Ứng dụng bộ điều khiển pid điều khiển hệ thống lái steer by wire trên xe ô tô

TÓM TẮT ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THÓNG LÁI STEER-BY-WIRE TRÊN XE Ô TÔ Học viên: Huỳnh Văn Sang Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: ………Khóa:37 Trường

-

HUỲNH VĂN SANG

ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE TRÊN XE Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2020

DUT.LRCC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HUỲNH VĂN SANG

ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

LÁI STEER-BY-WIRE TRÊN XE Ô TÔ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS: NGUYỄN LÊ HÕA

Đà Nẵng – Năm 2020

DUT.LRCC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Huỳnh Văn Sang

DUT.LRCC

TÓM TẮT

ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THÓNG

LÁI STEER-BY-WIRE TRÊN XE Ô TÔ

Học viên: Huỳnh Văn Sang Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: ………Khóa:37 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Cùng với sự phát triển của ô tô hiện nay, hệ thống lái không ngừng được cải tiến với

những tính năng và công nghệ mới, giúp đáp ứng chính xác yêu cầu của người lái cũng như đảm bảo tính ổn định, an toàn ngay cả trong điều kiện bất lợi Trong đó hệ thống lái Steer-by-wire mang lại nhiều lợi ích cũng như tiềm năng so với các hệ thống lái thông thường Việc điều khiển

hệ thống lái Steer-by-wire đòi hỏi phải chính xác cũng như nâng cao được chất lượng của hệ thống, để tài “Ứng dụng bộ điều khiển PID điều khiển cho hệ thống lái Steer-by-wire trên xe ô tô” sử dụng 2 bộ PID để điều khiển hệ thống vô lăng và hệ thống lái bánh trước đã thu được nhiều kết quả khả quan khi đáp ứng của hệ thống đáp ứng tương đối tốt yêu cầu của bài toán, cũng như có xét đến tỷ số góc lái trong các tốc độ khác nhau giúp đảm bảo điều khiển hệ thống lái bánh trước luôn nằm trong khoảng an toàn, giúp hệ thống hoạt động ổn định

Từ khóa – Hệ thống lái; Steer-by-wire ; Điều khiển PID; Hệ thống vô lăng; Hệ thống lái bánh

Key words – Steering system; Steer-by-wire ; PID Control ; Steering Wheel System; Front

Wheel System

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SBW: Steer-by-wire

PID: Proportional Integral Derivative

PI: Proportional Integral

P: Proportional

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Các đại lượng tương ứng với các biến và thành phần không đổi của biểu đồ Bond trên các miền năng lượng khác nhau 35 Bảng 2 2 Các phương trình tương ứng với các bond trên các thành phần 37 Bảng 3 1 Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID được lựa chọn theo phương pháp Zeigler-Nichols dựa vào đáp ứng của hệ hở [4] 49

Bảng 3 2 Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID được lựa chọn theo phương pháp Zeigler-Nichols dựa vào đáp ứng của hệ kín [4] 50 Bảng 4 1 Các tham số mô phỏng trong hệ thống 54

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 Các phương pháp quay vòng xe cơ giới 4

Hình 1 2 Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái 6

Hình 1 3 Cấu tạo chung của trục lái 7

Hình 1 4 Hộp số lái kiểu trục vít – cung răng 8

Hình 1 5 Hộp số lái kiểu trục vít – con lăn 8

Hình 1 6 Hộp số lái kiểu trục vít – đòn lắc 9

Hình 1 7 Hộp số lái kiểu trục vít – êcu – bi – cung răng 10

Hình 1 8 Hộp số lái bánh răng – thanh răng 11

Hình 1 9 Cấu tạo hình thang lái điển hình 12

Hình 1 10 Kết cấu của thanh nối bên 13

Hình 1 11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái 14

Hình 1 12 Các hệ thống lái cơ khí 15

Hình 1 13 Các giá trị định lượng của cảm giác lái 16

Hình 1 14 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điển hình 17

Hình 1 15 Sơ đồ nguyên lí điều khiển trợ lực thủy lực 18

Hình 1 16 Hệ thống lái trợ lực thủy lực bằng điện tử 19

Hình 1 17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện tử 19

Hình 1 18 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực điện 20

Hình 1 19 Các loại hệ thống lái trợ lực điện (a EPAS-Column b EPAS-Pinion c EPAS-Dual-Pinion d EPAS-Rack) 21

Hình 1 20 Mô hình phân tích góc quay thân xe do biến dạng lốp 22

Hình 1 21 Các kiểu hệ thống lái điện( a Dẫn động tích hợp b Dẫn động độc lập) 23

Hình 1 22 Hệ thống lái thông thường 25

Hình 1 23 Cấu tạo hệ thống lái Steer-by-wire 26

Hình 1 24 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái Steer-by-wire 27

Hình 1 25 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống Steer-by-wire theo [1] 28

Hình 1 26 Đồ thị kết quả góc lái bánh trước khi sử dụng các bộ điều khiển PID theo [1] 28

Hình 1 27 Kết quả góc lái bánh trước khi có xét đến nhiễu theo [1] 29

Hình 1 28 Kết quả góc lái ở các tốc độ 10km/h và 100km/h theo [1] 29

Hình 1 29 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống Steer-by-wire theo [2] 30

Hình 1 30 Đáp ứng của hệ thống đối với tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị theo [2] 30

Hình 1 31 Đáp ứng của hệ thống đối với tín hiệu vào hình sin theo [2] 31

Hình 1 32 Đáp ứng của hệ thống đối với tín hiệu vào nhiễu theo [2] 31

Hình 2 1 Mô hình hệ thống lái Steer-by-wire 33

Hình 2 2 Sơ đồ hệ thống vô lăng 34

DUT.LRCC

Hình 2 3 Biểu đồ Bond của hệ thống vô lăng 35

Hình 2 4 Mối quan hệ giữa các biến và các thành phần không đổi trong biểu đồ Bond 36 Hình 2 5 Sơ đồ trạng thái của hệ thống vô lăng 38

Hình 2 6 Sơ đồ hệ thống lái bánh trước 39

Hình 2 7 Biểu đồ Bond của hệ thống lái bánh trước 40

Hình 2 8 Sơ đồ trạng thái của hệ thống lái bánh trước 41

Hình 3 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng một bộ điều khiển 42

Hình 3 2 Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng 2 bộ điều khiển 43

Hình 3 3 Biểu đồ Bode của khâu hiệu chỉnh sớm pha (trái) và trễ pha (phải) [4] 45

Hình 3 4 Biểu đồ Bode của khâu hiệu chỉnh sớm trễ pha [4] 46

Hình 3 5 Biểu đồ Bode của khâu hiệu chỉnh PI (trái) và PD (phải) [4] 47

Hình 3 6 Biểu đồ Bode của khâu hiệu chỉnh PID [4] 48

Hình 3 7 Sơ đồ các thành phần của hệ thống điều khiển Steer-By-Wire 51

Hình 3 8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển sử dụng 2 bộ PID 52

Hình 3 9 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S [4] 49

Hình 3 10 Đáp ứng nấc của hệ kín khi K = Kgh [4] 50

Hình 3 11 Đáp ứng đầu ra của đầu vào là hàm nấc đơn vị [4] 53

Hình 4 1 Sơ đồ khối p3 trong khối hệ thống vô lăng 55

Hình 4 2 Sơ đồ khối q5 trong khối hệ thống vô lăng 55

Hình 4 3 Sơ đồ khối p10 trong khối hệ thống vô lăng 55

Hình 4 4 Sơ đồ khối p15 trong khối hệ thống vô lăng 56

Hình 4 5 Sơ đồ khối của hệ thống vô lăng trong Matlab Simulink 56

Hình 4 6 Sơ đồ khối p2 trong khối hệ thống lái bánh trước 57

Hình 4 7 Sơ đồ khối p6 nằm trong khối hệ thống lái bánh trước 57

Hình 4 8 Sơ đồ khối q9 nằm trong khối hệ thống lái bánh trước 57

Hình 4 9 Sơ đồ khối p12 nằm trong khối hệ thống lái bánh trước 58

Hình 4 10 Sơ đồ khối q16 nằm trong khối hệ thống lái bánh trước 58

Hình 4 11 Sơ đồ khối p18 nằm trong khối hệ thống lái bánh trước 58

Hình 4 12 Sơ đồ khối hệ thống lái bánh trước trong Matlab Simulink 59

Hình 4 13 Sơ đồ khối điều khiển tín hiệu phản hồi tỷ số góc lái trong Matlab Simulink 59

Hình 4 14 Sơ đồ mô phỏng của hệ thống lái trong Matlab Simulink 60

Hình 4 15 Giao diện PID tuner trong khối PID1 61

Hình 4 16 Đáp ứng của vòng điều khiển hệ thống vô lăng trong PID tuner sau khi hiệu chỉnh 61

Hình 4 17 Đáp ứng đầu ra của vòng điều khiển hệ thống vô lăng so với đầu vào 62

DUT.LRCC

Hình 4 18 Đáp ứng ra của vòng điều khiển hệ thống lái bánh trước trên giao diện PID

tuner 62

Hình 4 19 Đáp ứng ra của vòng điều khiển hệ thống lái bánh trước sử dụng PID tuner 63 Hình 4 20 Khối tín hiệu điều khiển yêu cầu trước trong Matlab Simulink 63

Hình 4 21 Đáp ứng của hệ thống khi đầu vào có dạng hàm nấc đơn vị 64

Hình 4 22 Đáp ứng của hệ thống khi đầu vào có dạng sin 64

Hình 4 23 Đáp ứng của hệ thống với tín hiệu vào nhiễu 65

Hình 4 24 Đồ thị so sánh góc lái bánh trước không sử dụng và sử dụng tỷ số góc lái 66

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI 4

1.1 Chức năng, cấu tạo, phân loại hệ thống lái 4

1.1.1 Chức năng 4

1.1.2 Yêu cầu của hệ thống lái 4

1.1.3 Phân loại hệ thống lái 5

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái 6

1.2.1 Cấu tạo 6

1.2.2 Nguyên lý hoạt động 6

1.2.3 Các bộ phận chính của hệ thống lái 7

1.3 Các loại hệ thống lái 13

1.3.1 Hệ thống lái cơ khí 14

1.3.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 17

1.3.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử 19

1.3.4 Hệ thống lái trợ lực điện tử 20

1.3.5 Hệ thống lái chủ động 21

1.3.6 Hệ thống lái điện 22

1.3.7 Hệ thống lái Steer-by-wire 24

1.4 Phương pháp điều khiển hệ thống lái 27

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE 33

2.1 Các vấn đề 33

2.2 Mô hình tổng quát hệ thống lái steer-by-wire 33

DUT.LRCC

2.3 Mô hình các thành phần của hệ thống lái steer-by-wire 34

2.3.1 Hệ thống vô lăng 34

2.3.2 Hệ thống lái bánh trước 39

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE 42

3.1 Mục đích của việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái 42

3.2 Đề xuất phương án 42

3.2.1 Các phương án đề xuất 42

3.2.2 Lựa chọn bộ điều khiển 44

3.3 Xây dựng các thành phần của hệ điều khiển 51

3.4 Phân tích yêu cầu của bài toán điều khiển 51

3.4.1 Kiểm soát hướng đồng bộ với bánh xe 51

3.4.2 Tỷ số góc lái 52

3.5 Lựa chọn phương pháp để điều khiển và đánh giá chất lượng hệ thống 52

3.5.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển 52

3.5.2 Đánh giá chất lượng điều khiển 52

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 54

4.1 Mô phỏng hệ thống lái Steer-By-Wire 54

4.1.1 Các tham số mô phỏng của hệ thống 54

4.1.2 Các thành phần của hệ thống mô phỏng 55

4.2 Mô phỏng hệ thống với thuật toán điều khiển đề xuất 60

4.3 So sánh, đánh giá kết quả, phân tích, kết luận 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DUT.LRCC

Kỹ thuật điều khiển tự động được nghiên cứu để nâng cao độ tin cậy, độ an toàn của các hệ thống xe tự lái Việc xây dựng được một mô hình chính xác của hệ thống lái, cũng như mô hình động học của xe có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết lập được một hệ điều khiển có chất lượng Có bốn cấp độ phát triển công nghệ lái ô tô khác nhau: Hỗ trợ người lái, kết hợp chức năng tự động với người lái, lái tự động mức độ giới hạn, lái tự động hoàn toàn Trong đó, công nghệ lái tự động hoàn toàn ngoài việc cho phép phương tiện thực hiện tự động tất cả các chức năng lái xe còn có chức năng giám sát điều kiện giao thông khi vận hành Công nghệ này giúp giải phóng sức lao động và thời gian lái xe, người sử dụng chỉ cần lựa chọn điểm đi và đến, công việc còn lại hoàn toàn tự động

Cũng như hệ thống phanh, hệ thống treo,… hệ thống lái là một trong những hệ thống đảm bảo an toàn cho ô tô chuyển động an toàn, êm dịu Vì thế mà hiện nay hệ thống lái ngày càng được cải tiến, tiêu chuẩn về thiết kế chế tạo hệ thống lái ngày càng nghiêm ngặt và chặt chẽ hơn để đáp ứng các tiêu chí an toàn và tiện nghi, tính an toàn chủ đông trong điều khiển chuyển động với vận tốc cao và mật độ giao thông lớn Các nghiên cứu về hệ thống lái Steer-by-wire là tiền đề để phát triển công nghệ lái tự động đã được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới thực hiện Tại Việt Nam, các nghiên cứu về hệ thống lái điện chưa được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đúng mức Với mong muốn nắm bắt được các công nghệ điều khiển lái hiện đại trên thế giới một cách sâu sắc, tiến tới làm chủ công nghệ và phát triển các công nghệ mới tại Việt Nam

Từ các yếu tố trên ta thấy cần thiết phải nghiên cứu đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển và tập trung vào việc xây dựng mô hình chính xác thiết kế bộ điều khiển PID của hệ thống lái Steer-by-wire (SBW) Các kết quả khảo sát, mô

DUT.LRCC

phỏng, thử nghiệm từng phần hệ thống được mô tả để khẳng định chất lượng hệ điều khiển PID của hệ thống lái Steer-by-wire (SBW)

1.2 Cơ sở khoa học

Việc nâng cao chất lượng hệ thống lái trên ô tô đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Một số công trình đi trước đã xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống và đề xuất phương pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống lái Steer-by-wire

Về vấn đề mô hình hóa hệ thống lái trên xe ô tô đã có một số sách và báo báo nghiên cứu Các công trình nghiên cứu nói trên đã cho các kết quả khả quan Tuy nhiên nó chưa phù hợp để áp dụng với hệ thống lái hệ thống lái Steer-by-wire (SBW)

là đối tượng mà đề tài này hướng đến Mặt khác, các mô hình toán học mô tả hệ thống lái chủ động trong các công trình đi trước còn lý tưởng, bỏ qua một số yếu tố thực tế

Vì vậy, trong luận văn thạc sỹ này, tác giả thực hiện xây dựng mô hình toán học mô tả

hệ thống lái hệ thống lái Steer-by-wire (SBW), kiểm nghiệm và điều chỉnh mô hình để

mô tả được chính xác hệ thống thực Từ mô hình toán học xây dựng được, tác giả sẽ

đề xuất phương pháp đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển và tập trung vào việc xây dựng mô hình chính xác thiết kế bộ điều khiển PID của hệ thống lái Steer-by-wire (SBW)

Xuất phát từ thực tế và với các lý do trên, tác giả đã lựa chọn thực hiện đề tài

“Ứng dụng bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống lái Steer-by-wire trên xe ô tô” để làm đề tài nghiên cứu với mong muốn đưa ra kết quả khảo sát, mô phỏng, thử nghiệm từng phần hệ thống được mô tả để khẳng định chất lượng hệ điều khiển PID của hệ thống lái Steer-by-wire (SBW) trên xe ô tô luôn ổn định và đáp ứng tốt và làm chủ công nghệ lái trên các xe ô tô hiện đại tại Việt Nam

1.3 Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm động lực học hệ thống lái điện làm cơ sở khoa học thay thế hệ thống lái cơ khí truyền thống bằng hệ thống lái Steer-by-wire

Xây dựng được mô hình toán học mô tả gần như đúng với hệ thống lái hệ thống lái Steer-by-wire (SBW) trên xe ô tô

Xây dựng mô hình và mô phỏng toàn hệ thống trên phần mềm Matlab – Simulink để phân tích và đánh giá kết quả

Đối tượng nghiên cứu là Hệ thống lái Steer-by-wire trên xe ô tô

Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát hệ thống điều khiển hệ thống lái Steer-by-wire trên xe ô tô

DUT.LRCC

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Góp phần cải tiến bộ điều khiển chất lượng hệ thống lái hệ thống lái wire nói riêng và hệ thống lái trên xe ô tô nói chung

Steer-by-Đề tài có sự đóng góp mặt khoa học trong việc xây dựng mô hình toán học mô

tả chính xác hệ thống lái hệ thống lái Steer-by-wire để từ đó làm cơ sở cho việc nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển nằm nâng cao chất lượng của hệ thống

Làm rõ hơn về bản chất của hệ thống lái hệ thống lái Steer-by-wire dưới góc nhìn của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, có thể làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư

cơ khí ô tô hoặc người lái xe trực tiếp, giúp hiểu rõ hơn về hệ thống Steer-by-wire để làm cơ sở cho trong việc chủ động vận hành lái xe ô tô

Kết quả nghiên cứu được của đề tài này mang lại ý nghĩa cho việc ứng dụng vào thực tế và tiếp cận và làm chủ công nghệ lái trên các xe ô tô hiện đại tại Việt Nam

DUT.LRCC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI

1.1 Chức năng, cấu tạo, phân loại hệ thống lái

1.1.1 Chức năng

Hệ thống lái dùng để giữ đúng hướng chuyển động hoặc thay đổi hướng chuyển động của ô tô khi cần thiết Có thể thay đổi hướng chuyển động bằng cách:

+Thay đổi phương chuyển động của bánh xe dẫn hướng (hình1-1(a))

+Thay đổi mô men xoắn ở bánh sau chủ động (hình1-1(b))

+Kết hợp đồng thời cả hai phương pháp trên

Phương pháp quay các bánh xe dẫn hướng để quay vòng xe cơ giới được sử dụng phổ biến nhất hiện nay Phương pháp thay đổi hướng momen ở các bánh xe chủ động thường áp dụng cho các loại xe cơ giới bánh xích Đối với xe bánh xích, có thể kết hợp việc truyền momen khác nhau đến các bánh chủ động ở hai bên của xe với việc hãm các bánh xe phía gần tâm quay vòng để quay vòng trên diện tích rất nhỏ, thậm chí có thể quay vòng xe tại chỗ

Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì hệ thống lái là hệ thống quan trọng nhất

Hình 1 1 Các phương pháp quay vòng xe cơ giới [13]

1.1.2 Yêu cầu của hệ thống lái

Hệ thống lái phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Đảm bảo cho xe quay vòng ngoặt, trong thời gian ngắn, trên diện tích bé + Đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng tránh trượt lê gây mòn lốp

+ Các bánh xe dẫn hướng khi ra khỏi đường vòng cần phải tự động quay về trạng thái chuyển động thẳng, hoặc là để quay bánh xe về trạng thái chuyển động thẳng thì cần đặt lực lên vành tay lái nhỏ hơn khi xe đi vào đường vòng

DUT.LRCC

+ Hệ thống lái phải có khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng lên các vành tay lái

+ Hệ thống lái không được có độ dơ lớn Với xe có tốc độ lớn hơn 100Km/h độ

dơ vành tay lái cho phép không vượt quá 18 độ Với xe có tốc độ lớn nhất nằm trong khoảng (25 – 100) Km/h độ dơ vành tay lái cho phép không vượt quá 27 độ

+ Giữ cho xe chuyển động thẳng ổn định

+ Đặt cơ cấu lái lên phần được treo của ô tô (để kết cấu của hệ thống treo không ảnh hưởng đến cơ cấu lái), cấu tạo đơn giản điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi

+ Với hệ thống lái có trợ lực: Khi hệ thống trợ lực có sự cố hư hỏng vẫn có thể điều khiển được xe Đảm bảo an toàn bị động của xe, không gây nên tổn thương cho người sử dụng khi bị đâm chính diện

1.1.3 Phân loại hệ thống lái

a) Phân loại theo cách bố trí cơ cấu lái

+ Loại cơ cấu lái đặt bên trái (dùng cho các nước có luật giao thông qui định chiều chuyển động là bên phải, đại đa số các nước có luật giao thông đi bên phải)

+ Loại cơ cấu lái đặt bên phải (dùng cho các nước có luật giao thông qui định chiều chuyển động là bên trái)

b) Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái

+ Loại trục vít- bánh vít (với cung răng con lăn và trục vít)

+ Loại trục vít đòn lắc

+ Loại liên hợp (trục vít - ê cu - cung răng)

+ Loại bánh răng - thanh răng

c) Theo số bánh dẫn hướng

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

+ Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu sau

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

d) Theo nguyên lý làm việc của bộ phận trợ lực lái

+ Loại trợ lực lái thủy lực

+ loại trợ lực lái loại khí (khí nén hoặc chân không)

+ Loại trợ lực lái cơ khí

+ Loại trợ lực lái dùng điện

Ngoài ra hệ thống lái còn được phân ra: Hệ thống lái có trợ lực và hệ thống lái không trợ lực Trong hệ thống lái có trợ lực lại được phân ra hệ thống lái trợ lực không

có điều khiển và hệ thống lái trợ lực có điều khiển điện tử

DUT.LRCC

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái

1.2.1 Cấu tạo

Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái được mô tả như hình 1.2

Hình 1 2 Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái [13]

Trong đó:

3.Ống bọc trục lái 8 Thanh bên của hình thang lái

4.Cơ cấu lái 9 Khớp cầu nối

11.Đòn kéo dọc

1.2.2 Nguyên lý hoạt động

Vành tay lái có dạng hình tròn, lực của người lái tác dụng lên vành tay lái tạo ra

mô men quay để hệ thống lái làm việc Trục lái thường là một đòn dài (rỗng hoặc đặc)

để truyền mô men quay từ vành tay lái tới cơ cấu lái Cơ cấu lái có nhiệm vụ biến

chuyển động quay tròn của vành tay lái thành chuyển động lắc của tay biên trong mặt

phẳng thẳng đứng và đảm bảo tỉ số truyền theo yêu cầu cần thiết Cơ cấu lái được bắt

chặt lên xà dọc (phần được treo của ô tô) Dẫn động lái (gồm:11,7,8,9,10) có nhiệm vụ

truyền chuyển động từ cơ cấu lái xuống bánh xe dẫn hướng đảm bảo tỷ số truyền nhất

định và chủ yếu giữ được động học quay vòng đúng của ô tô

Khi người lái quay vô lăng (1) để điều khiển xe, qua cơ cấu lái (4) làm cho tay

biên (5) quay một góc thông qua đòn kéo dọc (11) và đòn quay cam (7) làm bánh xe

DUT.LRCC

dẫn hướng bên trái dịch chuyển qua các đòn (8,10) của hình thang lái làm cho bánh xe dẫn hướng bên kia cũng dịch chuyển quanh trụ đứng, lệch phương chuyển động theo ý muốn của người lái

1.2.3 Các bộ phận chính của hệ thống lái

1.2.3.1 Trục lái

Cấu tạo chung của trục lái được mô tả như hình 1.3

Hình 1 3 Cấu tạo chung của trục lái [13]

Trục lái bao gồm trục lái chính truyền chuyển động quay của vô lăng tới cơ cấu lái và ống đỡ trục lái để cố định trục lái chính vào thân xe Đầu phía trên của trục lái chính được làm thon và xẻ hình răng cưa Vô lăng được xiết vào trục lái bằng một đai

ốc Trong trục lái có một cơ cấu hấp thụ va đập Cơ cấu này sẽ hấp thụ lực đẩy tác dụng lên người lái khi xe bị tai nạn Trục lái được gá với thân xe qua một giá đỡ kiểu

dễ vỡ do vậy khi xe bị đâm trục lái có thể dễ dàng bị phá sập Đầu dưới của trục lái chính nối với cơ cấu lái bằng khớp mềm hoặc khớp các đăng để giảm thiểu việc truyền chấn động từ mặt đường qua cơ cấu lái lên vô lăng Cùng với cơ cấu hấp thụ va đập, trục lái chính trên một số xe còn có thể có một số kết cấu dùng để khống chế và điều chỉnh hệ thống lái: ví dụ cơ cấu khóa tay lái nghiêng, cơ cấu trượt tay lái

1.2.3.2 Cơ cấu lái

Cơ cấu lái hay còn gọi là hộp số lái có chức năng:

+ Biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động ngang của dẫn động lái

+ Tăng lực tác động của người lái lên vành tay lái để thực hiện quay vòng xe nhẹ nhàng hơn

Cơ cấu lái hoạt động tương tự như một hộp số với hai bộ phận cơ bản được gọi quy ước là trục quay của cơ cấu lái và trục lắc của cơ cấu lái Trục quay là đầu vào của

cơ cấu lái, nó trực tiếp liên kết với đầu dưới của trục lái và thực hiện chuyển động

DUT.LRCC

quay theo chuyển động của trục lái Trục lắc là đầu ra của hộp số lái nó liên kết với đòn lắc chuyển hướng của dẫn động lái

Một số cơ cấu lái thường dùng

Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cặp truyền động trục quay – trục lắc có thể phân biệt các kiểu cơ cấu lái sau:

Cơ cấu lái trục vít - cung răng được mô tả như hình 1.4

Hình 1 4 Hộp số lái kiểu trục vít – cung răng [13]

Trong đó:

1-Trục vít , 2-Cung răng, 3- Trục lắc

Loại cơ cấu lái trục vít cung răng có ưu điểm là: Giảm trọng lượng và kích thước so với trục vít - bánh răng

Cơ cấu lái kiểu trục vít – con lăn:

Trục quay (liên kết với trục lái) của hộp số lái kiểu trục vít - con lăn có cấu tạo giống một trục vít vô tận Trên trục lắc của hộp số lái có một bộ phận gọi là con lăn Con lăn giống một bánh xe có ren phía ngoài Các ren của con lăn ăn khớp với các ren của trục vít Khi trục vít quay, con lăn sẽ quay quanh trục của nó đồng thời chuyển động dịch chuyển dọc theo trục của trục vít Kết quả của các chuyển động đó là chuyển động xoay của trục lắc Hộp số lái trục vít – con lăn được mô tả như hình 1.5

Hình 1 5 Hộp số lái kiểu trục vít – con lăn [13]

DUT.LRCC

Trong đó:

1-Trục vít, 2- Con lăn, 3- Đòn chuyển hướng của dẫn động lái

Hộp số lái kiểu trục vít - con lăn được sử dụng khá phổ biến hiện nay Ưu điểm của hộp số lái kiểu này là có kết cấu gọn, trục vít và con lăn có độ bền cao do ma sát giữa chúng là ma sát lăn và ứng suất nhỏ nhờ có nhiều ren của con lăn và trục vít tiếp xúc với nhau, hiệu suất cao, dễ điều chỉnh khe hở giữa các bộ phận liên kết trong hộp

số lái

Cơ cấu lái kiểu trục vít – đòn lắc:

Hộp số lái kiểu trục vít - đòn lắc có trục quay của nó hoạt động tương tự như một trục vít nhưng có mặt cắt ngang giống một trục cam do các rãnh có độ sâu thay đổi theo chu vi, bởi vậy hộp số lái kiểu này còn gọi là kiểu cam đòn lắc Trên trục lắc của hộp số lái có gắn chi tiết gọi là đòn lắc, trên đòn lắc có các chốt Trục quay và trục lắc liên kết với nhau thông qua các chốt Khi trục vít quay theo trục lái, các chốt sẽ trượt lên, xuống trong rãnh của trục vít và làm cho đòn lắc xoay trái, phải

Hộp số lái kiểu trục vít – đòn lắc được mô tả như hình 1.6

Cơ cấu lái kiểu trục vít - êcu – bi - cung răng:

Hộp số lái kiểu trục vít – eecu – bi – cung răng được mô tả như hình 1.7

DUT.LRCC

Hình 1 7 Hộp số lái kiểu trục vít – êcu – bi – cung răng [13]

Trong đó:

1- Trục vít, 2- Ecu, 3- Cung răng, 4- Trục lắc

5- Bi, 6- Đòn lắc chuyển hướng

Hộp số lái kiểu trục vít - ecu - bi - cung răng có trục quay là một trục vít, còn trục lắc tương tự như trục lắc của hộp số lái kiểu trục vít- cung răng, nhưng cung răng không ăn khớp với trục vít mà nhận chuyển động từ trục vít thông qua ecu và các viên

bi Ecu có các răng thẳng phía ngoài và các rãnh phía trong tương ứng với các rãnh trên trục vít Các viên bi nằm trong rãnh giữa ecu và trục vít và trong ống dẫn bao quanh ecu Khi trục vít quay các viên bi trong rãnh giữa trục vít và ecu sẽ đẩy nhau và luân chuyển trong ống dẫn để quay trở lại rãnh, đồng thời làm cho ecu dịch chuyển dọc theo trục vít Thông qua các răng của ecu và cung răng, chuyển động tĩnh tiến của ecu được biến đổi thành chuyển động xoay của trục lắc

Như trên hình vẽ 1.7 đã thể hiện, chiếc êcu ăn khớp với trục vít nhờ các viên bi tròn Các bi này có hai tác dụng: một là nó giảm ma sát giữa các chi tiết nên hiệu suất cao Thứ hai, nó làm giảm độ dơ của cơ cấu Độ dơ xuất hiện khi đổi chiều tay lái, nếu không có các viên bi, các răng sẽ rời nhau ra trong chốc lát gây nên độ dơ của tay lái

Kiểu bánh răng - thanh răng:

Hộp số lái bánh răng – thanh răng được mô tả như hình 1.8

DUT.LRCC

Hình 1 8 Hộp số lái bánh răng – thanh răng [15]

Hộp số lái kiểu bánh răng - thanh răng có trục quay (đầu vào) được chế tạo giống một bánh răng trên đoạn trục liên kết trục lắc (đầu ra) Trục lắc là một thanh răng thẳng Hai đầu của thanh răng liên kết với hai thanh nối bên của dẫn động lái thông qua các khớp cầu Các răng trên bánh răng và thanh răng liên kết với nhau Khi bánh răng quay, thanh răng sẽ chuyển động tịnh tiến trên mặt phẳng ngang sang trái hoặc phải tuỳ theo chiều quay của vành tay lái Trong dẫn động lái với hộp số lái kiểu bánh răng - thanh răng không có đòn lắc chuyển hướng mà thanh răng trực tiếp truyền chuyển động ngang cho các thanh nối

1.2.3.3 Dẫn động lái

Dẫn động lái gồm hệ thống các đòn, các thanh liên kết với nhau để truyền lực từ

cơ cấu lái đến các bánh xe điều khiển, đồng thời đảm bảo cho các bánh xe của ô tô quay vòng với động học đúng Bộ phận quan trọng của dẫn động lái là hình thang lái,

có nhiệm vụ đảm bảo động học các bánh xe dẫn hướng của ô tô làm cho lốp xe không

bị trượt, lê khi lái, giảm mòn lốp Kết cấu của hình thang lái phải phù hợp với bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo để khi bánh xe dao động thẳng đứng thì không ảnh hưởng đến động học của dẫn động lái

Cấu tạo hình thang lái điển hình (được mô tả trong hình 1.9)

+ Đòn lắc chuyển hướng là chi tiết liên kết với trục lắc của hộp số lái và truyền chuyển động của trục lắc đến phần còn lại của dẫn động lái Thông thường một đầu của đòn lắc chuyển hướng liên kết với trục lắc của hộp số lái bằng then hoa, đầu còn lại liên kết với một đầu của thanh nối giữa bằng khớp cầu

DUT.LRCC

b)Hình 1 9 Cấu tạo hình thang lái điển hình [15]

+ Thanh nối giữa có chức năng liên kết tất cả các bộ phận khác của dẫn động lái với nhau Hai đầu của thanh nối giữa là hai ổ đỡ chốt cầu để liên kết với đòn lắc chuyển hướng và đòn lắc phụ Phía giữa thanh nối giữa có hai lỗ để liên kết với hai thanh nối bên bằng các khớp cầu

+ Thanh nối bên là bộ phận trực tiếp truyền chuyển động cho đòn chuyển hướng trên ngỗng quay của bánh xe dẫn hướng Thông thường mỗi cơ cấu dẫn động lái có hai thanh nối bên, mỗi thanh nối bên được cấu thành từ ba đoạn được gọi là đầu trong, đầu ngoài, và đoạn điều chỉnh Đầu ngoài liên kết với đòn chuyển hướng Đầu trong liên kết với thanh nối giữa, thanh răng hoặc một bộ phận khác của ôtô tuỳ thuộc vào kiểu dẫn động lái Đoạn điều chỉnh dùng để thay đổi chiều dài toàn bộ của thanh nối bên để điều chỉnh hình học lái trong quá trình kiểm tra, bảo trì gầm ôtô mà không

DUT.LRCC

cần phải tháo rời dẫn động lái Kết cấu của thanh nối bên được mô tả như trong hình 1.10

Hình 1 10 Kết cấu của thanh nối bên [15]

Trong đó:

1- Đầu ngoài của thanh nối bên, 2- Kẹp đàn hồi,

3- Đầu trong của thanh nối bên, 4- Ống điều chỉnh, 5-Bulông điều chỉnh a) Kiểu ống, b) Kiểu bulông

Với hình (Hình 1.10a), ống điều chỉnh có ren, các đầu của đầu trong và đầu ngoài của thanh nối bên cũng có ren, trong đó có một đầu ren trái, còn đầu kia có ren phải Khi cả hai đầu đã được vặn vào ống điều chỉnh, nếu xoay ống điều chỉnh sẽ làm cho chiều dài toàn bộ của thanh nối bên tăng lên hoặc giảm đi tuỳ theo chiều xoay của

ốc điều chỉnh Các kẹp đàn hồi có tác dụng ngăn không cho ống điều chỉnh tự xoay trong quá trình ôtô vận hành

Với hình (Hình 1.10b) bulông điều chỉnh có ren, các đầu trong và đấu ngoài của thanh nối bên cũng có ren, trong đó có một ren trái và một đầu có ren phải Xoay bulông điều chỉnh sẽ làm thay đổi chiều dài toàn bộ thanh nối bên

đối với thiết kế hệ thống lái cũng có sự phát triển Trong các thiết kế đầu tiên, các yêu cầu chủ yếu tập trung đáp ứng các tiêu chuẩn về ổn định, đảm bảo động lực học, đảm bảo

a)

b)

DUT.LRCC

an toàn ở phù hợp với tiêu chuẩn về đường bộ, do đó các nghiên cứu tập trung vào mối quan hệ giữa vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng Bước phát triển tiếp theo, các thiết

kế hệ thống lái tập trung chủ yếu đảm bảo an toàn chuyển động thông qua việc cải tiến

vì vậy, quỹ đạo chuyển động của ô tô được khảo sát một cách chặt chẽ trong nhiều tình

huống khẩn cấp và tình trạng mặt đường thay đổi

Tổng hợp quá trình phát triển các hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê thành các hệ thống lái sau: hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái điện, hệ thống lái tự động Mặc dù mặt kết cấu các hệ thống lái khác biệt, tuy nhiên có thể tổng hợp các thành phần kết cấu hệ thống lái một cách chung nhất như Hình 1.11

Hình 1 11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái

1.3.1 Hệ thống lái cơ khí

Các hệ thống lái cơ khí được mô tả như hình 1.12

DUT.LRCC

Hình 1 12 Các hệ thống lái cơ khí [15]

Hệ thống lái thuần cơ khí được bố trí trên các xe thế hệ đầu tiên từ thập kỷ 50

Về cấu tạo chúng gồm hai thành phần dẫn động lái và cơ cấu lái Các nghiên cứu phát triển hệ thống lái cơ khí chủ yếu tập trung vào khả năng quay vòng ô tô trong thời gian ngắn nhất trên một diện tích bé, giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng, lực tác dụng lên vành tay lái nhỏ trong giới hạn số vòng quay đánh lái cho phép, đảm bảo động lực quay vòng đúng

để các bánh xe không bị trượt, sự tương thích động học giữa dẫn động lái và bộ phận dẫn

hướng của hệ thống treo, khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng lên vành tay lái thông qua hiệu suất truyền lực, quan hệ chuyển động giữa bánh xe bên phải và bên trái

Tỷ số truyền của hệ thống lái gồm tỷ số truyền góc và tỷ số truyền mô men Về mặt trị số, chúng là tích của tỷ số truyền cơ cấu lái và tỷ số truyền dẫn động lái Tùy thuộc vào ô tô, tỷ số truyền hệ thống lái có thể không đổi hoặc thay đổi theo các quy luật khác nhau

theo góc quay vô lăng

Hiệu suất hệ thống lái gồm hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch Hiệu suất nghịch phải có trị số nhất định đảm bảo giảm va đập truyền từ các bánh xe dẫn hướng

DUT.LRCC

lên vô lăng, tuy nhiên vẫn đảm bảo các bánh xe dẫn hướng tự trả về vị trí chạy thẳng dưới tác dụng của các mô men ổn định

Ma sát, độ nhạy và cảm giác lái phụ thuộc nhiều vào khe hở giữa các bề mặt làm việc của hệ thống lái Để đảm bảo độ nhạy và cảm giác lái tốt khi ô tô chuyển động ở vận tốc cao, khe hở làm việc phải nhỏ nhất khi ô tô chuyển động thẳng

Cảm giác lái là tổng hợp các cảm nhận của người lái về trạng thái quay vòng của ô tô như vận tốc, bán kính quay vòng, hành lang quay vòng, mô men cản quay bánh xe dẫn

hướng, tình trạng kỹ thuật hệ thống lái…Các giá trị định lượng về mặt kỹ thuật cảm giác lái gồm mô men cản quay trên vô lăng, vận tốc và góc quay của vô lăng khi nó quay về vị trí chạy thẳng Các giá trị định lượng của cảm giác lái được mô tả như trong hình 1.13

Hình 1 13 Các giá trị định lượng của cảm giác lái [15]

Nhìn chung hệ thống lái thuần cơ khí đáp ứng được yêu cầu ban đầu để xe chuyển

động trên đường ứng với dải vận tốc hạn chế đảm bảo các điều kiện chuyển động quay vòng Tuy nhiên, trong quá trình đánh lái, người lái phải sử dụng toàn bộ năng lượng

để thực hiện việc điều khiển hướng chuyển động, đồng thời cũng tiếp nhận những phản hồi không mong muốn từ mặt đường điều này làm cho người lái cảm thấy mệt mỏi khi sử dụng Các nghiên cứu hệ thống lái cơ khí chỉ tập trung vào bài toán góc quay bánh xe dẫn

hướng chuyển động theo vô lăng, do vậy ảnh hưởng của dịch chuyển thân xe đến quá trình quay vòng khi đánh lái ở vận tốc cao là rõ nét và chưa kiểm soát được, chưa tối

ưu khối lượng, kích thước các chi tiết cơ khí nên cơ cấu chưa gọn nhẹ, chiếm nhiều không gian bố trí Trên thị trường Việt Nam vẫn còn một số ít các xe cũ đang lưu thông sử dụng loại hệ thống lái này

DUT.LRCC

1.3.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống lái trợ lực thủy lực được mô tả như hình 1.14

Hình 1 14 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điển hình [15]

Hệ thống lái trợ lực thủy lực là sự cải tiến của hệ thống lái thuần cơ khí nhằm giải quyết vấn đề chính là hỗ trợ một phần năng lượng của người lái trong quá trình điều khiển xe tạo cảm giác thoải mái khi điều khiển lái Tùy theo thiết kế và chế độ chuyển động của

xe, năng lượng hỗ trợ của bộ trợ lực do động cơ tạo ra có thể lên đến 80% năng lượng tổn hao cho việc đánh lái Việc trang bị hệ thống lái trợ lực giúp cho người lái ít tổn hao năng

lượng khi quay vòng xe đồng thời giảm được những va đập từ bánh xe lên vô lăng Không những thế, nó còn nâng cao được tính năng an toàn nhờ vào việc trong một số trường hợp lốp gặp sự cố đột ngột Đây là một trong những ưu điểm nổi bật hệ thống lái trợ lực thủy lực

Vấn đề chính cần giải quyết ở hệ thống lái này là tỷ lệ trợ lực phù hợp với điều kiện chạy xe và sự thay đổi góc đánh lái Có thể thấy rõ khi di chuyển ở vận tốc thấp

mô men cản quay vòng tương đối lớn do vậy cần trợ lực nhiều, ngược lại vận tốc cao cần hạn chế trợ lực, vị trí vô lăng vị trí trung hòa khi ô tô chạy thẳng cần ít trợ lực, đánh lái nhiều càng xa vị trí trung hòa, tỷ lệ trợ lực càng tăng Hay nói cách khác, đặc

DUT.LRCC

tính trợ lực của hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn thay đổi tỷ lệ trợ lực theo điều kiện chuyển

động dựa trên giá trị mô men cản quay vòng Mô men cản này thay đổi theo vị trí góc đánh lái và vận tốc chạy xe Hệ thống lái trợ lực thủy lực ban đầu sử dụng thanh xoắn

để điều khiển các chế độ trợ lực có sơ đồ nguyên lý như hình 1.15

Hình 1 15 Sơ đồ nguyên lí điều khiển trợ lực thủy lực [15]

Điểm quan trọng nhất của hệ thống lái trợ lực thủy lực này chính là thanh xoắn

bố trí trên trục lái Thanh xoắn này đóng vai trò bộ phận cảm nhận sự thay đổi mô men cản quay vòng tại bánh xe dẫn hướng Khi đánh lái, mô men cản bánh xe dẫn hướng càng lớn mô men xoắn càng lớn làm cho thanh xoắn biến dạng nhiều khi đó cửa van dầu trợ lực được mở rộng áp lực dầu trợ lực tăng theo Vận tốc chạy xe tăng làm cho

mô men cản tại bánh xe dẫn hướng giảm dẫn đến biến dạng thanh xoắn cũng giảm Trong quá trình chạy xe, thanh xoắn điều khiển đặc tính trợ lực thay đổi theo góc đánh lái và vận tốc một cách tự nhiên Bên cạnh các ưu điểm hệ thống trợ lực lái thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn thì vẫn còn một số nhược điểm cần cải tiến:

- Việc điều khiển các van dầu trợ lực bằng thanh xoắn hoàn toàn bằng cơ khí nên các chế độ điều khiển trợ lực bị hạn chế do góc biến dạng thanh xoắn được giới hạn

- Khi chạy ở vận tốc cao công suất bơm dầu tăng dẫn đến áp lực dầu tăng theo, việc hạn chế trợ lực khó khăn có thể dẫn đến mất cảm giác lái Trong một số thiết kế

có thêm bộ phận van hạn chế áp suất dầu từ bơm khi chuyển động ở vận tốc cao Tuy nhiên, do khoảng biến dạng thanh xoắn tương đối nhỏ trong khi các chế độ mô men cản, vận tốc xe và góc đánh lái thay đổi liên tục và dải làm việc tương đối lớn chính vì vậy việc điều khiển đặc tính trợ lực trở nên khó khăn

- Bơm dầu làm việc liên tục do kết nối trực tiếp với động cơ dẫn đến tổn hao năng lượng trong tình trạng không cần trợ lực gây lãng phí

Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất nhiều dòng xe trang bị hệ thống lái này do giá thành rẻ và phù hợp vận tốc chạy xe hạn chế nhỏ hơn 120 km/h

DUT.LRCC

1.3.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử

Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử được mô tả như hình 1.16

Hình 1 16 Hệ thống lái trợ lực thủy lực bằng điện tử [15]

Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện là phiên bản cải tiến của hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn được phát triển từ thập kỷ 90 Đặc điểm quan trọng của hệ thống này là thanh xoắn cảm biến mô men đánh lái không trực tiếp điều khiển van trợ lực Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử như Hình 1.17

Hình 1 17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện tử [15]

Độ biến dạng của thanh xoắn được chuyển thành tín hiệu điện gửi đến hộp điều khiển điều khiển trợ lực Hộp điều khiển trợ lực tổng hợp các tín hiệu chạy xe, tính toán và xác định phần tỷ lệ trợ lực từ đó quyết định đặc tính trợ lực thông qua việc

DUT.LRCC

điều khiển áp lực dầu từ bơm trợ lực và lượng dầu đi vào xy lanh trợ lực Thông qua việc điều khiển gián tiếp, các chế độ trợ lực và đặc tính trợ lực được thay đổi một các linh hoạt

So với hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử có nhiều ưu điểm hơn như: Dải làm việc làm việc của trợ lực đa dạng đáp ứng các dải vận tốc khác nhau đặc biệt là đặc tính trợ lực, tạo

Hình 1 18 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực điện [15]

Việc điều khiển trợ lực thông qua mô tơ điện được điều khiển bằng hộp điều khiển

Hệ thống trợ lực điện có thể xem là một trong những hệ thống cơ điện tử Trong đó hộp

điều khiển ECU của hệ thống trợ lực chứa chương trình điều khiển Chương trình điều khiển được lập trình dựa trên thuật toán điều khiển trợ lực lái Trong hệ thống này, cảm

biến mô men cản sẽ xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hướng, ứng với từng điều kiện chuyển động cụ thể chương trình sẽ tính toán lựa chọn đặc tính trợ lực thích hợp

để

quyết định giá trị mô men bao nhiêu phần trăm thông qua việc điều khiển trực tiếp mô

tơ điện

DUT.LRCC

Hệ thống lái trợ lực điện khắc phục hạn chế tổn hao công suất do bơm thủy lực hoạt

động liên tục trong quá trình chạy xe Thêm vào đó, dầu trợ lực lái là một nhân tố gây

ô

nhiễm môi trường cũng được khắc phục Kết cấu của hệ thống lái trợ lực điện tử cũng gọn hơn Bộ trợ lực điện này có thể được bố trí linh hoạt trên trục lái dạng EPASColumn, bố trí trên thước lái dạng EPAS-Rack, bố trí trên bộ phận giảm tốc dạng EPASPinion, đặt song hành cùng với thước lái dạng EPAS-Dual-Pinion (Hình

trợ lực điện có các chế độ điều khiển trợ lực tương đồng hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện, tuy nhiên, khả năng bố trí thay đổi một cách linh hoạt, dễ bố trí, giảm tiêu hao

năng lượng và bảo vệ môi trường

Hình 1 19 Các loại hệ thống lái trợ lực điện (a EPAS-Column b EPAS-Pinion c

EPAS-Dual-Pinion d EPAS-Rack) [15]

Tùy theo chế độ chạy xe, đặc tính trợ lực được sử dụng có sự khác nhau Ứng với dải vận tốc thấp từ 0 đến 15km/h đặc tính trợ lực biến thiên lớn, giá trị mô men trợ lực tăng nhanh Đặc tính trợ lực giảm dần khi vận tốc chạy xe tăng lên Các thiết kế bộ trợ lực sẽ có các dải đặc tính trợ lực khác nhau tùy vào tình trạng cản,tải trọng và dải vận tốc tối đa của xe Hệ thống trợ lực điện có thể hiệu chỉnh và phân chia dải đặc tính trợ lực một cách linh hoạt

1.3.5 Hệ thống lái chủ động

Hệ thống lái sử dụng trợ lực giúp người lái xe điều khiển chuyển động một các linh hoạt và dễ dàng, giảm được mệt mỏi khi lái xe trong thời gian dài Tuy nhiên, hệ thống lái này vẫn còn một số vấn đề cần cải tiến Có thể thấy điều khiển hệ thống lái với mục đích

chính là điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô Quỹ đạo chuyển động ô tô khi quay vòng chịu ảnh hưởng của góc quay thân xe, biến dạng lốp và tình trạng đánh lái Khi điều khiển ô tô ở vận tốc thấp, lốp xe được xem như không biến dạng

DUT.LRCC

Hệ thống lái chủ động được thiết kế dựa trên phân tích về hướng chuyển động thực

tế của xe khi lưu thông ở các vận tốc khác nhau tại các điều kiện khác nhau Khi ô tô chuyển động ở dải vận tốc thấp hướng chuyển động của ô tô được quyết định bởi góc đánh lái Tuy nhiên khi vận tốc chuyển động lớn hơn 60 km/h ảnh hưởng của lực quán tính tác động lên thân xe làm xoay thân xe do lốp biến dạng và ảnh hưởng hệ thống treo là rõ nét Nói cách khác hướng chuyển động của ô tô phụ thuộc vào hai tín

Đặc điểm chính của hệ thống này là sự thay đổi tỷ số truyền theo tình trạng biến dạng lốp

cầu trước và cầu sau Các thông tin góc xoay thân xe, góc đánh lái, vận tốc xe, áp suất lốp

được chương trình máy tính phân tích, tính toán quyết định tỷ số truyền giữa góc quay

vô

lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng

Hình 1 20 Mô hình phân tích góc quay thân xe do biến dạng lốp [6]

Trên các ô tô hiện đại, hệ thống lái tích cực được điều khiển kết hợp với các hệ thống điều khiển ổn định quỹ đạo thành hệ thống cơ điện tử ô tô dạng phối hợp đảm bảo

tính điều khiển và tính ổn định của ô tô

1.3.6 Hệ thống lái điện

Với các hệ thống lái đã trình bày ở trên, khi quay vòng ở các vận tốc khác nhau người lái chỉ kiểm soát được một số trạng thái động lực học của xe Hệ thống lái điện

DUT.LRCC

có khả năng tích hợp tất cả các hệ thống khác trên xe thành một đối tượng thống nhất Trong

các năm gần đầy, hệ thống lái này đang được tập trung nghiên cứu Khái niệm về hệ thống lái điện được hình thành dựa trên mong muốn xây dựng hệ thống lái đáp ứng được các tình trạng chuyển động theo mong muốn của người điều khiển xe khi quay vòng Ưu

điểm nổi bật của hệ thống lái này là:

- Do bỏ bớt trục lái nên có nhiều khoảng trống để bố trí khoang lái một cách thuận tiện, giảm đáng kể khối lượng, quán tính của hệ thống

- Liên kết giữa bộ phận vô lăng và bộ phận chấp hành thông qua bộ điều khiển cho nên có thể điều khiển chuyển động bánh xe dẫn hướng theo tình trạng chuyển

động ô tô một cách linh hoạt, có khả năng phối hợp với các hệ thống điều khiển khác

- Các tác động từ mặt đường không trực tiếp lên người sử dụng nên tạo cảm giác thoải mái cho người điều khiển, tránh ảnh hưởng tới sức khỏe

- Có thể được sử dụng trên các xe điều khiển từ xa, xe chuyên dùng

- Hệ thống lái điện dẫn động tích hợp với đặc điểm hai bánh dẫn hướng liên kết với nhau qua hình thang lái (Hình 1.21a) Trên hệ thống này trục lái liên kết giữa

vô lăng và cơ cấu lái được thay thế bằng hệ cơ điện tử

Đặc điểm hệ thống lái điện dẫn động độc lập với đặc điểm mỗi bánh xe dẫn hướng bố trí một động cơ điều khiển (Hình 1.21b) Việc điều khiển một cách độc lập tại

các bánh xe có ưu điểm giúp tỉ lệ thay đổi góc dẫn hướng bánh xe một cách độc lập theo

lý thuyết quay vòng Các kiểu hệ thống lái điện được mô tả như hình 1.21

Hình 1 21 Các kiểu hệ thống lái điện( a Dẫn động tích hợp b Dẫn động độc lập) [15]

DUT.LRCC

Trong hệ thống lái điện dẫn động tích hợp, phía dưới vô lăng được bố trí một cảm

biến vị trí góc quay Khi người lái tác động vào vô lăng, tín hiệu được cảm biến thu nhận

và truyền qua hộp điều khiển, hộp điều khiển phân tích và xuất tín hiệu điều khiển động

cơ gắn trên cơ cấu lái để điều khiển cơ cấu lái đúng như tín hiệu mà người điều khiển mong muốn Ở chiều ngược lại, trên cơ cấu lái cũng gắn một cảm biến thu thập tín hiệu

phản hồi từ mặt đường, tín hiệu này được truyền ngược lên hộp điều khiển, hộp điều khiển phân tích và xuất tín hiệu điều khiển động cơ gắn dưới vô lăng để tạo cảm giác tác

động phản hồi từ mặt đường đến người lái Trên các hệ thống lái thông thường, mô men

từ vành tay lái được truyền trực tiếp xuống cơ cấu lái thông qua trục lái Tuy nhiên, ở

hệ

thống lái điện cơ cấu liên kết trung gian này đã được loại bỏ, chính vì vậy, việc đồng

bộ góc quay giữa vành tay lái và cơ cấu lái cũng như những tác động phản hồi từ mặt đường lên vô lăng được xem là một nhiệm vụ quan trọng

Bộ điều khiển hệ thống lái đóng vai trò then chốt trong quá trình điều khiển xe Mọi

thông tin sẽ được xử lý bằng điện tử nên khả năng phản ứng với những thông tin trong quá trình lái xe sẽ nhanh hơn, không những thế, nó còn có khả năng hạn chế phản hồi

nghiên cứu đang được thử nghiệm trên ô tô thực tế

1.3.7 Hệ thống lái Steer-by-wire

Trước đây, trên chiếc xe ôtô, có những hệ thống cơ khí mà người ta tưởng chừng như sẽ không bao giờ có thể thay thế được: như bộ vi sai, hệ thống trợ lái, hệ thống bánh lái, v.v Nhưng ngày nay, điều này đã không còn đúng Cụ thể, ngày nay,

chúng ta bắt đầu được làm quen với thuật ngữ “Steer-by-wire” ý nói hệ thống bánh lái

bằng dây cáp và tín hiệu điện tử

DUT.LRCC

Thay vì sử dụng các kết nối cơ khí để truyền động, hệ thống lái điện tử

Steer-By- Wire cho phép điều khiển dẫn hướng xe bằng các tín hiệu điện tử và truyền động

thủy lực Kể từ khi ra đời những chiếc ôtô làm việc chủ yếu bằng các cơ cấu cơ khí liên kết và dẫn động với nhau, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là lĩnh vực tự động hóa và điện tử đã làm cho những chiếc ôtô ngày nay không còn chỉ là của ngành cơ khí Theo đánh giá của các nhà sản xuất thì những chiếc ôtô ngày nay hệ thống điện tử chiếm đến 60% giá trị, mặc dù các hệ thống điện tử ngày càng được trang bị nhiều trên ôtô, tuy nhiên có một hệ thống đóng vai trò rất quan trọng trên ô tô

nhưng vẫn chưa được “điện tử hóa” – Hệ thống lái

- Cấu tạo:

Ở thuở sơ khai của ô tô hệ thống lái là sự kết nối thuần túy của các chi tiết cơ khí người lái xoay vô lăng và thông qua các cặp bánh răng ăn khớp, trục vít con lăn…và đến các đòn liên kết tác động lên bánh trước để thay đổi hướng chuyển động của xe Sau đó, cùng vớ sự tiến bộ thì hệ thống lái được trang bị thêm bộ phận trợ lực bằng thủy lực nhờ máy bơm dẫn động bằng dây curoa từ động cơ, điều này làm giảm công suất của động cơ và tiêu tốn thêm năng lượng Tuy nhiên cho đến tận ngày nay

hệ thống lái này vẫn được duy trì nhờ đảm bảo cả hai tiêu chí: bám đường tốt và thuận tiện

Hệ thống lái thông thường được mô tả như hình 1.22

Hình 1 22 Hệ thống lái thông thường [5]

Hệ thống lái Steer-by-wire mặc dù là hệ thống lái điện tử nhưng vẫn sử dụng thước lái như trên các hệ thống lái hiện nay, tuy nhiên thay vì sử dụng bơm trợ lực như hiện nay mà hệ thống sử dụng một bộ điều khiển điện tử ECU để điều khiển dòng thủy lực xuống thước lái cùng với bộ phận đo góc lái, bên cạnh đó hệ thống sử dụng một ly

DUT.LRCC

hợp dùng để kết nối trực tiếp từ vô-lăng xuống thước lái trong trường hợp khẩn cấp Ngoài ra trên hệ thống lái này còn sử dụng một camera để giám sát hướng dịch chuyển của xe và có thể tác động lên thước lái để chuyển hướng bánh xe khi cần thiết

Cấu tạo hệ thống lái Steer-by-wire được mô tả như hình 1.23

Dựa vào hình 1.23 ta có cấu tạo hệ thống lái Steer-by-wire gồm các thành phần:

1 Hệ thống cảm biến góc quay vô-lăng: Gửi mệnh lệnh (góc quay vô lăng) đến hệ thống tính toán điện tử

2 Bộ phân ly hợp: Phần lớn thời gian ở trạng thái mở Được kích hoạt khi gặp vấn

đề về điện năng, giúp duy trì liên kết cơ khí giữa vô-lăng với thước lái

3 Hệ thống tính toán điện tử: Kiểm soát động cơ điện (điều khiển dòng thủy lực xuống thước lái) và hệ thống cảm biến góc quay vô-lăng sao cho góc quay bánh

xe tương thích đúng với yêu cầu của người lái

4 Hai động cơ điện: Giảm chỉ phí so với 1 động cơ điện to, tiết kiệm không gian

Có tác dụng thay đổi dòng thủy lực bên trong thước lái qua đó thay đổi góc quay của bánh xe

Hình 1 23 Cấu tạo hệ thống lái Steer-by-wire [5]

Nguyên lý hoạt động của hệ thống Steer-by-wire được mô tả như hình 1.24

DUT.LRCC

Hình 1 24 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái Steer-by-wire [5]

Người lái tác động vào vô lăng thì góc quay của vô lăng sẽ được đo đạc bởi bộ phận đo góc lái và gửi dữ liệu đến ECU của hệ thống Sau đó tín hiệu từ đây sẽ được

xử lý để điều khiển dòng thủy lực xuống thước lái để bánh xe dịch chuyển theo sự mong muốn của hệ thống Do việc điều khiển bằng cách truyền tín hiệu nên quá trình tác động sẽ diễn ra nhanh hơn so với các hệ thống lái dẫn động cơ khí hiện nay

Ngoài khả năng phản ứng nhanh hơn thì hệ thống còn có khả năng điều hạn chế phản hồi từ mặt đường, theo đó khi xe đi vào mặt đường xấu, gồ ghề những rung động

từ mặt đường tác động lên vô lăng sẽ được loại bỏ, nhờ vậy người lái không bị mỏi tay

và thoải mái hơn

Việc trang bị camera trên các xe sử dụng Steer by wire giúp quan sát đường phía trước và phát hiện các vật thể trên nền đường Khi xe bắt đầu đi chệch đường (có thể do lái xe mệt mỏi), ECU của hệ thống sẽ đưa ra những điều chỉnh nhỏ cần thiết để duy trì vị trí của xe ở vị trí thích hợp trên đường

Mặc dù ECU của hệ thống Steer By Wire được chia làm 3 phần hoạt động độc lập để tránh các lỗi có thể xảy ra gây nguy hiểm cho những người ngồi trên xe, nhưng như thế là chưa đủ đối với các hệ thống liên quan trực tiếp đến tính mạng con người

Hệ thống này còn được trang bị thêm một ly hợp dùng để kết nối trực tiếp từ trục lái tới thước lái như trên các hệ thống lái hiện nay Điều này đảm bảo hệ thống lái vẫn làm việc bình thường ngay cả khi ECU của hệ thống không làm việc, giúp chiếc

xe trở lên an toàn hơn

1.4 Phương pháp điều khiển hệ thống lái

Hệ thống lái Steer-by-wire có nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống lái thông thường như: làm tăng độ linh hoạt, đơn giản quá trình lắp ráp, giảm khối lượng xe, hệ thống điều khiển phương tiện được nâng cao và hiệu suất tốt hơn,… nhưng để sử dụng tốt hệ thống lái Steer-by-wire thì việc điều khiển hệ thống lái đóng một vai trò quan

DUT.LRCC

trọng nhằm giúp hệ thống bánh trước bám theo chính xác yêu cầu của người lái cũng như hệ thống hoạt động an toàn, ổn định trong các điều kiện khác nhau,…

Một số phương pháp điều khiển hệ thống lái đã được công bố, áp dụng trong một số bài báo như:

Ở [1] sử dụng phương pháp điều khiển sử dụng 2 bộ điều khiển PID để điều khiển hệ thống vô lăng và hệ thống lái bánh trước Ngoài ra còn có khối điều khiển tín hiệu trước để điều khiển góc bánh trước theo các tốc độ khác nhau bằng cách sử dụng các tỷ số góc lái khác nhau Sơ đồ cấu trúc điều khiển được mô tả như hình 1.25

Hình 1 25 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống Steer-by-wire theo [1]

Đồ thị kết quả Góc lái bánh trước được mô tả như hình 1.26

Hình 1 26 Đồ thị kết quả góc lái bánh trước khi sử dụng các bộ điều khiển PID theo

[1]

DUT.LRCC

Đồ thị kết quả góc lái bánh trước khi có xét đến nhiễu được mô tả như hình 1.27

Hình 1 27 Kết quả góc lái bánh trước khi có xét đến nhiễu theo [1]

Đồ thị góc lái bánh trước ở các tốc độ khác nhau khi có xét đến tỷ số góc lái được mô tả như hình 1.28

Hình 1 28 Kết quả góc lái ở các tốc độ 10km/h và 100km/h theo [1]

Bài báo ở [1] đã điều khiển góc lái bánh trước đáp ứng tương đối với giá trị đặt tuy nhiên ở trạng thái lý tưởng (không xét đến nhiễu) đáp ứng của hệ thống với đầu vào là hàm nấc đơn vị còn dao động, cũng như bài báo vẫn chưa xây dựng được các phương trình toán học để từ đó xây dựng được mô hình toán học của hệ thống

DUT.LRCC