Hệ thống lái trợ lực điện trên xe toyota vios xây dựng, thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện ô tô

Cùng với sự phát triển của xã hội thì ngành công nghiệp ô tô đã có những thay đổi về mặt kĩ thuật. Việc đi xe không những đáp ứng tính phương tiện đi lại mà còn phải đáp ứng đầy đủ tính tiện nghi, an toàn cho con người, dễ chăm sóc sửa chữa, bảo dưỡng. Cũng vì thế mà hệ thống lái ngày càng được cải tiến, tiêu chuẩn về thiết kế nghiêm ngặt hơn. Luận văn này nghiên cứu sự phát triển hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô giúp người lái giảm được sức khi đánh lái, từ đó giảm mệt mỏi cho người lái và tăng tính an toàn khi tham gia giao thông giúp giảm thiểu những tai nạn. Vì thế qua đề tài chúng em rất mong sẽ củng cố được những kiến thức về hệ thống lái, hệ thống lái trợ lực điện. Bố cục luận văn gồm 5 chương sau: Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Giới thiệu về hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios Chuong 4 : Chẩn đoán và bảo dưỡng Chương 5: Xây dựng mô hình thực tế

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM

Lớp : CO18D Khóa : 2018-2023 Chuyên ngành: Cơ khí ô tô

Tp Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2023

Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Thức đã luôn đồng hành, tận tình giúp đỡ, sửa lỗi cho chúng em trong thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Tuy thời gian làm đề tài tốt nghiệp là có hạn nhưng nó là khoảng thời gian quý giá giúp chúng em ôn tập lại những kiến thức đã được các thầy cô truyền dạy, bên cạnh đó tích lũy thêm nhiều kiến thức bổ ích mới

Trong quá trình làm đề tài, do hạn chế về kinh nghiệm và trình độ chuyên môn, thời gian thực hiện có thể có những sai sót là không thể tránh khỏi nên chúng em rất mong sẽ nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện Trần Quốc Việt

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Cùng với sự phát triển của xã hội thì ngành công nghiệp ô tô đã có những thay đổi về mặt kĩ thuật.Việc đi xe không những đáp ứng tính phương tiện đi lại mà còn phải đáp ứng đầy đủ tính tiện nghi, an toàn cho con người, dễ chăm sóc sửa chữa, bảo dưỡng Cũng vì thế mà hệ thống lái ngày càng được cải tiến, tiêu chuẩn về thiết kế nghiêm ngặt hơn

Luận văn này nghiên cứu sự phát triển hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô giúp người lái giảm được sức khi đánh lái, từ đó giảm mệt mỏi cho người lái và tăng tính an toàn khi tham gia giao thông giúp giảm thiểu những tai nạn

Vì thế qua đề tài chúng em rất mong sẽ củng cố được những kiến thức về hệ thống lái, hệ thống lái trợ lực điện

Bố cục luận văn gồm 5 chương sau:

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Giới thiệu về hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios

Chuong 4 : Chẩn đoán và bảo dưỡng

Chương 5: Xây dựng mô hình thực tế

2.1.1 Tỷ số truyền động học và tỷ số truyền lực của dẫn động 5

2.5.1 Công dụng của hệ thống lái có trợ lực 17

2.7.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực 19

2.8.2 Nguyên lý làm việc chung của hệ thống lái trợ lực điện 22

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN XE

CHƯƠNG 4: CHẨN ĐOÁN, BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA HỆ THỐNG LÁI TRỢ

4.2 Quy trình tháo lắp – kiểm tra – sửa chữa hệ thống lái trợ lực điện trên trục lái 43

4.4.1 Quy trình tháo lắp – kiểm tra – sửa chữa hệ thống lái trợ lực điện trên thước

4.5 Một số hư hỏng và biện pháp khắc phục 59

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Giới thiệu về hệ thống trợ lực lái điện trên xe Toyota Vios

Hình 3.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống lái điện trợ lực trên trục lái 26

Hình 3.7 Vị trí lắp, cấu trúc và đặc tính của cảm biến mo-men lái loại lõi

Hình 3.8 Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến mo-men loại lõi

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý xung của cảm biến mo-men lai loại 4 vành dây 31

Hình 3.20 Tín hiệu đầu ra của cảm biến tốc độ bánh xe loại cảm biến từ 37

Hình 3.23 Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển mô tơ trợ lực lái theo

Chương 4: Chẩn đoán, bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống lái trợ lực điện

Chương 5: Xây dựng mô hình thực tế

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Quy trình tháo lắp hệ thống lái trợ lực điện trên trục lái 43

Bảng 4.7 Bảng điện trở tiêu chuẩn của chân giắc chẩn đoán DLC3 56

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ECU ( Electronic Control Unit ) – Bộ điều khiển điện từ

EPS ( Electronic Power Steering ) – Hệ thống lái trợ lực điện

HPS ( Hydraulic Power Steering ) – Hẹ thống lái trợ lực thủy lực

DTC ( Diagnostic Trouble Code ) – Mã chẩn đoán hư hỏng

DLC ( Data Link Connector ) – Giắc cắm kết nối dữ liệu

CAN ( Controller Area Network ) – Vùng mạng điều khiển

Đk – Điều khiển

Cb – Cảm biến

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tp HCM, Ngày Tháng Năm 2023

Giảng viên hướng dẫn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay ngành công nghiệp ô tô phát triển một cách nhanh chóng Do đó ô tô

đã và đang trở thành phương tiện thiết yếu của đời sống Vì thế nhu cầu sử dụng ô tô ngày càng caokéo theo đó là nhu cầu về sự tiện nghi, sự an toàn đặt lên hàng đầu và

dễ dàng sử dụng 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 ích của xe

Vì vậy việc nghiên cứu và cải thiện trên ô tô là mục tiêu, là hoạt động đang diễn

ra liên tục không ngừng nghỉ của tất cả các nhà sản xuất ô tô trên thế giới Hệ thống lái trên ô tô là hệ thống quan trọng đảm bảo an toàn chuyển động của xe Việc nghiên cứu phát triển hệ thống lái sẽ giúp nâng cao hiệu quả lái xe an toàn và tiện nghi Điển hình

là phát triển hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô giúp người lái giảm được sức khi đánh lái, từ đó giảm mệt mỏi cho người lái và tăng tính an toàn khi tham gia giao thông Cùng với nhu cầu áp dụng hệ thống lái trợ lực điện tăng cao vì nó có thiết kế gọn nhẹ (giảm bớt một số bộ phận), hoạt động chính xác đáp ứng với điều kiện vận hành cụ thể, dựa trên những tín hiệu thu thập từ cảm biến

Trên cơ sở những kiến thức đã được học ở trường, cộng với sự tìm tòi, học hỏi những kiến thức mới Nhóm 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 những lợi ích hệ thống lái trợ lực điện mang lại, cũng như mang đề tài này phục vụ cho quá trình học tập

Vì những lý do trên em chọn đề tài “Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios Xây dựng, thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện ô tô ” để làm đề tài tốt nghiệp

1.2 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới

- Vào năm 1876 hệ thống trợ lực tay lái đầu tiên được lắp đặt trên ô tô bởi một người thợ máy được biết đến với tên Fitts, nhưng có khá ít người biết đến ông ấy Thế

hệ tiếp theo đã được bố trí trên một chiếc xe tải hiệu Colombia tải trọng 5 tấn

- Robert E Twyford, một cư dân ở thành phố Pittsburgh, bang Pennsylvania Hoa

Kì đã đăng kí bằng sáng chế cho cơ cấu trợ lực cơ khí vào tháng 4 năm 1900 (bằng sáng chế số 646.477 U.S) và sử dụng nó trên chiếc xe đầu tiên có hệ thống dẫn động toàn phần

- Chrysler giới thiệu hệ thống trợ lực tay lái đầu tiên dành cho một mẫu xe khách thương mại vào năm 1951 - chiếc Chrysler Imperial, nó được đặt tên “Hydraguide”

Hệ thống của Chrysler dựa trên một vài bằng sáng chế hết hạn của Davis Cho đến năm 1952, General Motors mới trình làng mẫu Cadillac có hệ thống trợ lực tay lái tạo nên từ những gì mà Davis đã hoàn thành tại công ty từ trước đó gần 20 năm

- Năm 1958, Charles F Hammond làm việc ở hãng Detroit đã đăng kí một vài bằng sáng chế cho việc cải tiến hệ thống trợ lực lái với Văn phòng sở hữu trí tuệ Canada

- Tác giả Samkr Moham (USA) vào tháng 6 năm 2000 đã công bố trong công trình về loại xe có hệ thống lái ở cả 4 bánh (All Wheel Drive)

1.3 Tình hình nghiên cứu trong vùng ASEAN và trong nước

Trong công tác nghiên cứu, những năm gần đây cũng đã có một số cán bộ khoa học công nghệ đi sâu nghiên cứu các hệ thống ô tô đặc biệt là hệ thống lái và hệ thống phanh Nhóm các cán bộ nghiên cứu của các trường Đại học cũng đã có nhiều nỗ lực ứng dụng các phần mềm chuyên dụng như Alaska 2.3, Sap 90, Simulink trong quá trình nghiên cứu ô tô Ở Việt Nam chúng ta đang ở trong giai đoạn xây dựng nền công nghiệp ô tô ở giai đoạn lắp ráp và tiến hành chương trình nội địa hóa các cụm chi tiết

và phụ tùng ô tô xe máy Trong đó cũng có một số công trình nghiên cứu đã được công

bố như:

 Thạc sĩ Lê Thanh Nhàn [9] nghiên cứu thiết kế chế tạo ECU điều khiển

trợ lực lái điện (tháng 10 năm 2008)

Nội dung nghiên cứu chủ yếu của đề tài:

+ Đề tài đã giới thiệu một cách khái quát các hệ thống lái điều khiển trợ lực, đặc tính và các trường hợp khi hệ thống hoạt động thực tế, qua đó người thực hiện đã lập trình và xử lý các tình huống để có được hệ thống lái an toàn và tiện lợi

+ Giới thiệu tổng quan về vi điều khiển và ngôn ngữ lập trình Assembly, các ứng dụng vi điều khiển trong việc hiển thị thông tin trên LCD, các mạch chuyển đổi tín hiệu và các mạch điều khiển, trên cơ sở đó lựa chọn các linh kiện điện tử thông dụng trên thị trường Việt Nam để thiết kế mạch điều khiển trợ lực lái điện Đồng thời đề tài

đã xây dựng được sơ đồ khối điều khiển, lưu đồ thuật toán điều khiển, lập trình phần mềm nạp vào vi điều khiển và chế tạo thành công mạch điều khiển trợ lực lái điện + Sau khi chế tạo hoàn thiện đã tiến hành thử nghiệm trên mô hình, tuy nhiên do hạn chế về thời gian và là hệ thống mới hiện nay rất ít xe có nên việc thử nghiệm thực

tế vẫn chưa thực hiện được

Tuy nhiên, đề tài chỉ tập trung ứng dụng vi điều khiển và các đặc tính làm việc của hệ thống lái trợ lực điện để thiết kế hộp ECU điều khiển Do đó, đề tài còn hạn chế trong việc ứng dụng vào giảng dạy chuyên ngành hay điều khiển thay đổi các thông số làm việc của hệ thống Ngoài ra, đề tài chỉ ứng dụng cho một loại ô tô cụ thể là Suzuki, chưa ứng dụng được nhiều cho các hãng xe khác

 Thạc sĩ Trần Văn Lợi [10] nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lái không trục lái (tháng 10 năm 2010) :

Nội dung nghiên cứu của đề tài:

+ Ứng dụng phần mềm LabVIEW để điều khiển cơ cấu lái không thông qua trục lái

+ Tạo cảm giác lái của mô hình xác thực với cảm giác lái của hệ thống lái thực tế trên ô tô

+ Thiết kế mô hình với bánh xe dẫn hướng không tiếp xúc với mặt đường

Đề tài có nhiều tính năng mới nổi bật về ứng dụng phần mềm LabVIEW điều khiển, tạo cảm giác lái dựa trên sức cản mặt đường Tuy nhiên, đề tài cũng còn một số hạn chế về kỹ thuật, an toàn như: Truyền động không thông qua trục lái nên tính năng

về độ tin cậy của hệ thống chưa cao, đề tài chỉ dừng lại ở mức độ mô hình và thực nghiệm chưa ứng dụng được vào thực tế

1.4 Phương pháp thực hiện đề tài

- Tìm kiếm thông tin

- Tiếp cận các thông tin

- Tham khảo các tài liệu, mô hình

1.5 Phạm vi nghiên cứu

- Đề tài là mô hình nên phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu lý thuyết

về hệ thống lái ô tô trợ lực điện, bố trí mô hình, mạch điều khiển

1.6 Sản phẩm của đề tài

Hình 1.1: Mô hình trợ lực lái điện hoàn thiện

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các thông số đánh giá hệ thống lái

2.1.1 Tỷ số truyền động học và tỷ số truyền lực của dẫn động

b Tỷ số truyền lực của dẫn động lái

là tỉ số giữa mô men cản quay vòng trên trục đòn lái đứng (Mctdl)

phụ thuộc vào sơ đồ dẫn động lái và vị trí các thanh lái

c Tỷ số truyền động học cơ cấu lái

là tỉ số giữa vi phân góc quay vành lái (d vl) và vi phân góc quay đòn lái đứng (d dl)

Với cơ cấu lái kiểu hiện đại, thường bằng:

- Với ô tô du lịch: 13 – 22

- Với ô tô vận tải: 20 – 25

2.1.2 Hiệu suất của hệ thống lái

Hiệu suất ( ) của hệ thống lái được đánh giá bằng tích:

= 0,67 0,82 khi truyền lực từ vành lái đến bánh xe dẫn hướng ( thuận)

= 0,58 0,63 khi truyền lực từ bánh xe dẫn hướng đến vành lái ( nghịch)

được đánh giá bằng tổn thất do ma sát trong các khớp quay ở các thanh lái và bánh

xe dẫn hướng

Nếu bỏ qua ma sát trong các khâu (ổ bi, khớp, cầu,…), và coi tổn thất của hệ thống chính là tổn thất trong cơ cấu lái, thì

+ Hiệu suất thuận:

Mr1 – momen ma sát trong cơ cấu lái quy dẫn về trục vành lái

Mr2 – momen ma sát trong cơ cấu lái quy dẫn về trục đòn quay đứng

Mvl – momen xoắn tác dụng trên vành lái

M – momnen đặt vào trục đòn quay đứng được truyền từ bánh xe dẫn hướng

Nhận xét:

- Để lái xe điều khiển nhẹ nhàng, t càng lớn càng tốt

- Mặt khác, khi n lớn tính chất tự hãm cơ cấu lái giảm, lực va đập truyền lên vành lái lớn

Ngược lại, nếu n nhỏ giảm được va đập truyền từ mặt đường không bằng phẳng lên vành lái Nhưng lại làm giảm khả năng chuyển động ổn định (do Mc của bánh xe dẫn hướng tăng, bánh xe dẫn hướng khó tự trở về vị trí trung gian)

- Để tăng tính ổn định của bánh xe dẫn hướng và cảm giác của lái xe với mặt đường cần tăng n

- Đẻ giảm va đập từ đường lên vành lái cần giảm n

Kết luận:

+ Trong thiết kế giải quyết mâu thuẫn này bằng cách chọn n thích hợp

+ Khi trong hệ thống lái có trợ lực, những yêu cầu đặt ra về n không đòi hỏi khắt khe nữa vì trợ lực có tác dụng giảm lực va đập truyền đến vành lái và có khả năng tự động đảm bảo tính ổn định cho bánh xe dẫn hướng

2.1.3 Khe hở ăn khớp của hệ thống lái

+ Khe hở trong các khâu hệ thống lái cần trong giới hạn thấp nhất cho phép để không ảnh hưởng đến sự làm việc của bánh xe dẫn hướng

+ Khi làm việc, bề mặt các cặp chi tiết bị mài mòn (đặc biệt ứng với vị trí xe đi thẳng) tại vị trí này, khe hở ăn khớp là nhỏ nhất ( ) và tăng dần sang hai phía (25 35)

– góc quay trục đòn lái đứng

min tại vị trí trung gian:

+ Làm tăng độ nhạy điều khiển

+ Quá trình điều khiển được chính xác khi ô tô chạy trên đường tốt, tốc độ cao

- Quy luật thay đổi để khi điều chỉnh bù trừ được sự mài mòn ở phần giữa

mà không gây kẹt khi quay vòng về hai phía

– góc quay trục đòn lái đứng

2.2 Công dụng, yêu cầu và phân loại của hệ thống lái

2.2.1 Công dụng của hệ thống lái

Hệ thống lái của ô tô có công dụng điều khiển quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng cách xoay các bánh dẫn hướng Việc điều khiển quỹ đạo chuyển dộng của ô tô có thể là thay đổi hướng chuyển động hay duy trì chuyển động theo hướng nhất định Hai quá trình này được gọi chung là quay vòng xe

Việc này được thực hiện nhờ vô lăng, trục lái (truyền chuyển động của vô lăng đến cơ cấu lái), cơ cấu lái (tăng lực quay của vô lăng để truyền mômen lớn hơn đến các thanh dẫn động lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động của cơ cấu lái đến

bánh dẫn hướng

2.2.2 Yêu cầu của hệ thống lái

Hệ thống lái phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Khả năng quay vòng hẹp dễ dàng: Khi xe quay vòng trên đường hẹp và gấp khúc, thì hệ thống lái phải xoay được bánh trước nhanh chóng, dễ dàng và êm dịu

- Lực lái thích hợp: Để đảm bảo lái dễ dàng và cảm giác lái tốt hơn, lực lái cần nhẹ hơn khi ô tô chạy ở tốc độ thấp và nặng hơn khi ở tốc độ cao

- Hồi vị êm: Trong khi xe quay vòng người lái phải giữ vô lăng chắc chắn.Sau khi đổi hướng và quay về vị trí chuyển động thẳng của vô lăng, bánh xe phải trở lại vị trí chạy thẳng một cách êm ái

- Giảm thiểu truyền các chấn động từ mặt đường lên vô lăng: Không để các chấn động từ mặt đường truyền ngược lên vô lăng

- Đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng, tránh hiện

tượng trượt lết bánh xe

2.2.3 Phân loại hệ thống lái

 Theo cách bố trí tay lái (vô lăng lái):

+ Hệ thống lái có tay lái bố trí bên phải

+ Hệ thống lái có tay lái bố trí bên trái

 Theo kết cấu của cơ cấu lái:

+ Cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn

+ Cơ cấu lái kiểu trục răng - thanh răng

 Theo số bánh dẫn hướng:

+ Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước

+ Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng hai cầu

+ Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu

 Theo tính chất cơ cấu lái:

+ Hệ thống lái không có trợ lực

+ Hệ thống lái có trợ lực

Hình 2.2: Vô lăng

2.3.2 Trục lái

Trục lái bao gồm trục lái chính làm nhiệm vụ truyền mô men quay từ vành lái đến hộp số lái và ống đỡ trục lái để cố định trục lái vào thân xe Đầu trên của trục lái chính được làm thon và sẻ răng cưa và vành lái được siết chặt vào trục lái bằng đai ốc Đầu dưới của trục lái chính nối với cơ cấu lái bằng khớp nối mềm hoặc khớp các đăng

để giảm thiểu việc truyền chấn động từ mặt đường lên vành tay lái (vô lăng)

Ngoài chức năng truyền mô men quay từ vành lái xuống hộp số lái trục lái còn là nơi lắp đặt nhiều bộ phận khác của ô tô như: Cần điều khiển hệ thống đèn, cần điều khiển hệ thống gạt nước, cơ cấu nghiêng tay lái, cơ cấu hấp thụ va đập, cơ cấu khoá tay lái, cơ cấu trượt tay lái… Các cơ cấu này giúp cho người điều khiển thoải mái khi

di chuyển ra vào ghế lái và có thể điều chỉnh vị trí tay lái cho phù hợp với tư thế ngồi

Hình 2.3: Kết cấu của trục lái

1- Vành lái; 2- Cụm công tắc gạt mưa; 3- Cụm khóa điện; 4- Vỏ trục lái;

5- Khớp các đăng; 6- Trục các đăng; 7- Khớp cao su

 Một số cơ cấu khác của trục lái:

+ Trong trục lái có cơ cấu hấp thụ va đập Cơ cấu này sẽ hấp thụ lực va đập tác động lên người lái khi xảy ra tai nạn Cơ cấu hấp thụ va đập gồm một số loại sau: loại giá đỡ uốn, loại bi loại cao su, loại ăn khớp, loại ống xếp

Hình 2.4: Cơ cấu hấp thụ va đập trục lái

+ Cơ cấu nghiêng trục lái: cho phép chọn vị trí vô lăng (theo phương thẳng đứng)

để phù hợp với tư thế lái của người điều khiển

Hình 2.5: Cơ cấu nghiêng trục lái

+ Cơ cấu trượt vô lăng: cho phép điều chỉnh vào và ra vị trí của vô lăng nhằm đạt được tư thế ngồi phù hợp của người lái

Hình 2.6: Cơ cấu trượt vô lăng

+ Cơ cấu khoá tay lái: cơ cấu vô hiệu hoá vô lăng đề phòng chống trộm ô tô bằng cách khoá trục chính vào ống trục lái khi rút chìa khóa điện Một số vị trí khi làm việc của khóa như trên hình dưới đây:

Hình 2.7: Cơ cấu khóa trục lái

2.3.3 Cơ cấu lái

Cơ cấu lái là cơ cấu dùng các bộ truyền động bánh răng, trục vít đai ốc, để chuyển đổi mô men lái và hướng quay từ vô lăng truyền tới bánh xe thông qua hệ thanh đòn dẫn động lái làm xe quay vòng

Các bánh răng của cơ cấu lái không những chỉ lái các bánh xe mà còn tác dụng như các bánh răng giảm tốc, chúng giảm lực đánh lái bằng cách tăng mô-men đầu ra

Tỷ số giảm tốc được gọi là tỷ số truyền của cơ cấu lái thường bằng 18-20:1 Tỷ số lớn hơn sẽ giảm được lực đánh lái nhưng sẽ phải quay vô lăng nhiều hơn

Một số kiểu cơ cấu lái:

+ Kiểu trục răng thanh răng:

Trục răng ở phía dưới trục lái chính ăn khớp với thanh răng Khi vô lăng quay, trục răng quay làm di chuyển thanh răng sang phải hoặc sang trái Sự dịch chuyển của thanh răng được truyền tới cam quay qua các đầu thanh răng và thanh lái Cơ cấu lái kiểu này có kết cấu gọn tuy nhiên tỉ số truyền nhỏ thích hợp bố trí trên các loại xe nhỏ

Hình 2.8: Cơ cấu lái kiểu trục răng thanh răng

+ Kiểu bi tuần hoàn: Cả hai đầu trục vít được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn Một đai ốc bi chạy trên trục vít nhờ rất nhiều các viên bi ở trong các rãnh xoắn trên trục vít và bên trong đai ốc Các viên bi lăn trong những rãnh này, các rãnh được thiết kế như hình dưới để cho các bi tuần hoàn liên tục Trục rẻ quạt được gắn vào cơ cấu lái qua các ổ

bi kim Phần rẻ quạt ăn khớp với răng của đai ốc bi, và khi trục vít quay, đai ốc bi chạy dọc trục vít Chuyển động này làm quay trục rẻ quạt dẫn đến quay đòn lắc Ưu điểm của cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn là lực cản trượt nhỏ do ma sát giữa trục vít và trục rẻ quạt nhỏ nhờ các viên bi

Hình 2.9: Cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn

2.3.4 Dẫn động lái

Là sự kết hợp giữa các thanh truyền và các tay đòn với các khớp nối để truyền chuyển động của cơ cấu lái tới đến để quay bánh xe, điều khiển chuyển động của bánh

xe Đảm bảo động học bánh dẫn hướng làm cho bánh xe

Các chi tiết của hệ dẫn động lái gồm:

+ Đòn quay (đòn quay đứng hay đòn dẫn động lái):

Hình 2.10: Đòn quay

- Thanh ngang:

Hình 2.11: Thanh ngang

+ Thanh lái:

Hình 2.12: Thanh lái

+ Đầu thanh lái (Khớp cầu):

Hình 2.13: Đầu thanh lái (khớp cầu)

2.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động hệ thống lái kiểu cơ khí

*Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống lái kiểu cơ khí

 Ưu điểm: Về cơ bản thì hệ thống thuần lái cơ khí đáp ứng được yêu cầu ban đầu để xe chuyển động trên đường đảm bảo các bánh xe ít bị trượt khi quay vòng

 Nhược điểm: Người lái phải sử dụng 100% năng lượng để thực hiện việc quay vòng bánh xe trong quá trình chuyển động, Chưa tối ưu khối lượng, kích thước các chi tiết cơ khí nên cơ cấu cồng kềnh, nặng chiếm nhiều không gian bố trí

Sự va đập khi xảy ra sự cố ảnh hưởng nhiều đến người sử dụng và các chi tiết trong xe là điều khó tránh khỏi

2.5 Công dụng, yêu cầu, phân loại hệ thống có trợ lực

2.5.1 Công dụng của hệ thống lái có trợ lực

 Hệ thống lái trợ lực điện sử dụng một động cơ điện để hỗ trợ đánh lái xe khi

người lái xoay vô lăng, thay thế cho hệ thống cơ khí và thủy lực truyền thống

Lợi ích của hệ thống EPS là ít CO2 hơn, tiết kiệm nhiên liệu cao hơn, vận hành nhanh hơn và nâng cao trải nghiệm người dùng

 Hệ thống trợ lực thủy lực là hệ thống sử dụng áp suất dầu để hỗ trợ việc

chuyển hướng lái bánh xe Đây là một hệ thống vòng kín sử dụng chất lỏng thủy lực điều áp để thay đổi góc bánh xe của bánh trước dựa trên góc lái người điều khiển xe, giúp người chạy xe điều khiển tay lái nhẹ nhàng hơn Hệ thống

này được trang bị phổ biến ở hầu hết các mẫu xe trên thị trường hiện nay

2.5.2 Yêu cầu của trợ lực lái

 Trong mọi tình huống lái xe phải vận hành an toàn, trợ lực lái ngay lập tức khi

cần thiết

 Tiếp nhận và xử lý thông tin nhanh, chính xác trong mọi điều kiện lái xe

 Các thao tác lái, cơ cấu làm việc phải hạn chế tiếng ồn tối thiểu

 Đặc tính lái ổn định, phù hợp với từng dòng xe

 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 2.5.3 Phân loại hệ thống lái trợ lực

Hệ thống lái trợ lực được sử dụng phổ biến rộng rãi trên tất cả các ô tô với nhiều hình thức trợ lực khác nhau Nhưng chủ yếu phụ thuộc 2 nhóm chính:

- Nhóm hệ thống lái trợ lực thủy lực đơn thuần

- Nhóm hệ thống lái trợ lực có điều khiển điện

Trong đó:

Pvl(P*vl): Lực đặt trên vành lái khi không có (có) trợ lực

Ptl – Lực do trợ lực tạo ra, quy dẫn lên vành lái

= 1 – 15 đặc trưng cho hiệu quả làm việc của trợ lực

 Chỉ tiêu về cảm giác Kí hiệu: ρ

P*

/dMc Trong đó:

ρ- Hiệu số cảm giác, đặc trưng cho khả năng cảm giác với mặt đường khi lái xe, dP*- vi phân lực tiếp tuyến đặt trên vành lái khi quay vòng, có trợ lực; dMc- vi phân momen cản quay vòng ở bánh xe dẫn hướng

 Chỉ tiêu về độ nhạy cảm

Độ nhạy cảm là thông số về lực tiếp tuyến đặt trên vành lái

P*vl và góc quay vành lái vl ứng với thời điểm trợ lực bắt đầu làm việc

P*vl = (20 50) N; vl = (10 15)

2.7 Hệ thống lái trợ lực thủy lực HPS

2.7.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực

Nguyên lý hoạt động: Khi vô lăng quay, một bơm thủy lực, lấy năng lượng từ động cơ để dẫn động bơm cánh gạt, bơm này tạo ra áp suất thuỷ lực Trục van điều khiển được nối với vô lăng Khi vô lăng ở vị trí trung hoà (xe chạy thẳng) thì van điều khiển cũng ở vị trí trung hoà do đó dầu từ bơm trợ lực lái không vào khoang nào của xilanh trên thanh răng mà quay trở lại bình chứa Tuy nhiên, khi vô lăng quay theo hướng nào đó thì van điều khiển thay đổi đường truyền do vậy dầu chảy vào một trong các buồng Dầu trong buồng đối diện bị đẩy ra ngoài và chảy về bình chứa theo van điều khiển Nhờ áp lực dầu làm dịch chuyển thanh răng mà lực đánh lái giảm di

2.7.2 Ưu và nhược điểm của hệ thống lái trợ lực thủy lực

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

2.8 Hệ thống lái trợ lực điện

Hệ thống lái trợ lực điện - điện tử ra đời là 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

Hệ thống lái trợ lực điện (EPS) 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 động cơ điện tới hệ thống lái Thiết bị này bao gồm có cảm biến tốc độ xe, một cảm biến lái (moment, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một motor 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 động cơ trợ lực

2.8.1 Cách bố trí hệ thống lái trợ lực điện

 Kiểu C-EPS:

Hình 2.18: Hệ thống lái trợ lực điện kiểu C-EPS

+ Motor trợ lực, bộ điều khiển và cảm biến mô-men xoắn được gắn vào trục lái + Hệ thống này nhỏ gọn đơn giản và chi phí thấp và dễ dàng để gắn trên xe + Hệ thống trợ lực có thể được áp dụng cho các trục lái cố định, trục lái kiểu nghiêng và các loại trục lái khác

 Kiểu P-EPS:

Hình 2.19: Hệ thống lái trợ lực điện kiểu P-EPS

+ Động cơ điện trợ lực được gắn vào trục bánh răng dẫn động Nó sẽ cho cảm giác tốt hơn loại C-EPS

+ Bộ phận hỗ trợ điện nằm bên ngoài khoang hành khách của xe, cho phép tăng

mô- men xoắn hỗ trợ mà không làm tăng tiếng ồn bên trong

 Kiểu DP-EPS:

Hình 2.20: Hệ thống lái trợ lực điện kiểu DP-EPS

+ Kiểu DP-EPS có động cơ điện đặt trên cơ cấu trục vít–thanh răng của thước lái Với kiểu lắp ghép này thiết bị trợ lực độc lập với trục lái

 Kiểu RP-EPS:

Hình 2.21: Hệ thống lái trợ lực điện kiểu RP-EPS

+ Kiểu RP-EPS có thiết kế giống kiểu DP-EPS, chỉ khác là động cơ điện trợ lực của hệ thống này có thiết kế khác kiểu DP-EPS

+ Bộ phận trợ lực được gắn vào giá đỡ bánh lái

+ Bộ phận trợ lực có thể được đặt tự do trên giá, cho phép linh hoạt tuyệt vời trong thiết kế bố trí

2.8.2 Nguyên lý làm việc chung của hệ thống lái trợ lực điện

Nguyên lý làm việc của trợ lực lái gồm các bước:

+ Bước 1: Trợ lực lái sẽ bắt đầu làm việc khi người lái tác dụng lực để quay vô lăng

+ Bước 2: Lực tác dụng lên vành lái sẽ làm cho thanh xoắn trong cơ cấu lái xoay Cảm biến mô men lái sẽ xác định góc quay của thanh xoắn và gửi các lực lái đã được tính toán đên ECU

+ Bước 3: Cảm biến góc quay của vô lăng sẽ thông báo góc quay vành lái và tốc

độ đánh tay lái hiện thời

+ Bước 4: Phụ thuộc vào lực lái, tốc độ chuyển động, tốc độ động cơ, góc quay

vô lăng, tốc độ đánh tay lái và bản đồ được lưu giữ trong ECU, EPS ECU sẽ tính toán lực trợ lực cần thiết và gửi đến động cơ điện

+ Bước 5: Trợ lực lái sẽ tác động lên cơ cấu lái một lực trợ lực song song với lực đặt lên vành lái

+ Bước 6: Tổng của lực đặt lên vành lái và lực trợ lực sẽ tác động lên cơ cấu lái

để quay vòng xe

2.8.3 Ưu điểm của hệ thống lái trợ lực điện

Hệ thống lái trợ lực điện (EPS) có kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo dưỡng và kiểm tra sửa chửa

Giảm tiêu tốn nhiên liệu, một số nghiên cứu cho thấy rằng nhiên liệu tiêu tốn tiết kiệm (5%-8%) so với cùng một xe trang bị hệ thống lái HPS EPS tiết kiệm nhiên liệu tiềm năng vì động cơ điện trợ lực được sử dụng điện từ ắc quy hoặc máy phát Bơm dầu của hệ thống lái trợ lực thủy lực được dẫn động từ động cơ do đó tiêu hao công suất động cơ

Tăng khả năng thích ứng của hệ thống lái trong các điều kiện làm việc khác nhau

và góp phần quản lý hệ thống tốt hơn, do có khả năng đưa nhiều thông số vào các mạch điều khiển và xử lý các chương trình phần mềm cài đặt bên trong EPS ECU Tạo điều kiện kiểm soát chặt chẽ sự làm việc của hệ thống lái thông qua các đèn báo giúp nâng cao khả năng đảm bảo an toàn trong chuyển động ô tô Đảm bảo độ tin cậy (chức năng 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

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG LÁI

TRỢ LỰC ĐIỆN XE TOYOTA VIOS 3.1 Giới thiệu hãng xe Toyota, xe Toyota Vios

Toyota là nhà sản xuất ô tô đa quốc gia của Nhật Bản và là một trong những nhà sản xuất ô tô lớn trên toàn thế giới Đến năm 2017 Toyota là nhà sản xuất ô tô lớn nhất

và tính đến năm 2018 là công ty lớn thứ sáu trên thế giới tính theo doanh thu Toyota

là công ty dẫn đầu thị trường thế giới về doanh số bán xe điện hybrid và là một trong những công ty lớn nhất khuyến khích áp dụng thị trường xe hybrid trên toàn cầu Toyota cũng là công ty dẫn đầu thị trường về xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro,

Vào năm 1937, công ty được thành lập bởi Toyoda Kiichiro như một công ty con của công ty Toyota Industries để tạo ra ô tô Tập đoàn ô tô Toyota sản xuất xe dưới năm thương hiệu bao gồm Toyota, Hino, Lexus, Ranz và Daihatsu Nó cũng nắm giữ 16,66% cổ phần của Subaru Corporation, 5,9% cổ phần của Isuzu, 5,5% cổ phần của Mazda, cũng như liên doanh với hai công ty ở Trung Quốc (GAC Toyota và Tứ Xuyên FAW Toyota Motor), một ở Ấn Độ (Toyota Kirloskar), một ở Cộng hòa Séc (TPCA), cùng với một số công ty "không phải ô tô" TMC là một phần của Tập đoàn Toyota, một trong những tập đoàn lớn nhất tại Nhật Bản

* Xe Toyota Vios (đời 2008)

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Toyota Vios 1.5G AT 2008

Khí thải tiêu chuẩn

3.2 Cấu tạo của hệ thống lái trợ lực điện

Trong hệ thống trợ lực lái của Toyota Vios 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) (Hình 3.1) Tại đây cũng bố trí cảm biến mômen lái Cạnh đó là bộ điều khiển điện

tử của trợ lực lái điện (EPS ECU) Trên hình 3.2 là cấu tạo hộp giảm tốc

Hình 3.1 Trợ lực lái điện với moto trợ lực trên trục lái

1- moto; 2- cảm biến mômen; 3- trục lái; 4- trục vít - bánh vít; 5- cơ

cấu lái trục răng - thanh răng; 6- ly hợp điện từ

Hình 3.2 Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái

1-vòng bi; 2- trục vít; 3- vỏ trục lái; 4- khớp nối; 5- roto; 6- stator; 7- trục môtơ;

8- trục lái chính; 9- bánh vít

Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống thể hiện trên hình 3.3

Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát hình 3.3 trên đó có thể nhận thấy các tín hiệu đầu vào của EPS ECU gồm 4 nhóm tín hiệu chính:

Hình 3 3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống lái điện trợ lực trên trục lái

1- Nhóm tín hiệu (2 hoặc 4 tín hiệu) từ cảm biến mômen lái

2- Tín hiệu vận tốc chuyển động ô tô có thể gửi trực tiếp về EPS ECU hoặc thông qua ECU truyền lực và mạng điều khiển vùng ( CAN – Controller Area Network) và các giắc nối truyền tới EPS ECU

3- Tín hiệu tốc độ mô tơ ( xung biểu diễn số vòng quay trục khuỷu ne từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECU động cơ và mạng CAN truyền tới EPS ECU

4- Nhóm dữ liệu cài đặt và tra cứu thông qua giắc kết nối dữ liệu DLC3 (Data Link Connector) để truy nhập các thông tin cài đặt và tra cứu thông tin làm việc của hệ thống và báo lỗi hệ thống

3.2.1 Động cơ điện

Để đảm bảo được công suất trợ lực cần thiết trên bộ trợ lực điện sử dụng loại động cơ điện một chiều, nó bao gồm rô-to, stato, trục chính và cơ cấu giảm tốc Cơ cấu giảm tốc bao gồm trục vít và bánh vít, mô-men do rô-to động cơ điện 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 bị hư hỏng thì trục lái chính và cơ cấu giảm tốc không bị khóa cứng và hệ thống lái vẫn có thể hoạt động được

Hình 3.4: Cấu tạo của động cơ điện

Động cơ điện của trợ lực lái là động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, gắn với bộ truyền động của trợ lực lái Động cơ điện 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:

- Động cơ điện phải đưa ra được mô men xoắn và lực xoắn mà không làm quay vành lái

- Động cơ điện phải có cơ cấu đảo chiều quay khi có sự cố xảy ra

- Dao động và tiếng ồn nhỏ, lực quán tính nhỏ

3.2.2 Cảm biến mô-men xoắn

 Loại lõi thép xoay:

Gồm trục đầu vào ( gắn với phần trên trục lái ), trục đầu ra ( gắn với phần nối tiếp của trục lái tới cơ cấu lái ), giữa trục vào và trục ra được liên kết bằng 1 thanh xoắn Trên trục đầu vào lắp roto phát số 1 có các rãnh để cài với các răng của roto phát