XÂY DỰNG mô HÌNH KHẢO sát đặc TÍNH hệ THỐNG lái TRỢ lực điện

Lời mở đầu

Sau hơn 100 năm kể từ ngày đầu xuất hiện, nghành công nghiệp ô-tô đã
đạt được nhiều thành tựu về khoa học công nghệ, phát triển thành một trong
những nghành công nghiệp quan trọng hàng đầu trên thế giới. So với những
chiếc ô-tô thế hệ cũ, ô-tô ngày nay có cơng suất và tốc độ ngày càng tăng, tiết
kiệm nhiên liệu hơn, sạch hơn, thân thiện với người dùng hơn, và đặc biệt là
mức độ đảm bảo an tồn khi vận hành cao hơn. Để có được điều đó, các kỹ sư
ơ-tơ đã ứng dụng nhiều thành tựu trong nghiên cứu khoa học vật liệu, công
nghệ điện tử, điều khiển tự động trong quá trình thiết kế và chế tạo. Trong số
các thành tựu đó, hệ thống lái trợ lực điện được ứng dụng công nghệ điều
khiển tự động và được lắp đặt trên xe là một hệ thống đảm bảo về an toàn
chuyển động.
Một trong những yêu cầu trong việc thiết kế hệ thống lái trợ lực điện là
xác định thuật tốn điều khiển tối ưu, địi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề lý
thuyết cũng như được thử nghiệm trên xe thực tế hoặc trên mô hình vật lý.
Trên cơ sở đó đề tài “XÂY DỰNG MƠ HÌNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ
THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN” được đưa ra với mục đích thiết kế chế tạo
một băng thử hệ thống lái trợ lực điện, nhằm phục vụ cho q trình xây dựng
đặc tính điều khiển tối ưu cho bộ điều khiển, đồng thời sử dụng phục vụ cho
việc giảng dạy về hệ thống lái trợ lực điện.
Hà Nội, tháng 6 năm 2012.
Sinh viên : Ngô Xuân Trường

1


MỤC LỤC

2

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI

1.1.Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống lái
Hệ thống lái được sử dụng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ
cho ô tô chuyển động theo một hướng nhất định bằng cách quay các bánh xe
dẫn hướng thông qua việc tác động lên vành lái của người điều khiển.
Yêu cầu khi thiết kế một hệ thống lái :
-

Tính ổn định : Đảm bảo ổn định bánh xe dẫn hướng, các bánh

xe dẫn hướng sau khi thực hiện quay vịng cần có khả năng tự động
quay về trạng thái chuyển động thẳng.
Lực điều khiển nhẹ nhàng và phải tỉ lệ với mô
men cản mặt đường: mơ men cản lớn thì lực điều khiển phải lớn và
ngược lại.
-

Hiệu suất thuận:là hiệu suất tính theo lực truyền từ

trên trục lái xuống. Hiệu suất thuận càng cao thì lái càng nhẹ. Khi thiết
kế hệ thống lái yêu cầu phải hiệu suất thuận cao.
Hiệu suất nghịch:là hiệu suất tính theo lực truyền từ địn quay
đứng lên trục lái. Nếu hiệu suất nghịch rất bé thì các lực va đập tác
dụng lên hệ thống chuyển động của ôtô sẽ không truyền đến bánh lái
được vì chúng bị triệt tiêu bởi ma sát trong cơ cấu lái. Nhưng khơng thể
đưa hiệu suất nghịch xuống thấp q vì khi đó bánh lái xẽ khơng tự trả
lại được về vị trí ban đầu dưới tác dụng của mơmen ổn định. Bởi vậy để

đảm bảo khả năng tự trả bánh lái từ vị trí đã quay về vị trí ban đầu và
để hạn chế các va đập từ đường tác dụng lên hệ thống lái trong một

3


phạm vi nào đấy thì cơ cấu lái được thiết kế với một hiệu suất nghịch
nhất định, thường lấy η = 0,5.
Đảm bảo sự bố trí của hệ thống: cách bố trí khơng được q
phức tạp, cồng kềnh, và giá thành của hệ thống không quá cao, làm
việc ổn định, độ tin cậy và tuổi thọ làm việc cao.
1.2.Kết cấu hệ thống lái

Hình 1-1 - Hệ thống lái
Hệ thống lái có nhiều loại khác nhau nhưng hầu hết đều có các bộ phận
như hình vẽ 1-1, bao gồm:
123456789-

Vơ lăng
Trục lái
Cơ cấu lái
Địn quay đứng
Địn kéo dọc
Hình thang lái
Địn quay ngang
Cam quay
Bánh xe dẫn hướng

-

Vành lái : là cơ cấu điều khiển nằm trên buồng lái, chịu tác động trực

-

tiếp của người điều khiển.
Cơ cấu lái : là một hộp giảm tốc được bố trí trên khung hoặc vỏ của ơtơ

-

đảm nhận phần lớn tỉ số truyền của hệ thống lái
Dẫn động lái : bao gồm đòn quay đứng, đòn kéo dọc, hình thang lái,
địn quay ngang, có nhiệm vụ liên kết cơ cấu lái với bánh xe và dẫn
động cho bánh xe dẫn hướng

4


1.3.Các hệ thống lái có trợ lực

Để giảm cường độ hoạt động của người lái thì hệ thống lái cần có trợ
lực. Hình 1-2 là sơ đồ ngun lý của hệ thống lái có trợ lực.

Hình 1-2 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái có trợ lực
Hệ thống lái trợ lực trên xe du lịch có các kiểu sau: trợ lực thuỷ lực,trợ
lực thủy lực điều khiển điện, trợ lực điện.
a.
•
-

Trợ lực thủy lực

Cấu tạo : bao gồm ba bộ phận chính sau :
Bơm trợ lực thường dùng là loại bơm cánh gạt có tác

dụng tạo ra dầu có áp suất đưa đến các xi lanh lực.
Van điều khiển phân phối và điều khiển áp suất dầu trợ
lực cần thiết. Có ba loại van điều khiển đó là : kiểu van cánh, kiểu van
ống, và kiểu van quay.
Xi lanh lực được sử dụng làm cơ cấu truyền lực tác dụng
lên các bánh xe dẫn hướng.

5


Trục lái
3- Bơm dầu trợ lực
Van điều khiển
4- Xi lanh lực
Hình 1-3 : Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực
12•

Nguyên lý hoạt động

Van giảm áp
4 - Bơm trợ lực
Bình chứa dầu
5 - Xilanh lực
Bộ lọc dầu
6 - Van điều khiển
Hình 1-4 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực

123-

6


Khi ta xoay vành lái,van điều khiển cũng được xoay theo nhờ có liên
kết với trục lái. Lúc này dầu từ bình chứa dầu trợ lực được bơm lên với áp
suất cao đi qua van điều khiển và tới xi lanh lực.
-

Trạng thái quay vòng trái : xoay vành lái sang trái, van

điều khiển cấp dầu đến khoang trước của xi lanh, nhờ có áp suất dầu
cao xi lanh được đẩy về phía sau dẫn động cho địn lái quay, đồng thời
dầu trợ lực ở khoang dưới được hồi về bình chứa thơng qua van điều
khiển và lọc dầu. Với góc quay của vành lái càng lớn thì van điều khiển
phân phối dầu đến xi lanh càng nhiều dẫn đến trợ lực lớn do áp suất dầu
tăng.
-

Trạng thái quay vòng phải : ngược lại với trạng thái quay

vịng trái thì dầu áp suất cao sẽ được phân phối cho khoang dưới và dầu
áp suất thấp được hồi về bình chứa,xi lanh trợ lực cho người lái.
Trạng thái đi thẳng : van phân phối lúc này ở vị trí trung
gian và áp suất dầu ở cả khoang trên và khoang dưới là tương đương
nhau, chính vì vậy lực tác dụng lên xi lanh bị triệt tiêu. Vành lái ở trạng
thái thẳng lái.
•
+

Ưu nhược điểm của hệ thống
Ưu điểm :
Giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống

lái không có trợ lực nhờ có thêm lực tác động từ xi-lanh lực
+
Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống
đảm bảo được an tồn về hướng trong quá trình chuyển động
+
Kết cấu đơn giản hơn so với các hệ thống trợ lực khác
như trợ lực khí nén và trợ lực điện
+
Có độ bền cao và có khả năng chịu va đập nhẹ.
Nhược điểm:
+
Áp suất dầu được tạo ra từ bơm dầu và được lai dẫn từ
trục khuỷu của động cơ vì vậy bơm dầu ln ln hoạt động trong suốt
quá trình chạy dẫn đến tổn hao công suất.
7


+

Hệ thống tủy lực có áp suất, vì vậy cần thiết độ kín khít

cao nên thường xuyên phải kiểm tra bảo dưỡng hệ thống trong quá
trình làm việc
+

Tuy kết cấu đơn giản nhưng hệ thống có khối lượng lớn

và cồng kềnh dẫn đến làm tăng tổng trọng lượng của xe
+
Hệ thống làm việc gây ra tiếng ốn do phải quay bơm dầu
liên tục và các đường ống,van dầu là chất thải gây ơ nhiễm mơi trường
•
Hạn chế của hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thủy lực mới đáp ứng được công dụng trợ lực cho người
lái giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng,ngồi ra cịn nó cịn có một số hạn
chế sau:
+

Hệ thống làm việc theo hai thơng số là mơ men và góc

đánh lái,vì vậy hệ thống chỉ đáp ứng được về mặt trợ lực mà chưa thay
đổi được tỉ số truyền theo tốc độ xe.
+
Đối với tỉ số truyền trên xe cần đảm bảo yêu cầu đó là ở
tốc độ thấp có tỉ số truyền nhỏ để người lái quay vòng hiệu quả và ở tốc
độ cao yêu cầu tỉ số truyền lớn vì lúc này mức phản ứng của xe rất
nhạy. Tuy nhiên thì với hệ thống lái trợ lực thủy lực góc quay của bánh
xe bị hạn chế rất nhiều, khơng đáp ứng được các yêu cầu trên.
+
Khi hệ thống trợ lực bị hỏng, lực điều khiển sẽ nặng hơn
so với hệ thống lái khơng có trợ lực.

8

b.
•

Trợ lực thủy lực - điện
Cấu tạo

Hình 1-5 : Sơ đồ khối tín hiệu điều khiển
Tương tự như hệ thống trợ lực thủy lực, hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển
điện có các bộ phận:
-

Bơm trợ lực thường dùng là loại bơm cánh gạt có tác

dụng tạo ra dầu có áp suất đưa đến các xi lanh lực.
Bộ phận hộp điều khiển nhận tín hiệu tốc độ ơ tơ sau đó
tính tốn và tạo dịng điều khiển van phân phối điện từ một cách hợp lý
Van điều khiển phân phối và điều khiển áp suất dầu trợ
lực cần thiết. Có ba loại van điều khiển đó là : kiểu van cánh, kiểu van
ống, và kiểu van quay.
Van điều khiển điện từ nằm sau van phân phối, trên
đường truyền dòng thủy lực trợ lực. Van này đóng và mở tùy theo điều
kiện tốc độ xe và được điều khiển bằng hộp điều khiển với dòng điện từ
0–1A
-

Xi lanh lực được sử dụng làm cơ cấu truyền lực tác dụng

lên các bánh xe dẫn hướng.

9

•

Nguyên lý hoạt động

1234-

Cửa dầu A
Cửa dầu B
Van điện từ
Dầu từ bơm đến

5- Dầu hồi về bình dầu
6- Buồng trái xilanh
7- Buồng phải xilanh

Hình 1-6 : Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực điện điều khiển
-

Khi quay vòng trái:

Ở tốc độ xe cao, dầu áp lực đi từ bơm dầu, đến van xoay và sau đó đi
vào van điều khiển ở cửa B và đi ra ở cửa A. Lúc này,nhờ lực đẩy của lò xo
mà thanh đẩy được hồi vị đóng kín khe hở pistong, làm cho dầu áp lực quay
trở lại van xoay và đi về bình chứa dầu. Do đó bơm khơng trợ lực cho người
lái

10

Khi tốc độ xe giảm, khe hở piston mở dần nhờ dòng điện cấp từ hộp điều
khiển,dầu áp suất đi qua van xoay vào cửa B và đến bên trái xi lanh,làm giảm
lực lái.
-

Khi quay vòng phải:

Ở tốc độ cao, dầu đi qua van xoay và đi vào van điều khiển ở cửa A và
đi ra ở cửa B. Nhờ lò xo hồi vị thanh đẩy được hồi vị và khe hở đóng kín,làm
cho dầu trở về bình chứa dầu. Xi lanh lực không được trợ lực
Khi tốc độ xe giảm, khe hở piston được mở dần do dòng điện từ hộp điều
khiển,dầu có áp suất đi qua van xoay vào cửa B và đi đến xi lanh lực.
•
-

Ưu nhược điểm
Ưu điểm: do được cải tiến từ hệ thống trợ lực thủy lực

nên nó bao gồm những ưu điểm của hệ thống trợ lực thủy lực thơng
thường, ngồi ra đối với hệ thống trợ lực điều khiển điện này còn có
thêm một van điện từ được điều khiển dựa vào thông số tốc độ ô tô và
một bộ phản ứng, tạo cảm giác lái phù hợp cho người lái ở các tốc độ
khác nhau. Yêu cầu đối với một hệ thống lái trên xe là ở tốc độ cao, mô
men cản nhỏ nên yêu cầu trợ lực ít và lực đánh lái phải lớn hơn khi ở
tốc độ thấp.
-

Nhược điểm: tuy đã có nhiều cải tiến nhưng bản chất vẫn

là trợ lực thủy lực nên hệ thống vẫn gây tổn hao công suất do phải lai
dẫn bơm trợ lực, yêu cầu về đọ kín khít cao, khối lượng lớn và chiếm
diện tích bố trí lớn.

11


c.
•

Trợ lực điện
Cấu tạo

Hệ thống trợ lực điện bao gồm các bộ phận trên hình:

12-

Cảm biến mơ men
Mơ tơ trợ lực

3- Trục vít - Bánh vít
4- ECU điều khiển

Hình 1-7 : Cơ cấu lái trợ lực điện kiểu trợ lực trục lái
-

Cảm biến mô men: cảm biến mô men được gắn vào phía

trong trục lái, dựa vào hiệu ứng Hall để đưa ra điện áp tùy thuộc vào
mô men đánh lái và mô men cản. Điện áp ra của cảm biến sẽ được gửi

vào ECU để điều khiển mô tơ trợ lực
ECU điều khiển: ECU tiếp nhận các thông số tín hiệu của
cảm biến mơ men, cảm biến tốc độ động cơ, tín hiệu IG, tín hiệu tốc độ
xe sau đó tính tốn và điều khiển mơ tơ trợ lực
Mơ tơ trợ lực: Mô tơ trợ lực nối với trục lái bằng bộ giảm
tốc trục vít – bánh vít và được điểu khiển bằng ECU , mơ tơ có thể đảo
chiều và quay ở các tốc độ khác nhau tùy theo mức độ đánh lái của
người lái và mô men cản quay vòng.
12


•

Ngun lý hoạt động

Hình 1-8 : Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện
ECU tiếp nhận các thơng số chính từ cảm biến mơ men và từ tốc độ xe,
ngồi ra có các thơng số phụ như tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu B + , chế độ
khơng tải để tính tốn điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái. Lực
đánh lái càng lớn thì mơ tơ trợ lực càng nhiều, nhưng mô men trợ lực sẽ giảm
dần khi tốc độ xe tăng dần.
-

Trạng thái quay vòng: khi người điều khiển tác động

quay vành lái, xuất hiện hiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh
xoắn, cảm biến mô men thay đổi điện áp tùy theo chiều quay và độ lệch
tương đối giữa hai đầu thanh xoắn sau đó truyền tín hiệu về ECU, kết
hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU tính tốn ra
dịng điện điều khiển và chiều quay của mơ tơ trợ lực cho phù hợp.

Trạng thái đi thẳng : trục lái khơng được tác động do đó
khơng có hiện tượng xoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến

13


mơ men khơng thay đổi điện áp, vì thế ECU không điều khiển mô tơ
trợ lực và trạng thái đi thẳng được giữ nguyên.
•
Ưu nhược điểm
Ưu điểm : Hệ thống trợ lực điện và điều khiển điện tử có
nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống trợ lực thủy lực:
+
Giảm tổn hao nhiên liệu 2-3% do không phải lai dẫn bơm
trợ lực giống như hệ thống trợ lực thủy lực
+
Khơng xảy ra hiện tượng rị rỉ dầu
+
Trọng lượng giảm so với hệ thống trợ lực thủy lực
+
Dễ dàng điều khiển
+
Việc lắp đặt hệ thống đơn giản và thuận tiện
+
Giảm thiểu chi tiết trong toàn bộ hệ thống
Nhược điểm:
+
Kết cấu và chế tạo phức tạp
+
Chịu va đập kém

+
Giá thành cao
1.4.Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi
Các xe ô tô hiện đại ngày nay có vận tốc ngày càng lớn và địi hỏi độ an
tồn cao cũng như tính tiện nghi khi sử dụng. Vì vậy khi thiết kế một hệ thống
dẫn hướng phải đảm bảo được các yêu cầu nghiêm ngặt trên, ngồi ra hệ
thống phải có tính thân thiện với môi trường. Giải quyết vấn đề về độ an tồn
khi quay vịng ở tốc độ cao và tính tiện nghi khi sử dụng ta xét đến tỉ số
truyền của hệ thống bao gồm tỉ số truyền động học và tỉ số truyền về lực

14


a. Tỷ số truyền động học.

iω =

dθ ω0 ωv
=
=
dϕ ωϕ ωn

Trong đó:
θ, ϕ- Các góc quay tương ứng của trục vào (vơ lăng) và trục ra (địn quay
đứng).
ω0, ωϕ: Các vận tốc góc tương ứng.
Ứng với tỷ số truyền lớn ở những góc quay vịng nhỏ của bánh xe dẫn
hướng thì việc giữ cho ơ tơ khi chạy ở những tốc độ cao sẽ êm và chính xác
hơn. Sự làm việc của người lái sẽ bớt căng thẳng và nâng cao được độ an toàn
chuyển động của xe. Tuy nhiên, ứng với tỷ số truyền lớn sẽ gây khó khăn hơn

cho người lái khi quay vịng ngoặt xe, khi đó góc quay của vành tay lái phải
rất lớn và đặc biệt là khi xe chạy trên những đoạn đường quanh co gấp khúc.
Ở những trường hợp này, để kịp đánh tay lái, người lái thường phải giảm khá
nhiều tốc độ của xe.
Chỉ tiêu cao của tính năng quay vịng chỉ nhận được ứng với giá trị nhỏ
của tỷ số truyền cơ cấu lái, nhưng với giá trị nhỏ của tỷ số truyền lại làm giảm
khả năng dẫn hướng của xe khi chuyển động thẳng.
Cả hai yêu cầu hoàn toàn trái ngược nhau này chỉ có thể thỏa mãn được
khi sử dụng cơ cấu lái có tỷ số truyền thay đổi. Tuy nhiên việc chế tạo địi hỏi
tính cơng nghệ cao nên giá thành đắt hơn so với cơ cấu lái có tỉ số truyền i ω
khơng đổi. Về u cầu này thì hệ thống lái trợ lực điện có khả năng đáp ứng
tốt mà chỉ cần tới cơ cấu lái có tỉ số truyền iω khơng đổi.

15


b. Tỷ số truyền lực.
iF =

Mr
M v + M tl

Trong đó:
iF- Tỷ số truyền lực.
Mr - Mơ men ra khỏi cơ cấu lái (hay trên địn quay đứng).
Mv - Mơ men vào cơ cấu lái (hay trên vô lăng).
Mtl - Mô men trợ lực lên trục lái
Khi xe đi ở vận tốc thấp mơ men cản quay vịng do lốp sinh ra lớn, nếu
tỉ số truyền về lực iF nhỏ sẽ dẫn đến việc người lái phải đánh lái với một lực
lớn để làm quay bánh xe dẫn hướng, điều này ảnh hưởng rất nhiều tới tính

tiện nghi trên xe và khiến cho người lái khó điều khiển hơn. Hoặc khi xe đi ở
vận tốc cao, mô men cản quay vịng giảm mạnh nếu tỉ số truyền lực khơng đủ
nhỏ sẽ dẫn tới hiện tượng người lái mất cảm giác lái điều này ảnh hưởng
nghiêm trọng tới vấn đề an toàn khi đánh lái.
Đánh giá :
Ngoài những ưu điểm vượt trội khi so sánh với hệ thống lái trợ lực thủy
lực thì hệ thống lái trợ lực điện đã giải quyết được yêu cầu về tỉ số truyền lái
thay đổi. Đây là một yêu cầu rất quan trọng và đặc biệt là đối với các xe ôtô
hiện đại ngày nay. Nhờ việc dễ dàng thay đổi tỉ số truyền lái mà hệ thống lái
trợ lực điện giúp nâng cao tính năng an toàn chuyển động của xe khi xe đi ở
tốc độ cao, ngồi ra hệ thống cịn giúp cho người lái dễ dàng điều khiển xe
khi xe đi vào những đường hẹp, u cầu quay vịng với bán kính nhỏ.

16


CHƯƠNG II
HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN XE KIA
Thông số kĩ thuật tham khảo của xe KIA MORNING
Dài-rộng-cao tổng thể (mm)

3495-1595-1480

Chiều dài cơ sở(mm)

2370

Chiều rộng cơ sở trước/sau (mm)

1400/1385

Hộp số sàn

5 số

Cỡ lốp

165/60/R14

Bán kính quay vịng tối thiểu (m)

4,6

Trọng lượng khơng tải (N)

8500

Trọng lượng tồn tải (N)

13500

Trọng lượng cầu trước G1(N)

7400

Trọng lượng cầu sau G2(N)

6100

Vận tốc cực đại(km/h)

160

2.1.Kết cấu và ngun lý hoạt động hệ thống lái điện

Cấu tạo

•

Hình 2-1 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
người điều khiển xuống cơ cấu lái, trục này thường được làm ở dạng

-

trục mềm hoặc trục gãy.
Thanh xoắn : nối giữa trục 1 và trục 2 bằng chốt và then hoa, thanh
xoắn giúp cho trục 1 và trục 2 có chuyển động tương đối với nhau
đồng thời là chi tiết liên kết giữa trục 1 và trục 2.
17


Hình 2-1 : Cấu tạo cơ cấu lái trợ lực điện
-

Cảm biến mô men : được gắn trên trục 1 và có nhiệm vụ xác định mơ

-

men tại trục lái sau đó gửi tín hiệu đến ECU.
Trục 2 : là trục được nối với cơ cấu lái thông qua khớp các-đăng, có

-

nhiệm vụ truyền mơ men cuối xuống cơ cấu lái.
Mô tơ : là loại mô tơ điện chổi than có thể đảo chiều, nhiệm vụ của
mơ-tơ là tạo mơ men trợ lực vào trục 2 thông qua một bộ truyền
trục vít bánh vít

18


-

Trục vít- bánh vít : Bánh vít được đúc bằng nhựa liền với trục 2, nhờ
bộ truyền trục vít bánh vít mơ tơ điện có thể tạo ra mơ men lớn hơn trợ

-

lực cho người lái.
ECU : có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu của cảm biến mơ men, cảm biến

-

tốc độ xe từ đó tính tốn ra dịng điện điều khiển mô tơ điện phù hợp
Nguyên lý hoạt động
Lực cản quay vịng nhỏ (chưa có trợ lực) : với lực tác động lên trục lái

•

nhỏ hơn 12N thì hệ thống làm việc như hệ thống cơ khí đơn thuần
-

khơng có trợ lực.
Lực cản quay vịng lớn (có trợ lực) : Khi lực tác dụng lên vành lái lớn
hơn 12 N (hoặc mơ mem cản lớn hơn 32 Nm) thì ECU nhận tín hiệu từ
cảm biến mơ men và cảm biến tốc độ xe,sau đó tính tốn rồi điều khiển
mơ tơ trợ lực phù hợp thông qua bộ truyền lực trục vít - bánh vít,mơ tơ

-

trợ lực tối đa khi lực trên vành lái đạt 50 N.
Khi lực cản quay vịng khơng đổi : Mơ men tác dụng lên trục lái 1
khơng thay đổi vì vậy ở trạng thái này cảm biến mơ men xác định
khơng có mơ men tác động và gửi tín hiệu về ECU, ECU điều khiển

-

mơ tơ khơng trợ lực vào trục 2.
Trạng thái quay vịng: Khi người điều khiển đánh lái sang trái hoặc
sang phải , cảm biến mô men xác định chiều quay và mô men trên trục
lái, ECU điều khiển 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 biến

theo mô men đánh lái là ở dạng tuyến tính, sau đó ECU tính tốn để
điều khiển mơ tơ trợ lực cho phù hợp, khi ta giữ nguyên vành lái tại vị
trí nhất định và khơng quay thêm nữa, cảm biến mô men xác dịnh được
trạng thái này, vì vậy ECU điều khiển cho mơ 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 mơ men cần trợ lực , từ đó tính tốn điều khiển mô
19


tơ trợ lực cho phù hợp với lực đánh lái và vận tốc xe. Mơ men cản
càng lớn thì mơ tơ trợ lực cho hệ thống càng nhiều.
2.2.Tính tốn kiểm tra động học hệ thống lái

2.2.1. Xây dựng đường cong lý thuyết
Để đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng cần thỏa
mãn

Cotg α − Cotgβ =

B
L

(2.1)

Trong đó:
α : Góc quay vịng của bánh xe dẫn hướng bên ngồi.
β : Góc quay vịng của bánh xe dẫn hướng bên trong.
B : Chiều rộng cơ sở.
L : Chiều dài cơ sở.
Để thỏa mãn một cách chính xác biểu thức trên thì dẫn động lái phải có

18 khâu và có cấu tạo phức tạp. Vì vậy , trong thực tế người ta thường sử
dụng các cơ cấu dẫn động đơn giản hơn mà vẫn đảm bảo được gần đúng cơng
thức trên , trong đó cơ cấu được sử dụng phổ biến hơn cả là hình thang lái
Đan tơ. Kinh nghiệm cho thấy, nếu lựa chọn các thông số của hình thang lái
một cách hợp lý thì có thể thỏa mãn được công thức 2.1

20


Hình 2-2 : Sơ đồ động học quay vịng.
Xác định góc quay lớn nhất của bánh xe dẫn hướng phía trong βmax:

β max = arctg

L
Rmin −

B
2

β max = arctg
Với Rmin = 4,6m suy ra

(2.2)

2370
= 40o
1400
4600 −
2

Từ 2.1 qua các phép biến đổi ta có :

α = arctg

L
B + L cot gβ

α = arctg
Thay số vào 2.3 ta có phương trình :

21

2370
1400 + 2370 cot g β

(2.3)

(2.4)


2.2.2.Xây dựng đường cong thực tế
a. Khi xe đi thẳng
Từ sơ đồ dẫn động lái trên hình 2-3 ta có thể tính được mối quan hệ
giữa các thơng số theo các biểu thức sau:
( 2.5)

X = B − 2 ( m cos θ + p cos γ )

Trong đó:

sin γ = ( y − m sin θ ) / p

( 2.6)

sin 2 γ + cos 2 γ = 1

Mặt khác:

cos γ = 1 − sin 2 γ =

1
2
p 2 − ( y − m sin θ )
p

( 2.7)

Hình 2-3 : Sơ đồ hình thang lái khi xe đi thẳng.
Thay (2.7) vào (2.5) ta được:

X = B − 2(m cos θ + p 2 − ( y − m sin θ ) )
2

Các địn bên tạo với phương dọc một góc θ.

22

( 2.8)

Khi ơtơ quay vịng với các bán kính quay vịng khác nhau mà quan hệ
giữa α và β vẫn được giữ ngun như cơng thức trên thì hình thang lái Đan Tơ khơng thể thoả mãn hồn tồn 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
vịng thực tế và lý thuyết cho phép lớn nhất ở những góc quay lớn, nhưng
cũng khơng được vượt q 10.
b. Trường hợp khi xe quay vịng
Trên hình 2-4 là Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vịng. Khi bánh xe
bên trái quay đi một góc α và bên phải quay đi một góc β, lúc này địn bên
của bánh xe bên phải hợp với phương ngang một góc (θ-β) và bánh xe bên
trái là (θ +α). Ta có mối quan hệ của các thống số theo quan hệ sau:

α
D
A
ψϕ
B
C

−
γ θβ

β

X

Hình 2-4 : Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vòng.

AD = B −  m cos ( θ − β ) + p cos γ ' + X 



Với:

23

( 2.9 )


cos γ ' =

1
p

p 2 −  y − m sin ( θ − β ) 



2

(2.10 )

Từ quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:
AC 2 = AD 2 + CD 2 = AD 2 + y 2

( 2.11 )

BC 2 = AC 2 + AB 2 − 2 AB. AC cosψ
Thay(2.11) vào biểu thức trên ta có:

AC 2 + AB 2 − BC 2 y 2 + m 2 + AD 2 − p 2

cosψ =
=
2 AC . AB
2m AD 2 + y 2

ψ = arccos

y 2 + m 2 − p 2 + AD 2

( 2.12 )

2m AD 2 + y 2

⇒
Từ mối quan hệ hình học trong tam giác ta có:

tg ϕ =

y
CD
=
AD AD
⇒

ϕ = arctg

y
AD

Mặt khác:

θ + α =ψ + ϕ

( 2.13 )

α =ψ + ϕ − θ

(2.14 )
Từ (2.12) và (2.13) thay vào (2.14) ta rút ra được biểu thức liên hệ giữa β và
α như sau:

y
y 2 + m 2 − p 2 + AD 2
α = arctg
+ arccos
−θ
2
2
AD
2m AD + y
Trong đó:

24

(2.15 )


AD = 2m cos θ +



2
p 2 − ( y − m sin θ ) 



(2.16)
m cos θ − β + p 2 − y − m sin θ − β 2 
−
(
)
(
)) 
(


θ - góc tạo bởi địn bên hình thang lái và phương ngang: θ =78°
m - chiều dài địn 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 cơng thức(2.4) và (2.15) ta xây dựng các đường đặc tính hình
thang lái lý thuyết và thực tế ứng với mỗi giá trị của góc β = (00, 50, ... , 400)
ta lấy góc θ theo xe thiết kế
θ = 780. Các giá trị tương ứng được thể hiện trong bảng dưới đây:
β (độ)
α lt (độ)
α tt (độ)
α∆(độ)
0
0

0
0
5
4.75
4.69
0.09
10
9.07
9.34
0.32
15
13.02
13.20
0.26
20
16.67
17.20
0.45
25
20.08
21.02
0.82
30
23.29
24.12
0.72
35
26.35
26.75
0.55

40
29.29
28.76
0.26
Hình 2-5: Bảng giá trị góc quay tương ứng α theo β
Trong đó :
αlt : Góc α tính theo lý thuyết
αtt : Góc α tính theo thực tế
∆α : Độ sai lệch
Dựa vào các thông số ở bảng trên ta vẽ được đồ thị đặc tính động học
hình thang lái lý thuyết và thực tế trên cùng hệ trục tọa độ
25