Xây dựng mô hình nghiên cứu đặc tính điều khiển của hệ thống lái trợ lực điện

Giải quyết vấn đề về an toàn trong quá trình điều khiển khi xe chuyển động ở tốc độ cao, các hãng xe đã tập trung nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ kỹ thuật cao vào cải tiến một số hệ

I

MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU III DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ V LỜI NÓI ĐẦU VIII CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Nghiên cứu các biện pháp tăng tính an toàn điều khiển trên xe khi chạy ở tốc

1.2.1 Nhiệm vụ 2 1.2.2 Yêu cầu 2 1.3 Yêu cầu về hệ thống lái có tỷ số truyền thay đổi 6 1.3.1 Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực 6 1.3.2 Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi 8 1.3.3 Hệ thống lái trợ lực điện 11

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG EPS 16

2.1 Phân loại và đặc điểm các hệ thống EPS trên xe hiện đại 16

2.4.1 Các cảm biến 22 2.4.2 Motor trợ lực và cơ cấu giảm tốc 30 2.4.3 ECU EPS 33

2.3.1 Kết cấu các cụm chi tiết 34 2.3.2 Sơ đồ khối điều khiển 38 2.3.3 Nguyên lý điều khiển 40

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG EPS 41

II

3.2 Mô hình tính toán động lực học hệ thống EPS xe Kia 41

3.2.1 Các phương trình động lực học của hệ thống EPS 41

3.2.2 Quan hệ giữa mômen trả lái về theo các thông số hình học của xe 43

3.3 Mô hình ô tô 45 3.3.1 Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của xe 46

3.3.2 Quan hệ động học 49

3.4 Mô hình ECU EPS 50 3.5 Mô hình motor trợ lực 51 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SỐ 53

4.1 Mục đích mô phỏng số 53 4.2 Phần mềm Matlab – Simulink 53 4.3 Bộ số liệu mô phỏng 54 4.4 Xây dựng chương trình mô phỏng 55 4.4.1 Chương trình mô phỏng quy luật góc quay của trục lái 55

4.4.2 Chương trình mô phỏng góc quay của bánh xe dẫn hướng 56

4.4.3 Chương trình mô phỏng quy luật góc quay của trục motor 56

4.4.4 Chương trình mô phỏng mômen trả lái về 57

4.4.5 Chương trình mô phỏng góc xoay thân xe 58

4.4.6 Chương trình mô phỏng góc lệch bên thân xe 59

4.4.7 Chương trình mô phỏng góc lệch bánh xe 60

4.4.8 Chương trình mô phỏng lực dọc Fx, lực ngang Fy 60

4.4.9 Chương trình mô phỏng mômen trợ lực 62

4.4.9 Chương trình mô phỏng motor trợ lực 64

4.5 Phân tích các kết quả mô phỏng 64 4.5.1 Phân tích kết quả khảo sát sự phụ thuộc của mômen trả lái Msat 65

4.5.2 Khảo sát sự thay đổi của góc δ khi có tỷ số truyền cố định và thay đổi 66 KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 73

III

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

 Danh mục các từ viết tắt:

TT Chữ

1 EPS Electric Power Steering Hệ thống lái trợ lực điện

2 HPS Hydraulic Power Steering Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

3 EHPS Electric Hydraulic Power

Steering Hệ thống lái trợ lực điện- thuỷ lực

4 ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử

5 EBD Electronic Brake Distribution

4 α Góc lệch thân xe so với phương chuyển động rad

7 a Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu trước m

8 b Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu sau m

18 Ms Mômen tác động lên vành tay lái N.m

20 ir tỷ số truyền cơ cấu lái

21 Jm Mômen quán tính của motor điện Kg.m2

V

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Góc Caster và khoảng Caster 3

Hình 1.2 Biến dạng của lốp 4

Hình 1.3 Đường đặc tính trợ lực 5

Hình 1.4 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 6

Hình 1.5: Quan hệ giữa M s và M a ở các v khác nhau 10

Hình 1.6 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu trợ lực bố trí trên trục lái 11

Hình 2.1: Sơ đồ EPS kiểu motor lắp trên trục lái 16

Hình 2.2: Sơ đồ EPS kiểu motor lắp trên cơ cấu lái 18

Hình 2.3: Sơ đồ EPS kiểu motor lắp trên thanh răng 19

Hình 2.4: Sơ đồ bố trí chung các cụm chi tiết của EPS 20

Hình 2.5: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn 23

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của cảm biến mô men xoắn 23

Hình 2.7 Cấu tạo cảm biến mô men loại 4 vành dây 24

Hình 2.8 Hoạt động của cảm biến mô men loại 4 vành dây 24

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý và xung điện đầu ra cảm biến mô men loại 4 vành dây 24 Hình 2.10: Cảm biến mô men 25

Hình 2.11 Cấu tạo roto 25

Hình 2.12 Bộ phận cảm ứng 26

Hình 2.13: Tín hiệu ra của cảm biến 27

Hình 2.14: Cấu tạo và tín hiệu ra của cảm biến tốc độ đánh lái loại phát điện 27

Hình 2.15: Cấu tạo và tín hiệu ra của cảm biến tốc độ đánh lái loại Hall 28

Hình 2.16: Ba loại cảm biến tốc độ ô tô 29

Hình 2.17: Ba cảm biến tốc độ ô tô loại MRE 30

Hình 2.18: Motor điện một chiều có chổi than 31

Hình 2.19: Motor điện một chiều không chổi than chổi than lắp trên thanh răng 31

Hình 2.20: Kết cấu các bộ phận của motor điện một chiều không chổi than chổi than dùng nam châm vĩnh cửu 32

Hình 2.21: Cơ cấu giảm tốc loại ê cu-bi 32

VI

Hình 2.22: Motor điện một chiều không chổi than chổi than lắp trên trục lái 32

Hình 2.23 Tín hiệu vào ra ECU EPS 33

Hình 2.24 Đặc tính của ECU EPS 34

Hình 2.25 Kết cấu hệ thống EPS trên xe Kia 34

Hình 2.26 Kết cấu cụm trợ lực điện 35

Hình 2.27: Tín hiệu ra của cảm biến 36

Hình 2.28 Sơ đồ kết nối và xung tín hiệu của cảm biến tốc độ ô tô 37

Hình 2.29: Mạch điều khiển motor trợ lực 38

Hình 2.30: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống lái trợ lực điện xe Kia 38

Hình 2.31: Bề mặt đặc tính trợ lực 39

Hình 3.1 Mô hình tính toán hệ thống EPS xe Kia 41

Hình 3.2: Khoảng Caster và biến dạng của lốp 44

Hình 3.3: Quan hệ giữa mômen cản và vận tốc 44

Hình 3.4: Mô hình một vết của ôtô 45

Hình 3.5: Lực và mômen tác dụng lên bánh xe ôtô 46

Hình 3.6: Quan hệ động học của mô hình một vết 49

Hình 3.7: Đặc tính điều khiển của hệ thống lái trợ lực điện xe KIA 50

Hình 3.8: Sơ đồ mạch điện motor một chiều 51

Hình 3.9: Sơ đồ khối điều khiển motor điện của EPS 52

Hình 4.1: Chương trình mô phỏng góc quay của trục lái 55

Hình 4.2: Chương trình mô phỏng J eq và B eq 56

Hình 4.3: Chương trình mô phỏng góc quay của trục motor 57

Hình 4.4: Chương trình mô phỏng mômen trả lái về 57

Hình 4.5: Chương trình mô phỏng góc xoay thân xe 58

Hình 4.6: Chương trình mô phỏng góc lệch bên thân xe 59

Hình 4.7: Chương trình tính toán góc lệch bên bánh xe 60

Hình 4.8: Chương trình mô phỏng lực dọc F x1 và lực ngang F y1 61

Hình 4.9: Chương trình mô phỏng lực dọc F x2 và lực ngang F y2 62

Hình 4.10: Đặc tính điều khiển của hệ thống lái trợ lực điện xe KIA 63

VII

Hình 4.11: Chương trình mô phỏng mômen trợ lực 63

Hình 4.12: Chương trình mô phỏng điện áp motor trợ lực 64

Hình 4.13: Quan hệ phụ thuộc của Msat với góc quay dẫn hướng 65

Hình 4.14: Quan hệ phụ thuộc của Msat với vận tốc 66

Hình 4.15: Quan hệ của Msat với vận tốc và góc quay bánh xe dẫn hướng Error! Bookmark not defined. Hình 4.16: Sự thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc ôtô trong trường hợp hệ thống lái có tỷ số truyền cố định 67

Hình 4.17: Sự thay đổi của góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc với hệ thống lái có tỷ số truyền thay đổi 68 Hình 4.18: Sự thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc với hệ thống

lái có tỷ số truyền cố định Error! Bookmark not defined.

Hình 4.19: Sự thay đổi của góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc của ôtô

trong trường hợp hệ thống lái có tỷ số truyền thay đổi.Error! Bookmark not defined.

VIII

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, nền kinh tế của Việt Nam phát triển rất mạnh, đời sống của người dân tăng cao, nhu cầu đi lại, mua sắm các phương tiện cá nhân cũng tăng theo Khi đó điều kiện đường xá đã được cải thiện rất nhiều, sự tiến bộ của KHKT trong lĩnh vực công nghệ ô tô giúp cho tốc độ chiếc xe ngày càng tăng giúp cho thời gian lưu thông ngắn lại, mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế nhưng khi khi tốc độ ô tô tăng lên thì sẽ dẫn đến vấn đề an toàn giao thông ngày càng tăng Xét về mặt kỹ thuật thì các phương tiện giao thông nói chung và ô tô nói riêng phải đảm bảo được tính điều khiển hướng tốt nhất trong quá trình chuyển động, đặc biệt

ở tốc độ cao Việc nghiên cứu nâng cao tính năng an toàn điều khiển hướng cho ô

tô khi chuyển động ở tốc độ cao là rất cần thiết, nó là cơ sở để đánh giá chất lượng của các loại ôtô khi nhập vào Việt Nam, là cơ sở để đánh giá chất lượng của các loại ôtô khi cải tiến, lắp rắp, hoán cải mục đích sử dụng và nâng cao an toàn chuyển động của xe, từ đó góp phần đẩy nhanh nền kinh tế và thực hiện được các nghị định của Chính phủ về an toàn giao thông

Xuất phát từ các yêu cầu thực tế, tác giả đã lựa chọn đề tài “Xây dựng mô hình nghiên cứu đặc tính điều khiển của hệ thống lái trợ lực điện” với mong

muốn đóng góp một phần công sức của mình vào vấn đề an toàn giao thông cũng như có được kiến thức về an toàn điều khiển của ôtô khi chạy ở tốc độ cao, phục vụ cho công việc của tác giả sau này

Trong thời gian làm luận văn tác giả luôn luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn: PGS TS Phạm Hữu Nam cùng các thầy giáo trong Bộ môn ôtô trường ĐH Bách khoa Hà nội Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Hữu Nam và các thầy trong Bộ môn cùng các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn của mình

Hà nội, tháng năm 2013

Học viên thực hiện

Phạm Văn Kiêm

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Nghiên cứu các biện pháp tăng tính an toàn điều khiển trên xe khi chạy ở tốc độ cao

Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, xu hướng tăng tốc độ của xe được áp dụng trên hầu hết những dòng xe ô tô hiện đại Khi ô tô chuyển động với tốc độ cao thì chỉ cần một sơ xuất nhỏ của người điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ đạo chuyển động của ô tô và gây ra tai nạn giao thông Quỹ đạo chuyển động của ô tô liên quan đến tính năng dẫn hướng của ô tô, đây chính là khả năng giữ được hướng chuyển động của ô tô theo góc quay vành lái khi chịu tác động của các lực và mô men ngoại cảnh Do đó, mất quỹ đạo chuyển động của ô tô là mất khả năng điều khiển xe Cần thiết phải đảm bảo mối tương quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái một cách chặt chẽ, tức là vấn đề liên quan đến an toàn quỹ đạo chuyển động của xe Chính vì vậy, khi nâng cao tốc độ ô tô cần phải đảm bảo mối tương quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái phải chặt chẽ hơn Giải quyết vấn đề về an toàn trong quá trình điều khiển khi xe chuyển động ở tốc độ cao, các hãng xe đã tập trung nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ kỹ thuật cao vào cải tiến một số hệ thống và kết cấu trên xe đặc biệt trên hệ thống phanh và

hệ thống lái, cụ thể như sau:

Nâng cao độ tin cậy hoạt động của hệ thống phanh để giảm thiểu những tai nạn đáng tiếc có thể xảy ra trong quá trình điều khiển xe bằng việc đưa các cụm điều khiển điện tử vào từng hệ thống phanh như hệ thống phanh ABS, hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD,… Khi chuyển động với vận tốc cao trên đường vòng, gặp chướng ngại vật, phanh xe quá ngặt dẫn đến bó lết các bánh xe làm mất khả năng điều khiển hoặc gia tốc hướng tâm tăng lên đột ngột dẫn đến hiện tượng trượt bên của các bánh xe gây nên lật đổ thì hệ thống ABS và EBD sẽ chống hiện tượng bó lết và phân phối lực phanh tại các bánh xe khác nhau giúp xe ổn định trong quá trình quay vòng

Đặc biệt khi nghiên cứu về tính an toàn điều khiển trên xe khi chạy ở tốc độ cao, hệ thống lái có vai trò quan trọng nhất

2

Hệ thống lái trên ô tô ngày nay có khả năng đảm bảo được tính an toàn điều khiển khi xe chạy ở tốc độ cao bằng việc sử dụng cụm trợ lực lái bằng điện tử Cụ thể, khi ôtô quay vòng ở tốc độ cao, lúc này lực ly tâm (hay là lực ngang) lớn sẽ làm cho các bánh xe dẫn hướng bị biến dạng dẫn đến tiếp xúc của lốp với mặt đường thay đổi, hay nói một cách khác là góc quay của bánh xe dẫn hướng bị thay đổi, không còn đảm bảo quan hệ hình học của hệ thống lái ban đầu Điều đó sẽ làm cho

xe rơi vào hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa gây ra tai nạn Do đó, cần phải có một tỷ số truyền động học có khả năng thay đổi để đáp ứng nhu cầu chuyển động của xe Trong khi đó, để chế tạo cơ cấu lái có khả năng thay đổi tỷ số truyền đòi hỏi rất phức tạp Do đó, ngày nay người ta có xu hướng giữ nguyên tỷ số truyền cố định ở cơ cấu lái Đồng thời sử dụng bộ truyền hành tinh, kết hợp với motor điện, để đơn giản về mặt chế tạo mà vẫn đáp ứng được yêu cầu thay đổi tỷ số truyền Ngoài ra, khi xe quay vòng ở tốc độ cao, mômen trả lái giảm đáng kể, để tạo cảm giác cho người lái tức là ta phải giữ nguyên lực đánh lái, do đó phải giảm mômen trợ lực dẫn đến tỷ số truyền lực cũng thay đổi

1.2 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống lái

về trạng thái chuyển động thẳng Điều này được thực hiện nhờ mômen trả lái về, mômen này xuất hiện đầu tiên là do các quan hệ hình học trong hệ thống lái được

3

tạo ra bởi các góc đặt bánh xe, đặc biệt là góc Caster được thể hiện trên hình 1.1 Khi quay vòng xuất hiện lực ngang, lực ngang này làm biến dạng lốp cao su, sự biến dạng đàn hồi này làm cho xuất hiện mômen để lốp trở về trạng thái ổn định

Hình 1.1 Góc Caster và khoảng Caster

Việc đảm bảo quỹ đạo chuyển động của xe phù hợp với điều khiển của người lái chính là khả năng giữ được hướng chuyển động của ô tô theo góc quay vành lái

βv khi chịu tác dụng của các lực và mômen ngoại cảnh Khi ô tô quay vòng thì yêu cầu đặt ra đối với hệ thống lái là phải đảm bảo mối quan hệ động học quay vòng xe Tức là khi người lái quay vành tay lái một góc βv thông qua dẫn động lái và cơ cấu lái làm bánh xe dẫn hướng quay đi một góc βt, đây cũng chính là quỹ đạo chuyển động mong muốn cho ôtô

Trong khi đó, sự chuyển động của ôtô trên đường phụ thuộc vào rất nhiều mối quan

hệ của bánh xe với nền đường Khi ô tô chuyển động trên các đường xá khác nhau cùng với việc sử dụng lốp đàn hồi đã ảnh hưởng không nhỏ tới khả năng điều khiển cũng như độ ổn định của ô tô Khi đó, tại bánh xe luôn xuất hiện góc lăn lệch (biến dạng bên) do chịu đồng thời lực kéo và lực bên, bánh xe dẫn hướng lệch thêm một góc α dẫn đến quỹ đạo chuyển động thực của xe không như quỹ đạo chuyển động mong muốn

Để khắc phục hiện tượng này thì trong hệ thống lái cần phải bố trí cơ cấu để bù được sự biến dạng của lốp Hình 1.2 thể hiện biến dạng của lốp khi chịu tác động của lực ngang Fyi với tp là cánh tay đòn do biến dạng lốp đàn hồi được tính bằng

tô đều được trang bị trợ lực lái với các yêu cầu sau: khi bộ trợ lực hỏng thì hệ thống lái vẫn phải làm việc được bình thường và trợ lực lái phải giữ cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường khi quay vòng Điều này đồng nghĩa với khả năng trợ lực cần tăng cao khi mô men cản quay vòng lớn và ngược lại khả năng trợ lực cần giảm khi xe chuyển động với tốc độ cao

Mối quan hệ giữa lực mà người lái đặt lên vành tay lái Pl và mômen cản quay vòng của các bánh dẫn hướng Mc:

c

l

c d th

M P

Khi hệ thống lái được lắp trợ lực, đường đặc tính của của nó cũng biểu thị mối quan hệ giữa lực tác dụng lên vành tay lái và mômen cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng Mc Đây cũng là mối quan hệ bậc nhất

Tuy vậy, để bộ trợ lực làm việc thì lực đặt lên vành tay lái phải lớn hơn một giá trị PTL nào đó tương ứng với mô men MTL, ở giai đoạn này đặc tính biểu thị sẽ trùng với đặc tính khi chưa có bộ trợ lực Tại điểm A [MTL; PTL] thì bộ trợ lực bắt đầu làm việc

Đồ thị các đường đặc tính khi chưa trợ lực Pvl = f(Mc) và được lắp bộ trợ lực

Pc = f(Mc) được thể hiện ở hình vẽ 1.3 dưới đây:

Hình 1.3 Đường đặc tính trợ lực

Khi lực đặt lên vành tay lái lớn hơn PTL (N) đường đặc tính đặc trưng cho hoạt động của trợ lực ở giai đoạn này cũng là đường bậc nhất nhưng có độ dốc thấp

6

hơn so với đường đặc tính khi chưa có trợ lực (độ dốc này cần thiết phải có để đảm bảo cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường tác dụng lên vành tay lái) Khi mômen cản quay vòng lớn hơn MC (Nm) thì hệ thống lái làm việc như hệ thống lái cơ khí ban đầu (trợ lực đã làm việc hết khả năng)

Đoạn OA: Lực do người lái hoàn toàn đảm nhận

Đoạn AC: Biểu thị lực mà người lái cảm nhận về sức cản mặt đường

Khoảng ABC chính là khoảng trợ lực tạo nên bởi bộ trợ lực

Nếu Mc lớn thì quay riêng các bánh xe dẫn hướng tại chỗ sẽ nặng hơn, còn nếu Mcquá nhỏ thì người lái sẽ không đủ cảm giác về chất lượng mặt đường

1.3 Yêu cầu về hệ thống lái có tỷ số truyền thay đổi

1.3.1 Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

Hình 1.4 Hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống lái trợ lực thủy lực sử dụng một phần công suất động cơ để dẫn động bơm trợ lực lái tạo ra áp suất dầu thủy lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng để chuyển hướng chuyển động của ô tô Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đường dầu tại van điều khiển Vì áp suất dầu đẩy pít tông trong xi lanh trợ lực

lái, lực cần để điều khiển vô lăng sẽ giảm

7

Hệ thống gồm 3 phần chính: bơm trợ lực (bơm cánh gạt), van điều khiển, xy lanh lực

Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực ta thấy hệ thống

có các ưu điểm, nhược điểm như sau:

+ Ưu điểm:

Với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực đã giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn

so với hệ thống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực tác động của piston-xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo được an toàn về hướng trong quá trình chuyển động

+ Nhược điểm:

Trong hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, nguồn năng lượng trợ lực được tạo thành

do sự làm việc bơm dầu mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ,

sử dụng một phần công suất của động cơ Trong quá trình chuyển động, ngay cả khi

xe chuyển động thẳng thì bơm dầu vẫn làm việc, điều này gây lãng phí công suất động cơ trong khi hệ thống lái không cần nguồn trợ lực

Để đảm bảo được áp suất dầu trợ lực thì hệ thống cần yêu cầu về độ kín khít cao ở trên đường ống và các van do đó thường xuyên phải kiểm tra sự rò rỉ dầu trong hệ thống lái Hệ thống làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống, van Ngoài ra, dầu trợ lực lái khi thải ra còn là nguồn chất thải gây ô nhiểm môi trường

Một trong những nhược điểm quan trọng khác của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

là áp suất và lưu lượng của bơm phụ thuộc vào tốc độ động cơ Trong trường hợp xe chuyển động ở tốc độ thấp, quay vòng ngoặt, lúc này cần trợ lực lớn, tuy nhiên do tốc độ động cơ thấp, áp suất trong hệ thống thuỷ lực nhỏ ảnh hưởng đến chất lượng trợ lực Khi xe ôtô chuyển động ở tốc độ cao, lưu lượng và áp suất của bơm trợ lực lớn, trong khi điều khiển lái ở tình trạng này lại chỉ cần yêu cầu trợ lực nhỏ

Như vậy, về mặt tỷ số truyền động học bị hạn chế rất lớn đó là ở tốc độ thấp cần tỷ số truyền thấp để người lái quay vòng hiệu quả và ở tốc độ cao cần có tỷ số

8

truyền động học cao vì lúc này mức phản ứng của xe rất nhạy nhưng hệ thống chưa đáp ứng được Trong khi quay vòng ngoặt người điều khiển vẫn phải đánh tay lái khá nhiều vòng

Khi hệ thống trợ lực bị hỏng, lực điều khiển của người lái tác dụng trên vành tay lái sẽ nặng hơn hệ thống không có trợ lực, vì lúc này lực điều khiển còn phải thắng lực cản do dầu chuyển động trong hệ thống gây ra

Như vậy, đối với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì tỉ số truyền lái không thay đổi Do đó, không đáp ứng được yêu cầu rất quan trọng đối với hệ thống lái trên xe ôtô hiện đại ngày nay khi chạy ở tốc độ cao

1.3.2 Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi

Các xe ô tô hiện đại ngày nay có vận tốc ngày càng lớn và đòi hỏi độ an toàn cao cũng như tính tiện nghi khi sử dụng Vì vậy khi thiết kế một hệ thống dẫn hướng phải đảm bảo được các yêu cầu nghiêm ngặt trên, ngoài ra hệ thống phải có tính thân thiện với môi trường Giải quyết vấn đề về độ an toàn khi quay vòng ở tốc

độ cao và tính tiện nghi khi sử dụng, ta xét đến tỉ số truyền của hệ thống bao gồm tỉ

 - là góc quay của bánh xe dẫn hướng (rad)

Khi người lái tác động một lực vào vành tay lái, làm vành tay lái xoay đi một góc Thông qua cơ cấu lái và dẫn động lái sẽ làm cho bánh xe dẫn hướng quay một góc tương ứng

Khi ôtô dừng, đỗ xe hoặc khi ôtô quay vòng trong điều kiện đánh lái ngoặt, người lái bao giờ cũng mong muốn quay vành tay lái một góc nhỏ còn bánh xe dẫn

độ cao, lúc này lực ly tâm (hay là lực ngang) lớn sẽ làm cho các bánh xe dẫn hướng

bị biến dạng dẫn đến tiếp xúc của lốp với mặt đường thay đổi, hay nói một cách khác là góc quay của bánh xe dẫn hướng bị thay đổi, không còn đảm bảo quan hệ hình học của hệ thống lái ban đầu Điều đó sẽ làm cho xe rơi vào hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa

Do đó, hệ thống lái trên xe ô tô cần phải có tỷ số truyền động học thay đổi để đảm bảo đúng quỹ đạo quay vòng mong muốn Tuy vậy, trên hệ thống lái để chế tạo

cơ cấu lái có khả năng thay đổi tỷ số truyền đòi hỏi rất phức tạp, dẫn đến giá thành đắt như một số hệ thống lái cơ khí trước đây Ngày nay, người ta có xu hướng giữ nguyên tỷ số truyền cố định ở cơ cấu lái Thêm vào đó là người ta sử dụng bộ truyền hành tinh, kết hợp với motor điện, để đơn giản về mặt chế tạo mà vẫn đáp ứng được yêu cầu thay đổi tỷ số truyền

b Tỷ số truyền lực

Tỷ số truyền lực là tỷ số giữa mômen làm quay bánh xe dẫn hướng (mômen cản quay vòng tác dụng từ mặt đường đến bánh xe dẫn hướng) và mômen tác động lên vành tay lái Trong trường hợp hệ thống lái có trợ lực, tỷ số truyền động lực được tính theo công thức

Trong đó: MS - mô men người lái tác động lên vô lăng (N.m)

M a - mô men trợ lực (N.m)

MSat – Mô men trả lái (N.m)

Mcản - Mômen cản quay vòng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe dẫn hướng (N.m)

10

Hình 1.5: Quan hệ giữa M s và M a ở các v khác nhau

Trong hệ thống lái có trợ lực, mômen của người lái trên vành lái đóng vai trò

là mômen điều khiển mức độ trợ lực Ví dụ, mômen trên vành lái là mômen làm xoay thanh xoắn trong cơ cấu điều khiển van phân phối của bộ trợ lực (vai trò thanh xoắn được thể hiện trong kết cấu ở chương 2

Khi ở vận tốc thấp, mômen cản lớn, mong muốn của người lái là lực tác động lên vành tay lái nhỏ, muốn thắng được mômen cản thì mômen trợ lực phải lớn Trong khi đó, khi quay vòng ở tốc độ cao, mômen trả lái giảm đáng kể, để tạo cảm giác cho người lái tức là ta phải giữ nguyên lực đánh lái, do đó phải giảm mômen trợ lực Từ đó tỷ số truyền lực cũng phải thay đổi

Hình 1.5 biểu diễn mối quan hệ giữa mômen trợ lực phụ thuộc vào mômen vành lái ở các tốc độ khác nhau

Đánh giá: Đối với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì tỉ số truyền lái không thay

đổi Do đó, không đáp ứng được yêu cầu rất quan trọng đối với hệ thống lái trên xe ôtô hiện đại ngày nay là cải thiện tính năng điều khiển của ô tô Để cải thiện điều này, người ta nghiên cứu phát triển hệ thống lái trợ lực khác có khả năng thay đổi tỉ

số truyền động học và tỉ số truyền động lực giúp đảm bảo quỹ đạo quay vòng của xe

và làm tăng tính ổn định chuyển động của xe khi đánh lái ở tốc độ cao Đó là hệ thống lái trợ lực điện

11

1.3.3 Hệ thống lái trợ lực điện

Hệ thống lái trợ lực điện sử dụng công suất của động cơ điện một chiều để hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng, hệ thống bao gồm các bộ phận như trên hình 1.6:

1- Cảm biến mô men 3- Trục vít - Bánh vít 2- Mô tơ trợ lực 4- ECU điều khiển

Hình 1.6 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu trợ lực bố trí trên trục lái

+ Cảm biến mô men: cảm biến mô men được gắn vào phía trong trục lái, dựa vào hiệu ứng Hall để đưa ra điện áp tùy thuộc vào mô men đánh lái và mô men cản Điện áp ra của cảm biến sẽ được gửi vào ECU để điều khiển mô tơ trợ lực

+ ECU điều khiển: ECU tiếp nhận các thông số tín hiệu của cảm biến mô men, cảm biến tốc độ động cơ, tín hiệu IG, tín hiệu tốc độ xe sau đó tính toán và điều khiển mô tơ trợ lực

+ Mô tơ trợ lực: Mô tơ trợ lực nối với trục lái bằng bộ giảm tốc trục vít – bánh vít và được điểu khiển bằng ECU, mô tơ có thể đảo chiều và quay ở các tốc độ khác nhau tùy theo mức độ đánh lái của người lái và mô men cản quay vòng

 Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện:

So sánh kết cấu với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực thì hệ thống lái trợ lực điện không sử dụng bơm dầu để tạo ra năng lượng trợ lực mà sử dụng một motor điện một chiều, do đó giảm tổn hao nhiên liệu từ 2-3% Hệ thống EPS không sử dụng các đường ống dẫn và van phức tạp như hệ thống lái trợ lực thuỷ lực Với việc sử

12

dụng motor điện một chiều, hệ thống lái trợ lực điện dễ dàng điều khiển được chiều quay của motor điện cũng như dễ dàng thay đổi mômen xoắn của motor bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cấp vào motor

Như vậy, ngoài những ưu điểm vượt trội khi so sánh với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì hệ thống lái trợ lực điện đã đáp ứng được yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi Đây là một yêu cầu rất quan trọng và đặc biệt là đối với các xe ôtô hiện đại ngày nay Nhờ việc dễ dàng thay đổi tỉ số truyền mà hệ thống lái trợ lực điện giúp nâng cao tính năng an toàn chuyển động của xe khi xe đi ở tốc độ cao, ngoài ra hệ thống còn giúp cho người lái dễ dàng điều khiển xe khi xe đi vào những đường hẹp, yêu cầu quay vòng với bán kính nhỏ

1.4 Đề xuất đề tài luận văn

 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước:

Trên các xe ôtô hiện đại, để tăng tính năng ổn định của ôtô khi chuyển động ở tốc độ cao, ngoài các biện pháp sử dụng hệ thống phanh by-wire, hệ thống ổn định

xe, người ta còn sử dụng hệ thống lái có tỷ số truyền thay đổi Nhiều mẫu xe ôtô của các hãng đã sử dụng hệ thống lái trợ lực điện với các kết cấu khác nhau: bố trí động cơ điện trợ lực ở trục lái (ví dụ trên xe KIA), bố trí động cơ điện trợ lực trên

cơ cấu lái (xe Lexus của hãng Toyota) hay bố trí động cơ điện trợ lực trên thanh răng (xe Lexus của hãng Toyota)

Ở trên thế giới, có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống lái trợ lực điện,… Có thể kể đến công trình của tác giả Wichai Siwakosit năm 2006

“Improvement of Cornering characteristic Using Variable Steering Ratio” đề cập

đến ảnh hưởng của tỷ số truyền thay đổi đến khả năng hiệu chỉnh quỹ đạo quay vòng của xe trong điều kiện vận tốc, thông số hình học của xe thay đổi; Các tác giả

XU Zhenlin, Wanghao, Shang Zhe, Zhang Hai-hua, Wang Jia-jun với công trình

“Study on characteristic of electric power assist steering system” đưa ra kết luận về

đường đặc tính phi tuyến của hệ thống lái trợ lực điện Trong kết quả nghiên cứu các tác giả còn đưa ra các công thức tính toán lực trả lái Các kết quả nghiên cứu được sử dụng làm cơ sở dữ liệu khi thiết kế và xây dựng thuật toán điều khiển trong

13

bộ điều khiển điện tử EPS ECU Các kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng

để thiết kế các kết cấu khác nhau của hệ thống lái trợ lực điện

Trong nước, cho đến nay đã có các nghiên cứu liên quan đến tính ổn định

chuyển động của ôtô trên đường vòng Trong công trình “Nghiên cứu đặc tính quay vòng của ôtô du lịch”, tác giả Lê Đức Hiếu đã sử dụng mô hình một vết để tính toán

ảnh hưởng của các thông số kết cấu cũng như điều kiện chuyển động (vận tốc, góc đánh lái) đến tính chất quay vòng của xe du lịch Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mức độ mô tả quỹ đạo chuyển động của xe ứng với một số trường hợp khảo sát như tải trọng, góc đánh lái thay đổi mà chưa đề cập đến vấn đề điều khiển như thế nào để đảm bảo đúng động học quay vòng của xe; Tác giả Lê

Anh Vũ với công trình “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống lái đến quỹ đạo chuyển động của ô tô” đã chỉ ra được quan hệ cơ bản của các thông

số kết cấu trong hệ thống lái và ảnh hưởng của các thông số này đến quỹ đạo chuyển động của ô tô Đồng thời đưa ra các kết luận cho phép hiểu sâu sắc hơn về các xe có khả năng quay vòng thừa

Cho đến nay, chưa có các công trình nghiên cứu riêng về sử dụng hệ thống lái

có tỷ số truyền thay đổi nói chung cũng như xây dựng mô hình nghiên cứu đặc tính điều khiển của hệ thống trợ lực lái điện nói riêng

 Đề xuất đề tài luận văn:

Từ những lập luận và phân tích ở trên tác giả đã lựa chọn đề tài luận văn là:

“Xây dựng mô hình nghiên cứu đặc tính điều khiển của

hệ thống lái trợ lực điện”

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Kia Morning

Mục đích nghiên cứu của đề tài: phân tích khả năng đáp ứng yêu cầu thay đổi

tỷ số truyền của hệ thống lái trợ lực điện khi ô tô chuyển động ở tốc độ cao; qua quá trình phân tích đặc điểm, kết cấu, sơ đồ khối điều khiển và nguyên lý hoạt động của

hệ thống lái trợ lực điện tác giả đã xây dựng được các biểu thức tính toán động lực học của hệ thống và mô phỏng được hệ thống lái trợ lực điện trên phần mềm

14

Matlab- Simulink để đưa ra đặc tính trợ lực của hệ thống Cuối cùng, tác giả đánh giá kết quả mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab&Simulink theo đặc tính trợ lực lý thuyết của hệ thống

Với mục đích như vậy, nội dung của luận văn sẽ trình bày qua các 4 chương sau:

Chương 1 Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu

Tác giả phân tích các biện pháp nhằm nâng cao tính an toàn điều khiển trên xe

ở tốc độ cao_ vai trò của hệ thống lái đến khả năng an toàn chuyển động của xe Trên cơ sở đó tác giả đưa ra nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống lái, đặc điểm của các

hệ thống lái hiện nay và phân tích yêu cầu an toàn điều khiển của từng hệ thống lái phải thay đổi tỷ số truyền Lựa chọn hệ thống lái trợ lực điện làm đối tượng nghiên cứu của đề tài

Chương 2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống EPS

Tác giả phân tích đặc điểm, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng của các loại hệ thống lái trợ lực điện hiện nay Phân tích sơ đồ kết cấu, nguyên lý hoạt động các cụm chi tiết chính của hệ thống lái trợ lực điện tử Lựa chọn hệ thống lái trợ lực điện với motor trợ lực lắp trên trục lái của xe Kia để nghiên cứu sơ đồ khối điều khiển và nguyên lý điều khiển hệ thống

Chương 3 Xây dựng mô hình nghiên cứu đặc tính điều khiển của hệ thống

EPS

Từ việc nghiên cứu, phân tích ý nghĩa của các tín hiệu trong sơ đồ khối điều khiển của hệ thống lái trợ lực điện xe Kia trong chương 2, kết hợp với mô hình một vết của ô tô mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng chuyển động của xe tác giả đã xây dựng mô hình vật lý và mô hình động lực học của hệ thống lái trợ lực điện với motor trợ lực lắp trên trục lái gồm 3 khối chính: khối cơ khí của hệ thống EPS, khối điều khiển_ ECU EPS và khối cơ cấu chấp hành_ động cơ trợ lực

Từ các mô hình đã xây dựng được, tác giả đã lập ra hệ phương trình vi phân thể hiện mối quan hệ giữa các đại lượng trong hệ thống làm cơ sở để mô phỏng hệ thống trong chương 4

15

Chương 4 Mô phỏng số

Mục đích của việc mô phỏng số là ứng dụng phần mềm để mô phỏng mối quan hệ giữa các đại lượng của hệ thống Ở đây, tác giả sử dụng phần mềm Matlab- Simulink, với số liệu tham khảo của xe Kia, tác giả đã xây dựng được các chương trình con mô phỏng từng cụm chi tiết và xây dựng chương trình mô phỏng cho cả hệ thống EPS hoàn chỉnh

Với mô hình mô phỏng đã xây dựng được, tác giả đã lựa chọn các trường hợp khảo sát để lấy kết quả đánh giá thể hiện được các đặc tính mong muốn

16

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG EPS

2.1 Phân loại và đặc điểm các hệ thống EPS trên xe hiện đại

Như đã phân tích trong chương 1, hệ thống lái trợ lực điện sử dụng nguồn trợ lực là motor điện một chiều, motor điện có thể đảo chiều và quay ở các tốc độ khác nhau tuỳ theo mức độ đánh lái của người lái và vận tốc của ôtô Mặt khác, việc sử dụng trợ lực điện thay thế cho trợ lực thủy lực sẽ làm giảm trọng lượng xe và tăng không gian bố trí trong khoang motor

Tuỳ theo việc bố trí motor điện, hiện nay hệ thống EPS trên các dòng xe hiện đại thường có 4 loại sau: motor trợ lực lắp trên trục lái (Hình 2.1), motor trợ lực lắp trên cơ cấu lái (Hình 2.2) và motor trợ lực lắp trên thanh răng (Hình 2.3)

2.1.1 Motor điện lắp trên trục lái (Column- type)

a Sơ đồ khối b Hình ảnh thực tế

Hình 2.1: Sơ đồ EPS kiểu motor lắp trên trục lái

a Đặc điểm

Các cụm chi tiết chính trên sơ đồ:

+ Vô lăng, trục lái

+ Motor trợ lực, cảm biến mô men, cảm biến góc đánh lái và ECU được gắn vào trục lái

+ Cụm cơ cấu lái, dẫn động lái và bánh xe dẫn hướng

+ Tín hiệu cảm biến tốc độ xe gửi về ECU của hệ thống lái trợ lực điện Với kiểu trợ lực này, motor và phần điều khiển ECU đặt trên trục lái nên không gian bên dưới phần cơ cấu lái và thanh răng gọn nên dễ dàng bố trí và cũng thuận tiện cho công việc tháo lắp bảo dưỡng sửa chữa motor và phần điều khiển ECU Đặc biệt với motor điện đặt trên trục lái sẽ giảm thiểu được các khả năng hư hỏng như đi nơi đường ngập nước và các va chạm trong quá trình chuyển động trên các địa hình phức tạp

b Nguyên lý hoạt động

Khi người lái đánh lái, tín hiệu cảm biến góc đánh lái và tín hiệu cảm biến mô men sẽ được gửi về ECU EPS, kết hợp với tín hiệu tốc độ ô tô, ECU EPS xử lý, tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển motor trợ lực để tạo ra mô men trợ lực tác dụng vào trục lái của hệ thống

+ Vô lăng, trục lái

+ Cảm biến mô men, cảm biến góc đánh lái được gắn vào trục lái

+ ECU và motor trợ lực được lắp trên bánh răng chủ động của cơ cấu lái + Tín hiệu cảm biến tốc độ xe gửi về ECU của hệ thống lái trợ lực điện Với kiểu trợ lực này, cho phép mô men trợ lực do motor sinh ra lớn nhưng vẫn không gây tiếng ồn trong xe; hệ thống sử dụng cụm cơ cấu lái có khả năng thay đổi tỷ số truyền do đó hệ thống sẽ trở nên linh hoạt hơn

Tuy nhiên do ECU và motor trợ lực lắp trực tiếp vào bánh răng chủ động của

cơ cấu lái nên tốn không gian bố trí bên dưới, các bộ phận dễ bị va đập và hư hỏng khi xe đi vào các địa hình phức tạp

+ Vô lăng, trục lái

+ Cảm biến mô men, cảm biến góc đánh lái được gắn vào trục lái

+ ECU và motor trợ lực được lắp trực tiếp trên thanh răng

+ Tín hiệu cảm biến tốc độ xe gửi về ECU của hệ thống lái trợ lực điện

20

Kiểu EPS này có đặc điểm là ECU điều khiển motor trợ lực lắp trực tiếp vào thanh răng của hệ thống Vì thế, đòi hỏi mômen của motor cần phải lớn và tốn không gian bố trí bên dưới

Đây là hệ thống các bộ phận được bố trí riêng biệt với nhau, nên hiệu suất của các bộ phận được phát huy tối đa

Tuy vậy, hệ thống dễ bị các trục trặc như đi ở đường ngập nước, đường mấp

mô dẫn đến va đập làm ảnh hưởng tới hệ thống

Hệ thống lái trợ lực điện có kết cấu bố trí chung trình bày như hình 2.4

Hình 2.4: Sơ đồ bố trí chung các cụm chi tiết của EPS

Hệ thống lái trợ lực điện như trên hình 2.4 giữ nguyên cấu trúc của hệ thống lái bánh răng – thanh răng và bố trí thêm: motor điện, cơ cấu giảm tốc, các cảm biến

mô men và cảm biến tốc độ và bộ vi xử lý_ECU EPS

21

Chức năng các chi tiết chính của hệ thống:

EPS ECU Tính toán dòng trợ lực điều khiển mô tơ dựa trên tín

hiệu cảm biến mô men và cảm biến tốc độ xe

ECU động cơ Đưa tín hiệu tốc độ động cơ tới ECU EPS

Cảm biến mô men Đo tín hiệu môn men đánh lái gửi về EPS ECU

Motor trợ lực Tạo ra một mô men trợ lực dựa trên dòng điều khiển

được cung cấp bởi EPS ECU

Bánh răng giảm tốc Giảm tốc độ quay của mô tơ và truyền nó tới bánh răng

lái Cụm đồng hồ bảng táplô Gửi tín hiệu tốc độ xe đến EPS ECU

Đèn báo Làm sáng đèn cảnh báo P/S trên bảng taplo khi có lỗi hệ

thống

DLC3 Cho phép truy cập tới mã chẩn đoán và dữ liệu trong

ECU khi kết nối với máy chẩn đoán

2.3 Nguyên lý hoạt động

ECU của EPS nhận tín hiệu chính từ cảm biến mô men và từ tốc độ xe, ngoài

ra có các tín hiệu phụ như tín hiệu tốc độ motor, tín hiệu B+, chế độ không tải để tính toán điều khiển motor trợ lực phù hợp với điều kiện lái

Lực cản quay vòng nhỏ (chưa có trợ lực): với lực tác động lên trục lái nhỏ hơn 12N thì hệ thống làm việc như hệ thống cơ khí đơn thuần không có trợ lực

Lực cản quay vòng lớn (có trợ lực): Khi lực tác dụng lên vành lái lớn hơn 12

N (hoặc mô mem cản lớn hơn 32 Nm) thì ECU nhận tín hiệu từ cảm biến mô men

và cảm biến tốc độ xe,sau đó tính toán rồi điều khiển motor trợ lực phù hợp thông qua bộ truyền lực trục vít - bánh vít, motor trợ lực tối đa khi lực trên vành lái đạt 50N

Khi lực cản quay vòng không đổi: Mô men tác dụng lên trục lái lái không thay đổi vì vậy ở trạng thái này cảm biến mô men xác định không có mô men tác động

và gửi tín hiệu về ECU, ECU điều khiển motor không trợ lực vào trục 2

22

+ Trạng thái quay vòng: khi người điều khiển tác động quay vành lái, xuất hiện hiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men thay đổi điện áp tùy theo chiều quay và độ lệch tương đối giữa hai đầu thanh xoắn sau đó truyền tín hiệu về ECU, kết hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU tính toán ra dòng điện điều khiển và chiều quay của motor trợ lực cho phù hợp

+ Trạng thái đi thẳng: trục lái không được tác động do đó không có hiện tượng xoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men không thay đổi điện áp, vì thế ECU không điều khiển motor trợ lực và trạng thái đi thẳng được giữ nguyên

2.4 Các cụm chi tiết chính

2.4.1 Các cảm biến

a Cảm biến mô men

 Nhiệm vụ

Được gắn trên trục lái bên cạnh bánh vít có nhiệm vụ đưa ra tín hiệu dạng điện

áp để xác định mô men mà người lái tác dụng trên trục lái và mô men cản, từ đó gửi tín hiệu đến ECU

 Phân loại

Có 2 loại cảm biến mô men sử dụng trên hệ thống lái EPS:

+ Cảm biến mô men xoắn: được sử dụng phổ biến trên các dòng xe Toyota, Mercedes

+ Cảm biến mô men loại Hall: được sử dụng phổ biến trên các dòng xe Kia

 Cảm biến mô men xoắn: Có 2 loại:

+ Cảm biến mô men lõi thép xoay (hình 2.5)

Cảm biến mô men xoắn loại này có kết cấu gồm cuộn phát hiện, cuộn hiệu chỉnh, Rô to phát số 1, Rô to phát số 2, Rô to phát số 3 được lắp trên thanh xoắn Chức năng phát hiện sự xoay của thanh xoắn; tính toán mô men tác dụng lên thanh xoắn nhờ vào sự thay đổi điện áp đặt trên đó và gửi tín hiệu về ECU EPS

Khi tạo ra mô-men lái thanh xoắn bị xoắn tạo độ lệch pha giữa rô to 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 mô tơ

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của cảm biến mô men xoắn

+ Cảm biến mô men loại 4 vành dây (hình 2.7)

24

Hình 2.7 Cấu tạo cảm biến mô men loại 4 vành dây

Cảm biến gồm: Các vành phát hiện 1,2 của Rotor và Stator, thanh xoắn Trong

đó, vành 1 của Rotor được gắn trên trục chính (trục vào) còn vành 2 được gắn trên trục xoắn (trục ra)

Hoạt động như sau: Vành phát hiện 1 và 2 của Rotor phát hiện độ xoắn của thanh xoắn khi đánh lái, sau đó vành phát hiện 1 và 2 của Stator nhận được sự sai lệch đó và gửi tín hiệu điện tại đến EPS ECU

Hình 2.8 Hoạt động của cảm biến mô men loại 4 vành dây

Tín hiệu điện tại đầu ra của vành phát hiện được thể hiện trên hình 2.9

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý và xung điện đầu ra cảm biến mô men loại 4 vành dây

25

 Cảm biến mô men loại Hall:

Cảm biến mô men được lắp theo kiểu không tiếp xúc trên trục lái, và luôn quay cùng chiều với trục lái nhờ cơ cấu then hoa

Cấu tạo của cảm biến mômen loại Hall được thể hiện ở hình 2.7 Nó bao gồm các bộ phận chính sau:

- Roto là bộ phận ghép vào trục lái bằng then hoa

Hình 2.10: Cảm biến mô men

Hình 2.11 Cấu tạo roto

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

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

- Mạch điện cảm ứng được thể hiện trên hình 2.12

 Nguyên lý hoạt động của cảm biến

Cảm biến mô men là bộ phận chính cảm nhận mô men trên trục lái do người lái tác dụng vào vô lăng Lúc này cảm biến mô men nhận tín hiệu và truyền tới bộ

xử lý ECU để điều khiển motor trợ lực điện Cảm biến mô men sử dụng cảm biến Hall dùng từ thông đi qua lớp bán dẫn biến thiên sinh ra suất điện động Nó được xây dựng trên cơ sở đặc tính cảm biến Hall, nghĩa là từ trường yếu thì điện áp sinh

ra yếu và ngược lại Khi tác dụng mô men lên trục lái, roto quay cùng trục lái (nhờ then hoa), lúc này từ thông đi qua lớp bán dẫn biến thiên, dẫn đến trong mạch bán dẫn xuất hiện suất điện động cảm ứng Hall, và giá trị suất điện động này thay đổi tỉ

lệ với mô men tác dụng lên trục lái Eh = kBi/ δ

Trên hình 2.13 thể hiện hiệu điện thế đầu ra của cảm biến ở 2 trạng thái quay

vô lăng sang phải và sang trái

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

- Khi trục lái quay trái hiệu điện thế giảm từ 2,5 xuống 0,8 vol

27

Hình 2.13: Tín hiệu ra của cảm biến

b Cảm biến tốc độ đánh lái có 2 loại:

 Loại phát điện (Hình 2.14)

Loại này được dẫn động từ trục lái thông qua các cặp bánh răng tăng tốc làm tăng tốc độ quay và phát ra điện áp 1 chiều tuyến tính tỷ lệ với tốc độ quay của trục lái Tín hiệu của cảm biến loại phát điện này được hiệu chỉnh và khuếch đại thông qua 1 bộ khuếch đại

Hình 2.14: Cấu tạo và tín hiệu ra của cảm biến tốc độ đánh lái loại phát điện

28

 Loại hiệu ứng Hall (Hình 2.15)

Hình 2.15: Cấu tạo và tín hiệu ra của cảm biến tốc độ đánh lái loại Hall

Cảm biến tốc độ đánh lái loại này có cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt và đặc tính đầu ra dạng xung Vì vậy các xe ngày nay thường sử dụng loại cảm biến này

Cấu tạo của cảm biến gồm 1 rotor nam châm nhiều cực gắn với trục lái Một

IC Hall được đặt đối diện với vành nam châm (cách 1 khe hở nhỏ: 0,2 ÷ 0,4 mm) Cảm biến được cấp nguồn điện một chiều 12v Khi đánh lái, vành nam châm sẽ quay và từ trường của nam châm tác động vào IC Hall tạo ra chuỗi xung vuông 0v ÷ 5v Số xung tăng dần theo góc quay trục lái Tín hiệu này sẽ được gửi về ECU EPS

và phân tích thành góc quay trục lái và tốc độ đánh lái

 Loại công tắc lưỡi gà (Hình 2.16)

Loại này gồm 1 tiếp điểm lá đặt trong một ống thủy tinh nhỏ và đặt cạnh một nam châm quay Mâm nam châm được dẫn động bởi dây côngtơmét Khi ô tô chuyển động, thông qua bánh vít- trục vít ở trục thứ cấp hộp số làm cho dây côngtơmét quay và làm quay mâm nam châm Từ trường của nam châm làm cho công tắc lưỡi gà đóng, mở theo nhịp quay của mâm nam châm và tạo ra chuỗi xung vuông Cảm biến này thường được lắp ngay sau côngtơmét (đồng hồ tốc độ ô tô) ở bảng Taplo

1 chu kỳ

29

 Loại từ- điện (Hình 2.16)

Loại này gồm 1 cánh phát xung được lắp ở trục thứ cấp hộp số và 1 cuộn phát xung với 3 phần tử: lõi thép, nam châm và cuộn dây được đặt cách cánh phát xung một khe hở 0,5 ÷ 1,0 mm Mỗi lần cánh phát xung lướt qua đầu cuộn phát xung thì

ở cuộn dây sẽ cảm ứng ra 1 cặp xung xoay chiều Tần số xung xoay chiều tỷ lệ với tốc độ ô tô

 Loại quang điện (Hình 2.16)

Loại này được lắp ngay sau đồng hồ côngtơmét Nó gồm 1 cánh xẻ rãnh được dẫn động quay từ dây côngtơmét Cánh xẻ rãnh quay giữa khe của đèn LED và phototransistor Tốc độ quay của cánh sẻ rãnh tỷ lệ với tốc độ ô tô và lần lượt che

và thông luồng ánh sáng từ đèn LED sang Transistor quang để tạo nên chuỗi xung vuông 0v ÷ 1v tỷ lệ với tốc độ quay của trục thứ cấp hộp số phản ánh tốc độ ô tô

Hình 2.16: Ba loại cảm biến tốc độ ô tô

30

 Loại mạch từ trở MRE (Hình 2.17)

Loại cảm biến này được lắp ở trục thứ cấp của hộp số Cảm biến gồm 1 vòng nam châm nhiều cực lắp trên trục cảm biến Khi vòng nam châm quay, từ trường sẽ tác động lên mạch từ trở MRE và tạo ra các xung xoay chiều tại 2 đầu mút 2 và 4 của mạch MRE Các xung đưa tới bộ so và điều khiển Transistor để tạo ra xung 0v

÷ 12v ở đầu ra của cảm biến Tần số xung tỷ lệ với tốc độ ô tô và tín hiệu đầu ra của cảm biến có dạng xung vuông được gửi tới ECU

Hình 2.17: Ba cảm biến tốc độ ô tô loại MRE

2.4.2 Motor trợ lực và cơ cấu giảm tốc

Motor trợ lực sử dụng trên hệ thống EPS hiện nay được chia thành 2 loại chính như sau:

+ Motor điện một chiều có chổi than

+ Motor điện một chiều không chổi than dùng nam châm vĩnh cửu Trong đó: motor điện một chiều không chổi than dùng nam châm vĩnh cửu lại được chia thành 2 loại: motor điện một chiều không chổi than điều khiển bằng xung vuông và motor đồng bộ dùng nam châm vĩnh cửu điều khiển bằng xung hình sin

31

 Motor điện một chiều loại có chổi than:

Mô tơ DC bao gồm rô to, stato và trục chính Cơ cấu giảm tốc bao gồm trục vít và bánh vít

Mô-men do rô to tạo ra truyền tới cơ cấu giảm tốc Sau đó, mô men này được truyền tới trục lái Trục vít được đỡ trên các ổ đỡ để giảm độ ồn

Trường hợp mô tơ DC bị hỏng không chạy chuyển động quay của trục lái chính và cơ cấu giảm tốc vẫn không bị cố định nên vô lăng vẫn có thể điều khiển

Hình 2.18: Motor điện một chiều có chổi than

Mo tor điện một chiều loại không chổi than dùng nam châm vĩnh cửu:

+ Loại motor lắp trên thanh răng:

Hình 2.19: Motor điện một chiều không chổi than chổi than lắp trên thanh răng

Motor được lắp trên thanh răng cùng cảm biến góc đánh lái, bao gồm cuộn dây, rô to, stator , cuộn dây và nam châm vĩnh cửu

32

Hình 2.20: Kết cấu các bộ phận của motor điện một chiều không chổi than chổi

than dùng nam châm vĩnh cửu

Cơ cấu giảm tốc sử dụng ở đây là loại êcu-bi: chuyển động của motor được truyền tới bánh răng giảm tốc ê cu bi truyền tới thanh răng

Hình 2.21: Cơ cấu giảm tốc loại ê cu-bi

+ Loại motor lắp trên trục lái:

Hình 2.22: Motor điện một chiều không chổi than chổi than lắp trên trục lái