Khai thác kĩ thuật trợ lực lái điện trên xe Hyundai Grand I10

Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhà nước ta chủ trương đẩy mạnh nghành công nghiệp ôtô và đã có 14 liên doanh ôtô, một công ty Việt Nam hoạt động và đã đưa ra thị trường nhiều loại xe có chất lượng cao, ứng dụng các tiến bộ khoa học và công nghệ tiên tiến. Trong đó hệ thống lái ôtô là một ví dụ. Hệ thống này có chức năng điều khiển hướng chuyển động của ô tô, đảm bảo tính năng ổn định chuyển động thẳng cũng như quay vòng của bánh xe dẫn hướng. Trong quá trình chuyển động hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến an toàn chuyển động và quỹ đạo chuyển động của ô tô, đặc biệt đối với xe có tốc độ cao. Do đó người ta không ngừng cải tiến hệ thống lái để nâng cao tính năng của nó. Xuất phát từ những yêu cầu và đặc điểm đó, em đã được nhận thực hiện nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Khai thác kĩ thuật trợ lực lái điện trên xe Hyundai Grand I10”. Đây là một lĩnh vực khá mới mẻ, phức tạp đòi hỏi các kiến thức về điện tử - tin học, cơ điện tử và chưa có nhiều tài liệu tham khảo. Sau một thời gian thực hiện đề tài, mặc dù chúng em đã gặp khá nhiều khó khăn nhưng với sự giúp đỡ của thầy Lê Quang Thắng cùng với sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành đúng tiến độ. Dù đã rất cố gắng và nỗ lực để thực hiện đề tài này, nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, vì vậy chúng em rất mong có những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn. Nội dung phần thuyết minh đồ án bao gồm: Lời mở đầu. Chương 1: Tổng quan về hệ thống lái. Chương 2: Điều khiển điện tử hệ thống lái trợ lực điện xe Huyndai Grand i10. Chương 3: Xây dưng mô hình hệ thống lái điều khiển điện tử Chương 4: Chẩn đoán, bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống lái trợ lực điện. Kết Luận Tài liệu tham khảo.

MỤC LỤC

Mở đầu

Trang

1.1 Tổng quan vể hệ thống lái ……… 3

1.2 Tổng quan về điều khiển điện tử hệ thống lái ……… … 4

1.3 Khái quát hệ thống lái trợ lực điện ……… 6

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN XE HYUNDAI GRAND I10 13 2.1 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái điện ……… ……… 13

2.2 Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện ……… ……… 17

2.3 Tính toán kiểm tra động học hệ thống lái ……… 25

2.4 Tính toán bộ truyền cơ cấu lái ……….34

2.5 Tính bền dẫn động lái ……… ……….41

2.6 Tính toán trợ lực điện ……… ……….44

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ 48

3.1 Xây dựng sơ đồ khối ……….48

3.2 Linh kiện sử dụng……… 48

3.3 Khối nguồn ……….………48

3.4 Xây dựng khối điều khiển ……….49

3.5 Xây dựng khối tín hiệu vận tốc ……….54

3.6 Khối tín hiệu hướng đánh lái ………55

3.7 Khối chấp hành ……… ………56

3.8 Lập trình cho mô hình……….……… 56

CHƯƠNG 4: CHẨN ĐOÁN, BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN 59

4.1 Quy trình xử lý sự cố ……….……… ……….…59

4.2 Chuẩn hóa cho cảm biến mômen ………… ……… ………60

4.3 Chuẩn “ không” cho cảm biến mô men bằng thiết bị thử cầm tay SST ………… 61

4.4 Tháo lắp bộ điều khiển điện tử ECU ………62

4.5 Một số hư hỏng và biện pháp khắc phục ……….64

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhà nước ta chủ trương đẩy mạnh nghành công nghiệp ôtô và đã có 14 liên doanh ôtô, một công ty Việt Nam hoạt động và đã đưa ra thị trường nhiều loại xe có chất lượng cao, ứng dụng các tiến

bộ khoa học và công nghệ tiên tiến Trong đó hệ thống lái ôtô là một ví dụ

Hệ thống này có chức năng điều khiển hướng chuyển động của ô tô, đảm bảo tính năng ổn định chuyển động thẳng cũng như quay vòng của bánh xe dẫn hướng Trong quá trình chuyển động hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến an toàn chuyển động và quỹ đạo chuyển động của ô tô, đặc biệt đối với xe có tốc độ cao Do đó người ta không

ngừng cải tiến hệ thống lái để nâng cao tính năng của nó Xuất phát từ những yêu cầu

và đặc điểm đó, em đã được nhận thực hiện nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp với đề tài “

Khai thác kĩ thuật trợ lực lái điện trên xe Hyundai Grand I10”.

Đây là một lĩnh vực khá mới mẻ, phức tạp đòi hỏi các kiến thức về điện tử - tin học, cơ điện tử và chưa có nhiều tài liệu tham khảo Sau một thời gian thực hiện đề tài,

mặc dù chúng em đã gặp khá nhiều khó khăn nhưng với sự giúp đỡ của thầy Lê

Quang Thắng cùng với sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành đúng tiến

độ.

Dù đã rất cố gắng và nỗ lực để thực hiện đề tài này, nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, vì vậy chúng em rất mong có những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn.

Nội dung phần thuyết minh đồ án bao gồm:

Lời mở đầu.

Chương 1: Tổng quan về hệ thống lái.

Chương 2: Điều khiển điện tử hệ thống lái trợ lực điện xe Huyndai Grand i10 Chương 3: Xây dưng mô hình hệ thống lái điều khiển điện tử

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

Kết Luận

Tài liệu tham khảo.

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI

Ngày nay ô tô được sử dụng ở tốc độ cao, vấn đề an toàn chuyển động ngàycàng được quan tâm nhiều hơn Trong cấu tạo ôtô, hai hệ thống được coi là quantrọng nhất đảm bảo an toàn chuyển động là hệ thống lái và hệ thống phanh

Để đảm bảo tiện ích trong quá trình lái, hầu hết các ô tô hiện nay được trang

bị thêm trợ lực lái

1 Tổng quan về hệ thống lái

Từ khi ô tô ra đời cho đến nay, hệ thống lái được cải tiến không ngừng đểđáp ứng các tiêu chí về an toàn và tiện nghi, tính an toàn chủ động trong điềukiện chuyển động với vận tốc cao và mật độ các phương tiện tham gia giaothông lớn Quá trình phát triển các hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê thànhcác hệ thống lái sau: hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệthống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống láitích cực, hệ thống lái Steer by wire, hệ thống lái tự động

2 Tổng quan về điều khiển điện tử hệ thống lái.

Các hệ thống lái có trợ lực chia thành 2 nhóm chính:

+ Nhóm trợ lực thủy lực đơn thuần (HPS)

+ Nhóm trợ lực có điều khiển điện – điện tử

Phương pháp điều khiển lưu lượng( Flow Control Method):

Trong phương pháp này van điện từ Solenoid được đặt tại vị trí cửa ra củabơm để mở 1 đường dầu đi tắt về đường hồi dầu Bộ điều khiển điện tử sẽ điềuchỉnh van điện từ solenoid mở khi ôtô chạy ở tốc độ cao để giảm lưu lượng củabơm cấp đến van trợ lực và xilanh trợ lực Điều này làm tăng lực lái Bằng việcgiảm độ cản của mạch giữa bơm và xilanh trợ lực, yêu cầu về trợ lực sẽ giảm Dòng dầu thủy lực được đưa tới xilanh trợ lực sẽ giảm khi lái ở tốc độ cao

và vậy đối với phương pháp này, lượng tỉ lệ phản hồi và lực phản lái sẽ cân bằngtại điểm cân bằng

Phương pháp điều khiển mạch tách qua xilanh trợ lực(Cylinder

Bypass Control Method):

Trong phương pháp này một van điện và một mạch rẽ sẽ được thiết lập haikhoang cửa xilanh trợ lực Thời gian mở van sẽ được kéo dài bởi bộ điều khiểnđiện tử cho phù hợp với việc tăng tốc độ ôtô Như vậy sẽ giảm được áp suất dầutrong xilanh trợ lực và tăng hiệu quả lái Giống như phương pháp điều khiển lưulượng hệ thống này cũng đạt được điểm cân bằng giữa lượng phản hồi lái và lựcphản lái

Phương pháp điều khiển đặc tính van(Valve Characteristics Control Method):

Trong phương pháp này áp suất điều khiển bị giới hạn bởi cơ cấu van xoaytức là điều khiển lượng và áp suất của dầu cung cấp cho xi lanh trợ lực đượcchia thành phần thứ hai, phần thứ ba Còn phần thứ tư được điều khiển bởi tínhiệu Mô tơ điều khiển dòng dầu giữa phần thứ hai và phần thứ ba của van Hiệuquả lái được điều khiển bằng cách phát hiện ra những biến đổi điều khiển của

phần thứ tư để biến đổi tỉ lệ trợ lực Do cấu trúc hệ thống đơn giản và dòng dầuđược cung cấp hiệu quả từ bơm đến xilanh trợ lực, hệ thống này thể hiện lượngphản hồi tốt Khi dòng điện cấp cho van điện từ là 0,3A van sẽ mở hết cỡ và rấtphù hợp với chạy xe tốc độ cao.

Phương pháp điều khiển phản lực dầu ( Hydraulic Reaction Force Method):

Trong phương pháp này hiệu quả lái được điều khiển bởi cơ cấu phản lựcdầu, nó được lắp trên van xoay( van trợ lực) Van điều khiển phản lực dầu làmtăng áp suất dầu cấp cho khoang phản lực phù hợp với tốc độ xe

Phương pháp điều khiển bằng dòng điện và điện áp:

Trong phương pháp này dùng mô tơ điện một chiều để tạo mômen trợ lựccho HTL Nhờ vào các cảm biến mà quyết định được công suất mô tơ trợ lực

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

Với hệ thống HPS nguồn cung cấp năng lượng tách biệt hoàn toàn với hệthống lái, HPS cần một nguồn năng lượng ( bơm thuỷ lực, xi lanh thủy lực, cácvan, các đường dầu) Để thiết kế HPS là cả một khối lượng công việc đáng kể,một phần ở đó là số lượng đáng kể các thiết bị mà hệ thống yêu cầu, điều đó cónghĩa là HPS không dễ dàng lắp đặt trên xe nhỏ gọn Hơn nữa nó tiêu thụ nănglượng ở tất cả các công việc của xe

Với hệ thống điều khiển như thế HPS yêu cầu độ chính xác cao trong chếtạo, khi có sự cố về hệ thống trợ lực thì lực của người lái lớn hơn lực lái khikhông thiết kế trợ lực do lực cản của chất lỏng trong hệ thống trợ lực Việc dùngdầu trợ lực cũng là một nhược điểm của nó Khi thay thế sữa chữa lượng dầuthải ra ảnh hưởng đến môi trường, đó là một trong những vấn đề được các nhàsản xuất ôtô trên thế giới quan tâm

Hệ thống trợ lực lái EPS được tạo ra từ môtơ điện một chiều đặt trên hệ

hệ thống lái yêu cầu Với sự nhỏ gọn dùng nguồn năng lượng sạch năng lượngkhông lãng phí lái Như HPS bơm sẽ vẫn làm việc thậm chí khi hệ thống khôngđòi hỏi trợ lực, với EPS có thể đưa ra khả năng về cải tiến để tiết kiệm nhiên liệucho ôtô.

3 Khái quát hệ thống lái trợ lực điện

1 Các phần tử cơ bản của trợ lực lái điện

Do đòi hỏi tốc độ ngày một cao hơn, chất lượng tốt hơn và yêu cầu giảmnăng lượng tiêu thụ ở phương tiện ngày một gia tăng Để đáp ứng cho các đòihỏi này, việc nghiên cứu và phát triển theo xu hướng cải thiện hệ thống điềukhiển điện điện tử nhằm mục đích nâng cao hơn nữa các chức năng và đặc tínhcủa nó Điểm đặc biệt đó gồm hai đề xuất là giới thiệu lôgíc toán học và hệthống lái chuyên sâu phù hợp với môi trường xe chạy bằng cách thay đổi các trợlực cho phù hợp với điều kiện giao thông hoặc điều kiện bề mặt đường để tạocảm giác nhạy bén khi lái xe Vấn đề quan trọng nhất là khả năng phản ứng tứcthời của trợ lực lái, gây cảm giác cho người lái làm họ phải chú ý đến sự biếnđổi do phản lực lái gây ra Như vậy, hệ thống cung cấp cho người lái xe cácthông tin cần lưu ý trong điều kiện vận hành của phương tiện, ví dụ: Sự biến đổivận tốc và gia tốc, phản lực lái, không chỉ cải thiện mối quan hệ giữa người lái

và phương tiện mà còn có thể tạo ra sự phù hợp giữa cảm giác của người lái và

hệ thống lái, nhưng chức năng tự động bù khi phương tiện có những biến đổikhông đồng đều mà nguyên nhân do sự xáo trộn gây ra cũng có thể được giảiquyết

Trợ lực lái điện (EPS - Electric Power Steering) là một hệ thống điện hoànchỉnh làm giảm đáng kể sức cản hệ thống lái bằng cách cung cấp dòng điện trựctiếp từ mô tơ điện tới hệ thống lái Thiết bị này bao gồm có cảm biến tốc độ xe,một cảm biến lái (mômen, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và mộtmôtơ Tín hiệu đầu ra từ mỗi cảm biến được đưa tới ECU có chức năng tính toánchế độ điều khiển lái để điều khiển hoạt động của môtơ trợ lực

Phân loại

Có hai loại đó là motor nằm trên cọc lái và motor nằm trên thước lái

HỆ THỐNG TRỢ LÁI CÓ MOTOR NẰM TRÊN CỌC LÁI

TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN CÓ MOTOR NẰM TRÊN THƯỚC LÁI

Các phần tử chính cua trợ lực lái điện gồm có: Mô tơ điện một chiều; Cáccảm biến; Bộ điều khiển trung tâm (ECU); Hộp giảm tốc.

* Mô tơ:

Mô tơ điện của trợ lực lái là một mô tơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu,gắn với bộ truyền động của trợ lực lái Mô tơ chấp hành của trợ lực lái điện cónhiệm vụ tạo ra mô men trợ lực dưới điều khiển của ECU và phải đáp ứng cácyêu cầu:

- Mô tơ phải đưa ra được mô men xoắn và lực xoắn mà không làm quay vô lăng

- Mô tơ phải có cơ cấu đảo chiều quay khi có sự cố xảy ra

- Những dao động của mô tơ và mô men xoắn, lực xoắn phải trực tiếp chuyển đổithông qua vành lái tới tay người lái phải được cân nhắc

Do vậy Mô tơ điện có các đặc điểm:

- Nhỏ, nhẹ, và có kết cấu đơn giản

- Lực, mô men xoắn biến thiên nhỏ thông qua điều khiển

- Dao động và tiếng ồn nhỏ

- Lực quán tính và ma sát nhỏ

- Độ an toàn và độ bền cao

* Bộ điều khiển trung tâm (ECU)

Bộ điều khiển trung tâm (ECU) nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử

lý thông tin để điều khiển mô tơ

Yêu cầu đối với ECU gồm có:

- Đảm bảo tính tiện nghi khi lái (chức năng điều khiển dòng điện mô tơ) Cácchức năng này gồm có:

(1) Điều khiển được dòng điện cấp cho Mô tơ theo qui luật xác định

Tạo ra lực trợ lực (tương ứng với dòng điện cấp cho Mô tơ ) theo tốc độ xe

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

xe

(2) Điều khiển bù

Giảm thiểu sự biến động của lực lái bằng cách bù dòng điện cấp cho Mô tơtương ứng với sự biến động mô-men xoắn đầu vào

(5) Tối đa dòng điện cấp cho mô tơ

Giới hạn dòng điện của mô tơ tối đa đến mức tối ưu để bảo vệ ECU và mô tơkhông bị hư hỏng do quá tải

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

Để đảm bảo độ tin cậy trong ECU sẽ có mạch tự chuẩn đoán và sửa lỗi) Nó

sẽ theo dõi sự sai lệch của các phần tử trong hệ thống và khi phát hiện bất kỳ sailệch nào, nó sẽ điều khiển các chức năng EPS phụ thuộc vào ảnh hưởng của sựsai lệch và cảnh báo cho người lái xe Ngoài ra, nó còn lưu trữ các vị trí các sailệch trong ECU

- Đảm bảo tính đối thoại với các hệ thống khác (Chức năng truyền tin và kiểm tra

hệ thống EPS)

* Các cảm biến:

Các cảm biến có nhiệm vụ cấp tín hiệu mô men lái, vận tốc chuyển động xe

và tốc độ trục khuỷu động cơ Về cơ bản trợ lực lái điện có cảm biến mô men lái

và hai trên trục sơ cấp phía vô lăng và vòng phát hiện thứ ba trên trục thứ cấp.Trục sơ cấp và trục thứ cấp được nối với nhau bằng một thanh xoắn.

Hình 1.2 Cảm biến mô men trục lái

1 - Vòng phát hiện thứ nhất; 2 - Trục sơ cấp; 3 - Cuộn dây bù;4 - Vòng phát hiện thứ hai; 5 - Cuộn dây phát hiện; 6 - Vòng phát hiện thứ ba;

7 - Trục thứ cấp.

Các vòng phát hiện có cuộn dây phát hiện kiểu không tiếp xúc trên vòngngoài để hình thành một mạch kích thích Khi tạo ra mô men lái thanh xoắn bịxoắn tạo ra độ lệch pha giữa vòng phát hiện thứ hai và ba Dựa trên độ lệch phanày một tín hiệu tỉ lệ với mô men được đưa vào ECU Dựa trên tín hiệu nàyECU tính toán mô men trợ lực cho tốc độ xe và dẫn động mô tơ điện với mộtcường độ, chiều và thời điểm cần thiết

Các cảm biến này có hai loại chính là có tiếp điểm và không có tiếp điểm

Ưu điểm của loại không tiếp điểm là : không bị mòn do lão hóa, từ trễ nhỏ, là ít

bị ảnh hưởng bởi dịch chuyển dọc trục và lệch trục

Hộp giảm tốc có nhiệm vụ tăng lực lái và truyền mô men trợ lực đến cơ cấulái

Rơle điều khiển có chức năng nhận tín hiệu điều khiển từ ECU và cung cấpđiện cho động cơ điện một chiều hoạt động và ngắt điện ngừng quá trình trợ lực

2 Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống trợ lực lái điện.

Trợ lực lái được điều khiển theo các bản đồ được lưu trũ sẵn trong bộ nhớcủa ECU EPS ECU có thể lưu trũ 16 bản đồ, các bản đồ này được kích hoạt ởnhà máy phụ thuộc vào các yêu cầu cho trước (ví dụ trọng lượng của ô tô)

Hình 1.3 Sơ đồ khối nguyên lý trợ lực lái điện 1- Dòng cấp mô tơ; 2- Tốc độ mô tơ; 3- Vận tốc mô tơ; 4- Mô men lái; 6- Điều khiển dòng tối đa cho mô tơ; 7- Điều khiển bù rung động; 8- Điều khiển phục hồi; 9- Điều khiển bù; 10- Điều khiển chính; 11- Dòng đích; Hạn chế dòng cấp áp tối đa ra mô tơ; 13- Điều khiển dòng cấp ra mô tơ; 14- Dòng cấp cho mô tơ

Ngoài ra các bản đồ náy cũng được kích hoạt bằng những công cụ quétECU hoặc hệ thống lái sau khi bảo dưỡng hoặc thay thế ECU hoặc hệ thống lái.Với bất kì một cái xe đã cho thì cả hai bản đồ tương ứng với xe hạng nặng vàhạng nhẹ được chọn Mỗi bản đồ có 5 đặc tính khác nhau tương ứng với các vậntốc chuyển động của ô tô Các bản đồ này xác định vùng trợ lực lái có thể làm

2 Bản đồ điều khiển ECU trong hệ thống trợ lực lái điện

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

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

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 tínhtoán đên ECU

3 Cảm biến góc quay của vô lăng sẽ thông báo góc quay vành lái và tốc độ đánhtay lái hiện thời

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 trợlực cần thiết và gửi đến động cơ điện

5 Trợ lực lái sẽ tác động lên cơ cấu lái một lực trợ lực song song với lực đặt lênvành lái

6 Tổng của lực đặt lên vành lái và lực trợ lực sẽ tác động lên cơ cấu lái để quayvòng xe

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC

ĐIỆN XE HYUNDAI GRAND I10

1 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái điện

Trong hệ thống trợ lực lái của Huyndai Grand i10 có một môtơ điện trợ lựccùng cơ cấu giảm tốc trục vít-bánh vít được bố trí ở trục lái chính ( trước đoạncác đăng trục lái) (Hình 2.1) Tại đây cũng bố trí cảm biến mômen lái Cạnh đó

là bộ điều khiển điện tử của trợ lực lái điện (EPS ECU)

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 2-2 là hình vẽ kết cấu của cụm trợ lực điện bao gồm các bộ phận

chính sau:

- Trục 1: Là trục bắt vào vành lái có nhiệm vụ truyền lực đánh lái của ngườiđiều khiển xuống cơ cấu lái, trục này thường được làm ở dạng trục mềm hoặctrục gãy

- Thanh xoắn : nối giữa trục 1 và trục 2 bằng chốt và then hoa, thanh xoắngiúp cho trục 1 và trục 2 có chuyển động tương đối với nhau đồng thời là chi tiếtliên kết giữa trục 1 và trục 2

Hình 2-2 : Cấu tạo cơ cấu lái trợ lực điện

- Cảm biến mô men : được gắn trên trục 1 và có nhiệm vụ xác định mô mentại trục lái sau đó gửi tín hiệu đến ECU

- Trục 2 : là trục được nối với cơ cấu lái thông qua khớp các-đăng, cónhiệm vụ truyền mô men cuối xuống cơ cấu lái

- Mô tơ : là loại mô tơ điện chổi than có thể đảo chiều, nhiệm vụ của mô-tơ

là tạo mô men trợ lực vào trục 2 thông qua một bộ truyền trục vít bánh vít

- Trục vít- bánh vít : Bánh vít được đúc bằng nhựa liền với trục 2, nhờ bộtruyền trục vít bánh vít mô tơ điện có thể tạo ra mô men lớn hơn trợ lực chongười lái

- ECU : Có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu của cảm biến mô men, cảm biến tốc

độ xe từ đó tính toán ra dòng điện điều khiển mô tơ điện phù hợp

· Nguyên lý hoạt động

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

- 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 mômen và cảm biến tốc độ xe, sau đó tính toán rồi điều khiển mô tơ trợ lực phù hợpthông qua bộ truyền lực trục vít - bánh vít, mô tơ trợ lực tối đa khi lực trên vànhlái đạt 50 N

- Khi lực cản quay vòng không đổi : Mô men tác dụng lên trục lái 1 khôngthay đổi vì vậy ở trạng thái này cảm biến mô men xác định không có mô mentác động và gửi tín hiệu về ECU, ECU điều khiển mô tơ không trợ lực vào trục2

- Trạng thái quay vòng: Khi người điều khiển đánh lái sang trái hoặc sangphải , cảm biến mô men xác định chiều quay và mô men trên trục lái, ECU điềukhiển mô tơ trợ lực phù hợp theo chiều quay của vành lái

- Nguyên lý chép hình : Khi quay vành lái, tính hiệu đưa ra của cảm biếntheo mô men đánh lái là ở dạng tuyến tính, sau đó ECU tính toán để điều khiển

mô tơ trợ lực cho phù hợp, khi ta giữ nguyên vành lái tại vị trí nhất định vàkhông quay thêm nữa, cảm biến mô men xác dịnh được trạng thái này, vì vậyECU điều khiển cho mô tơ điện dừng tại thời điểm đó Khi ta tiếp tục đánh lái,tín hiệu từ cảm biến mô men giúp ECU xác định được mô men cần trợ lực , từ

đó tính toán điều khiển mô tơ trợ lực cho phù hợp với lực đánh lái và vận tốc xe

Hình 2.3 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

Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát hình 2.4 trên đó có thể nhậnthấy các tín hiệu đầu vào của EPS ECU gồm 4 nhóm tín hiệu chính:

Hình 2.4 Sơ đồ trợ lực lái có hộp giảm tốc đặt ngay trên trục lái Tín hiệu cảm biến mô men số 1;B- Tín hiệu cảm biến mô men số2; 1- Giắc nối đa năng số 1; 2- Giắc nối đa năng số 2; 3- Táp lô; 4- ABS+TRC ECU; 5- Cảm biến tốc độ

ô tô; 6- ECU Mô tơ ; 7- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 8- Đèn báo; 9- Mô tơ trợ lực;

10- EPS ECU; 11- Giắc kết nối dữ liệu số 1; 12- Giắc kết nối dữ liệu số 2

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 thôngqua ECU truyền lực và mạng điều khiển vùng ( CAN – Controller AreaNetwork) 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 biếntrục 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 LinkConnector) để truy nhập các thông tin cài đặt và tra cứu thông tin làm việc của

hệ thống và báo lỗi hệ thống

2 Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện

Trong trợ lực lái điện, có một phần tử rất quan trọng không thể thiếu đó làcác cảm biến Các cảm biến này có nhiệm vụ truyền thông tin đến ECU để ECU

sử lý thông tin và quyết định vòng quay của môtơ trợ lực

Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện – điện tử gồm: Cảm biếnmômen lái, cảm biến tốc độ đánh lái ( tốc độ quay vành lái ), cảm biến tốc độôtô

1 Cảm biến tốc độ đánh lái có 2 loại:

a Loại máy phát điện( Hình 2.5.):

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 tỉ lệ với tốc độ quay của trục lái.Tín hiệu của máy phát phát ra được hiệu chỉnh và khuyếch đại thông qua 1 bộkhuyếch đại

Hình 2.5 Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái

1- Trục răng; 2- Biến thế vi sai; 3- Mạch giao diện; 4- Trục vào; 5- Thanh xoắn; 6- Bánh răng trung gian; 7- Mô tơ; 8- Cơ cấu cam; 9- Lõi thép trượt; 10- Cánh

b Loại cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall (Hình 2.6.):

Có cấu tạo đơn giản hơn, dễ lắp đặt và đặc tính ra là dạng xung số Vì vậycác xe ngày nay thường sử dụng loại cảm biến này

Cấu tạo của cảm biến gồm 1 rôto 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 ÷ 0,4mm) Cảm biến được cấp nguồn điện 12v một chiều Khi đánh tay lái, vành namchâm sẽ quay và từ trường của nam châm tác động vào IC Hall tạo ra chuỗixung vuông 0v ÷ 5v Số xung tăng dần theo góc quay trục lái Tín hiệu này sẽđược gửi về EPS ECU và phân tích thành góc quay trục lái và tốc độ đánh lái( nếu đặt vào mạch đếm thời gian)

Hình 2.6 Cảm biến tốc độ đánh lái ( góc đánh lái) loại Hall

a- Cấu tạo; b- Xung của cảm biến

1- Vỏ; 2- Rô to nam châm; 3- Ổ bi; 4- IC Hall; 5- Giắc điện; 6- Nhựa từ tính

2 Cảm biến mômen lái có 3 loại:

a Loại lõi thép trượt ( Hình 2.7):

Gồm 1 lõi thép được lắp lỏng trượt trên trục lái, trên đó có 1 rãnh chéo, rãnhnày sẽ được lắp với 1 chốt trên trục lái Phía ngoài lõi thép là 3 cuộn dây quấn: 1cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp được cấp 1 nguồn điện xoay chiềutần số cao Tùy thuộc vào vị trí của lõi thép mà suất điện động cảm ứng ra tronghai cuộn dây thứ cấp khác nhau Tín hiệu của 2 cuộn thứ cấp được chỉnh lưu vàđưa về mạch so sánh để biến đổi thành điện áp tuyến tính tỉ lệ với góc xoắn của

1 thanh xoắn đặt giữa trục lái và cơ cấu lái ( Như trong van trợ lực thủy lực loạivan xoay)

Ba trạng thái của rãnh chéo và chốt và lõi thép tương ứng với các trường hợpquay vòng phải, vị trí trung gian và quay vòng trái cũng được thể hiện trên hình

Hình 2.7 Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến mômen lái loại

lõi thép trượt

1- Lái phải; 2- Trung gian; 3- Lái trái; 4- Cuộn sơ cấp;5,7- Cuộn thứ cấp;

6- Lõi thép trượt;

b Loại lõi thép xoay ( hình 2.8):

Gồm trục vào ( gắn với phần trên trục lái), trục ra ( gắn với phần nối tiếp củatrục lái tới cơ cấu lái), giữa trục vào và trục ra được liên kết bằng 1 thanh xoắn.Trên trục vào lắp 1 vành cảm ứng số 1 có các rãnh để cài với các răng của vànhcảm ứng số 2 Còn vành cảm ứng số 3 cũng có các răng và rãnh được lắp trêntrục ra Phía ngoài các vòng cảm ứng là các cuộn dây được chia ra các cuộn dâycảm ứng và cuộn dây bù

Hình 2.8 Vị trí lắp, cấu trúc và đặc tính của cảm biến mômen lái loại lõi

thép xoay

1- Cảm biến mô men; 2- Trục lái chính; 3- Bộ giảm tốc; 4- Vô lăng; 5- Vành phát hiện 1; 6- Trục sơ cấp;7- Cuộn dây bù;8-Vành cảm ứng 1; 9- Vành cảm ứng 3; 10- Trục thứ cấp; 11- Từ trục lái; 12- Từ cơ cấu lái; 13-Vành cảm ứng 2

c Loại 4 vành dây (Hình 2.9)

Hình 2.9 Cấu tạo cảm biến mômen lái loại 4 vành dây

Cảm biến gồm 2 phần:

- Phần stato có 2 vành dây, các dây được cuốn trên các răng thép định hình

- Phần rôto có 2 vành dây: 1 vành được gắn với trục răng, phần thứ 2 đượcgắn với cácđăng trục lái Giữa vành thứ nhất và thứ hai có thể xoay lệch nhau 1góc bằng góc xoắn của thanh xoắn ( Khoảng 7 độ 58 phút)

a Loại công tắc lưỡi gà (Hình 2.11):

Gồm 1 tiếp điểm lá đặt trong một ống thủy tinh nhỏ và đặt cạnh một mâmnam 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 làmcho dây côngtơmét quay và làm quay mâm nam châm Từ trường của nam châmlàm 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 công tơ mét ( đồng

c Loại quang điện ( Hình 2.13):

tô và lần lượt che và thông luồng ánh sáng từ đèn LED sang tranzito quang đểtạo nên chuỗi xung vuông 0V– 5V tỷ lệ với tốc độ quay của trục thứ cấp hộp sốphản ảnh tốc độ ôtô.

Hình 2.13 Cảm biến loại quang điện

1- Nối với cáp đồng hồ tốc độ; 2- Tranzito; 3- Cặp quang điện;

5 Bánh xe có khía rãnh

d Loại mạch từ trở MRE (Hình 2.14):

Cảm biến được lắp ở trục thứ cấp hộp số Cảm biến gồm 1 vòng nam châmnạp nhiều cực lắp trên trục của cảm biến Khi vòng nam châm quay, từ trường sẽtác 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 tranzito để tạo xung 0v– 12v ở đầu ra của cảm biến Tần số xung tỉ lệ với tốc độ ôtô

Hình 2.14 Cảm biến tốc độ ôtô loại MRE 1- Trục thứ cấp của hộp số; 2- Bánh răng bị động; 3- Cảm biến tốc độ; 4- HIC có

gắn MRE bên trong; 5- Các vòng từ tính

Tín hiệu ra của cảm biến được đưa tới đồng hồ côngtơmét để báo tốc độ ôtô

và đưa tới các ECU như PS ECU, ECT ECU để điều khiển các cơ cấu chấphành ( ví dụ van điện từ trong hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tửhoặc mô tơ trợ lực lái)

2.3.Tính toán kiểm tra động học hệ thống lái

Thông số kĩ thuật tham khảo của xe Hyundai Grand i10

Dài-rộng-cao tổng thể (mm) 3495-1595-1480

Chiều rộng cơ sở trước/sau (mm) 1400/1385

Trọng lượng cầu trước G1(N) 7400

Trọng lượng cầu sau G2(N) 6100

Vận tốc cực đại(km/h) 160

2.3.1 Xây dựng đường cong lý thuyết

Để đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng cần thỏa mãn

sử dụng các cơ cấu dẫn động đơn giản hơn mà vẫn đảm bảo được gần đúngcông thức trên , trong đó cơ cấu được sử dụng phổ biến hơn cả là hình thang láiĐan tô Kinh nghiệm cho thấy, nếu lựa chọn các thông số của hình thang lái mộtcách hợp lý thì có thể thỏa mãn được công thức 2.1

Hình 2-15 : Sơ đồ động học quay vòng.

Xác định góc quay lớn nhất của bánh xe dẫn hướng phía trong βmax:

ax

2

m

L arctg

B R

p

Hình 2-16 : Sơ đồ hình thang lái khi xe đi thẳng.

Thay (2.7) vào (2.5) ta được:

Các đòn bên tạo với phương dọc một góc θ

Khi ôtô quay vòng với các bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệ giữa a và

b vẫn được giữ nguyên như công thức trên thì hình thang lái Đan - Tô không thểthoả mãn hoàn toàn được

Tuy nhiên ta có thể chọn một kết cấu hình thang lái cho sai lệch với quan hệ

lý thuyết trong giới hạn cho phép tức là độ sai lệch giữa góc quay vòng thực tế

và lý thuyết cho phép lớn nhất ở những góc quay lớn, nhưng cũng không đượcvượt quá 10

b Trường hợp khi xe quay vòng

Trên hình 2-4 là Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vòng Khi bánh xe bên tráiquay đi một góc a và bên phải quay đi một góc b, lúc này đòn bên của bánh xebên phải hợp với phương ngang một góc (q-b) và bánh xe bên trái là (q +a) Ta

có mối quan hệ của các thống số theo quan hệ sau:

Hình 2-17 : Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vòng.

θ - góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang: θ =78°

m - chiều dài đòn bên hình thang lái m = 180 (mm)

y - Khoảng cách giữa đòn ngang với trục trước y = 182 (mm)

p - Chiều dài đòn thanh nối bên hình thang lái p = 250 (mm)

Dựa vào công thức(2.4) và (2.15) ta xây dựng các đường đặc tính hìnhthang lái lý thuyết và thực tế ứng với mỗi giá trị của góc β = (00, 50, , 400) talấy góc θ theo xe thiết kế

θ = 780 Các giá trị tương ứng được thể hiện trong bảng dưới đây:

2.3.3.Xác định mômen cản quay vòng tại chỗ

Lực tác động lên vành tay lái của ôtô sẽ đạt giá trị cực đại khi ta quay vòngôtô tại chỗ Lúc đó mô men cản quay vòng trên bánh xe dẫn hướng Mc sẽ bằngtổng số của mômen cả n chuyển động M1, mômen cản M2 do sự trượt lê bánh xetrên mặt đường và mômen cản M3 gây nên bởi sự làm ổn đ ịnh các bánh xe dẫnhướng

a -cánh tay đòn của bánh xe dẫn hướng với xe thiết kế đo được a = 0,03m

f -hệ số cản lăn ta xét trong trường hợp khi ôtô chạy trên đường nhựa và khô

ta chọn f = 0,015

Vậy: M1 = 3700.0,015.0,03 =1,665 (Nm)

· Mômen cản M 2 do sự trượt bên của bánh xe trên mặt đường:

Trên hình 2-21 Khi có lực ngang Y tác dụng l giữa lốp và đường sẽ bị lệch

đi đối với trục bánh xe Nguy do sự đàn hồi bên của lốp Điểm đặt của lực Y sẽ

nằm cách hình chiếu một đoạn x

Hình 2-21: Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi xe quay vòng

Khi mô men quay vò ng tác dụng lên bánh xe, tại khu vực tiếp xúc giữa bánh

xe và mặt đường sẽ xuất hiện lực ngang Y Do lốp có tính đàn hồi nên lực Y làmvết tiếp xúc bị lệch đi so với trục bánh xe một đoạn x về phía sau, đoạn x đượcthừa nhận bằng nửa khoảng cách của tâm diện tích tiếp xúc đến rìa ngoài của nótheo công t hức sau:

Với B là chiều cao l ốp : B = 0,6.165 =99 (mm)

Với d là đường kính vành bánh xe :

d = 14 (ins) = 14.25,4 = 355,6 (mm)

Vậy mô men cản quay vòng là: Mc =2.97,3/0,8 = 243 (Nm)

· Xác định lực cực đại tác dụng lên vành tay lái

· Khi đánh lái trong trường hợp ôtô đứng yên tại chỗ thì lực đặt lênvành tay lái để thắng được lực cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫnhướng là lớn nhất Lực lớn nhất đặt lên vành tay lái được xác định theocông thức:

ic -tỷ số truyền cơ cấu lái : ic = 20

ηth -hiệu suất thuận của cơ cấu lái, đối với cơ cấu lái thanh răng - trục răng hiệu suất thuận ηth = 0,75

i - tỷ số truyền của dẫn động lái i = 0,85- 1,1 ; chọn i = 1