Chương 4 hệ thống lái EPS PPS

EPS ECU Vận hành mô tơ DC gắn trên trục lái để tạo ra lực trợ lực căn cứ vào tín hiệu từ các cảm biến, tốc độ xe và tốc độ động cơ..  Yêu cầu kỹ thuật của một mô tơ trợ lực trong hệ th

Chương 4

HỆ THỐNG LÁI EPS – PPS

1 Sơ lược hệ thống lái trợ lực thủy lực

1.1 Giới thiệu chung

 Để tăng khả năng lái xe, hầu hết các xe ô tô hiện đại đều có lốp rộng áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc giữa bề mặt đường và lốp xe, do vậy đòi hỏi nhiều lực đánh lái hơn

 Nếu tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái thì có thể giảm được lực đánh lái Tuy nhiên, điều này sẽ khiến phải quay vô lăng nhiều hơn khi xe quay vòng và không thể quay góc ngoặt gấp được Do đó để việc lái được nhạy mà lực lái nhỏ thì cần phải có một số thiết

bị trợ lái Nói cách khác lái có trợ lực trước đây chủ yếu sử dụng trong các xe lớn thì nay cũng được dùng cho các xe du lịch nhỏ

 Hệ thống lái có trợ lực sử dụng công suất của động cơ để dẫn động bơm trợ lực lái tạo

áp suất thuỷ lực Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đường dẫn dầu tại van điều khiển Vì áp suất dầu đẩy pít tông trong xi lanh trợ lái, lực cần đề điều khiển vô lăng sẽ giảm Cần phải định kỳ kiểm tra sự rò rỉ dầu

1.2 Thiết bị bù không tải

 Bơm tạo ra áp suất dầu tối đa khi vô lăng quay hết cỡ sang phải hoặc sang trái Lúc này phụ tải tối đa trên bơm làm giảm tốc độ không tải của động cơ

 Để giải quyết vấn đề này, hầu hết các xe đều có thiết bị bù không tải để tăng tốc độ không tải của động cơ mỗi khi bơm phải chịu phụ tải nặng Thiết bị bù không tải có chức năng tăng tốc độ không tải của động cơ khi áp suất dầu bơm tác động lên van điều khiển không khí (lắp đặt trên thân bơm) để kiểm soát lưu lượng không khí

 Trong các động cơ EFI, khi áp suất dầu đẩy pít tông của van điều khiển không khí, van điều khiển không khí mở và lượng không khí đi tắt qua bướm ga sẽ tăng để điều chỉnh tốc độ động cơ

1.3 Van điều khiển

 Van điều khiển trong hộp cơ cấu lái quyết định đưa dầu từ bơm trợ lực lái đi vào buồng nào Trục van điều khiển (trên đó tác động mômen vô lăng) và trục vít được nối với nhau bằng một thanh xoắn

 Van quay và trục vít được cố định bằng một chốt và quay liền với nhau Nếu không có

áp suất của bơm tác động, thanh xoắn sẽ ở trạng thái hoàn toàn xoắn và trục van điều khiển và trục vít tiếp xúc với nhau ở cữ chặn và mômen của trục van điều khiển trực tiếp tác động lên trục vít

1.4 Hoạt động của van điều khiển

1.4.1 Vị trí trung gian

 Khi trục van điều khiển không quay nó sẽ nằm ở vị tri trung gian so với van quay Dầu

do bơm cung cấp quay trở lại bình chứa qua cổng "D" và buồng "D" Các buồng trái và phải của xi lanh bị nén nhẹ nhưng do không có sự chênh lệch áp suất nên không có lực trợ lái

1.4.2 Quay sang phải

 Khi xe quay vòng sang phải, thanh xoắn bị xoắn và trục van điều khiển theo đó quay sang phải Các lỗ X và Y hạn chế dầu từ bơm để ngăn dòng chảy vào các cổng "C" và cổng "D" Kết quả là dầu chảy từ cổng "B" tới ống nối "B" và sau đó tới buồng xi lanh phải, làm thanh răng dịch chuyển sang trái và tạo lực trợ lái Lúc này, dầu trong buồng

xi lanh trái chảy về bình chứa qua ống nối "C"  cổng "C"  cổng "D"  buồng "D" 1.4.3 Quay sang trái

 Cũng giống như quay vòng sang phải, khi xe quay vòng sang trái thanh xoắn bị xoắn và trục điều khiển cũng quay sang trái

 Các lỗ X' và Y' hạn chế dầu từ bơm để chặn dòng chảy dầu vào các cổng "B" và "C"

Do vậy, dầu chảy từ cổng "C" tới ống nối "C" và sau đó tới buồng xi lanh trái làm thanh răng dịch chuyển sang phải và tạo lực trợ lái Lúc này, dầu trong buồng xi lanh phải chảy về bình chứa qua ống nối "B"  cổng " B"  cổng "D"  buồng "D"

2 Hệ thống lái trợ lực điện EPS

2.1 Giới thiệu chung

 Hệ thống dùng 1 mô tơ điện trợ lực trên trục lái

 Tính kinh tế nhiên liệu cao do động cơ không phải dẫn động bơm trợ lực lái như trước

 Một số nghiên cứu cho thấy rằng nhiên liệu tiêu tốn tiết kiệm 5-8% so với cùng một xe lắp HPS

 Dễ sửa chữa và bảo dưỡng do có it cơ cấu cơ học

2.2 Cấu tạo và chức năng các cụm chi tiết

2.2.1 Sơ đồ hệ thống lái EPS

2.2.2 Chức năng các cụm chi tiết

Cụm

trục lái

Cảm biến mô

men

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

Đưa tín hiệu điện áp đó về EPS ECU

Mô tơ điện DC Tạo ra lực trợ lực tùy vào tín hiệu từ EPS ECU

Cảm biến góc

lái

Đưa tín hiệu về EPS ECU để nhận biết vị trí rôto của môtơ

(chỉ có trong môtơ ba pha)

EPS ECU Vận hành mô tơ DC gắn trên trục lái để tạo ra lực trợ lực căn

cứ vào tín hiệu từ các cảm biến, tốc độ xe và tốc độ động cơ ECU động cơ Đưa tín hiệu tốc độ động cơ tới EPS ECU

Cụm đồng hồ táp lô Đưa tín hiệu tốc độ xe đến EPS ECU

Đèn cảnh báo P/S Bật đèn báo khi hệ thống có hư hỏng

2.2.3 Cấu tạo các bộ phận chính

a Mô tơ trợ lực lái

 Cơ cấu giảm tốc sẽ giảm vận tốc truyền động của mô tơ điện 1 chiều (DC) và truyền chuyển động tới trục thứ cấp

 Trong hệ thống lái trợ lực điện thì môtơ điện chính là bộ phận trực tiếp chuyển điện năng thành cơ năng để trợ lực cho người điều khiển vì vậy mô tơ điện có một vai trò rất quan trọng trong hệ thống

 Yêu cầu kỹ thuật của một mô tơ trợ lực trong hệ thống lái cũng đòi hỏi cao đó là: khối lượng nhỏ, kích thước không lớn nhưng phải tạo ra mômen đủ lớn để trợ lực; chịu được nhiệt độ cao và rung động khi xe hoạt động; hoạt động ổn định, tuổi thọ cao, không tốn nhiều thời gian bão dưỡng Đặc biệt phải đảm bảo tính đảo chiều trong thời gian rất ngắn cũng như đóng, ngắt liên tục, phù hợp với hệ thống điện sử dụng trên ôtô

 Nó cũng yêu cầu về tiết kiệm điện năng, giảm giá thành sản xuất

 Mô tơ điện một chiều DC bao gồm rô to, stato và trục chính Cơ cấu giảm tốc bao gồm trục vít và bánh răng 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 Dù mô

tơ DC bị hỏng không chạy thì 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

b Cảm biến mô men xoắn

 Khi người lái xe điều khiển vô lăng, mô men lái tác động lên trục sơ cấp của cảm biến

mô men thông qua trục lái chính Người ta bố trí các vòng phát hiện 1 và 2 trên trục sơ cấp (phía vô lăng) và vòng 3 trên trục thứ cấp (phía cơ cấu lái)

 Trục sơ cấp và trục thứ cấp được nối bằng một thanh xoắn Các vòng phát hiện có cuộn dây phát hiện kiểu không tiếp xúc trên vòng ngoài để hình thành một mạch kích thích Khi tạo ra mô men lái thanh xoắn bị xoắn tạo độ lệch pha giữa vòng phát hiện 2 và 3

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

 Khi tài xế quay tay lái ở bên phải hoặc bên trái, độ xoắn được tạo ra trong các thanh xoắn của tay lái sinh ra một chuyển tương đối giữa vòng phát hiện 2 và 3 Chức năng

phát hiện vòng 1 và 2 là để hiệu chỉnh nhiệt độ Chúng phát hiện những thay đổi nhiệt

độ xảy ra trong các cuộn dây phát hiện và hiệu chỉnh các sai lệch gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ

 Cuộn phát hiện và cuộn hiệu chỉnh không được chạm vào các vòng phát hiện

2.3 Chức năng của EPS ECU

Điều khiển chính Từ giá trị độ xoắn của thanh lái và vận tốc xe sẽ định mức

dòng điện cấp tới mô tơ trợ lực lái

Điều khiển bù quán tính Đảm bảo mô tơ trợ lực lái hoạt động ngay khi người lái xe

khởi hành và xoay vô lăng

Điều khiển trả lái Điều khiển hỗ trợ lực hồi về của các bánh xe sau khi người

lái đánh hết vô lăng sang 1 bên

Điều khiển giảm rung

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

Điều khiển bảo vệ quá nhiệt

Dự tính nhiệt độ của mô tơ dựa trên cường độ dòng điện và điện áp vào Nếu nhiệt độ của mô tơ hay ECU trợ lực lái vượt quá giá trị cho phép, nó sẽ giảm bớt cường độ dòng điện vào để tránh tình trạng mô tơ hoặc ECU bị quá nhiệt 2.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống lái EPS

 Một cảm biến mô men xoắn được lắp ráp trên trục bánh răng, bộ này gửi tín hiệu đến hộp điều khiển điện tử hay EPS ECU về chiều hướng cần bẻ lái và độ lớn của mô men tác động vào vành tay lái

 Khi tác động mô men xoay vào vành tay lái, cảm biến mô men xoắn gửi tính hiệu đến hộp điều khiển Sau khi nhận tín hiệu, EPS ECU điều khiển mô tơ trợ lực giúp người lái quay vô lăng

 Một cảm biến tốc độ xe gửi tín hiệu đến EPS ECU và EPS ECU điều chỉnh công suất trợ lực của mô tơ điện phù hợp với tốc của xe Khi tốc độ xe càng tăng thì trợ lực lái sẽ giảm xuống để đảm bảo độ nặng tay lái không đổi khi xe chạy ở tốc độ cao, nhằm tránh hiện tượng người điều khiển mất cảm giác lái

 Đối với hệ thống EPS dùng môtơ ba pha thì có thêm một cảm biến góc lái gửi tín hiệu đến EPS ECU về vị trí của rôto trong môtơ trợ lực nhằm điều khiển môtơ một cách chính xác và hiệu quả hơn

2.5 Ưu và nhược điểm về kỹ thuật của hệ thống EPS

 Kết cấu tương đối gọn nhẹ vì không cần đến bơm thủy lực, cơ cấu pittông xylanh, các van phân phối và các ống dẫn dầu…v.v Dẫn đến dễ lắp ráp lên xe hơn, giảm chi phí nguyên vật liệu trong quá trình sản xuất tiến đến giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm thời gian chăm sóc bảo dưỡng thường xuyên như châm dầu, thay dây đai…và giảm được tiếng ồn so với hệ thống trợ lực thủy lực truyền thống Được điều khiển bằng hệ thống điện tử nên độ lớn trợ lực chính xác hơn và có thể thay đổi được lực tác dụng trợ lực tùy theo điều kiện lái và tốc độ xe

 Một nghiên cứu của hãng Toyota cho thấy sử dụng hệ thống EPS giảm được khoảng 8% lượng tiêu hao nhiên liệu so với hệ thống trợ lực thủy lực truyền thống, nhờ vào việc chỉ sử dụng công suất khi người điều khiển bẻ lái Trong khi hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực truyền thống (HPS) có một bơm dẫn động liên tục từ động cơ mặc dù việc trợ lực là cần hay là không Hệ thống EPS còn làm giảm ô nhiễm môi trường , vì giảm được tiêu hao nhiên liệu và không sử dụng dầu trợ lực nên giảm gây ô nhiễm trong quá trình sửa chữa cũng như tiêu hủy

5- Tuy nhiên, hệ thống EPS áp dụng công nghệ điện – điện tử nhiều hơn cho nên trong quá trình nghiên cứu, chế tạo, cũng như sữa chữa khó khăn hơn Đây là nguyên nhân chính dẫn đến giá thành của hệ thống EPS trên thị trường hiện nay chưa thể giảm xuống Các

bộ phận điện tử trong hệ thống khi có hư hỏng rất khó để sửa chữa nên việc thay thế sẽ dẫn đến giá thành chung của quá trình sữa chữa tăng lên Như vậy, hệ thống EPS có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với hệ thống trợ lực thủy lực (HPS), cũng như hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện tử (EHPS) Cho nên hệ thống EPS đang được quan tâm và phát triển trên các xe du lịch, xe nhỏ và trung bình đời mới

2.6 Chế độ dự phòng và lưu ý khi sửa chữa

2.6.1 Chế độ dự phòng

Khi phát hiện thấy sự cố, hệ thống sẽ chuyển sang chế độ dự phòng

 Hỏng cảm biến mô men xoắn

 Mô tơ bị quá dòng

 Mô tơ bị ngắn mạch (bao gồm cả sự cố của hệ thống dẫn

động)

 Hư hỏng trong ECU trợ lực lái

Không trợ lực

 Mô tơ bị quá nhiệt

 Nhiệt độ cao trong ECU trợ lực lái

 Hư hỏng của cảm biến nhiệt độ bên trong ECU trợ lực lái

 Sự cố tín hiệu vận tốc xe và tốc độ động cơ

Hạn chế lực trợ lực

Sự cố nguồn điện

Tạm dừng trợ lực (trợ lực trở lại sau khi nguồn điện hoạt động bình thường) 2.6.2 Lưu ý khi sửa chữa

 Cài đặt ban đầu và đặt chuẩn “0”

Tiến hành cài đặt ban đầu và đặt chuẩn “0” cho hệ thống EPS theo các trường hợp sau:

 EPS (Đặt chuẩn “0” cho cảm biến mô men) (khi dùng máy chẩn đoán cầm tay IT II)

 Đặt vô lăng ở vị trí giữa, bánh xe hướng thẳng

 Nối máy chẩn đóan với giắc DLC3

 Bật chìa khóa điện ON

 Truy cập vào hệ thống: Chassis/EPS/Utility/Torque sensor Adjustment

 Hãy đặt tín hiệu ban đầu của cảm biến mô men và thực hiện việc đặt chuẩn “0” theo chỉ dẫn trên màn hình

 EPS (Đặt chuẩn “0”) (không dùng máy chẩn đoán cầm tay IT II)

Phương thức Điều kiện

ban đầu

 Các mã DTC không phát ra ngoại trừ mã C1515/15

 Đặt vô lăng ở vị trí giữa với bánh xe hướng thẳng

 Khóa điện tắt OFF Cài đặt ban

3 Ngắt và nối các cực TC và CG 20 lần trong vòng 20 giây

4 Kiểm tra hoạt động của đèn cảnh báo PS sau đó tháo SST và tắt khóa

2 Đợi khoảng 7 giây

3 Kiểm tra hoạt động của đèn cảnh báo P/S, sau đó tháo SST và tắt khóa điện OFF

3 Trợ lực lái phi tuyến (PPS)

3.1 Giới thiệu chung

 Trợ lực lái cải tiến sử dụng một ECU để điều khiển lực quay của vô lăng cần thiết phù hợp với tốc độ của xe

 Tạo lực lái nhỏ khi tốc độ của xe thấp và tạo lực lái lớn khi tốc độ của xe cao, để đạt được cảm giác lái tốt nhất

 Có hai phương pháp thay đổi lực lái:

 Hệ thống trợ lực lái cải tiến với sự phân nhánh của áp suất dầu tác dụng lên piston

 Hệ thống trợ lực lái cải tiến kiểu mới thay đổi moment xoắn của thanh xoắn trong

van điều khiển

3.2 Trợ lực lái cải tiến kiểu phân nhánh áp suất

 Van điều khiển mở theo mức độ đánh lái, cho phép dầu từ bơm đi qua van điều khiển đến xilanh lực

 Dầu tác dụng lên piston tạo nên trợ lực lái

 Khi xe quay trái hoặc quay phải hướng của áp suất dầu tác dụng lên piston được thay đổi bởi van điều khiển

 Để thay đổi lực lái người ta tạo ra một mạch nhánh để nối buồng bên trái và buồng bên phải của piston

 Sự thay đổi kích thước của mạch nhánh này làm thay đổi lượng dầu chảy qua, dẫn đến thay đổi áp suất dầu tác dụng lên piston và làm tăng hay giảm mức độ trợ lực lái: ở tốc

độ thấp mạch nhánh bị đóng làm tăng sự trợ lực, khi tốc độ tăng mạch nhánh mở rộng

 Kích thước của mạch nhánh bị hạn chế khi xe chạy ở tốc độ thấp nhờ sự hoạt động của van điện, và tăng khi tốc độ xe tăng

 Trợ lực lái cải tiến kiểu phân nhánh áp suất bao gồm các bộ phận sau:

 Cảm biến tốc độ

 ECU trợ lực lái

 Van điện từ

 Một đầu của công tắc lưỡi gà được nối đất, đầu kia được nối với ECU

 Công tắc lưỡi gà bật và tắt điện áp cung cấp tạo ra xung tương ứng với sự bật và tắt của công tắc

 Bốn xung được sinh ra trong mỗi vòng quay của dây Tốc độ xe cao hơn thì sẽ sinh ra nhiều xung hơn trong một đơn vị thời gian

b Kiểu tế bào quang điện

 Một đĩa có xẽ rãnh trên dây đồng hồ tốc độ quay và tế bào quang điện bị bật tắt do ánh sáng chiếu đến nó bị gián đoạn liên tục do sự che khuất của đĩa xẽ rãnh

 Khi điện áp cấp lên mạch này, sẽ sinh ra xung tương ứng với sự bật tắt của tế bào quang điện

 20 xung được sinh ra trong một vòng quay của dây đồng hồ tốc độ Nên 1/5 những xung (4 xung) được sinh ra này là các tín hiệu của tốc độ của xe

 Tốc độ của xe cao hơn thì sinh ra nhiều xung hơn

3.2.3 Van điện từ

 Van điện được gắn trong cơ cấu lái, nó có tác dụng làm thay đổi kích thước cửa dầu mạch nhánh nối hai phía của xilanh lực

 Ống của van bị kéo khi van bị kích thích bởi tín hiệu từ ECU trợ lực lái

 Hệ số tác dụng của tín hiệu thay đổi khi tốc độ của xe thay đổi, làm thay đổi điện áp dẫn đến thay đổi lực điện từ của cuộn dây theo tốc độ xe

 Vì vậy, mức độ ống bị kéo và kích thước cửa dầu thay đổi theo tốc độ của xe

 Tốc độ thấp: lực điện từ yếu ống dịch chuyển ít

 Tốc độ cao: lực điện từ lớn ống dịch chuyển nhiều

3.3 Trợ lực lái kiểu phản lực thủy lực

 Trợ lực lái cải tiến kiểu phản lực thủy lực sử dụng một thanh xoắn mỏng hơn so với bình thường để giảm lực lái cần thiết khi quay vòng tại chỗ hay chuyển động ở tốc độ thấp