Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện có kết nối máy tính để phục vụ đào tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
o0o




MẠC TIẾN HƯNG




NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO
MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN
CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH ĐỂ PHỤC VỤ ĐÀO TẠO




LUẬN VĂN THẠC SĨ









Khánh Hòa - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
o0o




MẠC TIẾN HƯNG


NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO
MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN
CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH ĐỂ PHỤC VỤ ĐÀO TẠO



Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số : 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:


TS. PHÙNG MINH LỘC

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG KHOA SAU ĐẠI HỌC

Khánh Hòa - 2014
i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của 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.
Khánh Hòa, ngày …… tháng …… năm 2014
Người nghiên cứu



Mạc Tiến Hưng
ii

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn:
 TS Phùng Minh Lộc – Giảng viên khoa Kỹ thuật giao thông Trường Đại học
Nha Trang, người hướng dẫn luận văn.
 Quý Thầy, Cô khoa Kỹ thuật giao thông Trường Đại học Nha Trang.
 Các bạn học viên lớp cao học Cơ khí động lực khóa 2012-2014, Trường Đại
học Nha Trang – Khánh Hòa.
Đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt khóa học
cũng như thực hiện đề tài này.

Khánh Hòa, ngày …. tháng … năm 2014
Người nghiên cứu

Mạc Tiến Hưng
iii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC HÌNH vii
DANH MỤC BẢNG x
PHẦN MỞ ĐẦU 1
1 . Giới thiệu về vấn đề nghiên cứu: 1
2. Lý do chọn đề tài: 1
3. Mục tiêu nghiên cứu: 2
4. Đối tượng nghiên cứu: 2
5. Phạm vi nghiên cứu: 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4
1.1. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái ô tô trợ lực trên thế giới: 4
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước: 5
1.3. Mục tiêu của đề tài: 7
1.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu: 7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9
2.1. Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống lái 9
2.2. Tính năng dẫn hướng của hệ thống lái 9
2.3. Công dụng và phân loại hệ thống lái trợ lực 13
2.3.1. Công dụng hệ thống lái trợ lực: 13
2.3.2. Phân loại hệ thống lái trợ lực: 13
2.4. Hệ thống lái trợ lực thủy lực: 14

2.4.1. Cấu trúc tổng quát HTL trợ lực thuỷ lực: 14
2.4.2. Mô hình toán học HTL trợ lực thuỷ lực: 14
2.4.3. Đặc tính trợ lực lái: 15
2.4.4. Giải pháp điều khiển thay đổi hệ số trợ lực lái: 16
2.4.5. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện : 16
iv
2.5. Hệ thống lái trợ lực điện : 16
2.5.1. Trợ lực trên trục lái: 18
2.5.2. Trợ lực trên cơ cấu lái ô tô: 26
2.5.3. Cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện : 29
2.5.3.1. Cảm biến tốc độ đánh lái: có 2 loại 30
2.5.3.2. Cảm biến mô men lái: có 3 loại 31
2.5.3.3. Cảm biến tốc độ ô tô: Gồm 4 loại 33
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CÁC BÀI THỰC HÀNH TRÊN MÔ HÌNH HỆ THỐNG
LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN 36
3.1. Bài 1: Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động hệ thống lái trợ lực điện 36
3.1.1. Cấu tạo của hệ thống lái trợ lực điện: 36
3.1.2. Vận hành thiết bị để tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống : 36
3.2. Bài 2: Các hư hỏng thường gặp và biện pháp khắc phục. 37
3.2.1. Một số nguyên nhân gây hư hỏng: 37
3.2.2. Tạo các Pan hư hỏng trên mô hình: 39
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC
ĐIỆN CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH. 40
4.1. Lựa chọn phương án: 40
4.1.1. Lựa chọn hệ thống lái trợ lực điện trên mô hình: 41
4.1.2. Lựa chọn phương án tạo mô men cản của mặt đường: 48
4.2. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí của mô hình: 50
4.3.Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển của mô hình: 53
4.3.1. Mạch tạo tín hiệu cảm biến tốc độ xe: 53
4.3.2. Thiết kế mạch giao tiếp máy tính: 54

4.3.3. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển trung tâm: 58
4.3.4. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển động cơ điện trợ lực: 64
4.4. Viết chương trình cho vi điều khiển: 66
4.4.1. Xây dựng quy luật điều khiển: 66
4.4.2. Lưu đồ giải thuật điều khiển chính 69
4.5. Xây dựng phần mềm kết nối máy tính: 71
4.5.1. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình: 71
4.5.2. Khái quát về Visual Basic 6.0 [10]: 72
v
4.5.3. Truyền thông nối tiếp với Visual Basic: 72
4.5.4. Thiết kế giao diện: 74
4.5.5. Viết lệnh cho các đối tượng: 76
4.5.6. Viết chương trình với ngôn ngữ Visual Basic [10]: 77
CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 83
5.1. Hướng dẫn sử dụng mô hình 83
5.1.1. Mô tả các chức năng trên bảng điều khiển Panel: 83
5.1.1.1. Màn hình hiển thị LCD: 83
5.1.1.2. Các lựa chọn trên Panel điều khiển: 84
5.1.2. Thử nghiệm vận hành mô hình: 87
5.1.2.1. Công tác chuẩn bị: 87
5.1.2.2. Vận hành thiết bị: 87
5.2. Kết quả thử nghiệm mô hình: 88
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI95
6.1. Kết luận: 95
6.2. Kiến nghị hướng phát triển của đề tài: 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

 ABS (Anti-lock Brake System): Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe.
 CAN (Controller Area Network): Vùng mạng điều khiển
 ECU (Electronic Control Unit): Bộ điều khiển điện tử.
 EPS (Electronic Power Steering): Hệ thống lái trợ lực điện
 HPS (Hydraulic Power Steering) : Hệ thống lái trợ lực thủy lực
 EHPS (Electronic Hydraulic Power Steering) : Hệ thống lái trợ lực thủy lực – điện
 HTL: Hệ thống lái
 HTP: Hệ thống phanh
 4WD (Four Wheel Driver): Bốn bánh xe chủ động.
 4WS (Four Wheel Steering): Hệ thống lái 4 bánh xe.
 DTC (Diagnostic trouble code): Mã chẩn đoán hư hỏng.
 DLC (Data link connector): Giắc cắm kết nối dữ liệu.
 VI (Virtual Instrument): Thiết bị ảo
 PPS (Progressive Power Steering): Bộ cường hoá tích cực

vii
DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Mô hình thiết kế hộp ECU điều khiển hệ thống lái trợ lực điện 6
Hình 2.1. Ô tô quay vòng 9
Hình 2.2. Thông số kích thước ô tô hai trục, có hai bánh xe phía trước dẫn hướng 10
Hình 2.3. Kết cấu và phản lực ở một bánh xe dẫn hướng 11
Hình 2.4. Góc nghiêng trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc của ô tô 12
Hình 2.5. Sơ đồ độ chụm của bánh xe dẫn hướng 13
Hình 2.6. Sơ đồ tổng quát hệ thống lái ô tô trợ lực thủy lực 14
Hình 2.7. Sơ đồ khối mô hình toán học HTL ô tô có trợ lực 14
Hình 2.8. Đồ thị đặc tính trợ lực 15
Hình 2.9. Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên trục lái 17
Hình 2.10. Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và
được thiết rời 18

Hình 2.11. Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và
được thiết kế liền 18
Hình 2.12. Cơ cấu trợ lực lái điện trợ lực trên trục lái 19
Hình 2.13. Sơ đồ tổng quát của hệ thống lái ô tô trợ lực trên trục lái 20
Hình 2.14. Bố trí các cụm và Tablô thể hiện đèn báo lỗi P/S 21
Hình 2.15. Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển động cơ điện trợ lực lái theo phương
pháp điều khiển điện áp 22
Hình 2.16. Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển động cơ điện trợ lực lái theo phương
pháp điều khiển dòng điện 23
Hình 2.17. Mạch tương đương của động cơ điện 23
Hình 2.18. Sơ đồ điều khiển tổng quát của ECU trợ lực lái điện 24
Hình 2.19. Điều khiển chế độ động cơ điện 25
Hình 2.20. Đặc tính điều khiển 25
Hình 2.21. Mô hình toán học của hệ thống trợ lực trên trục lái của ô tô 26
Hình 2.22. Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái 27
Hình 2.23. Các bộ phận của động cơ điện và cảm biến góc quay 27
Hình 2.24. Cụm động cơ điện và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay 28
Hình 2.25. Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống trợ lực trên cơ cấu lái 28
Hình 2.26. Tín hiệu quan trọng để điều khiển motor trợ lực lái 29
Hình 2.27. Mô phỏng mô hình toán học của hệ thống lái trợ lực trên cơ cấu lái 29
viii
Hình 2.28. Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái 30
Hình 2.29. Cảm biến tốc độ đánh lái (góc đánh lái) loại Hall 30
Hình 2.30. Đặc tính, vị trí làm việc của cảm biến mô men lái loại lõi thép trượt 31
Hình 2.31. Cấu trúc và đặc tính của cảm biến mô men lái loại lõi thép xoay 32
Hình 2.32. Cảm biến mô men lái loại 4 vành dây 32
Hình 2.33. Sơ đồ nguyên lý và xung của cảm biến mô men lái loại 4 vành dây 33
Hình 2.34. Ba loại cảm biến tốc độ ô tô 34
Hình 2.35. Cảm biến tốc độ ô tô loại MRE 35
Hình 4.1. Sơ đồ khối mô hình hệ thống 40

Hình 4.2. Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Ford focus 2012 41
Hình 4.3. Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios 42
Hình 4.4 . Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Kia morning 44
Hình 4.5 . Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Lexus 45
Hình 4.6 . Các bộ phận cơ bản của Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios 2007 46
Hình 4.7. Sơ đồ đấu dây của cảm biến mô men xoắn 46
Hình 4.8 . Sơ đồ đấu dây của động cơ điện trợ lực 47
Hình 4.9 . Cơ cấu tạo mô men cản 49
Hình 4.10. Mạch điều xung cho li hợp điện từ 49
Hình 4.11 . Thiết kế Khung mô hình 50
Hình 4.12. Thiết kế Dẫn động lái 50
Hình 4.13. Mô phỏng lắp ráp các chi tiết 51
Hình 4.14. Bản vẽ lắp được xây dựng trên Solid Work 51
Hình 4.15. Mô hình thực tế nhìn từ phía sau 52
Hình 4.16. Mô hình thực tế nhìn từ phía trước 52
Hình 4.17. Tín hiệu tốc độ xe hồi về ECU trợ lực lái 53
Hình 4.18. Mạch giả lập tín hiệu tốc độ xe 54
Hình 4.19. Sơ đồ chân của các đầu cắm DB 9 và DB 25 56
Hình 4.20. Sơ đồ chân của vi mạch MAX 232 57
Hình 4.21. Sơ đồ khối của vi mạch MAX 232 57
Hình 4.22. Mạch giao tiếp máy tính 58
Hình 4.23. Sơ đồ chân và sơ đồ đóng gói của vi điều khiển Atmega16 59
Hình 4.24. Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển Atmega16 60
Hình 4.25. Sơ đồ nối dây mạch điều khiển 63
Hình 4.26. Board mạch in mạch điều khiển 64
Hình 4.27. Board mạch điều khiển sau khi chế tạo 64
ix
Hình 4.28. Sơ đồ nối dây mạch công suất động cơ 65
Hình 4.29. Board mạch in mạch công suất động cơ 66
Hình 4.30. Board mạch công suất động cơ sau khi chế tạo 66

Hình 4.31. Mối quan hệ giữa mô men đánh lái và điện áp ra của cảm biến mô men
xoắn 67
Hình 4.32. Mối quan hệ giữa mô men đánh lái và dòng điện trợ lực khi xe đứng yên 68
Hình 4.33. Bản đồ điều khiển của ECU-EPS trong hệ thống lái trợ lực điện 68
Hình 4.34. Lưu đồ giải thuật chương trình chính 69
Hình 4.35. Lưu đồ giải thuật chương trình cập nhật dữ liệu 70
Hình 4.36. Lưu đồ giải thuật chương trình gửi dữ liệu vào máy tính 71
Hình 4.37. Biểu tượng thành phần comm trong VB 6 73
Hình 4.38. Giao diện chính của Visual Basic 75
Hình 4.39. Cửa sổ viết lệnh của Visual Basic 77
Hình 4.40. Biểu đồ phân bố các chức năng của chương trình 77
Hình 5.1. Hiển thị của màn hình LCD khi hệ thống không quay lái 83
Hình 5.2. Hiển thị của màn hình LCD khi hệ thống làm việc có trợ lực lái 84
Hình 5.3. Các lựa chọn trên Panel điều khiển 84
Hình 5.4. Jack cho phép kiểm tra tình trạng cảm biến mô men trên Panel điều khiển 86
Hình 5.5. Dữ liệu đồ thị trường hợp 1 88
Hình 5.6. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 1 89
Hình 5.7. Dữ liệu đồ thị trường hợp 2 89
Hình 5.8. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 2 90
Hình 5.9. Dữ liệu đồ thị trường hợp 3 90
Hình 5.10. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 3 91
Hình 5.11. Dữ liệu đồ thị trường hợp 4 91
Hình 5.12. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 4 92
Hình 5.13. Dữ liệu đồ thị trường hợp 5: tải = 0, V
xe
= 199 Km/h 92
Hình 5.14. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 5 tải = 0, V
xe
= 199 Km/h 93
Hình 5.15. Dữ liệu đồ thị trường hợp 5 tải = max, V

xe
= 200 Km/h 93
Hình 5.16. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 6 tải = max, V
xe
= 200
Km/h 94
x
DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 3.1. Một số nguyên nhân hư hỏng của hệ thống lái ô tô trợ lực điện 37
Bảng 4.1. Bảng chỉ dẫn kỹ thuật 47
Bảng 4.2. Tên và các đường chức năng của các đường tín hiệu 56
Bảng 4.3. Mô tả các đặc tính quan trọng cho việc lập trình 74
1
PHẦN MỞ ĐẦU

1 . Giới thiệu về vấn đề nghiên cứu:
Trong những năm gần đây, ngành công nghệ ô tô phát triển rất nhanh đặc biệt
là các hệ thống điều khiển cơ khí, thủy lực, khí nén… được thay thế điều khiển bằng
điện. Trong đó, hệ thống lái ô tô trợ lực bằng điện (Electric Power Steering – EPS) là
một trong những hệ thống đang được ứng dụng rất mạnh mẽ trên hầu hết các hãng xe
trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Hiện nay, tất cả những dòng xe của các
hãng như: Toyota, Kia, Honda, Ford, Mitsubishi, BMW, Lexus … đều đã sử dụng hệ
thống EPS”.
Hệ thống lái ô tô trợ lực bằng điện (EPS) làm việc trên cơ sở phụ thuộc năng
lượng của ắc quy, thực hiện các chức năng trợ lực thông thường nhưng có nhiều ưu
điểm nổi bật so với các hệ thống lái trợ lực truyền thống trước đây:
- Hệ thống EPS có kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo dưỡng.
- Giảm tiêu tốn nhiên liệu, một số nghiên cứu cho thấy rằng nhiên liệu tiêu tốn

tiết kiệm (5% – 8%) so với cùng một xe trang bị hệ thống lái trợ lực thủy lực
(Hydraulic Power Steering - HPS)
- Không phụ thuộc vào tốc độ vòng quay của động cơ.
- Cho phép góp phần hạn chế lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ nhiệt bằng
cách thu hồi năng lượng của động cơ nhiệt khi dư thừa cấp cho bình tích năng lượng
(ắc quy) và sau đó sử dụng với mục đích hỗ trợ lực điều khiển của người lái.
- Tạo điều kiện kiểm soát chặt chẽ quá trình làm việc của hệ thống lái thông
qua các đèn báo, giúp nâng cao khả năng đảm bảo an toàn trong chuyển động của ô tô.
Tuy nhiên, áp dụng các công nghệ điện tử sẽ làm phức tạp thêm hệ thống,
đồng thời người sử dụng cần chăm sóc hệ thống cung cấp điện (máy phát điện, ắc
quy…) phải thật tốt hơn.
2. Lý do chọn đề tài:
Giúp cho giáo viên và học viên trong quá trình dạy và học có thể:
- Trực tiếp quan sát cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái ô tô trợ
lực điện trên mô hình;
- Biết được các pan thường gặp của hệ thống lái trợ lực điện, cách khắc phục;
2
- Thấy rõ sự hoạt động hệ thống lái ô tô trợ lực điện thông qua dữ liệu hiển thị
trên máy tính, đồng thời từ máy tính có thể điều khiển các chế độ hoạt động của hệ
thống lái.
3. Mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện có thể tự
vận hành ở các chế độ hoạt động tương đồng với thực tế; mô hình có tự tạo được các
pan thông dụng để giúp dễ dàng trong công tác đào tạo nghề;
- Vận dụng các kiến thức lý thuyết về hệ thống lái trên ô tô trợ lực điện, lý
thuyết về vi điều khiển, thiết kế mạch giao tiếp, mạch điều khiển, viết chương trình
giao tiếp giữa mô hình và máy vi tính, nhằm giúp cho quá trình dạy và học được tốt
hơn, giúp cho giáo viên và học viên có thể trực tiếp quan sát sự hoạt động của hệ thống
qua dữ liệu hiển thị trên máy tính.
4. Đối tượng nghiên cứu:

- Hệ thống lái ô tô trợ lực điện;
- Mô hình giảng dạy hệ thống lái trợ lực điện có giao tiếp máy tính thông qua
ngôn ngữ lập trình Visual Basic;
- Nghiên cứu ứng dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic.
5. Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài là mô hình dạy học nên phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên
cứu lý thuyết về hệ thống lái ô tô trợ lực điện, mạch giao tiếp giữa máy tính với mô
hình thông qua ngôn ngữ lập trình Visual Basic, thiết kế giao diện mô phỏng trên máy
tính và thiết kế bố trí mô hình.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Việc nghiên cứu đề tài này sẽ góp phần cho phép tiếp cận các kiến thức điều
khiển hiện đại đang được áp dụng vào kỹ thuật ô tô, đây cũng là cơ sở để hình thành
các định hướng nghiên cứu trong ngành; các tiếp cận còn cho phép mở rộng các
nghiên cứu theo hướng nâng cao độ tin cậy hoặc cải thiện các hệ thống điều khiển hiện
đại áp dụng cho ngành kỹ thuật ô tô ở Việt Nam trong tương lai.
Nền công nghiệp ô tô hiện nay không ngừng phát triển, các thành tựu nghiên
cứu cơ - điện tử từng bước được ứng dụng vào các sản phẩm trong ngành và luôn đưa
ra hướng cải thiện các hệ thống trên ô tô do nhiều yếu tố khác nhau, trong đó quá trình
điện hóa trên xe đang hình thành và phát triển ở thị trường Việt Nam. Điều đó có
3
nghĩa sẽ cần nguồn nhân lực có trình độ kỹ thuật cao. Tuy nhiên, thực trạng của quá
trình đào tạo tại các trường đại học, cao đẳng và trung cấp trong điều kiện hiện nay,
khó có thể trang bị đủ các trang thiết bị hiện đại phục vụ quá trình đào tạo. Sản phẩm
nghiên cứu về mô hình này là cơ hội để sinh viên phần nào tiếp cận được kiến thức cần
thiết và nâng cao khả năng tư duy lí luận trong chuyên môn nhằm đáp ứng được nhu
cầu công việc sau này.
Góp phần hiện đại hóa phương tiện và phương pháp dạy thực hành trong Giáo
dục và Đào tạo, từng bước nâng cao trình độ của sinh viên trước khi ra trường.

4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái ô tô trợ lực trên thế giới:
Trên thế giới, hệ thống lái ô tô trợ lực ra đời là một phát minh lớn trong sự
phát triển của ngành ô tô.
Năm 1876, một người tên Fitts đã chế tạo hệ thống lái trợ lực đầu tiên trên một
chiếc ô tô. Hệ thống lái trợ lực tiếp theo được đặt trên một xe tải Columbia 5 tấn vào
năm 1903.

Có thể kể đến một phát minh khác được đăng ký ngày 03 tháng 04 năm 1900
của Robert E. Twyford, một cư dân của Pittsburgh, Pennsylvania, Hoa Kỳ, về hệ thống
lái trợ lực cơ khí như một phần của bằng sáng chế của mình cho các hệ thống truyền
động bốn bánh đầu tiên.

Sau đó Francis W. Davis, một kỹ sư của bộ phận xe tải Pierce Arrow bắt đầu
khám phá cách lái có thể được thực hiện dễ dàng hơn, và vào năm 1926 đã chế tạo hệ
thống lái trợ lực thực tế đầu tiên. Davis chuyển đến General Motors và tinh chế các hệ
thống lái trợ lực thủy lực hỗ trợ, nhưng hãng tính toán nó sẽ là quá đắt để sản
xuất. Davis sau đó đăng ký với tổng công ty Bendix , một nhà sản xuất phụ tùng ô tô.
Năm 1951, Tổng công ty Chrysler giới thiệu thương mại đầu tiên hệ thống trợ
lực lái trên xe khách Chrysler Imperial dưới cái tên "Hydraguide". Hệ thống Chrysler
được dựa trên một số bằng sáng chế đã hết hạn của Davis. Năm 1952, General
Motors giới thiệu xe Cadillac với một tay lái trợ lực hệ thống bằng cách sử dụng công
Davis đã làm cho công ty gần hai mươi năm trước đó. Trong cuối những năm 1960,
General Motors cung cấp một hệ thống lái trợ lực biến tỷ lệ như một lựa chọn trên xe
Pontiac và các loại xe khác.
Năm 1965, Ford đã thử nghiệm với "wrist-twist instant steering" được trang
bị Mercury Park Lanes thay thế cho tay lái lớn thông thường.

Năm 1990, Toyota giới thiệu thế hệ thứ hai đó là loại xe Toyota MR2 với trợ

lực lái điện - thủy lực. Năm 1994, Volkswagen sản xuất Mark 3 Golf Ecomatic, với
một máy bơm điện. Kết cấu này cho phép hệ thống lái trợ lực sẽ vẫn hoạt động trong
khi động cơ đã được ngừng lại bởi máy tính để tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống điện -
thủy lực có thể được tìm thấy trong một số xe: Ford, Volkswagen, Audi, Peugeot,
Citroen, Seat, Suzuki, Opel, Mini, Toyota, Honda và Mazda.
5
Hệ thống lái ô tô trợ lực điện đầu tiên xuất hiện trên xe Suzuki Cervo trong
năm 1988.
Năm 2000, Honda tung ra S2000 Loại V được trang bị đầu tiên trên thế giới
hệ thống lái trợ lực điện thay đổi tỉ số truyền (VGS). Năm 2003, Toyota giới thiệu hệ
thống lái trợ lực điện trên xe Lexus LX 470 và Landcruiser Cygnus, và cũng kết hợp
hệ thống kiểm soát ổn định điện tử để thay đổi tỷ lệ bánh lái và lái hỗ trợ các cấp. Năm
2003, BMW trang bị hệ thống thống lái trợ lực điện trên dòng xe V.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước:
Nhờ sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật, trên thế giới đã có nhiều công
trình nghiên cứu về HTL ô tô nói chung và HTL ô tô trợ lực điện nói riêng và đã đưa
vào ứng dụng có hiệu quả, ngày càng được cải tiến và tối ưu hóa quá trình điều khiển
của hệ thống. Theo đó, nội dung chương trình và công nghệ chế tạo mô hình phục vụ
cho việc giảng dạy và nghiên cứu cũng được thực hiện hoàn thành và đánh giá tốt.
Trong công tác nghiên cứu, ở Việt Nam những năm gần đây cũng đã có một
số cán bộ khoa học công nghệ đi sâu nghiên cứu các hệ thống ô tô đặc biệt là HTL và
hệ thống phanh. Nhóm các cán bộ nghiên cứu của các trường Đại học cũng đã có
nhiều nỗ lực ứng dụng các phần mềm chuyên dụng như Alaska 2.3, Sap 90,
Simulink trong quá trình nghiên cứu ô tô. Việt Nam chúng ta đang xây dựng nền
công nghiệp ô tô ở giai đoạn lắp ráp và tiến hành chương trình nội địa hóa các cụm chi
tiết và phụ tùng ô tô xe máy. Trong đó cũng có một số công trình nghiên cứu đã được
công bố như:
* Thạc sĩ Lê Thanh Nhàn [4], Nghiên cứu thiết kế chế tạo ECU điều khiển trợ
lực lái điện (xem hình 1.1). Nội dung nghiên cứu chủ yếu của đề tài:
- Đề tài đã giới thiệu một cách khái quát các hệ thống lái điều khiển trợ lực,

đặc tính và các trường hợp khi hệ thống hoạt động thực tế, qua đó người thực hiện đã
lập trình và xử lý các tình huống để có được hệ thống lái an toàn và tiện lợi.
6
- Giới thiệu tổng quan về vi điều khiển và
ngôn ngữ lập trình Assembly, các ứng dụng vi điều
khiển trong việc hiển thị thông tin trên LCD, các
mạch chuyển đổi tín hiệu và các mạch điều khiển,
trên cơ sở đó lựa chọn các linh kiện điện tử thông
dụng trên thị trường Việt Nam để thiết kế mạch
điều khiển trợ lực lái điện. Đồng thời đề tài đã xây
dựng được sơ đồ khối điều khiển, lưu đồ thuật toán
điều khiển, lập trình phần mềm nạp vào vi điều
khiển và chế tạo thành công mạch điều khiển trợ
lực lái điện.
- Sau khi chế tạo hoàn thiện đã tiến hành
thử nghiệm trên mô hình, việc thử nghiệm thực tế
vẫn chưa thực hiện được.
Tuy nhiên, đề tài chỉ tập trung ứng dụng vi
điều khiển và các đặc tính làm việc của hệ thống lái
trợ lực điện để thiết kế hộp ECU điều khiển. Do đó,
còn hạn chế trong việc ứng dụng vào giảng dạy chuyên ngành hay điều khiển thay đổi
các thông số làm việc của hệ thống. Ngoài ra, mô hình chỉ giới hạn cho một loại ô tô
cụ thể là Suzuki, chưa đáp ứng cho các hãng xe khác.
* Thạc sĩ Trần Văn Lợi [3], Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lái không
trục lái . Nội dung nghiên cứu của đề tài:
- Ứng dụng phần mềm LabVIEW để điều khiển cơ cấu lái không thông qua
trục lái.
- Tạo cảm giác lái của mô hình xác thực với cảm giác lái của hệ thống lái thực
tế trên ô tô.
- Thiết kế mô hình với bánh xe dẫn hướng không tiếp xúc với mặt đường.

Đề tài có nhiều tính năng mới nổi bật về ứng dụng phần mềm LabVIEW điều
khiển, tạo cảm giác lái dựa trên sức cản mặt đường. Tuy nhiên, đề tài cũng còn một số
hạn chế về kỹ thuật, an toàn như: Truyền động không thông qua trục lái nên tính năng
về độ tin cậy của hệ thống chưa cao, đề tài chỉ dừng lại ở mức độ mô hình và thực
nghiệm chưa ứng dụng được vào thực tế.


Hình 1.1. Mô hình thiết kế
hộp ECU điều khiển hệ
thống lái trợ lực điện [4]
7
Ngoài ra, còn một số công trình nghiên cứu khác như: GS.TSKH Đỗ Sanh
cũng lãnh đạo một nhóm nghiên cứu về động học, động lực học trong đó có một phần
nghiên cứu về động học quay vòng xe ở tốc độ cao. Thạc sĩ Nguyễn Hồng Vũ với đề
tài tính toán động lực học quay vòng cho bánh xe dẫn hướng
Trong thời gian qua, việc giảng dạy về HTL ô tô có trợ lực điện ở nước ta còn
gặp nhiều khó khăn là do mảng thiết bị và mô hình dạy học của hệ thống chưa nhiều,
giá thành của các thiết bị ngoại nhập khá cao, nhiều trường khó có thể trang bị. Việc
nghiên cứu và chế tạo các mô hình phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu vẫn còn
ở quy mô nhỏ, phần lớn là do nhu cầu cấp thiết của công tác giảng dạy nên tự thiết kế
và thi công trên các thiết bị sẵn có. Một số công ty sản xuất đồ dùng dạy học ở nước ta
cũng đã nghiên cứu chế tạo nhiều thiết bị, mô hình dạy học về HTL ô tô có trợ lực
điện trên cơ sở các chi tiết và thiết bị nhập từ nước ngoài về, nhưng rất đơn giản, phần
lớn là chỉ dùng để dạy về cấu tạo và giới thiệu về nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ
thống. Các mô hình này thiếu một số chức năng cần thiết để học tập và nghiên cứu trên
mô hình, như không quan sát được các chế độ hoạt động của hệ thống, không đo kiểm
được một số thông số cơ bản …
Nhìn chung, với các thiết bị và mô hình đã có, chưa thể đáp ứng được nhu cầu
giảng dạy và nghiên cứu ở nước ta hiện nay về hệ thống lái ô tô có trợ lực điện.
1.3. Mục tiêu của đề tài:

Trong lĩnh vực dạy học và nhất là trong lĩnh vực đào tạo nghề, mô hình dạy
học đóng vai trò quan trọng. Việc giao tiếp giữa máy tính và mô hình giảng dạy giúp
giáo viên chủ động trong quá trình lên lớp và việc truyền thụ kiến thức cũng như rèn
luyện kỹ năng nghề cho các học viên được thuận tiện hơn. Giao tiếp giữa máy tính và
các thiết bị máy móc dùng trong sản xuất công nghiệp đã được ứng dụng khá phổ biến
nhưng dùng trong dạy học thì còn hạn chế. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo
mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện có kết nối máy tính để phục vụ đào tạo ” đã được
chọn làm đề tài nghiên cứu nhằm có thể áp dụng những thành tựu mà phần mềm này
mang lại, giúp cho các giáo viên và các học viên có thêm một phương tiện mới để học
tập và nghiên cứu.
1.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu:
* Tìm hiểu lý thuyết về nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ
thống lái ô tô trợ lực thủy lực (Hydraulic Power Steering – HPS), trợ lực thủy lực -
8
điện (Electric Hydraulic Power Steering – EHPS) đang được ứng dụng trên ô tô hiện
nay. Từ đó rút ra các nhược điểm của các hệ thống.
* Tìm hiểu lý thuyết về nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ
thống lái ô tô trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS).
* Nghiên cứu một số sơ đồ mạch điện điều khiển hệ thống lái ô tô trợ lực điện
của một số hãng xe.
* Nghiên cứu lý thuyết động học quay vòng và động học của hệ thống lái ô tô
để tìm ra mô men quay của vành tay lái và mô men cản do mặt đường tác dụng lên hệ
thống lái. Từ đó tìm ra phương pháp lập trình điều khiển hệ thống từ ngôn ngữ lập
trình Visual Basic
* Tìm hiểu và ứng dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic điều khiển hệ thống
và thay đổi một số thông số cần thiết như: tốc độ ô tô, tốc độ động cơ và mô men cản
quay vòng…
* Nghiên cứu lý thuyết vi điều khiển để thiết kế các card giao tiếp từ máy tính
với mô hình thông qua ngôn ngữ lập trình Visual Basic để truyền và nhận tín hiệu.
* Nghiên cứu thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống lái ô tô trợ lực điện có kế

nối máy tính theo ngôn ngữ lập trình Visual Basic.

9
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống lái
- Hệ thống lái có chức năng điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe theo một
hướng nhất định tùy theo tác động của người lái. Việc điều khiển quỹ đạo chuyển động
của xe có thể là duy trì phương chuyển động hoặc thay đổi phương chuyển động hiện
tại của xe. Hai quá trình này được gọi chung là quay vòng xe.
- Hệ thống lái có nhiệm vụ dẫn hướng xe nhưng phải đảm bảo khi ô tô quay
vòng mà các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết hay trượt quay và luôn ổn định
trong suốt quá trình xe hoạt động.
2.2. Tính năng dẫn hướng của hệ thống lái
Tính năng dẫn hướng của ô tô dựa trên cơ sở lý thuyết sau:
Khi ô tô quay vòng thì đường vuông góc với véctơ vận tốc chuyển động của
tất cả các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm (động học quay vòng).
Để đảm bảo khi ô tô quay vòng mà các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết
hay trượt quay thì đường vuông góc với véctơ vận tốc chuyển động của tất cả các bánh
xe phải gặp nhau tại một điểm (P). Điểm đó gọi là tâm quay tức thời (hình 2.1)


Hình 2.1. Ô tô quay vòng [1]
a. Ô tô hai trục – 2 bánh xe phía trước dẫn hướng;
b. Ô tô hai trục – 2 bánh xe phía sau dẫn hướng;
c. Ô tô hai trục – 4 bánh xe dẫn hướng;
d. ô tô bốn trục – 4 bánh xe phía trước dẫn hướng.

Giả sử ô tô hai trục, trục trước dẫn hướng có thông số kích thước như hình 2.2
10

Hình 2.2. Thông số kích thước ô tô hai trục, có hai bánh xe phía trước dẫn hướng [1]

Để đảm bảo cho ô tô khi quay vòng như trên, phải thỏa mãn biểu thức sau:

BC
PC
Cotg 

(a)

BC
CDPC
AD
PD
Cotgβ

 (b)
Lấy (b) – (a):

L
B
BC
CD
BC
PC
BC
CDPC
BC

PC
AD
PD
CotgCotgβ 





L
B
CotgCotgβ 


Trong đó:
B – khoảng cách hai tâm trục trụ cam xoay;
L – khoảng cách hai tâm trục cầu
Như vậy: Trong ô tô có hai trục - hai bánh xe dẫn hướng phía trước, để các
bánh xe khi quay vòng không bị trượt lết hay trượt quay thì phải thỏa mãn biểu thức:
L
B
CotgCotgβ 


Dẫn hướng của ô tô phải ổn định
Tính năng dẫn hướng của ô tô phải ổn định có nghĩa là các bánh xe dẫn hướng
có khả năng giữ được vị trí ban đầu ứng với ô tô chuyển động thẳng hoặc tự quay về vị
trí này sau khi các bánh xe dẫn hướng bị lệch.
Tính ổn định của bánh xe dẫn hướng được duy trì dưới tác dụng của các thành
phần:

- Phản lực thẳng đứng;
11
- Phản lực bên;
- Phản lực tiếp tuyến
Tác dụng lên bánh xe dẫn hướng khi chuyển động.
Phản lực thẳng đứng
Hình 2.3. thể hiện sơ đồ kết cấu và phản lực ở một bánh xe dẫn hướng

Hình 2.3. Kết cấu và phản lực ở một bánh xe dẫn hướng [1]

Trên hình là sơ đồ bánh xe dẫn hướng có trụ quay đứng đặt nghiêng ngang
một góc β và nếu xem như bánh xe không có góc doãng thì có thể phân phản lực thẳng
đứng của mặt đường Z
1
làm 2 thành phần:
Z
1
.cosβ – song song với tâm trục quay đứng;
Z
1
.sinβ – vuông góc với Z.
Góc doãng là góc nghiêng của bánh xe dẫn hướng
Trên hình 2.3.b. Thể hiện hình chiếu bằng của bánh xe dẫn hướng có thành
phần phản lực Z
1
.sinβ tác dụng lên bánh xe.
Giả sử bánh xe dẫn hướng này được xoay một góc θ, khi đó Z
1
.sinβ có thể
phân thành 2 thành phần lực:

Z
1
.sinβ.cosθ nằm trong mặt phẳng đi qua đường tâm của cam xoay;
Z
1
.sinβ.sinθ nằm trong mặt phẳng giữa của bánh xe dẫn hướng.
Như vậy, mômen ổn định được tạo ra bởi tác dụng của phản lực thẳng đứng
mặt đường Z
1
và độ nghiêng ngang β của trụ quay đứng:
M
Zβ
= b
n
.Z
1
.sinβ.sinθ
Với: b
n
- khoảng cách từ tâm mặt phẳng tựa của bánh xe đến trục của trụ quay
đứng

12
Nhận xét:
Muốn mômen ổn định M
Zβ
thì tăng góc β của bánh xe dẫn hướng. Ý nghĩa chủ
yếu của mômen này là làm cho các bánh xe dẫn hướng tự động quay về vị trí trung
gian sau khi thực hiện quay vòng.
Phản lực bên

Khi ô tô chuyển động trên đường lúc quay vòng sẽ có phản lực bên P
y
. P
y
này
có thể do lực ly tâm tác dụng, hoặc khi chuyển động có gió thổi ngang, hay thành phần
bên của trọng lực khi ô tô chạy trên mặt đường nghiêng, ở khu vực tiếp xúc của bánh
xe với mặt đường sẽ xuất hiện phản lực bên P
y
này.

Hình 2.4. Góc nghiêng trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc của ô tô [1]
Nhờ vào góc nghiêng của trụ quay đứng đặt nghiêng về phía sau 1 góc γ so với
chiều dài của ô tô trong mặt phẳng dọc thì phản lực bên P
y
sẽ tạo với tâm tiếp xúc O
một mômen ổn định như sau (hình 2.4):
M
yγ
= P
Y
.c
Trong đó:
c – khoảng cách từ O đến đường tâm trục trụ cam xoay, c= r
b
. sinγ;
P
y
– phản lực ngang đặt tại điểm O.
Nên: M

yγ
=P
y
. r
b
.sinγ
M
yγ
có xu hướng làm quay bánh xe trở về vị trí trung gian khi lệch khỏi vị trí
này.
Khi quay vòng, người lái phải tạo ra thêm một lực để khắc phục mômen này,
vì vậy góc γ thường không lớn, trị số của góc γ đối với ô tô hiện nay là (0÷3)°.
Mômen ổn định M
yγ
không phụ thuộc vào góc xoay của bánh xe dẫn hướng.
Phản lực tiếp tuyến
13
Khi ô tô chuyển động thẳng, hai bánh xe dẫn hướng có thể chụm lại hoặc mở
ra (hình 2.5) do lực cản lăn tiếp tuyến với mặt đường gây nên.
Hình 2.5 thể hiện độ chụm của bánh xe dẫn hướng.

Hình 2.5. Sơ đồ độ chụm của bánh xe dẫn hướng [1]
Khi phía trước của hai bánh xe gần nhau hơn phía sau của hai bánh xe khi nhìn
từ trên xuống thì gọi là độ chụm đầu (sự bố trí ngược lại gọi là độ mở).
Độ chụm được xác định bằng hiệu số của hai khoảng cách giữa các đầu nút trước (A)
và sau (B) của vành bánh xe nằm ở chiều cao tâm bánh xe.
Công dụng của độ chụm: ngăn ngừa khả năng gây ra độ chụm âm do tác động
của lực cản lăn khi xuất hiện những khe hở và đàn hồi trong hệ thống trục trước và dẫn
động lái.
2.3. Công dụng và phân loại hệ thống lái trợ lực

2.3.1. Công dụng hệ thống lái trợ lực:
Trợ lực của hệ thống lái ô tô có tác dụng giảm nhẹ cường độ lao động của
người lái, giảm mệt mỏi khi xe hoạt động trên đường dài. Đặc biệt trên xe có tốc độ
cao, trợ lực lái còn nhằm nâng cao tính an toàn chuyển động khi xe có sự cố ở bánh xe
như nổ lốp, hết khí nén trong lốp và giảm va đập truyền từ bánh xe lên vành tay lái.
Để cải thiện tính êm dịu chuyển động, phần lớn các xe hiện đại đều dùng lốp
bản rộng, áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc với mặt đường. Kết quả là cần một lực
lái lớn hơn.
Lực lái có thể giảm bằng cách tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái. Tuy nhiên, việc
đó lại đòi hỏi phải quay vô lăng nhiều hơn khi xe quay vòng dẫn đến không thể thực
hiện được việc quay vòng ngoặc gấp.
Vì vậy, để giữ cho hệ thống lái nhanh nhạy trong khi vẫn chỉ cần lực lái nhỏ,
cần phải có trợ lực lái.
2.3.2. Phân loại hệ thống lái trợ lực:
Hệ thống lái trợ lực được sử dụng phổ biến rộng rãi trên tất cả các ô tô với
nhiều hình thức trợ lực khác nhau. Nhưng chủ yếu phụ thuộc 2 nhóm chính: