giá trị bộ truyền động từ các đầu vào khác nhau để kích hoạt động cơ điện Động cơ BLDC được ưa chuộng hơn động cơ chổi than do không bị mài mòn và dễ kiểm soát Cảm biến giám sát vị trí chính xác của động cơ, chuyển động quay của động cơ điện được chuyển đổi thành chuyển động hành trình thông qua tỷ số truyền cơ học phù hợp.
Hình 2.9: Bộ truyền động bánh sau của Honda Prelude 1991
1- Trục chính của trục lái; 2- Cảm biến góc lái chính phía sau; 3- Cuộn stator; 4- Vỏ thiết bị truyền động; 5- Cảm biến góc lái phụ phía sau; 6- Lò xo hồi vị;
7- Chổi than; 8- Rotor; 9- Vít bi
Honda đã phát triển hệ thống lái cầu sau cơ điện từ năm 1991, với thiết kế phức tạp như hình 2.9 Hệ thống này sử dụng một động cơ điện để truyền chuyển động đến bánh răng tuần hoàn bi, chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động của trục lái Để đảm bảo an toàn, hệ thống lái bánh sau chỉnh điện được trang bị cảm biến góc lái dự phòng Trong trường hợp xảy ra lỗi, bánh sau sẽ tự động trở về vị trí trung tâm nhờ vào lò xo hồi vị.
Hình 2.10: Hệ thống lái bánh sau của Nissan
Nhà cung cấp Kayaba Industry đã phát triển một hệ thống cơ điện cho hệ thống lái bánh sau, đặc biệt phục vụ thị trường Nhật Bản và ứng dụng cho nhiều mẫu xe của Nissan, như Nissan Skyline Hệ thống này chuyển đổi chuyển động quay của động cơ trợ lực điện thành chuyển động lái của bánh sau, như thể hiện trong hình 2.10.
Vào năm 1990, hầu hết các hệ thống lái bốn bánh đã biến mất khỏi thị trường do chi phí bổ sung cao và thiếu tính năng trong việc cải thiện động lực lái xe.
Tính đến tháng 3 năm 2010, ba nhà sản xuất ô tô trên toàn thế giới đã áp dụng hệ thống lái tất cả các bánh xe, với công nghệ cơ điện được trang bị trên các mẫu xe như Renault Laguna GT (2008), BMW 7 (2008), 5GT (2009), 5 (2010) và Nissan Infinity FX50 cùng G37.
Hình 2.11: Bố trí bộ truyền động lái ở trục sau của BMW 5 (BMW 1991/2008)
2.5.1 Bộ truyền động trung tâm so với bộ truyền động một bánh
Trong các hãng xe như Nissan, Infiniti, BMW và Renault, hệ thống truyền động bánh sau được thiết kế đồng tâm tại trục sau Thiết bị truyền động trung tâm cho phép điều khiển hai bánh xe thông qua một kết nối cứng, đảm bảo rằng các góc lái của cả hai bánh đều giống nhau.
Bộ truyền động trung tâm yêu cầu không gian để di chuyển liên tục từ trái sang phải, nhưng không phải cấu trúc xe nào cũng đáp ứng được điều này Để khắc phục tình huống này, kỹ thuật thiết kế bộ truyền động bánh đơn đã được phát triển như một giải pháp thay thế hiệu quả cho bộ truyền động trung tâm.
Hỡnh 2.12: Thiết bị truyền động một bỏnh của ZFLemfửrder
Giải pháp kỹ thuật với bộ truyền động riêng cho mỗi bánh sau cho phép điều chỉnh độ chụm độc lập, hữu ích trong lắp ráp trục và điều khiển động lực học Tuy nhiên, sự phức tạp của phương án này, so với thiết bị truyền động trung tâm, là một điểm bất lợi, vì không chỉ cần truyền tải thiết bị mà cả biến cảm và thiết bị điện tử cũng phải được cài đặt hai lần.
Để duy trì sự liên kết giữa các góc chỉ đạo và đảm bảo điều khiển đồng bộ, cần chú ý đến hệ thống truyền động một bánh, mặc dù nó có chi phí sản xuất cao gấp đôi do độ phức tạp và phần cứng cần thiết Hơn nữa, nguy cơ xảy ra lỗi trong quá trình vận hành trên xe của khách hàng cũng tăng lên, điều này có thể tác động tiêu cực đến chi phí dịch vụ.
Hình 2.13: Cấu tạo hệ thống 4WS điều khiển điện tử
Hệ thống lái bốn bánh điện tử không có kết nối cơ học giữa thiết bị lái phía trước và bộ truyền động lái phía sau Bộ truyền động lái phía sau được điều khiển bởi hộp điều khiển 4WS, nhận tín hiệu từ cảm biến góc vô lăng, cảm biến tốc độ xe và thông tin góc lái phía trước để tính toán và kiểm soát góc lái phía sau.
2.5.2.1 Bộ truyền động phía sau
Hình 2.14 : Cơ cấu lái phía sau
Bộ truyền động phía sau hoạt động giống như một thiết bị lái điện, bao gồm động cơ điện điều khiển thanh răng lái qua cơ cấu vít bi Thanh giằng kết nối bộ truyền động lái với tay lái và trục chính phía sau Lò xo hồi vị trong bộ truyền động giúp đưa các bánh sau về vị trí ban đầu khi có sự cố trong hệ thống lái 4WS Ngoài ra, cảm biến góc bánh sau chính và cảm biến góc bánh sau phụ được gắn trên đỉnh cơ cấu lái phía sau để theo dõi và điều chỉnh hoạt động của hệ thống.
- Các cảm biến đầu vào trong hệ thống:
+ Cảm biến góc bánh sau chính trong bộ truyền động lái sau
+ Cảm biến góc bánh sau phụ trong bộ truyền động lái sau
+ Cảm biến góc vô lăng chính trong cột lái dưới tổ hợp công tắc điện
+ Cảm biến góc lái bánh trước ở giá trước và bánh lái bánh răng
+ Cảm biến tốc độ bánh sau
+ Cảm biến tốc độ xe thông thường (VSS)
2.5.2.2 Cảm biến vị trí góc lái chính phía trước
Hình 2.15: Vị trí cảm biến góc lái phía trước
Cảm biến vị trí góc lái phía trước (SWPS) được lắp đặt ở đầu dưới của cần tay lái và hoạt động thông qua việc xoay trục lái Cảm biến này cung cấp tín hiệu analog cùng với ba tín hiệu số cho mô-đun điều khiển, trong khi mô-đun điều khiển cung cấp tín hiệu tham chiếu 5 V cho cảm biến.
Cảm biến vị trí góc lái phía trước sử dụng chiết áp để gửi tín hiệu điện áp tương tự đến BCM, phản ánh vòng quay của vô lăng Tín hiệu này dao động từ 0,25 V khi tay lái quay sang trái đến 4,75 V khi quay sang phải, với mức trung tâm là 2,5 V Khi vô lăng quay hơn một vòng sang trái, tín hiệu của cảm biến không thay đổi BCM sẽ chuyển tiếp tín hiệu điện áp này đến cảm biến thông qua các liên kết dữ liệu loại 2 đến mô-đun điều khiển tay lái bánh sau.
Hình 2.16: Cảm biến vị trí góc lái phía trước
Chế độ hoạt động của hệ thống lái 4WS
- Chế độ rẽ, vào cua ở tốc độ thấp
Hình 2.28: Hai bánh ngược chiều
Hệ thống lái 4 bánh hoạt động dựa trên việc đánh lái và tốc độ của xe, sử dụng cảm biến góc đánh lái và cảm biến tốc độ để truyền tín hiệu về bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý này điều khiển 2 bánh sau, tạo ra góc lái phù hợp với từng điều kiện vận hành của xe.
Khi xe di chuyển dưới tốc độ 40 km/h, hệ thống sẽ điều khiển bánh sau đánh lái ngược chiều với bánh trước, giúp xe chuyển hướng linh hoạt hơn ở những khúc cua gắt và trong các ngõ hẹp Tùy thuộc vào tốc độ, bánh sau có khả năng bẻ lái
- Chế độ rẽ, vào cua ở tốc độ cao
Hình 2.29: Hai bánh cùng chiều
Khi xe đạt tốc độ trên 40 km/h, bộ xử lý trung tâm nhận tín hiệu từ cảm biến góc đánh lái và cảm biến tốc độ, sau đó xử lý thông tin và truyền tín hiệu đến cơ cấu lái phía sau Điều này giúp điều khiển hai bánh sau cùng chiều với bánh trước, giảm hiện tượng thừa lái và tăng cường khả năng chuyển hướng, giúp xe ổn định và an toàn hơn khi tránh chướng ngại vật.
Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng
- Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng giúp xe tăng độ ổn định khi vào cua
- Hệ thống điều khiển nhanh và nhạy sẽ cho phép lái nhẹ nhàng hơn
- Bán kính quay vòng nhỏ và linh hoạt ở tốc độ thấp
- Kiểm soát tốt hơn khi xe chạy ở tốc độ cao
- Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng có thể điều khiển bằng điện tử hoặc thủy lực
- Ở tốc độ chậm, bánh sau di chuyển ngược chiều của các bánh trước Điều này giúp cho việc đậu xe dễ dàng hơn
Nhược điểm hệ thống lái bốn bánh
- Hệ thống lái bốn bánh khá đắt tiền do chúng có nhiều thành phần cấu tạo hơn so với hệ thống lái hai bánh
Hệ thống có khả năng hư hỏng cao do được cấu tạo từ nhiều thành phần, đặc biệt là các linh kiện điện tử Chỉ cần một thành phần nhỏ gặp sự cố, toàn bộ hệ thống sẽ ngừng hoạt động.
- Mất nhiều thời gian và chi phí sửa chữa nếu như hệ thống bị hư.
Ảnh hưởng của hệ thống lái bốn bánh đối với động lực học của xe
Nhằm nâng cao sự nhanh nhẹn và khả năng điều khiển, các phát minh mới không chỉ tập trung vào tốc độ mà còn cải thiện phản ứng kích hoạt và độ ổn định của xe khi lái Hệ thống lái bốn bánh cơ khí điều chỉnh góc lái của bánh sau 𝛿 ℎ dựa trên góc lái của bánh trước 𝛿 𝑣 hoặc góc của tay lái, góp phần vào hiệu suất lái xe tốt hơn.
Hệ thống lái tất cả các bánh xe được điều khiển điện tử đầu tiên cho phép điều chỉnh góc lái của bánh sau 𝛿 ℎ dựa trên tốc độ di chuyển của ô tô và góc lái của bánh trước 𝛿 𝑣 hoặc góc tay lái 𝛿 𝐻.
Trong quá trình phát triển, hệ thống lái bánh sau đã được cải tiến bằng cách tích hợp hệ thống lái tất cả các bánh vào chương trình ổn định điện tử của xe, nhờ vào các cảm biến hợp lý theo dõi tốc độ, gia tốc dọc và ngang.
Các chất lượng động học của hệ thống lái bốn bánh
Tỉ số truyền của hệ thống lái tất cả các bánh, được ký hiệu là 𝑘 𝑝, được xác định bằng thương số giữa góc lái ở bánh sau và góc lái ở bánh trước.
- Đối với hệ thống lái tất cả các bánh, hai nguyên tắc hoạt động thường được phân biệt: hướng song song và lái theo hướng ngược lại
Hình 2.30 : Đánh lái hướng ngược lại: 𝑘 𝑝 < 0, lái hướng song song: 𝑘 𝑝 > 0
Khi đánh lái ngược chiều với 𝑘 𝑝 < 0, bánh sau của xe quay ngược lại với bánh trước, khiến trọng tâm của xe di chuyển về phía trước Hiện tượng này tạo ra hiệu ứng rút ngắn chiều dài cơ sở của xe.
Vòng cua thu hẹp lại, trục sau của xe di chuyển trên quỹ đạo khác, điều này làm cho chiếc xe trở nên nhẹ nhàng và nhanh hơn
Khi bánh sau được đặt cùng chiều với bánh trước và với điều kiện 𝑘 𝑝 > 0, trọng tâm của phương tiện sẽ di chuyển về phía sau, dẫn đến sự ổn định tăng cường nhờ vào sự mở rộng ảo của chiều dài cơ sở.
Hình 2.31: Sự thay đổi của vòng cua và sự thay đổi ảo của chiều dài cơ sở
- Khi bánh xe sau đánh lái ngược với bánh trước thì nó sẽ rút ngắn chiều dài cơ sở ảo
- Làm giảm bán kính góc cua
- Khi bánh xe sau cùng chiều với bánh xe trước thì nó sẽ mở rộng chiều dài cơ sở ảo.[6]
Ảnh hưởng của hệ thống lái tất cả các bánh đối với các điểm đặc biệt của xe không chuyển động
Hệ thống lái tất cả các bánh ảnh hưởng đáng kể đến các tính năng đặc biệt của xe khi không chuyển động, đặc biệt trong việc thảo luận về chuyển động lái vòng tròn ở trạng thái ổn định Gia tốc bên tối đa có thể đạt được gần như tương đương giữa xe có và không có hệ thống này, nhưng sự khác biệt nổi bật nằm ở sự phát triển của góc trượt bên của xe.
Hình 2.32: Thay đổi góc trượt bên của xe có hệ thống lái tất cả các bánh (phạm vi gia tốc từ giữa đến cao hơn)
Nếu 𝑘 𝑝 > 0, góc trượt trong của xe sẽ giảm khi kích thước góc lái tăng Trong nhiều ứng dụng trước đây, 𝑘 𝑝 được lựa chọn sao cho góc trượt lý thuyết luôn bằng không, vì điều này đảm bảo trạng thái lái ổn định.
Ảnh hưởng của hệ thống lái tất cả các bánh đối với các điểm đặc biệt của xe không cố định
Hệ thống lái bốn bánh ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng lái xe không cố định, điều này sẽ được phân tích qua việc kiểm tra các đặc điểm phản ứng khi thực hiện chuyển góc lái và khi chuyển làn.
Hình 2.33: Phản ứng của xe đối với góc lái cố định, bên trái 𝑘 𝑝 > 0, bên phải 𝑘 𝑝 < 0
Hình 2.33 minh họa rằng khi một đầu vào lái động, như bước nhảy của góc lái, được thực hiện nhanh chóng và ổn định, lực bên tại trục trước và trục sau sẽ được tạo ra, giảm thiểu phản ứng chệch hướng của xe Điều này dẫn đến tốc độ chệch hướng tăng chậm hơn trong khi gia tốc ngang tăng nhanh hơn, với hàm truyền của góc lái sang gia tốc bên có độ lệch pha thấp hơn Ngược lại, góc lái đối diện ở bánh sau tạo ra lực bên theo hướng ngược lại, làm giảm độ lệch và gia tốc bên ban đầu Kết quả là khả năng lái của xe trở nên nhanh nhẹn hơn, đặc biệt trong dải tốc độ thấp.
Hình 2.34: Mô phỏng chuyển động theo ISO (kp > 0), hệ thống lái tất cả các bánh màu xanh, hệ thống lái thông thường màu vàng
Thao tác thay đổi làn đường là một yếu tố quan trọng trong việc cải thiện khả năng lái xe, với hệ thống lái bốn bánh mang lại sự ổn định và kiểm soát tốt hơn Góc trượt bên dưới thể hiện rõ ràng, cho thấy sự khác biệt trong góc trượt bên trong khi thực hiện thao tác này, đặc biệt là ở làn thứ ba Tốc độ ngang và gia tốc ngang cũng trở nên ổn định hơn qua từng giai đoạn, so với góc vô lăng.
Kết hợp hệ thống lái bánh sau với hệ thống lái ở bánh trước
Hệ thống lái tất cả các bánh cho phép tự chọn, với khả năng điều chỉnh góc lái của bánh sau, phụ thuộc vào tốc độ lái và góc lái của bánh trước, mang lại nhiều ứng dụng hữu ích trong việc cải thiện khả năng điều khiển và ổn định của xe.
Hình 2.35: Hệ thống lái chủ động trên BMW 5 (2010)
Khi góc trượt bên được điều chỉnh bằng cách chọn 𝑘 𝑝 bằng 0, xe sẽ trượt nhiều hơn so với trường hợp không có hệ thống lái tất cả các bánh Các ô tô bốn bánh có góc lái thẳng hàng khi di chuyển với tốc độ cao sẽ cho thấy xu hướng giảm tốc rõ rệt Ngoài việc xem xét các đặc tính của xe đứng yên, cần phải hoàn thiện khả năng lái với sự hỗ trợ từ bánh sau Nếu xe đứng yên có đặc tính lái nhạy cảm với tốc độ không thay đổi, thì tỷ số cầu trước cũng cần phải nhạy cảm với tốc độ.
BMW đã tiên phong giới thiệu hệ thống lái tất cả các bánh vào năm 2008 với "Hệ thống lái chủ động tích hợp, IAS", đáp ứng tốt các yêu cầu về hiệu suất và điều khiển Hình 2.35 minh họa các thành phần của hệ thống lái chủ động tích hợp trên mẫu xe BMW 5.
Hệ thống lái trợ lực cơ điện 42 được tích hợp với hệ thống lái ở cầu trước, trong khi ở trục sau áp dụng hệ thống lái bánh sau cơ điện với các điểm kích hoạt nằm ở bộ phận vận chuyển trung tâm Tuy nhiên, ECU trong quản lý khung gầm tích hợp không được hiển thị.
Nissan đã giới thiệu hệ thống lái 4WAS cho Infinity G37 từ năm 2007, kết hợp giữa hệ thống lái cầu trước và cầu sau Hệ thống 4WAS mang lại sự phối hợp đánh lái đồng bộ giữa cầu trước và cầu sau ở tốc độ cao, trong khi ở tốc độ thấp, hệ thống lái bánh sau giữ nguyên vị trí, giúp cải thiện khả năng điều khiển và ổn định của xe.
Hình 2.36: Tính trung lập tĩnh tại của hệ thống lái chủ động tích hợp
Hệ thống lái bốn bánh cho phép người lái điều chỉnh các góc lái ở cả hai trục một cách độc lập, mang lại sự linh hoạt trong việc điều khiển Khi bánh sau quay ở tốc độ thấp, hệ thống điều khiển chủ động tăng cường sự chính xác của chuyển động theo hướng, giúp cải thiện tính nhanh nhẹn Sự rút ngắn ảo của chiều dài cơ sở góp phần nâng cao chất lượng động học, làm cho việc lái xe trở nên dễ dàng hơn, đặc biệt là trong các góc hẹp nhờ tỉ số truyền tối ưu của hệ thống lái.
Khi tốc độ vượt quá 50 km/h, bánh sau sẽ quay thẳng hàng với bánh trước, dẫn đến việc góc lái ổn định liên tục tăng theo tốc độ và góc tay lái Nhu cầu về góc lái cao hơn được bù đắp bởi hệ thống lái ở trục trước Hệ thống lái tất cả các bánh được áp dụng để so sánh bán kính vào cua của ô tô có hệ thống lái thông thường với ô tô có hệ thống lái chủ động tích hợp Từ đó, tính trung lập của hệ thống lái chủ động tích cực được xác định.
Góc lái được điều chỉnh từ từ đến giới hạn tối đa của gia tốc, với sự phối hợp giữa hệ thống lái bánh sau và bánh trước để tăng tốc độ bên trong, tương tự như mô hình cơ sở Điều này đảm bảo lợi ích về sự ổn định khi lái xe Với gia tốc ngang 8 m/s², góc trượt trong của xe ô tô sử dụng hệ thống lái chủ động nhỏ hơn một nửa so với hệ thống lái thông thường.
Hình 2.37: Hệ thống lái chủ động tích hợp trong BMW 750i
Beta (cơ sở) góc trượt bên β và STWA (cơ sở) góc vô lăng 𝛿 𝐻 là các thông số quan trọng của xe có hệ thống lái thông thường Độ lệch (cơ sở) tốc độ nghiêng ψ cũng là một yếu tố cần xem xét trong việc đánh giá hiệu suất lái của xe.
Beta (IAS) là góc trượt bên β của xe với hệ thống lái chủ động tích hợp; STWA (IAS) là góc vô lăng 𝛿 𝐻 của xe với hệ thống lái chủ động tích hợp; YAW (IAS) là tốc độ nghiêng ψ của xe với hệ thống lái chủ động tích hợp.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI
Các thông số của hệ thống lái
Bảng 3.1: Các thông số tính toán
STT Tên gọi Giá trị Đơn vị
1 Chiều dài cơ sở của xe (L) 1200 mm
2 Chiều dài đòn quay đứng l mm
3 Khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng (B) 591 mm
4 Chiều dài thanh kéo 573 mm
5 Tải trọng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng khi toàn tải
6 Góc doãng bánh xe dẫn hướng Độ
7 Độ chụm bánh xe dẫn hướng c mm
8 Góc nghiêng ngang trụ quay đứng β Độ
9 Góc nghiêng dọc trụ quay đứng γ Độ
11 Bán kính vô lăng 180 mm
12 Tỷ số truyền của cơ cấu lái 18
13 Bán kính quay vòng 2400 mm
15 Khoảng cách từ trục trước đến trọng tâm xe a1 mm
16 Khoảng cách từ trục sau đến trọng tâm xe a2 mm
3.1.1 Xác định mômen quay vòng và lực lái lớn nhất
Lực đặt lên vành lái khi ôtô quay vòng tại chỗ đạt giá trị cực đại do mômen cản quay vòng Mômen cản quay vòng trên một bánh xe dẫn hướng Mc bằng tổng của mômen cản lăn M1, mômen ma sát giữa bánh xe và mặt đường M2, cùng với mômen ổn định M3 do các góc đặt của bánh xe và trụ đứng gây ra.
Mô men cản chuyển động M1:
Trong đó: Gbx- Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng
Thay số ta được: Gbx )00 N f- Hệ số cản lăn: f= 0,015 c- Cánh tay đòn.c= 0,03 m
Thay số vào công thức (3.2) ta được: M 1 )00.0,015.0,03=1,305 (Nm)
Hình 3.1: Đặc điểm lực ngang tác dụng lên bánh xe khi quay vòng
Khi lực ngang Y tác động lên bánh xe, sự đàn hồi của lốp sẽ làm cho diện tích tiếp xúc giữa lốp và mặt đường quay tương đối với mặt phẳng bánh xe Điểm tác dụng của lực Y sẽ dịch chuyển một đoạn x về phía sau trục bánh xe, với x bằng một phần tư chiều dài bề mặt tiếp xúc giữa lốp và đường.
Ta có: x = 0,5√x 2 − r 2 bx (3.4) Trong đó: r- bán kính tự do của bánh xe dẫn hướng
Thay số vào (3.5) ta được: r=((550+19.25,4)/2)= 516.3 mm rbx - bán kính làm việc của bánh xe, rbx = 0,96.r
Thì mô men cản M2 do ma sát giữa bánh xe và mặt đường:
Thay số vào (3.6) ta được: M2=0,7.2900.0,07226,566 (Nm)
Trong đó: 1 – Hệ số bám ngang
Y- Lực ngang tổng hợp; x- Độ dịch về phía sau của điểm đặt lực ngang tổng hợp so với tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp với mặt đường do sự đàn hồi bên của lốp gây ra
- Tổng mô men cản quay vòng ở cả hai bánh xe dẫn hướng : (3.6)
M c = 2(M 1 + M 2 ) γ η = 2G bx (fc + 0.14φr) γ η (3.7) Thay số vào (3.7): M c = 2(1,305+146,566).1.0716.4 (Nm) γ- Hệ số tính đến ảnh hưởng của M 3 gây ra do cầu trước ô tô bị nâng lên, γ = 1.07 ÷
- Lực cực đại tác dụng lên vô lăng được xác định theo công thức:
Tỉ số truyền cơ cấu lái được tính là i ω với giá trị i ω 60/20= 18, trong khi tỉ số truyền của dẫn động lái là i d = 0,986 Hệ số γ được sử dụng để tính đến ảnh hưởng của M 3, do cầu trước ô tô bị nâng lên.
= 1.07 ÷ 1.15 ηt - Hiệu suất thuận cơ cấu lái = 0,75
R - Bán kính của vành tay lái R= 0,18 (m) [1]
3.1.2 Tính động học hình thang lái
Hình 3.2: Quan hệ giữa góc quay của các bánh xe dẫn hướng
Muốn ô tô quay vòng mà không bị trượt thì điều quay vòng: cotgβ = OD ̅̅̅̅̅
Thay số vào (3.10) cotgβ− cotgα= 591
1200 = 0.4925 Trong đó: β: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong α: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài
L: chiều dài cơ sở của ô tô
B: Khoảng cách giữa tâm của các ngỗng quay
Trường hợp khi xe đi thẳng:
Hình 3.3: Sơ đồ hình thang lái khi xe đi thẳng
Từ sơ đồ hình tháng lái trên hình ta có thể tính được mối quan hệ giữa các thông số theo các biểu thức sau:
𝑝 √𝑝 2 − (𝑦 − 𝑚 sin 𝜃) 2 (3.13) Thay vào (3.13) ta được:
Trường hợp khi xe quay vòng:
Hình 3.4: Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vòng
Từ sơ đồ dẫn động trên hình ta có mối quan hệ của các thông số theo quan hệ sau :
Từ quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:
𝐵𝐶 2 = 𝐴𝐶 2 + 𝐴𝐵 2 − 2 𝐴𝐵 𝐴𝐶 cos 𝜓 (3.17) Thay vào biểu thức trên ta có: cos 𝜓 =𝐴𝐶 2 + 𝐴𝐵 2 − 𝐵𝐶 2
Từ mối quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:
Từ (3.18) và (3.19) thay vào (3.21) ta có biểu thức:
3.1.3 Động lực học quay vòng của hệ thống lái 4WS
Khi xe vào đường vòng, để tránh tình trạng trượt lết hoặc trượt quay của các bánh xe dẫn hướng, các đường vuông góc với vectơ vận tốc của tất cả các bánh xe cần phải giao nhau tại điểm O Điểm O này được gọi là tâm quay vòng tức thời của xe, nơi mà các trục bánh xe kéo dài cắt nhau.
3.1.3.1 Hai bánh quay cùng chiều
Hình 3.5: Mô phỏng xe quay vòng 2 bánh quay cùng chiều
Hình 3.6: Mô hình thông số khi xe quay vòng hai bánh quay cùng chiều
- Từ hình 3.5 và hình 3.6 ta có thể suy ra điều kiện để xe không bị trượt khi quay vòng là: cotδ of - cotδ if = w f
L ∙ cotδ of − cotδ if cotδ or − cotδ ir (3.22)
- Các phương trình của hệ thống lái bốn bánh được minh họa qua hình : tanδ if = c 1
R 1 + ( wf 2 ) (3.24) Khi bỏ R1 thì phương trình sẽ là:
Suy ra : cotδ of - cotδ if = w f c 1 (3.27) tanδ ir = c 2
Tương tự, chúng ta bỏ R1 thì phương trình sẽ là:
Suy ra : cotδ or - cotδ ir = w r c 2 (3.32)
Mà: c 1 = w f cotδ of − cotδ if (3.33) c 2 = w r cotδ or − cotδ ir (3.34) Nên: c 1 − c 2 = L (3.35)
Thay công thức (3.33), (3.34) vào công thức (3.35): w f cot δ of − cot δ if - w r cot δ or − cot δ ir =L (3.36)
- Từ đó ta có thể tính toán được bán kính quay vòng của xe trong trường hợp hai bánh xe quay cùng chiều với nhau:
3.1.3.2 Hai bánh quay ngược chiều
δ if và δ of là các góc lái của bánh xe phía trước bên trong và bên ngoài, trong khi δ ir và δ or là góc lái của bánh sau bên trong và bên ngoài Chiều dài cơ sở của xe được ký hiệu là l, với a1 là khoảng cách từ trục trước đến trọng tâm và a2 là khoảng cách từ trục sau đến trọng tâm của xe.
Hình 3.7: Mô phỏng xe quay vòng 2 bánh quay ngược chiều
Hình 3.8: Mô hình thông số khi xe quay vòng hai bánh quay ngược chiều
- Từ hình 3.7 và hình 3.8 ta có thể suy ra điều kiện để xe không bị trượt khi quay vòng là: cotδ of - cotδ if = w f
L ∙ cotδ of − cotδ if cotδ or − cotδ ir (3.38)
- Các phương trình của hệ thống lái bốn bánh được minh họa qua hình : tanδ if = c 1
R 1 + ( 𝑤𝑓 2 ) (3.40) Khi bỏ R1 thì phương trình sẽ là:
Suy ra: cotδ of - cotδ if = w f c 1 (3.43) tanδ ir = c 2
Tương tự ta loại bỏ R1:
Suy ra: cotδ or - cotδ ir = w r c 2 (3.48)
Mà: c 1 = w f cotδ of − cotδ if (3.49) c 2 = w r cotδ or − cotδ ir
Thay công thức (3.49) và (3.50) vào công thức (3.51) ta được:
58 w f cotδ of − cotδ if - w r cotδ or − cotδ ir = L (3.52)
- Từ đó ta có thể suy ra công thức tính bán kính quay vòng trong trường hợp hai bánh xe quay ngược chiều với nhau
Sau khi phân tích hai trường hợp bánh xe quay cùng chiều và ngược chiều, chúng ta có thể xác định các phương trình chung cho cả hai hệ như sau: c1 – c2 = L (3.54), với c1 = w f cotδ of − cotδ if (3.55) và c2 = w r cotδ or − cotδ ir (3.56).
QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
Mô phỏng hệ thống lái bằng phần mềm Solidworks
Tổng công ty Solidworks được thành lập vào tháng 12/1993 bởi Viện Công nghệ Massachusetts của Jon Hirschtick, với mục tiêu phát triển phần mềm CAD 3D dễ sử dụng và giá cả phải chăng trên nền tảng Windows Sau khi chuyển trụ sở từ Concord, Massachusetts, Solidworks đã ra mắt sản phẩm đầu tiên, Solidworks 95, vào năm 1995 Năm 1997, công ty được Dassault, nổi tiếng với phần mềm CATIA, tiếp quản Kể từ đó, Solidworks đã phát triển mạnh mẽ, trải qua 26 phiên bản và hiện nay được coi là phần mềm CAD phổ biến nhất trên thị trường.
4.1.2 Giới thiệu phần mềm SolidWorks
SolidWorks là phần mềm thiết kế 3D chạy trên hệ điều hành Windows, được phát triển bởi Dassault Systèmes SolidWorks Corp từ năm 1997 Hiện nay, phần mềm này đã thu hút hơn 2 triệu kỹ sư và nhà thiết kế, với sự hiện diện tại hơn 165,000 công ty trên toàn cầu.
- Khả năng thiết kế mô hình 3D hoàn hảo
- Tính năng lắp ráp các chi tiết
- Xuất bản vẽ trên phần mềm SolidWorks
- Tính năng gia công trên SolidWorks
- Phân tích động lực học
- Chúng ta có thể tạo 1 file mới bằng 4 cách sau:
1 Nhấp vào New Document tại thanh Task Pane
2 Nhấp vào New tại thanh Menu Bar
3 Để chuột vào mũi tên trên thanh Menu, rồi nhấp vào File New
4 Nhấn tổ hợp phím Ctrl+N
After opening a new file, the New SolidWorks Document dialog box appears This dialog consists of three sections: the Part environment for creating models, the Assembly environment for building assemblies, and the Drawing environment for generating drawings.
Khi bạn nhấn vào môi trường Drawing, bảng Sheet Format/Size sẽ xuất hiện để bạn lựa chọn kích thước giấy Tại đây, hãy chọn khổ A4 và nhấn OK để tiếp tục.
Hình 4.2: Bảng Sheet Format/Size
- Tiếp theo là vẽ khung tên ta dùng Corner Rectangle đễ vẽ hình chữ nhật
Sử dụng lệnh Line để vẽ các đường thẳng và ngang trong khung tên, sau đó áp dụng lệnh Smart Dimension để đo kích thước Bạn chỉ cần nhấp chuột vào điểm bắt đầu và điểm kết thúc, kéo chuột để hiển thị kích thước một cách dễ dàng.
Hình 4.4: Kích thước tiêu chuẩn của khung tên
Sau khi hoàn tất việc vẽ, bạn hãy xuất bản bản vẽ bằng cách nhấn Ctrl + P Tiếp theo, chọn Page Setup, thiết lập kích thước giấy A4 và định dạng nằm ngang (Landscape) Cuối cùng, nhấn OK và lưu tệp dưới dạng PDF.
Hình 4.6: Bản vẽ khung xe
4.1.5 Thiết kế các chi tiết Để thiết kế một chi tiết, ta chọn FileNew hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl + N để mở một File mới Sau đó ta chọn môi trường Part để vẽ, khi vào trong môi trường Part ta chọn Sketch để vẽ Trong Sketch thì có 3 mặt phẳng (Top Plane, Front Plane, Right Plane), ta chọn một mặt phẳng để vẽ Ta dùng các lệnh Line để vẽ các đường thằng, dùng lệnh Circle để vẽ đường tròn, sau đó dùng lệnh Extruded Boss/Base để dựng hình Sau khi vẽ xong, ta tiến hành đo kích thước và xuất bản vẽ bằng cách nhấn Ctrl + P, chọn Page Setup và chọn size khổ giấy A4 tích vào mục Landscape để khổ giấy nằm ngang và chọn OK
Hình 4.7: Bản vẽ chi tiết cùm moay-ơ
Moay-ơ là bộ phận quan trọng trong hệ thống bánh xe ô tô, liên kết bánh xe với khung xe để đảm bảo hoạt động hiệu quả Vòng bi moay-ơ giữ vai trò kết nối bánh xe với moay-ơ, giúp duy trì sự cân bằng cho xe Nhờ đó, xe di chuyển êm ái và an toàn hơn.
Thanh răng liên kết trực tiếp với bánh răng và 2 đầu thanh răng nối với thanh dẫn động
Có chức năng chính chuyển đổi chuyển động xoay của bánh răng thành chuyển động thẳng, tăng khả năng giảm tốc, ổn định góc quay vô lăng.
Hình 4.8: Bản vẽ chi tiết thanh răng
Hình 4.9: Bản vẽ thanh dẫn động
Thanh dẫn động kết nối với đầu thanh răng trên trục quay, giúp chuyển đổi chuyển động quay của vô lăng thành chuyển động tịnh tiến cần thiết để xoay góc bánh xe khi đánh lái Cơ cấu hình học của các thanh dẫn động lái đảm bảo rằng các bánh xe phía bên trong quay nhiều hơn so với các bánh xe phía ngoài.
Hình 4.10: Bản vẽ bánh răng
Bánh răng tròn được kết nối với trục tay lái, khi xoay vô lăng, bánh răng quay và kéo theo thanh răng Thanh nối ở đầu răng gắn trực tiếp với cánh tay đòn trục xoay, giúp chuyển đổi chuyển động của vành tay lái thành chuyển động thẳng để điều chỉnh hướng xe, giảm tốc và tăng lực, từ đó giúp bánh xe chuyển hướng dễ dàng và chính xác.
Hinh 4.11 Bản vẽ ro-tuyn lái
Ro-tuyn lái bao gồm hai loại: ro-tuyn lái trong và ro-tuyn lái ngoài Ro-tuyn lái trong giống như cánh tay đòn, với một đầu cơ động có khả năng xoay tròn để kết nối với thước lái, trong khi đầu còn lại của ro-tuyn lái ngoài gắn vào ngỗng moay-ơ Bộ phận này có vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng và điều khiển bánh xe, đảm bảo chuyển động linh hoạt và êm ái nhờ lớp cao su bảo vệ trục khớp bên trong.
Sau khi nhận truyền động từ ro-tuyn lái trong, ro-tuyn lái ngoài sẽ chuyển đổi thành các cử động điều khiển moay-ơ qua đầu ro-tuyn gắn vào moay-ơ Sự liên kết chặt chẽ giữa ro-tuyn lái ngoài và ro-tuyn lái trong đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru, giúp bánh xe dễ dàng chuyển hướng theo ý muốn.
4.1.6 Lắp ráp các chi tiết
- Đầu tiên chúng ta mở một File mới bằng cách ấn Ctrl + N, sau đó chọn môi trường
Assembly và nhấn OK Môi trường Assembly là môi trường lắp ghép các chi tiết lại với nhau
Trong môi trường Assembly này có các mối lắp ghép:
Coincident: Cho phép 2 mặt phẳng tiếp xúc với nhau
Parallel: Cho phép ghép hai mặt phẳng song song và cách nhau một khoảng d
Perpendicular: Cho phép ghép hai mặt phẳng vuông góc với nhau
Tangent: Cho phép ghép hai bề mặt tiếp xúc với nhau
Concentic: Cho phép hai bề mặt cong, côn đồng tâm với nhau
Hình 4.13: Các mối ghép trong SolidWorks
Để chọn các file chi tiết lắp ghép, bạn chỉ cần nhấn vào nút Browse, sau đó tìm và chọn các file chi tiết mong muốn Bạn có thể chọn nhiều chi tiết cùng lúc bằng cách giữ phím Ctrl và chọn các file cần thiết, rồi nhấn OK để xác nhận.
Hình 4.14: Các chi tiết cần lắp ghép
Để di chuyển các đối tượng trong phần mềm, bạn cần nhấn chuột vào đối tượng và kéo đến vị trí cần lắp ghép, sau đó chọn Mate và kích vào bề mặt cần lắp Để lắp cùm moay-ơ vào khung, hãy chọn Mate, chọn bề mặt lắp ghép và sử dụng mối lắp ghép Concentric để hai mặt tròn tiếp xúc với nhau Tiến hành tương tự với ba chi tiết còn lại Sau khi hoàn tất việc lắp moay-ơ vào khung xe, tiếp tục lấy các chi tiết khác để thực hiện lắp ghép.
Hinh 4.15: Lắp cùm moay-ơ vào khung xe Chọn Insert ComponentsBrowse để lấy chi tiết lắp ghépnhấn Open để thả chi tiết ra môi trường Assembly Tiếp theo là lắp thanh răng vào khung xe, ta chọn Matechọn mối ghép Tangent để cho mặt lưng của thanh răng tiếp xúc với bề mặt của khung xe Sau khi hai mặt phẳng tiếp xúc với nhau, chọn Matechọn phần mặt dưới của thanh răng để tiếp xúc với phần khung xe để chúng ghép lại với nhau Sau khi lắp xong thanh răng, ta bắt đầu cho bánh răng ăn khớp với thanh răng bằng cách chọn MateMechanicalRack Pinion và chọn mặt tiếp xúc của bánh răng và thanh răng
Hình 4.16: Lắp thanh răng, bánh răng và thanh dẫn động lái