TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI
Chức năng của hệ thống lái
Hệ thống lái ô tô có chức năng điều khiển quỹ đạo chuyển động, cho phép người lái thay đổi hoặc duy trì hướng đi của xe Việc duy trì quỹ đạo hoặc thay đổi phương chuyển động là rất quan trọng để đảm bảo an toàn khi xe di chuyển.
Các phương pháp quay vòng của ô tô
Xoay các bánh dẫn hướng ( hình 1.1) : Phương pháp quay vòng xe bằng cách quay vòng các bánh xe dẫn hướng là một phương pháp thông dụng nhất hiện nay.
Hình 1.1Phương pháp quay vòng các bánh xe dẫn hướng.
Phương pháp truyền momen quay có trị số khác nhau đến các bánh xe chủ động bên trái và bên phải, thường được áp dụng trên xe bánh xích, cho phép thay đổi hướng momen Kỹ thuật này có thể kết hợp với việc hãm các bánh xe gần tâm quay vòng, giúp xe quay vòng trên diện tích nhỏ hoặc thậm chí quay tại chỗ.
Hình 1.2Phương pháp truyền momen đến các bánh xe chủ động
Ngoài hai phương pháp đã đề cập, các xe cơ giới còn sử dụng một số phương pháp quay vòng khác như thay đổi hướng một phần thân xe, toàn bộ cầu xe và điều chỉnh vận tốc dài của hai bên bánh xe.
Tùy thuộc vào số cầu xe mà nó có tâm quay vòng lý thuyết khác nhau Vị trí của tâm quay vòng được mô tả trong hình 1.1.
Một số bộ phận cơ bản của hệ thống lái
Hình 1.3Một số bộ phận của hệ thống lái
Hệ thống lái trên ô tô được chia làm 3 cụm chi tiết chính :
1.3.1.1 Vành tay lái (steering wheel)
*) Chức năng: Là nơi nhận tín hiệu(lực,momen quay) của người điều khiển tới hệ thống lái.
Hiện nay, nhiều nhà sản xuất cung cấp các mẫu thiết kế vành tay lái khác nhau, nhưng chúng thường có cấu trúc tương tự, bao gồm vành hình tròn hoặc bán hình tròn cùng với các nan hoa xung quanh Vị trí vô lăng trong buồng lái được xác định theo quy định của từng quốc gia Ngoài việc truyền lực và mô men quay từ người điều khiển, vành tay lái còn tích hợp các hệ thống thiết yếu như còi và túi khí.
Trục lái có vai trò quan trọng trong việc truyền momen lái từ vành tay lái đến hộp số lái và ống đỡ cố định, giúp điều khiển xe hiệu quả Các trục lái của ô tô hiện đại được thiết kế phức tạp, cho phép điều chỉnh độ nghiêng và chiều dài, giảm thiểu tác động lên người lái trong trường hợp tai nạn Ngoài ra, trục lái còn tích hợp các cần điều khiển đèn, gạt mưa, rửa kính, cùng hệ thống dây điện và các đầu nối điện, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Trục lái được cấu tạo với hai đầu: đầu trên thiết kế thon với ren và then hoa để kết nối với vành tay lái, trong khi đầu dưới liên kết với đầu vào của hộp số lái qua khớp nối mềm hoặc khớp nối kiểu chốt Thiết kế này giúp giảm thiểu chấn động từ mặt đường truyền lên vành tay lái.
Trục lái có thể liền thành một đoạn hoặc cũng có thể bằng nhiều đoạn liên kết với nhau.
Hình 1.6Khớp nối mềm trên trục lái
Hình 1.7Khớp nối kiểu chốt trên trục lái
Hình thang lái là cơ cấu quan trọng giúp duy trì mối quan hệ động học giữa góc quay của bánh xe dẫn hướng và hệ thống lái Nó đảm bảo rằng bánh xe không bị trượt khi thực hiện các động tác quay vòng, từ đó nâng cao hiệu suất và an toàn khi điều khiển phương tiện.
Hình 1.8Cấu tạo hình thang lái 1,4 : Đòn lắc chuyển hướng
Lắc chuyển hướng là một chi tiết quan trọng trong cơ cấu lái, giúp truyền động đến dẫn động lái Một đầu của lắc chuyển hướng được thiết kế kiểu then hoa và lắp với trục lắc, trong khi đầu còn lại kết nối với thanh nối giữa qua các khớp cầu Đòn lắc phụ cũng có một đầu liên kết với thanh nối giữa bằng khớp nối cầu, và đầu còn lại được gắn trên khung ô tô thông qua trục Mặc dù đòn lắc phụ thực hiện chuyển động lắc giống như lắc chuyển hướng, nhưng nó không truyền động cho bất kỳ bộ phận nào khác.
Thanh nối giữa là bộ phận quan trọng trong hệ thống dẫn động lái, có chức năng kết nối tất cả các bộ phận lại với nhau Nó bao gồm hai đầu được thiết kế với ô đỡ chốt cầu để liên kết với đòn lắc chuyển hướng và đòn lắc phụ Ở giữa thanh nối giữa có hai lỗ, cho phép kết nối với hai thanh nối bên thông qua khớp cầu.
Thanh nối bên là chi tiết quan trọng trong hệ thống truyền động của ô tô, giúp điều chỉnh hình học lái mà không cần tháo rời dẫn động Đối với ô tô có kết cấu dạng dầm cầu liền, thường sử dụng hình thang lái với các liên kết nằm sau hoặc trước cầu Trong khi đó, ô tô có hệ thống treo độc lập có thể có nhiều khâu khớp và đòn hơn để đảm bảo bánh xe chuyển động độc lập.
Hình 1.9Hình thang lái trên xe dầm cầu liền
Hình 1.10Hình thang lái trên hệ thống treo độc lập
Cơ cấu lái là một hệ thống bao gồm trục quay và trục lắc, có nhiệm vụ chuyển đổi mô men quay từ trục lái thành chuyển động thẳng dẫn hướng Mỗi loại cơ cấu lái có tỷ số truyền khác nhau, do đó, nhà sản xuất thiết kế cơ cấu lái phù hợp với từng dòng xe cụ thể Ngoài ra, hiệu suất truyền động thuận và nghịch cùng với độ rơ của cơ cấu lái cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng của hệ thống này.
1.3.2.1 Các kiểu cơ cấu lái
Dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cặp truyền động trục quay-trục lắc, có thể phân loại các kiểu cơ cấu lái khác nhau.
Kiểu bánh răng –thanh răng
Hình 1.11Cơ cấu lái kiểu bánh răng-thanh răng
Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng là hệ thống dẫn động phổ biến nhất hiện nay, với cấu trúc cơ khí đơn giản bao gồm một trục quay và bánh răng ở đầu trục cùng thanh răng gắn trên ống kim loại Hai thành phần này kết nối chặt chẽ, cho phép truyền động quay thành chuyển động ngang của thanh dẫn động lái thông qua các khớp cầu Khi người lái quay vành tay lái sang trái, bánh răng sẽ quay, kéo theo thanh răng di chuyển sang bên trái và ngược lại Cơ cấu này tạo ra sự liên kết trực tiếp qua các mối nối, giúp thanh răng truyền động ngang cho các thanh nối mà không cần trục trung gian.
Kiểu trục vít-cung răng
Hình 1.12Cơ cấu lái kiểu trục vít - cung răng
1- Trục vít, 2- Cung răng,3- Trục lắc
Kiểu trục vít-con lăn
Hình 1.13Cơ cấu lái kiểu trục vít-con lăn 1-Trục vít, 2- Con lăn,3- Đòn chuyển hướng của dẫn động lái
Cơ cấu lái kiểu trục vít con lăn hiện nay ít được sử dụng do hệ thống trợ lực phức tạp Cấu trúc này bao gồm trục vít kết nối với trục lái, một con lăn có ren bên ngoài khớp với ren của trục vít, và một đòn chuyển hướng Khi momen được truyền đến trục vít, con lăn thực hiện hai chuyển động đồng thời: quay quanh trục của nó và di chuyển dọc theo trục của trục vít, tạo ra hiệu ứng giống như một trục vít vô hạn.
Kiểu trục vít-đòn quay
Hình 1.14Cơ cấu lái kiểu trục vít-đòn quay 1-Trục vít,2-Đòn quay,3-Chốt,4-Trục lắc,5- Đòn lắc chuyển hướng
Hộp số lái kiểu trục vít-đòn quay, hay còn gọi là kiểu cam-đòn lắc, hoạt động bằng cách liên kết trục quay với trục lắc thông qua các chốt Khi trục vít quay theo hướng của trục lái, các chốt sẽ trượt lên và xuống trong rãnh của trục vít, từ đó làm cho đòn lắc xoay trái và phải.
Loại này có ưu điểm chính là tỷ số truyền có thể thay đổi, tuy nhiên, hiệu suất của nó không cao và các chốt trong cơ cấu lái thường bị mòn nhanh chóng.
Kiểu trục vít -êcu-bi
Hình 1.15 Cơ cấu lái kiểu trục vít-êcu-bi
Cơ cấu lái kiểu trục vít-êcu-bi bao gồm một trục quay và một trục lắc, hoạt động tương tự như cơ cấu lái trục vít-cung Tuy nhiên, cung răng không ăn khớp trực tiếp với trục vít mà nhận chuyển động qua êcu và các viên bi Êcu được thiết kế với các răng thẳng và rãnh tương ứng với trục, trong khi các viên bi nằm trong rãnh giữa êcu và trục vít, được bao quanh bởi ống dẫn Khi trục vít quay, các viên bi di chuyển trong rãnh và quay trở lại, khiến êcu dịch chuyển dọc theo trục vít Sự liên kết giữa các răng của êcu và cung răng giúp chuyển động tịnh tiến của êcu tạo ra chuyển động xoay cho trục lắc.
Kiểu cơ cấu lái này thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn giữa các cặp trục vít-bi và bi-êcu, mang lại tỷ số truyền lớn và hiệu suất cao Do đó, cơ cấu này thường được áp dụng trong các hệ thống lái không có trợ lực.
Việc điều khiển những ô tô có tải trọng lớn,xe có nhiều cầu chủ động,hoặc đi trên đường xấu, rất nặng nhọc[ CITATION Ngu08 \l
Các thông số cơ bản của hệ thống lái
Tỷ số truyền của hệ thống lái giúp giảm lực tác động lên vành tay lái và tổng góc quay tối đa của nó Trên ô tô, tỷ số truyền tỷ lệ thuận với lực trên vành tay lái và tỷ lệ nghịch với tổng góc quay vòng Điều này có nghĩa là khi tỷ số truyền cao, lực cần thiết để điều khiển vành tay lái sẽ thấp hơn, trong khi tổng góc quay vòng sẽ lớn hơn, và ngược lại.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái (I L1 ) : Là tỷ số truyền của góc quay vành tay lái chia cho góc quay của đòn lắc chuyển hướng.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái có thể là cố định hoặc thay đổi khi tay lái được quay ra khỏi vị trí trung gian Đối với ô tô con, tỷ số truyền dao động từ 12 đến 20, trong khi đối với ô tô tải và xe buýt, tỷ số này khoảng từ 15 trở lên.
Tỷ số truyền của dẫn động lái (I L2) thay đổi khi các bánh dẫn hướng xoay, do độ dài cánh tay đòn của các thanh và đòn thuộc dẫn động lái biến đổi Mặc dù tỷ số truyền phụ thuộc vào sơ đồ động học, nhưng thường không có sự thay đổi đáng kể trong các kiểu dẫn động lái hiện nay.
Tỷ số truyền theo góc của hệ thống lái (L L3) được định nghĩa là tỷ số giữa góc quay của vành tay lái và góc quay của bánh dẫn hướng Tổng góc quay tối đa của bánh xe dẫn hướng có thể dao động trong khoảng từ 56 độ đến 70 độ.
1.4.2 Lực tác dụng lên vành tay lái
Trong đó : R là bán kính vành tay lái, i là tỷ số truyền φ là hệ số bám
1.4.3 Ứng suất xoắn τ x = 0,2.( P max D R D 4 −d 4 ) (MN/m 2 ) (1.3)
Trong đó : Pmax lực tác dụng [ CITATION Ngu08 \l 1033 ]lớn nhất lên vành tay lái
D,d Đường kính ngoài và đường kính trong của trục lái
R bán kính vành tay lái
Ptrl = Pmax – P (1.4) Trong đó Ptrl lực của[ CITATION Ngu08 \l 1033 ] trợ lực lái
Điều kiện không trượt khi quay vòng
Quá trình quay vòng của xe được chia làm 3 giai đoạn :
Hình 1.18Các giai đoạn quá trình quay vòng
+ Giai đoạn 1 : Xe bắt đầu đi vào đường vòng ( đoạn 1-2) ,bán kính quay vòng giảm dần ( R#const).
+ Giai đoạn 2 : Là giai đoạn xe quay vòng đều (đoạn 2-3), bán kính quay vòng không đổi (R=const).
Trong giai đoạn 3, xe di chuyển qua đoạn đường vòng (đoạn 3-4) với bán kính quay vòng tăng dần (R#const), và vào cuối giai đoạn, xe trở lại trạng thái chuyển động thẳng (R= ∞) Để đảm bảo các bánh xe ô tô không bị trượt khi quay vòng, các đường thẳng đi qua trục các bánh xe cần cắt nhau tại một điểm, được gọi là tâm quay vòng tức thời của xe.
Hình 1.19Sơ đồ mô phỏng bán kính quay vòng
Hình 1.20Sơ đồ động học của xe ô tô
Trong đó : α 1, α 2- góc quay của bánh xe dẫn hướng phía ngoài và phía trong
B- khoảng cách giữa hai đường tâm trục bánh dẫn hướng
L- chiều dài cơ sở của xe
R- bán kính quay vòng. Đối với xe hai cầu, trong đó cầu trước là dẫn hướng để tất cả bãnh e không trượt khi quay vòng thì tâm quay vòng O của xe phải nằm trên đường tâm của cầu sau.
Nếu xe có n cầu thì điều kiện để tất cả các bánh xe không bị trượt khi quay vòng là số lượng cầu chủ động phải bằng n-1.
Các yêu cầu của hệ thống lái
Đảm bảo xe có khả năng chuyển hướng chính xác và điều khiển nhẹ nhàng, an toàn ở mọi tốc độ và tải trọng trong giới hạn tính năng kỹ thuật cho phép.
+ Đảm bảo khả năngduy trì hướng chuyển động thẳng khi chạy thẳng và tự quay về hướng chuyển động thẳng khi thôi quay vòng.
Độ rơ của vành tay lái không được vượt quá tiêu chuẩn cho phép, cụ thể là không lớn hơn 10 độ đối với xe con, xe khách đến 12 chỗ ngồi (bao gồm cả người lái) và xe tải trọng dưới 1500kg.
Các [CITATION CụcVT \l 1033 ]loại xe khác : không lớn hơn 15 0
Hệ thống lái không có trợ lực yêu cầu số vòng quay tối đa của vành tay lái không vượt quá 5 vòng Điều này tương ứng với góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong là 35 độ về cả hai phía từ vị trí trung gian.
Hệ thống lái có trợ lực giúp người lái điều khiển xe dễ dàng hơn Trong trường hợp hệ thống trợ lực gặp sự cố, người lái vẫn có thể điều khiển xe một cách an toàn Điều này đảm bảo tính năng an toàn bị động của xe, giảm thiểu nguy cơ gây tổn thương cho người sử dụng trong tình huống va chạm chính diện.
NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN
Khái niệm chung về hệ thống lái điện tử
Hệ thống lái điện tử sử dụng điện năng để hỗ trợ hệ thống lái, thay thế cho hệ thống thủy lực truyền thống Ra đời vào cuối những năm 1980 với bộ trợ lực cơ điện, hệ thống này đã liên tục phát triển và tích hợp nhiều chức năng mới Đặc biệt, hệ thống lái điện tử giúp tiết kiệm nhiên liệu từ 0,3-0,5 L/100km và giảm lượng khí thải CO2, góp phần bảo vệ môi trường.
Yêu cầu của hệ thống lái điện tử
Trong mọi tình huống lái xe phải vận hành an toàn, trợ lực lái tức khắc khi cần thiết.
Tiếp nhận và xử lý thông nhanh,chính xác trong mọi điều kiện lái xe.
Các thao tác lái,cơ cấu làm việc phải hạn chế tiếng ồn tối thiểu
Đặc tính lái ổn định,phù hợp với từng dòng xe.
Ưu điểm của hệ thống lái điện tử
Hệ thống lái điện tử (EPAS) chuyển đổi năng lượng điện từ acquy, chỉ sử dụng năng lượng cần thiết theo yêu cầu lái, giúp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả EPAS có thiết kế lắp đặt và tháo gỡ đơn giản, thuận tiện cho việc sửa chữa và bảo dưỡng Khả năng điều khiển của EPAS rất tốt, kết nối chặt chẽ với mạng liên lạc của xe, đồng thời các cơ cấu chấp hành và bộ xử lý đảm bảo độ tin cậy cao.
Cấu tạo của hệ thống trợ điện tử
Hình 2.21Cấu tạo hệ thống lái điện tử
Hệ thống trợ lực (EPS/EPAS) có cấu tạo đơn giản hơn so với các loại trợ lực khác, nó có các cụm chi tiết:
- Các cảm biến : bao gồm các cảm biến như cảm biến góc đánh lái,cảm biến momen xoắn,cảm biến góc động cơ.
- Bộ tiếp nhận và xử lý thông tin ECU : EPS ECU và ECU Động cơ
- Bộ phận đèn cảnh báo P/S
Ngoài ra nó còn có các cơ cấu như hộp giảm tốc,thanh răng và bánh răng [ CITATION Ari19 \l 1033 ]để kết nối bánh xe với các bộ phận khác.
Chức năng của hệ thống là xác định momen lái do người lái tác động vào hệ thống điều khiển Hệ thống sẽ gửi tín hiệu đầu vào cho ECU để tính toán mức trợ lực lái điện phù hợp.
Độ chính xác phải cao,khả năng truyền tín hiệu nhanh,độ phân giải khoảng 0,1 0 ở tốc độ góc 2500-3000 0 /s [ CITATION Mat13 \l 1033 ]
Khả năng an toàn của hệ thống lái phụ thuộc vào độ lớn và hướng chuyển động lái, với yêu cầu đảm bảo tính chính xác của các tín hiệu truyền đi Việc gửi tín hiệu không chính xác đến bộ điều khiển có thể gây ra hỗ trợ lái hoặc phản tín hiệu không mong muốn Do đó, cần khắc phục những lỗi này và sử dụng các tính năng phát hiện lỗi để thực hiện hành động phù hợp, nhằm tránh các tình huống có thể dẫn đến tai nạn.
Cảm biến cần phải đạt độ tin cậy cao và tỷ lệ hỏng hóc thấp, đặc biệt là khi phải chịu tác động từ môi trường bên ngoài như rung động và nhiệt độ cao.
Cảm biến momen xoắn phải có hệ thống ma sát thấp,hoặc hệ thống không tiếp xúc.
Cảm biến momen xoắn nhận yêu cầu từ người điều khiển và truyền tín hiệu momen lái tới hệ thống EPAS, chuyển đổi thành tín hiệu điện Dựa trên tín hiệu này, bộ điều khiển tính toán công suất hoặc dòng điện trợ lực, đồng thời xem xét các điều kiện lái xe để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
2.4.2 Cảm biến góc động cơ Đối với động cơ không chổi than được sử dụng trong nhiều hệ thống, cũng như đối với máy phát điện cảm ứng, góc động cơ tương ứng và tốc độ góc động cơ được yêu cầu làm cơ sở cho thuật toán điều khiển Cảm biến góc động cơ có nhiệm vụ chuyển đổi vị trí góc tương đối thành tín hiệu điện và truyền về ECU.
Bộ điều khiển sử dụng thông tin từ cảm biến góc động cơ để tính toán góc lái tương đối, dựa trên độ phân giải, tỷ số truyền cơ học và ngăn xếp dung sai cơ học Do cảm biến góc không có khả năng đa hướng, vị trí chỉ có thể xác định trong một vòng quay nhất định.
Trục động cơ có khả năng quay 360°, điều này khiến việc xác định vị trí tuyệt đối của trục lái trở nên khó khăn Tuy nhiên, một số chức năng lái, như hỗ trợ đỗ xe, lại cần đến góc lái tuyệt đối để hoạt động hiệu quả.
Một phương pháp xác định góc lái tuyệt đối mà không cần phần cứng điện bổ sung là sử dụng thuật toán tính toán tiến trình trên đường thẳng dựa vào tốc độ quay của bánh xe Thuật toán này sử dụng thông tin từ hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) sau khi khởi động động cơ để lập chỉ số vị trí Bằng tín hiệu tốc độ góc động cơ của hệ thống EPAS, góc lái tuyệt đối có thể được tính toán từ thông tin này Quá trình này yêu cầu một khoảng cách lái xe nhất định, phụ thuộc vào cấu hình lái và cung đường, và thường là đủ cho hầu hết các chức năng lái.
Hệ thống ESP yêu cầu độ chính xác cao và tín hiệu nhanh chóng Hệ thống bật nguồn cung cấp vị trí góc lái tuyệt đối ngay khi bộ điều khiển hệ thống lái khởi động cùng với động cơ.
ECU là trung tâm điều khiển của hệ thống lái cơ điện, nhận tín hiệu và tính toán mô-men trợ lực cùng dòng công suất phù hợp cho từng tình huống lái xe Nó giám sát trạng thái hệ thống và các quá trình hoạt động trong một cấu trúc an toàn phức tạp, thực hiện hành động thích hợp khi phát hiện lỗi.
Hình 2.22Sơ đồ khối bộ điều khiển điện tử
Các mạch đầu vào của điện tử tín hiệu chuyển đổi tín hiệu cảm biến mô-men xoắn và vị trí góc của động cơ thành tín hiệu điện để ECU xử lý Bộ xử lý trung tâm (CPU) sử dụng thông tin này để tính toán dòng điện cho các pha động cơ Để kích hoạt các pha động cơ, CPU gửi dòng điện điều khiển đến trình điều khiển cổng, kích hoạt các bán dẫn hiệu ứng trường (FETs) trong giai đoạn đầu ra công suất Tổn thất điện trở và tổn thất chuyển mạch xảy ra trong thiết bị điện tử công suất gây nóng cao cho các linh kiện Do đó, các thiết bị điện tử công suất được đặt trên vỏ bộ điều khiển để tản nhiệt tối ưu và truyền nhiệt hiệu quả đến vỏ hộp số lái.
Việc giám sát CPU đóng vai trò quan trọng trong an toàn hệ thống EPAS, vì đầu ra không chính xác có thể gây ra lỗi nghiêm trọng Các kết quả tính toán và khả năng xử lý của bộ xử lý cùng với các thuật toán điều khiển cần được kiểm tra độc lập Chẳng hạn, các kết quả tính toán quan trọng được xác minh thông qua các thuật toán song song độc lập, có sự khác biệt đáng kể với các thuật toán điều khiển cơ bản Bên cạnh đó, việc chẩn đoán hệ thống giám sát phần mềm và phần cứng của thiết bị điều khiển được thực hiện bằng cách thực hiện các phép tính trên hai đơn vị máy tính độc lập Một số quy trình giám sát diễn ra trong bộ xử lý trung tâm, với kết quả được kiểm tra bởi một CPU con Nếu sự khác biệt trong các phép tính so sánh vượt quá phạm vi dung sai quy định, điều này sẽ được chẩn đoán.
Tùy vào loại lỗi phát hiện, hệ thống có thể chuyển sang các hành động thay thế, chỉ làm giảm mức độ thoải mái hoặc hỗ trợ khi lái Nếu lỗi nghiêm trọng hơn xuất hiện, hệ thống lái trợ lực sẽ bị tắt và người lái phải điều khiển bằng tay Tuy nhiên, nhờ vào độ tin cậy cao của các hệ thống EPAS hiện đại, những can thiệp an toàn này rất hiếm khi xảy ra.
2.4.4 Động cơ điện Động cơ điện trong hệ thống lái cơ điện chủ yếu có nhiệm vụ biến đổi năng lượng điện thành mômen trợ lực cơ cần thiết Ảnh hưởng của nó đối với đặc tính của hệ thống EPAS rất quan trọng.
Hệ thống EPAS cần đạt hiệu suất cao, từ tốc độ góc lái nhỏ đến khả năng quay vô lăng một vòng mỗi giây, với khả năng tạo ra mô-men xoắn lớn nhất Việc thiết kế bố trí động cơ dựa trên các cấu hình tải, tần số và quy mô của hỗ trợ được cung cấp.
Chức năng lái
Tất cả các chức năng,được cung cấp bởi các thuận toán trong hệ thống EPAS được gọi là chức năng lái.
Hệ thống EPAS cung cấp trợ lực lái thông qua động cơ DC, hoạt động dựa trên momen lái mà người điều khiển tạo ra khi tác động vào vành tay lái, đồng thời điều chỉnh theo yêu cầu lái và tốc độ của xe.
Trong quá trình vận hành, hệ thống lái phải đối mặt với nhiều tác động khác nhau, có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự ổn định Khi xe di chuyển trên đường thẳng, không cần can thiệp vào việc lái, do đó không cần hỗ trợ trợ lực lái Tuy nhiên, trong thực tế, gia tốc liên tục thay đổi do các yếu tố bên ngoài như mặt đường và chuyển động nhỏ của người điều khiển có thể xảy ra Hệ thống lái phát hiện và giảm chấn những tác động này một cách phụ thuộc vào tốc độ, nhằm duy trì sự ổn định khi lái.
Trong hệ thống lái cơ điện, tổn thất ma sát xảy ra tại nhiều điểm khác nhau, ảnh hưởng đến các đặc tính lái Để bù đắp cho ma sát này, momen trợ lực bổ sung và dòng điện bù được tính toán một cách chính xác.
2.5.1.4 Bù quán tính Điều khiển phương tiện là một quá trình động - xem xét các tỷ số truyền đặc trưng của hệ thống EPAS - bị nhiễu bởi quán tính của các khối lượng tương đối lớn di chuyển Nếu không có các biện pháp khác, người lái xe sẽ phải liên tục bẻ lái chống lại các lực lượng gây ra Bù quán tính có nghĩa là người lái xe không còn phải làm điều này nữa tay lái phản ứng ngay lập tức và chính xác đối với hành động điều khiển.
2.5.1.5 Giảm công suất hỗ trợ
Khi người lái xe đánh lái vào chướng ngại vật như lề đường, bánh xe sẽ bị chặn lại, dẫn đến việc không thể tiếp tục đánh lái Tuy nhiên, nếu người lái vẫn duy trì mô-men lái, hệ thống EPAS sẽ cung cấp mô-men xoắn hỗ trợ mạnh mẽ, gây ra sự tiêu tán công suất cao và làm nóng hệ thống Để bảo vệ hệ thống khỏi tình trạng quá tải này, một thuật toán được áp dụng nhằm phát hiện sự ngăn chặn và giảm công suất hỗ trợ.
Phân loại,kiểu bố trí trợ lực lái điện
2.6.1 Cụm trợ lực lắp trên trục lái
Hình 2.26Trợ lực lắp trên trục lái
Loại hệ thống lái trợ lực điện EPAS này chủ yếu được sử dụng trên các dòng xe nhỏ và gọn Nhờ vào hộp số giảm tốc, động cơ sẽ truyền mô-men xoắn hỗ trợ đến trụ lái, giúp cải thiện khả năng điều khiển Công nghệ này có thể được cấu hình để phù hợp với các điều kiện môi trường khác nhau khi được tích hợp vào nội thất xe.
Hệ thống EPAS hiện đại, với bộ trợ động tích hợp trực tiếp vào cột lái, cần có kích thước nhỏ gọn để linh hoạt trong không gian lắp đặt trên xe Để đảm bảo sự thoải mái cho người lái, bộ trợ động phải hoạt động êm ái ở mọi tốc độ Cảm giác lái tối ưu được đảm bảo nhờ cơ chế cứng của cột lái và trục trung gian, cùng với các thuật toán điều khiển tinh vi.
2.6.2 Trợ lực lái điện thanh răng đơn
Hình 2.27 Trợ lực thanh răng đơn
Hệ thống EPAS một bánh răng được thiết kế với bộ trợ động đặt trực tiếp trên bánh răng lái, giúp tích hợp cảm biến mô-men xoắn, bộ trợ lực và hộp số giảm tốc vào vỏ bánh răng lái Điều này tạo ra một hệ thống nhỏ gọn nhưng vẫn linh hoạt, phù hợp cho các loại xe tầm trung và nhỏ.
Hệ thống EPAS được lắp đặt trong khoang động cơ, nơi nhiệt độ có thể đạt tới 135 °C, đòi hỏi các thành phần, đặc biệt là điện tử, phải được thiết kế phù hợp để chịu nhiệt Ngoài ra, vị trí của EPAS cũng tiếp xúc với bụi bẩn và độ ẩm, vì vậy cần có cấu trúc vỏ bọc kín để bảo vệ hệ thống.
2.6.3 Trợ lực lái điện thanh răng kép
Hình 2.28Trợ lực thanh răng kép
Hệ thống EPAS bánh răng kép, như tên gọi, bao gồm một bánh răng thứ hai chứa động cơ điện, bộ điều khiển và hộp số giảm tốc Cảm biến mô-men xoắn được tích hợp vào bộ phận bánh răng trên cột lái, giúp chuyển tín hiệu đến bộ điều khiển điện So với hệ thống bánh răng đơn, EPAS bánh răng kép mang lại sự linh hoạt hơn trong việc bố trí bộ trợ động, tối ưu hóa vị trí trong khoang động cơ Hệ thống này độc lập với tỷ số bánh răng lái, cho phép tối ưu hóa tỷ số truyền của hộp giảm tốc cho các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn điều khiển cao hơn.
2.6.4 Trợ lực lái điện trục song song
Hình 2.29Trợ lực trục song song
Hệ thống truyền động song song trục đang được áp dụng cho xe có tải trọng trục từ trung bình đến cao và đang phát triển mạnh mẽ Sự chuyển đổi từ hệ thống thủy lực sang hệ thống trợ động điện trong các loại xe này, đặc biệt là với sự hoàn thiện của hệ thống EPAS, là một xu hướng đáng chú ý.
Bộ phận này bao gồm động cơ điện và ECU, được sắp xếp song song với thiết bị lái Một bánh răng trên trục động cơ dẫn động dây đai có răng, truyền mômen xoắn tới đai ốc của bộ truyền động trục vít me bi Nhờ vào các giai đoạn truyền động hiệu quả, hệ thống EPAS này có hiệu suất cao và khả năng kiểm soát các lực lái lớn Cảm biến mô-men xoắn được tích hợp vào bộ bánh răng lái và kết nối với bộ trợ lực qua đường tín hiệu.
2.6.5 Trợ lực lái đồng tâm
Hình 2.30Trợ lực lái đồng tâm
Hệ thống EPAS đồng tâm giá đỡ là giải pháp lý tưởng cho các phương tiện có tải trọng trục cao và yêu cầu lực truyền động lớn Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng hiện nay, hệ thống này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.
Hệ thống này thiết kế rôto của động cơ điện gắn trực tiếp trên đai ốc bi, cho phép mô-men xoắn của động cơ được truyền trực tiếp đến cơ cấu truyền động Lực tác động lên giá lái được thực hiện qua vít bi, yêu cầu động cơ điện phải cung cấp mô-men xoắn rất cao do hệ thống chỉ có một khâu truyền động.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống EPAS
Người lái xe sử dụng mô-men lái bằng tay trên vô lăng, được cảm biến mô-men xoắn xác định và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển điện tử (ECU) của hệ thống lái ECU tính toán mô-men xoắn hỗ trợ cần thiết dựa trên tình huống lái xe, sử dụng thông tin từ cả bên trong và bên ngoài hệ thống, như tốc độ xe ECU điều khiển động cơ điện thông qua điện tử công suất, giúp chuyển đổi mô-men lái thành lực truyền động đến bộ phận bánh xe qua thanh giằng Khi xe ở tốc độ thấp, như khi đỗ xe, động cơ EPAS hoạt động với dòng điện hỗ trợ cao để tạo khả năng đánh lái êm ái; ngược lại, ở tốc độ cao, hệ thống EPAS cung cấp mức trợ lái nhỏ hơn để đáp ứng yêu cầu phản hồi xúc giác chính xác từ người lái.
Hình 2.31Biểu đồ trợ lực lái
Sơ đồ mạch điện điều khiển trợ lực điện EPS
Hình 2.32 Sơ đồ mạch điện EPS
KIỂM TRA,SỬA CHỮA,BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN TỬ
Nhận biết và chuẩn đoán hư hỏng thông qua đèn cảnh báo trợ lực lái điện
ECU của bộ trợ lực lái điện tử không chỉ thực hiện các chức năng như tính toán trợ lực, bù lái và bù ma sát, mà còn có khả năng lưu trữ và chẩn đoán các hư hỏng trong hệ thống Khi phát hiện sự cố, ECU sẽ ghi lại mã lỗi vào bộ nhớ, đồng thời đèn báo trợ lực lái P/S trên bảng điều khiển sẽ sáng lên để cảnh báo người lái.
Khi đèn trợ lực lái P/S sáng lên, có hai trường hợp có thể xảy ra: Thứ nhất, nếu đèn báo sáng kèm theo tình trạng nặng lái ở tốc độ thấp, điều này cho thấy chức năng trợ lực đã ngừng hoạt động Thứ hai, nếu đèn báo sáng nhưng vẫn có thể đánh lái nhẹ, có thể hệ thống đang gặp hư hỏng nhẹ, như cảm biến góc lái.
Khi hệ thống trợ lực gặp sự cố, các mã chuẩn đoán sẽ được phát ra và hiển thị theo thứ tự từ nhỏ đến lớn Số lần nháy của đèn tương ứng với số mã lỗi, giúp người dùng dễ dàng nhận diện và xử lý vấn đề.
Nhận biết hư hỏng,chẩn đoán qua giác quan người điều khiển
Triệu chứng Chẩn đoán khu vực hư hỏng
- Lốp (không đủ căng,mòn không đều)
- Góc đặt bánh không đúng
- Trục lái trợ lực điện
- Cụm motor trợ lực lái
- Mạch cảm biến tốc độ
- Ácquy,hệ thống nguồn cấp
- Bộ ECU trợ lực lái
- Hệ thống thông tin CAN Lực đánh lái khác nhau giữa hai bên trái và phải
- Trục lái trợ lực điện
- Cụm motor trợ lực lái
- Bộ ECU trợ lực lái Trợ lực lái không thay đổi theo tốc độ xe,vô lăng không hồi về vị trí chính xác
- Mạch cảm biến tốc độ
- Cụm motor trợ lực lái
- Bộ ECU trợ lực lái
- Hệ thống thông tin CAN
Có tiếng ồn phát ra khi trợ lực hoạt động
- Bộ ECU trợ lực lái Tiếng ồn khi quay vành tay lái - Cơ cấu lái
- Trục lái trợ lực điện
Có ma sát khi xoay vô lăng - Cụm motor trợ lực lái
- Trục lái trợ lực điện
Vô lăng bị rung và có tiếng ồn khi quay vô lăng khi đỗ
- Trục lái trợ lực điện Các mã lỗi không thể phát ra( các cực
TS và CG của giắc DLC3 được nối với nhau)
- Mạch cực TC và CG
- Cụm đồng hồ táp lô Việc kiểm tra tín hiệu không thực hiện được
- Mạch cực TS và CG
- Bộ ECU trợ lực lái Đèn cảnh báo EPS sáng không tắt - Mạch đèn cảnh báo EPS
Một số mã lỗi thường gặp
Số mã lỗi Hạng mục phát hiện Điều kiện phát hiện mã lỗi
Khu vực nghi ngờ Đền cảnh báo
Cảm biến momen(Cụm trục lái điều khiển điện)
Bộ ECU trợ lực lái
Cảm biến momen(Cụm trục lái điều khiển điện)
Bộ ECU trợ lực lái
C1513 Sai lệch cảm biến momen quá lớn
Cảm biến momen(Cụm trục lái điều khiển điện)
Bộ ECU trợ lực lái
C1514 Nguồn cấp cho cảm biến momen
Cảm biến momen(Cụm trục lái điều khiển điện)
Bộ ECU trợ lực lái
Cảm biến momen(Cụm trục lái điều khiển điện)
Bộ ECU trợ lực lái
C1553 Điện áp nguồn PIG bị vượt quá mức Điện áp nguồn cấp PIG quá cao Điện áp nguồn cấp IG quá cao
Bộ ECU trợ lực lái
C1524 Điện áp cực của motor
Ngắn (hoặc hở) trong mạch mô tơ hoặc điện áp bất thường trong mạch motor
Cụm môtơ trợ lực lái
Bộ ECU trợ lực lái
C1555 Lỗi vết hàn của rơ le motor
Lỗi mạch điều khiển (Mạch rơle môtơ)
Cụm môtơ trợ lực lái
Bộ ECU trợ lực lái
C1541 Lỗi cảm biến tốc độ
Quy trình chẩn đoán
Điều tra trước chẩn đoán
Tham khảo phiếu điều tra để thu thập thông tin về tình trạng hoạt động của xe, các hư hỏng và sự cố thường gặp, cũng như điều kiện thời tiết và địa hình ảnh hưởng đến hiệu suất của xe Ngoài ra, cần lưu ý thời gian sửa chữa trước đó để có cái nhìn tổng quan hơn về tình trạng xe.
Phân tích những hư hỏng mà khách hàng nói lại sau quá trình sử dụng còn lỗi.
Nối máy chuẩn đoán vào giắc DLC 3
Máy chẩn đoán xác định được lỗi hiển thị trên màn hình
Kiểm tra mã chuẩn đoán
Kiểm tra các mã chẩn đoán Nếu mã bình thường phát ra, thực hiện bước
7 Nếu mã hư hỏng phát ra thực hiện bước 8.
Xóa mã DTC và giữ liệu tức thời
Sau khi xác định mã chẩn đoán, cần xóa mã này khỏi máy để tránh lưu trữ và ngăn ngừa việc kiểm tra lại mà vẫn hiển thị mã lỗi.
Tiến hành kiểm tra bằng quan sát
Sau khi kiểm tra các lỗi bên trong chúng ta có thể kiểm tra tổng quan hệ thống bằng các giác quan ( trực quan,cảm giác đánh lái,…)
Thiết lập chuẩn đoán ở chế độ kiểm tra Để nhanh chóng tìm ra nguyên nhân của hư hỏng, đặt hệ thống ở chế độ kiểm tra.
Xác nhận triệu chứng hư hỏng
Nếu triệu chứng không xuất hiện lại, dùng phương pháp mô phỏng triệu chứng để tái tạo chúng.
Ghi lại mã lỗi hiển thị và kiểm tra trong bảng mã lỗi.
Tham khảo bảng triệu chứng
Tham khảo bảng mã lỗi của hệ thống trợ lực lái để xác định hư hỏng của cũng như toàn bộ các hệ thống trên xe.
Xác nhận các triệu chứng hư hỏng
Với việc xác định mã lỗi hư hỏng ở trên giúp cho chúng ta xác định chính xác triệu chứng hư hỏng. Điều chỉnh và sửa chữa
Sau khi xác định được hư hỏng tiến hành sửa chữa.
Sau khi hoàn tất việc sửa chữa và điều chỉnh, cần kiểm tra kỹ lưỡng để xác định xem các hư hỏng đã được khắc phục hoàn toàn Ngoài ra, việc lái thử xe là cần thiết để đảm bảo rằng hệ thống trợ lực lái hoạt động bình thường và không phát ra mã lỗi bất thường.
Một số lưu ý khi tiến hành sửa chữa hệ thống trợ lực lái
3.5.1 Khi làm việc với các thiết bị điện
Tránh va chạm với ECU và rơ le
Không để thiết bị điện tiếp xúc với nhiệt độ và độ ẩm cao.
Hạn chế chạm vào các cực của giắc nối
3.5.2 Khi làm việc với cụm ECU trợ lực lái
Khi thay ECU phải ghi lại sơ đồ trợ lực và hiệu chỉnh không của cảm biến momen
3.5.3 Khi thao tác với trục lái trợ lực điện
Tránh va chạm với trục lái điều khiển điện như cảm biến momen.
Khi thaycụm trục lái điều khiển ,đặt điểm không cho cảm biến momen
3.5.4 Khi tháo và nối các giắc nối
Khi tháo giắc nối liên quan đến hệ thống trợ lực lái, hãy bật khóa điện
ON, đặt vô lăng hướng thẳng, tắt khóa điện OFF và sau đó ngắt giắc nối.
Trước khi kết nối lại các giắc nối của hệ thống trợ lực lái, hãy chắc chắn rằng khóa điện đã tắt Tiếp theo, hãy đặt vô lăng ở vị trí giữa và bật khóa điện lên.
Nếu không thực hiện đúng các thao tác, điểm giữa của vô lăng sẽ bị lệch, gây ra sự sai khác về lực lái giữa bên trái và bên phải Để khắc phục tình trạng này, cần tiến hành hiệu chỉnh điểm không của cảm biến mô-men.
Danh Mục Tài Liệu Tham Khảo
1 Nguyễn, Trai Khắc, et al., et al Kết cấu ô tô Hà Nội : NXB.Bách Khoa-Hà Nội, 2010.
2 Vương, Minh Trọng Kỹ thuật lái xe ô tô Hà Nội : Tổng Cục Đường
3 Nguyễn, Hoài Kết cấu ô tô Đà Nẵng : Trườg Cao Đẳng Công Nghệ- Đại Học Đà Nẵng, 2017.
4 Nguyễn, Hùng Khắc Kết cấu và tính toán ô tô Hà Nội : Giao Thông Vận Tải, 2008.
5 Phong, Hữu Hệ thống lái thanh răng trợ lực lái thủy lực 2021.
6 Cục Đăng Kiểm Việt Nam QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA
VỀ CHẤT LƯỢNG AN TOÀN KỸ THUẬT VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG ĐỐI VỚI Ô TÔ Việt Nam : Bộ Giao Thông Vận Tải, QCVN 09:2011/BGTVT.
7 Würges, Mathias New Electrical Power Steering Systems USA : Wiley-Blackwell, 2013.
8 Winding arrangement and design development for fault tolerant EPS systems Ari A.Al-Jaf, Barrie C Mecrow,David Moule Liverpool,United
Kingdom : IET( The Institution of Engineering and technology), 2019 The 9th International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2018) pp 3884-3889.
9 Electronic power steering system – A mechatronic model for simulative analysis of power consumption Nikolaus Reiland, Christian
Miernik, Dieter Gerling Liverpool, United Kingdom : IET (The Institution of Engineering and Technology), 2019 The 9th International Conference onPower Electronics, Machines and Drives (PEMD 2018) pp 3484-3488.