nghiên cứu xây dựng phần mềm giảng dạy hệ thống lái tích cực

1


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay giao thông ở nước ta giữ một vai trò rất quan trọng trong sự phát triển
của nền kinh tế và đời sống xă hội , trong đó ôtô là một phương tiện giao thông phổ
biến nhất.
Trong những năm gần đây nghành vận tải ôtô phát triển với tốc độ cao, nhiều
kiểu dáng mẫu mã hợp thị hiếu khách hàng. Ở Việt Nam xe hơi đã bắt đầu được sử
dụng rộng rãi. Tuy nhiên nhu cầu đi lại của con người vẫn chưa được thỏa mãn. Do
vậy các hãng sản xuất xe không ngừng cải tiến, ứng dụng đưa những thành tựu khoa
học kỹ thuật vào nghành thiết kế và chế tạo ôtô nhằm làm tăng công suất, tốc độ và
giảm suất tiêu hao nhiên liệu, giảm độ độc hại của khí thải…Những cải tiến trên là
nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người và những quy định khắt khe về
ô nhiễm môi trường.
Với tốc độ phát triển giao thông như hiện nay thì việc đảm bảo an toàn cho
con người là điều rất quan trọng vì vậy đòi hỏi các ôtô phải có hệ thống điều khiển
đáng tin cậy, an toàn và tiện nghi.
Hệ thống lái tích cực là một hệ thống đã được nghiên cứu và ứng dụng trên
các xe ô tô hiện đại trong những năm gần đây, nó đáp ứng được những yêu cầu khắt
khe của hệ thống lái ,nó là định hướng cơ bản cho sự nghiên cứu, ứng dụng và phát
triển của hệ thống lái trong tương lai.
Các giáo trình và tài liệu giảng dạy chuyên nghành kỹ thuật ô tô dùng trong
các trường đại học và cao đẳng chưa đề cập đầy đủ về hệ thống này.Việc nghiên cứu
và xây dựng mô dun bài giảng điện tử áp dụng các phần mềm sẽ giúp nâng cao hiệu
quả quá trình dạy học,giúp bồi dưỡng thêm kiến thức đội ngũ cán bộ giảng dạy tại
các trường.
Đề tài nghiên cứu xây dựng phần mềm giảng dạy hệ thống lái tích cực có ý
nghĩa khoa học về mặt chuyên môn,và có ý nghĩa thực tiễn về ứng dụng tại các
trường đại học và cao đắng tại Việt Nam

2


Với nôi dung trên . Tôi được giao đề tài: “ Nghiên cứu xây dựng phần mềm
giảng dạy hệ thống lái tích cực ”
Nội dung của đề tài gồm có các phần sau:
1) Nghiên cứu lịch sử phát triển của hệ thống lái tích cực
2) Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý làm việc của hệ thống lái tích cực.
3) Nghiên cứu hệ thống lái bằng dây
4) Nghiên cứu ứng dụng phần mềm PowerPoin xây dựng mô đun phần mềm giảng
dạy hệ thống lái tích cực dùng cho các trường đại học , cao đẳng.
Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã được thầy giáo hướng dẫn PGS T.S
Hồ Hữu Hải đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi về mặt tinh
thần cũng như tài liệu tham khảo để tôi hoàn thành các nội dung trong đề tài.
Mặc dù đã rất cố gắng hoàn thành đề tài nhưng trình độ bản thân còn nhiều hạn
chế nên đề tài không tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự thông cảm và góp
ý của quý thầy và các bạn để đề tài này được hoàn thiện hơn.
Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài này.

Vinh, ngày

tháng năm 2012

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Hoàng văn Đại

3

CHƯƠNG I: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC
1.1. Hệ thống lái trên ô tô
1.1.2 Khái nệm chung về hệ thống lái
Hệ thống lái là một hệ thống trên xe ô tô mà thông qua các thao tác của con
người can thiệp vào hệ thống để điều khiển các bánh xe dẫn hướng nhằm điều
chỉnh, ổn định hướng chuyển động của xe , đảm bảo an toàn giao thông trên
đường.
Các yêu cầu cơ bản của hệ thống lái :
+ Cho phép quay vòng xe một cách dễ dàng trên một đơn vị diện tích
mặt đường nhỏ.
+ Các bánh xe dẫn hướng khi ra khỏi đường vòng phải tự động quay về
trạng thái chuyển động thẳng, hoặc là để quay bánh xe về trạng thái chuyển
động thẳng chỉ cần tác động lên vành tay lái một lực nhỏ hơn lực tác động khi
lái xe vào đường vòng.
+ Đối với hệ thống lái có trợ lực , phải cho phép điều khiển được xe khi hệ thống
trợ lực có sự cố.
+ Hệ thống lái phải điểu khiển dễ dàng, tiện nghi và độ bền cao, rất an toàn , ít xẩy
ra các sự cố hư hỏng
Một số nước còn quy định một số yêu cầu cụ thể khác đối với hệ thống lái của ôtô:
+ Với hệ thống lái không có trợ lực, số vòng quay toàn bộ của vành tay lái không
được quá 5 vòng, tương ứng với góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong về cả
hai phía kể từ vị trí trung gian là 35 độ. Ở vị trí biên cần phải có vấu tỳ hạn chế
quay của bánh xe
+ Khi đi trên đường cong có bán kính không đổi bằng 12m với tốc độ 10km/h, lực
đặt trên vành tay lái tối đa không vượt quá 250N
+ Đảm bảo khả năng bị động của xe , không gây tổn thương lớn cho người sử dụng
khi bị đâm chính diện.

4

Với những yêu cầu trên của hệ thống lái thì các hệ thống lái thông dụng đã phần lớn
đáp ứng được những yêu cầu trên
1.1.3.Cấu trúc cơ bản của hệ thống lái cơ khí
Sau đây là hai hệ thống lái cơ bản của hệ thống lái cơ khí
+ Hệ thống lái cơ học loại bánh vít –trục vít

Hình:1.1 Hệ thống lái cơ học loại trục vít – bánh vít
1-Vô lăng hay vàn tay lái, 2-Trục lái, 3-Trục vít,
4-Bánh vít dạng hình quạt, 5-Đòn quay đứng, 6-Thanh kéo dọc,
7-Đòn quay ngang, 8-Mặt bích, 9-Thanh nối, 10-Thanh ngang
11-Cầu trước hay dầm đỡ, 12-Trục ( trụ ) đứng
13-Trục hay ngỗng trục của bánh xe dẫn hướng
+Hệ thống lái loại thanh răng – bánh răng

5


Hình:.1.2 Hệ thống lái cơ học loại thanh răng – bánh răng
1- Vô lăng, 2- Trục lái, 3- Cơ cấu lái, 4- Thanh kéo, 5- Tay đòn
6- Trục ( trụ ) đứng, 7- Trục hay ngỗng trục, 8- Bánh xe dẫn hướng
Hệ thống lái cơ học loại thanh răng – bánh răng gồm có : Vành tay lái
hay vô lăng 1 cố định với trục lái 2. Trục lái 2 lồng hay đặt trong ống lái và
nối với trục bánh răng A của cơ cấu lái 3.Thanh kéo 4 cố định với thanh răng B của
cơ cấu lái và nối bản lề với tay đòn 5 . Tay đòn 5 cố định với trục hay ngỗng trục 7
của bánh xe dẫn hướng 8 và quay xung quanh trục đứng 6.
+ Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống:
Khi thay đổi hướng chuyển động của ôtô ,giả sử quay vòng sang bên trái, người lái
phải quay vành tay lái hay vô lăng 1 theo chiều mũi tên hay ngược chiều kim đồng

hồ ,qua cơ cấu lái của bánh vít , trục vít hay bánh răng thanh răng làm dịch chuyển
các đòn , thay đổi các góc của hình thang lái làm cho các bánh xe dẫn hướng xoay
quanh trục đứng theo chiều quay của vô lăng theo một tỷ lệ nhất định với góc quay
của vô lăng thực hiện nhiệm vụ chuyển hướng
+ Để thực hiện được các yêu cầu cơ bản, hệ thống lái được thiết kế kết cấu và các
góc cơ bản sau:

6


Tỷ số truyền của hệ thống lái ôtô :
Hệ thông lái là một loại cơ cấu truyền chuyển động từ vành tay lái đến đòn chuyển
hướng tại bánh xe dẫn hướng. Trong phạm vi hệ thống lái có thể phân biệt các tỷ số
truyền sau :
- Tỷ số truyền của hộp số lái ( I l1 ) : Là tỷ số truyền của góc quay của vành tay
lái chia cho góc quay của đòn lắc chuyển hướng.
-Tỷ số truyền của hộp số lái có thể có trị số cố định hoặc có thể tăng hoặc
giảm khi vành tay lái được quay khỏi vị trí trung gian.
Đối với xe du lịch sẽ có lợi hơn nếu sử dụng hộp số lái với tỷ số truyền thay đổi .
Điều này làm tăng tính an toàn khi ôtô chạy nhanh , vì khi vành tay lái dược quay
một góc nhỏ thì các bánh xe dẫn hướng xoay ít hơn . Ngoài ra với tỷ số truyền của
hộp số lái cao thì sự rung động của các bánh xe dẫn hướng ở tốc độ cao sẽ ảnh
hưởng ít hơn đến người lái .
Công thức tính tỷ số truyền: il=αl1/ αl2 =il1 .il2
α

l1

αl2

:góc quay vành tay lái
: góc quay bánh dẫn hướng

1.1.4. Đánh giá về hệ thống lái cơ học loại thường ( không có trợ lực )
Các hệ thống lái cơ học loại thường ( không có trợ lực ) đã đáp ứng được
phần lớn các yêu cầu của hệ thống lái nhưng vẫn chưa được hoàn thiện ở chỗ khi
quay xe người lái phải sử dụng lực tương đối lớn tác dụng lên vành tay lái để làm
quay bánh dẫn hướng gây ra mệt mỏi cho người lái chính vì thế mà hệ thống lái đã
có cải tiến thêm phần trợ lực và đã đáp ứng được các yêu cầu trên.
1.2 Hệ thống lái cơ học loại cường hóa ( có trợ lực ) :
1.2.1. Khái niệm chung về hệ thống lái có trợ lực :
Hệ thống lái trợ lực là hệ thống lái có khả năng tạo ra lực đẩy phụ hỗ trợ lái xe quay
vòng tay lái khi quay vòng. Việc trang bị hệ thống lái trợ lực sẽ
mang lại những lợi ích sau đây :

7


+ Giảm nhẹ cường độ lao động của người lái khi quay vòng xe, người lái chỉ cần
tác động lên vành tay lái một momen nhỏ hơn so với trường hợp hệ thống lái không
có trợ lực.
+ Nâng cao tính an toàn trong trường hợp có sự cố ở bánh xe (như nổlốp , bánh xe
non hơi, vv ) vì trong những trường hợp như vậy việc điều khiển xe sẽ không quá
khó khăn như trường hợp không có trợ lực .
+ Giảm va đập từ các bánh xe lên vành tay lái .
Ở các xe đời cũ hệ thống trợ lực lái chủ yếu là hệ thống lái trợ lực thủy lực, do vậy
tôi chỉ giới thiệu hệ thống trợ lực thủy lực
1.2.2 Bộ trợ lực thủy lực :

Hình:.1.4 Sơ đồ hệ thống trợ lực thủy lực

1- Vành tay lái; 2- Van điều khiển; 3- Bơm dầu;
4-Bình dầu; 5- Thanh răng; 6- Pittông trợ lực

8


1.2.3. :Cấu tạo bộ trợ lực thủy lực:

Hình:.1.4 . Bộ trợ lực thủy lực
Ở hệ thống này thanh răng được thiết kế hơi khác so với hệ thống lại thường
một chút. Một phần của thanh răng có chứa một xilanh và một piston luôn ở vị trí
giữa. Piston được nối với thanh răng. Có hai đường ống dẫn chất lỏng ở hai bên của
piston ( thường là dầu không chịu nén ). Một dòng chất lỏng có áp suất cao sẽ được
bơm vào một đầu đường ống để đẩy piston dịch chuyển hỗ trợ thanh răng dịch
chuyển . Như vậy khi ta đánh lái sang bên nào thì cũng có sự hỗ trợ của hệ thống
thủy lực sang bên đó.

Hình:.1.5. Cấu tạo thanh răng

9


1- Con trượt phân phối; 2- Thanh răng
1.2.4. Nguyên lý hoạt động của bộ trợ lực lái thủy lực:
Khi xoay vành tay lái, sự cản trở gây ra bởi trọng lượng xe và sự ma sát giữa
bánh xe và mặt đường gây ra sự xoắn trên thanh xoắn làm van xoay bị lệch. Sự thay
đổi vị trí của van xoay dẫn hướng cho dầu chảy đến đúng đầu của xilanh lực. Sự
khác nhau về áp lực dầu trên hai mặt piston làm thanh răng dịch chuyển nhờ vậy
giảm được lực lái. Đầu bên kia của xilanh lực sẽ bị đẩy về bình chứa của bơm. Khi
ngừng xoay vành tay lái, lực xoắn của thanh xoắn sẽ đẩy van xoay về vị trí trung

tâm, áp lực cân bằng trên hai mặt piston, lúc này bánh xe trở về vị trí thẳng đứng.
Lượng dầu ở hai đường ống được điều khiển bằng van quay.
1.2.5. Van điều khiển ( van quay ):
- Cấu tạo van quay:

H.ình:6.Sơ đồ kết cấu van quay
Chi tiết chính của van quay là thanh xoắn. Thanh xoắn là một thanh kimloại
mỏng có thể xoắn được khi có một momen tác dụng vào nó. Đầu trên của thanh

10


xoắn nối với trục lái còn đầu dưới nối với bánh răng hoặc trục vít tùy thuộc vào
kiểu hệ thống lái, vì vậy toàn bộ momen xoắn của thanh xoắn cân bằng với tổng
momen của người lái sử dụng để àlm đổi hướng bánh xe. Momen người lái tác động
càng lớn thì mức độ xoắn của thanh càng nhiều. Đầu vào của trục tay lái là một
thành phần bên trong của khối van hình trụ ống . Nó cũng nối với đầu mút phía trên
của thanh xoắn. Phía dưới thanh xoắnnối với phía ngoài của van ống. Thanh xoắn
cũng làm xoay đầu ra của cơ cấu lái,nối với bánh răng hoặc trục vít phụ thuộc vào
kiểu hệ thống lái.
1.2.6. Nguyên lý hoạt động của van quay:
Khi người lái xoay vành tay lái thi sẽ làm cho thanh xoắn bị vặn đi, nó làm bên
trong van ống xoay tương đối với phía ngoài. Do phần bên trong của van ống cũng
được nối với trục lái nên tổng số góc quay giữa bên trong và bên ngoài của van ống
phụ thuộc vào người lái xoay vành tay lái. Khi vành tay lái không có tác động, cả
hai đường ống thủy lực đều cung cấp áp suất như nhau cho cơ cấu lái. Nhưng nếu
van ống được xoay về một bên, các đường ống sẽ được mở để cung cấp dòng cao áp
cho đường ống phía bên đó.

11

1.2.7. Bơm thủy lực :
1.2.7.1. Cấu tạo bơm thủy lực:

Hình:.1.7 Kết cấu bơm trợ lực kiểu cánh gạt
Để cung cấp cho hệ thống thủy lực hoạt động hỗ trợ cho hệ thống lái, người ta
sử dụng một bơm thủy lực kiểu cánh gạt .Bơm này được dẫn động bằng momen của
động cơ nhờ truyền động puli-đai. Nó bao gồm rất nhiều cánh gạt vừa có thể di
chuyển hướng kính trong các rãnh của một roto.
1.2.7.2. Nguyên lý hoạt động của bơm trợ lực thủy lực:
Khi roto quay, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh gạt này bị văng ra và tì sát vào
một không gian kín hình ôvan. Dầu thủy lực bị kéo từ đường ống có áp suất thấp và
bị nén tới một đầu ra có áp suất cao. Lượng dầu được cung cấp phụ thuộc vào tốc
độ của động cơ. Bơm luôn được thiết kế để cung cấp đủ lượng dầu ngay khi động
cơ chạy không tải, và do vậy nó sẽ cung cấp quá nhiều dầu khi động cơ hoạt động ở

12


tốc độ cao. Để tránh quá tải cho hệ thống ở áp suất cao, người ta lắp đặt cho hệ
thống một van giảm áp. Khi áp suất dầu quá lớn thì dầu sẽ mở van giảm áp và cho
dầu chạy về khoang chứa dầu. Để cung cấp cho hệ thống thủy lực hoạt động hỗ trợ
cho hệ thống lái, người ta sử dụng một bơm thủy lực kiểu cánh gạt .Bơm này được
dẫn động bằng momen của động cơ nhờ truyền động puli-đai.
1.3. Đánh giá về hệ thống lái trợ lực không dùng điện tử :
Hệ thống lái trợ lực không dùng điện tử đã đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của hệ
thống lái. Giảm được lực tác dụng lên vành tay lái khi quay vòng xe , tạo cảm giác
thoải mái cho người lái. Độ tin cậy cao , khi bộ trợ lực bị hỏng hóc thì hệ thống lái
vẫn hoạt động bình thường như trường hợp không có trợ lực. Nhưng hệ thống này

chỉ giúp được lái xe về lực vần tay lái , hệ thống trợ lực phụ thuộc nhiều vào tốc độ
của động cơ sẽ tốn nhiên liệu và không ổn định khi xe chuyển động ở tốc độ cao , .
1.4. Khái niệm hệ thống lái tích cực :
Hệ thống lái cơ khí cũng như hệ thống lái có trợ lực trên ô tô đã đáp ứng
được các yêu cầu cơ bản của hệ thống lái. Với sự phát triển của khoa học công
nghệ , đặc biệt là công nghệ thông tin, sự đòi hỏi ngày càng cao của người tiêu
dùng cũng như sự cạnh tranh khốc liệt của các hãng xe trên thế giới mà các hệ
thống trên xe ô tô không ngừng được cải tiến và hoàn thiện . Trong những năm gần
đây hệ thống lái mới được một số hãng xe, nhà chế tạo , sản xuất xe chú ý tới và cải
tiến. Hệ thống lái được cải tiến từng bước từ hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển
bằng điện tử, hệ thống lái cơ khí trợ lực bằng điện , hệ thống lái bằng dây.
Những hệ thống lái này được goi là hệ thống lái tích cực bởi vì ngoài nhưng
đảm bảo cơ bản của hệ thống lái thường , hệ thống lái trợ lực thuần túy , hệ thống
lái tích cực còn có những tính năng ưu việt nổi trội mà các hệ thống lái trước đây
không có được. Một số ưu việt nổi bật đó là :
-Hệ thống lái tích cực là hệ thống lái có khả năng tạo ra lực đẩy phụ hỗ trợ lái
xe quay vành tay lái khi quay vòng.
-Việc điều khiển xe không hoàn toàn phải phụ thuộc vào người lái nữa ,bộ trợ
lực lái điều khiển bằng điện tử sẽ hỗ trợ một phần trong việc điều khiển xe, đặc biệt

13


là lúc xe chạy với tốc độ cao thì việc điều khiển xe sẽ khó hơn, lúc này bộ trợ lực
điện tử sẽ tự động điều chỉnh để cho xe có thể chạy được bình thường giảm căng
thẳng cho người lái, và nâng cao độ an toàn cho người và xe.
- Hệ thống có thể thay đổi tỷ số truyền động lái một cách phù hợp
-Tiết kiệm được năng lượng của động cơ ,
- Hệ thống trợ lực lái không phụ thuộc vào tốc độ của động cơ đặc biệt khi ở tốc
độ thấp,cần năng lượng trợ lực lớn và ngược lại , điều này không thể thực hiện được

ở các hệ thống lái trước đây
- Có thể điều chỉnh tự động góc lái một cách phù hợp khi hệ thống mất an toàn
- Có thể lập trình một phần hoặc toàn bộ những chế độ tự động lái như vào bãi đậu
xe, xe đi theo đoàn , xe đi theo bản đồ v.v.
- Có thể tích hợp với các hệ thống khác để điều chỉnh hệ thống lái một cách phù
hợp, ổn định và an toàn
- Cố thể nhận dạng trạng thái tam lý cũng như sức khỏe của lái xe để có những xử
lý hiệu quả an toàn .v.vvv
- Hệ thống lái tích cực còn có kết cấu gọn nhẹ hơn, dễ bố trí hơn, ít hỏng hóc hơn,
an toàn và tiện nghi hơn hẳn các hệ thống lái truyền thống trước đây.
Chính vì những ưu điểm nội trên mà hệ thống lái tích cực đã được nghiên cứu, thử
nghiệm và đã được áp dụng vào hầu hết các xe ô tô hiện đại dược sản xuất trong
những năm gần đây. Đặc biệt là quá trình thử nghiệm và ứng dụng hệ thống lái bằng
dây trên xe ô tô
Một số bộ phận của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử :

14


Hình : 1.8 Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử
1.5. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC
Hệ thống lái trên xe ô tô được ra đời cùng với sự ra đời của xe ô tô, trong đó Cột
mốc quan trọng nhất trong lịch sử thiết kế ô tô là sự ra đời của động cơ chạy xăng,
dầu vào năm 1885-1886 do công của hai nhà phát minh Gottlieb Daimler và Karl
Benz, đồng thời là phát minh động cơ đốt trong 4 thì của Nicolaus August Otto năm
1876, mở ra thời kì phát triển của những chiếc ô tô hiện đại ngày nay. Sự hoàn
thiện của động cơ thời kỳ này kéo theo sự phát triển và thay đổi của thiết kế mẫu
mã, kiểu dáng và cấu tạo của xe.
Trong giai đoạn này chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu sử dụng ô tô
và ngành thiết kế xe bắt đầu được mùa phát triển. Một loạt những mẫu thiết kế mới

về mẫu mã và kiểu dáng phong phú, đa dạng xuất hiện. Chiếc xe Mercury và một số
mẫu xe Ford tung ra thị trường năm 1949 dấy lên một phong cách thiết kế mới với
thân xe cao, gầy và diện mạo hoàn toàn khác so với những mẫu xe của những năm
1930, 1940 trước đó. Một cải tiến đáng chú ý khác trong thời kì này do hãng

15


Hudson (Mỹ) đưa ra là mẫu xe có gầm thấp khiến trọng lượng xe thấp đi và độ bám
đường cho thân xe tăng lên.
Một cột mốc quan trọng trong việc cải tiến hệ thống lái trên xe ô tô đó là cải
tiến hệ thống lái cơ khí sang hệ thống lái trợ lực, nó đã giúp cho lái xe điều khiển
xe nhẹ nhàng hơn , an toàn và thoải mái hơn rất nhiều so với hệ thống lái cơ khí
thuần túy trước đây. Đó là vào năm 1951 , Francis Davis và George Jessup phát
minh ra hệ thống lái trợ lực và được trang bị đầu tiên cho xe Imperial của Chrysler.
Và từ đó cho đến cuối thập niên 80 sự phát triển các mẫu xe chủ yếu phụ thuộc
vào tình hình kinh tế thế giới và phần lớn là phần động cơ , hệ thống nhiên liệu và
phanh .v.v.v
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ ô tô theo một chiều hướng mới dựa
vào sự phát triển của công nghệ thông tin , trong đó quan trọng nhất đó là cơ điện tử
Cơ điện tử là một giai đoạn tự nhiên trong quá trình phát triển mạnh mẽ của
kỹ thuật thiết kế hiện đại. Sự phát triển của máy tính, tiếp theo là máy vi tính,
máy tính nhúng,cùng với sự phát triển của côngnghệ thông tin và công nghệ
phần mềm đã khiến cho Cơ điện tử trở thành một yêu cầu cấp thiết trongnửa cuối
thế kỷ 20. Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ đã được dự báo trong các hệ
cơ-điện-sinh học,máy tính lượng tử, hệ pico và nano cùng những phát triển khác,
tương lai của Cơ điện tử sẽ đầy tiềmnăng và triển vọng.
Sự phát triển của Cơ điện tử hiện đại đóng góp rất lớn cho sự phát triển của
ôtô. Đến tận thập niên 1960, chỉ có rađiô là thiết bị điện tử đáng kể duy nhất trong ô
tô. Tất các các chức năng khác thuầntúy mang tính cơ khí hoặc điện ví dụ như động

cơ khởi động và hệ thống nạp ắc quy. Không hề có một“hệ thống an toàn thông
minh” nào, ngoại trừ việc tăng kích cỡ đệm giảm chấn và các phần tử kết cấu để
bảo vệ hành khách trong trường hợp xảy ra tai nạn. Vào đầu thập niên 1960, dây an
toàn ra đời nhằmtăng độ an toàn cho người sử dụng và được vận hành hoàn
toàn cơ khí. Tất cả hệ thống động cơ được điều khiển bởi người lái và hoặc
các hệ điều khiển cơ khí khác. Chẳng hạn, trước khi có sự xuất hiện củacác cảm
biến và vi điều khiển, bộ phân phối cơ khí được dùng để lựa chọn buji

16


đánh lửa khi hỗn hợp nhiên liệu-không khí được nén lại. Thời gian ấn định
cho việc đốt cháy nhiên liệu chính là biến điều khiển. Quy trình đốt cháy
được điều khiển cơ khí không phải là tối ưu đứng trên phương diện tiết kiệm nhiên
liệu. Mô hình quá trình đốt cháy nhiên liệu chỉ ra rằng, để tăng hiệu quả
nhiên liệu, tồn tại mộtthời điểm tối ưu để đốt nhiên liệu. Thời điểm này phụ
thuộc vào tải, tốc độ, và các đại lượng có thể đo khác. Hệ thống đánh lửa điện tử là
một trong những hệ Cơ điện tử đầu tiên được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô
tô vào cuối thập niên 1970. Hệ thống đánh lửa điện tử bao gồm bộ cảm
biến vị trí trụckhuỷu, bộ cảm biến vị trí trục cam, tốc độ luồng khí, vị trí van tiết
lưu, tốc độ thay đổi vị trí van tiết lưu của bộ cảm biến, bộ vi điều khiển quyết định
thời điểm buji đánh lửa. Những ứng dụng ban đầu chỉ gồm một cảm biến hiệu
ứng Hall nhằm xác định một cách chính xác vị trí của rôto trong bộ phân
phối. Những ứng dụng sau này đã loại bỏ hoàn toàn bộ phân phối và dùng trực tiếp
bộ vi xử lý để điều khiểnquá trình đốt cháy.Vào cuối thập niên 1970, hệ thống
phanh chống bó (ABS - Antilock Brake System) được ứng dụngtrong các ô tô. Hệ
thống ABS hoạt động thông qua việc phát hiện ra hiện tượng khóa cứng của bấtkỳ
bánh xe nào, sau đó điều chỉnh áp suất thủy lực cần thiết để giảm thiểu
hoặc loại bỏ sự trượt. Hệ thống điều khiển sức kéo (TCS - Traction Control
System) được ứng dụng trong các ô tô vào cuối thậpniên 1990. Hệ thống TCS hoạt

động thông qua việc phát hiện ra sự trượt trong quá trình tăng tốc và sauđó điều
chỉnh công suất truyền cho bánh xe đang trượt. Quá trình này đảm bảo cho xe có thể
tăng tốc vớivận tốc lớn nhất có thể với điều kiện về đường và xe cho trước.
Hệ thống điều khiển động lực ô tô (VDC - Vehicle Dynamics Control) được ứng dụng
trong ôtô vào cuối những năm 1990. VDC hoạt động tương tự TCS với việc thêm một cảm
biến tốc độ lệch và cảm biến gia tốc ngang. Mục đích của bánh xe phát động được
xác định bởi vị trí bánh lái và tiếp theo được so sánh với hướng thực tế của
chuyểnđộng. Sau đó, hệ thống TCS được kích hoạt để điều khiển công suất truyền
cho bánh xe và điều khiểnvận tốc ô tô cũng như giảm thiểu sự khác nhau giữa
hướng bánh lái và hướng chuyển động của ô tô . Trong một số trường hợp, ABS

17


được dùng để giảm tốc độ của ô tô để thực hiện việc điều khiển như mong muốn.
Trong các ô tô hiện nay, các CPU 8, 16, hay 32-bit được dùng để vận hành
các hệ điềukhiển khác nhau. Bộ vi điều khiển này có bộ nhớ (EEPROM/EPROM), các đầu
ra số và tương tự, các bộ biến đổi A/D, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), các chức
năng thời gian, ví dụ dùng để đếm sựkiệnvàđo độ rộng xung, các đầu ra ưu tiên, và
trong một số trường hợp xử lý tín hiệu số. Bộ xử lý 32-bit đượcdùng để quản lý
động cơ, điều khiển truyền động, và các túi khí; bộ xử lý 16-bit dùng cho ABS,
TCS,VDC, cụm thiết bị, và các hệ thống điều hoà không khí; bộ xử lý 8-bit dùng
cho điều khiển ghế, gươngvà các hệ thống nâng hạ cửa. Ngày nay, có khoảng 30 –
60 bộ vi điều khiển trong một chiếc ô tô. Điềunày sẽ càng tăng lên nhờ việc môđun
hóa các hệ cơ điện tử con trong tương lai.Cơ điện tử đã trở thành yếu tố để phân
biệt giữa các ô tô. Kể từ khi khái niệm cơ bản về động cơ đốt trong được đưa ra
cách đây gần một thế kỷ, các điểm khác nhau trong thiết kế động cơ cho xe hơi
khôngcòn là dấu hiệu nhằm phân biệt các loại ôtô khác nhau. Trong những năm
1970, các nhà chế tạo NhậtBản đã thành công trong việc tạo dựng một chỗ
đứng vững chắc trên thị trường xe hơi Mỹ bằng việc chào bán các xe hơi nhỏ

tiết kiệm năng lượng với chất lượng không thua kém các loại xe khác. Trongsuốt
thập niên 1980, chất lượng của xe là dấu hiệu phân biệt các sản phẩm. Trong những
năm 1990, chấtlượng và độ tin cậy của ô tô là những gì mà người tiêu dùng mong
đợi từ phía các nhà sản xuất. Ngày nay, trở thành dấu hiệu phân biệt sản phẩm trong
những hệ cơ khí truyền thống này. Điều này được thúc đẩy hơn nữa bởi tỷ lệ giá trị
thực hiện cao hơn của các thiết bị, nhu cầu của thị trường về các sản phẩm sáng tạo
với những đặc tính thông minh, và bởi những cố gắng giảm chi phí sản xuất các
sản phẩm thông qua việc tái thiết kế các phần cơ điện tử cấu thành. Do tốc
độ dự báo tăngtrưởng thấp (2 - 3%), các hãng chế tạo xe hơi đang ra sức nghiên
cứu các đặc tính công nghệ cao giúp phân biệt sản phẩm của họ với sản phẩm của
các hãng khác . Lượng giao dịch trên thị trường các thiết bị điện tử ô tô ở Bắc Mỹ
hiện đạt giá trị khoảng 20 tỷ $, và hy vọng sẽ đạt 28 tỷ $ vào năm 2004. Những ứng
dụng mới của các hệ Cơ điện tử trong ngành công nghiệp ô tô bao gồm các ô tô bán

18


tự động đến tự động hoàn toàn, hệ thống nâng cao độ an toàn, giảm thiểu tiêu hao,
và các đặc tính khác nhưhệ thống dẫn đường thông minh, các hệ thống phanh điện
không dùng thủy lực . Một lĩnh vực tăng trưởng có ý nghĩa khác do tiếp cận thiết kế
Cơ điện tử mang lại là hệ thống mạng không dây từ các trạm mặt đất và truyền
thông giữa các xe hơi. Công nghệ viễn thông là sự kết hợp của hệ thống
âm thanh,điện thoại cầm tay, hệ thống điều hướng, khả năng kết nối Internet, email và nhận dạng giọng nói, cóthể được coi là lĩnh vực có tiềm năng lớn nhất trong
ngành công nghiệp ôtô. Trên thực tế, việc ứng dụng điện tử trong sản xuất ô tô dự
kiến sẽ tăng trung bình mỗi năm khoảng 6% trong vòng 5 năm tới và cũng trong
khoảng thời gian đó, các tính năng điện tử trong ô tô cũng sẽ tăng gấp đôi. Hệ vi cơ
điện tử (MEMS – Micro Electromechanical System) là một công nghệ cho phép
phát triển các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành có hiệu quả kinh tế nhằm phục vụ
cho các ứng dụng Cơ điện tử. Thực tế, đã có một vài thiết bị MEMS được ứng
dụng trong ô tô, ví dụ như cảm biến và cơ cấu chấp hành của túi khí, cảm

biến áp suất dùng cho việc đo áp suất trong ống phân phối. Việc tích hợp các thiết bị
MEMS với các mạch trạng thái tín hiệu CMOS trên cùng một chip bán dẫn là một
ví dụ khác về sự phát triển của các công nghệ cho phép cải tiến các sản phẩm Cơ
điện tử, chẳng hạn như ôtô.Công nghệ ra-đa với sóng milimét (mm) gần đây cũng
đã được ứng dụng trong ô tô. Ra-đa với sóngmm cho phép phát hiện vị trí của các
đối tượng (các ô tô khác) và xác định khoảng cách tới chướng ngạivật cũng như tốc
độ theo thời gian thực. Một mô tả khá chi tiết về cách thức vận hành của một hệ
thống như thế đã được Suzuki và các cộng sự đưa ra .. Công nghệ này cho phép
điều chỉnh khoảng cách giữa ô tô và chướngngại vật (hoặc ô tô khác) bằng việc kết
hợp cảm biến với hệ thống dẫn hướng và ABS. Người lái có thểđặt vận tốc và
khoảng cách mong muốn với những chiếc xe ở phía trước. Hệ thống ABS và hệ
thống dẫn hướng được ghép với nhau để đảm bảo thực hiện được những chức năng
nói trên một cách an toàn. Khả năng tránh chướng ngại vật còn được mở rộng thêm
một chức năng khá hợp lý nữa là lái bán tự động ở tốc độ chậm nhằm duy trì
khoảng cách với xe ở phía trước khi xảy ra tắc đường. Trong điều kiện phát triển

19


của Cơ điện tử như ngày nay, những chiếc xe hơi hoàn toàn tự động chắc chắn sẽ ra
đời trong vòng 20 năm tới. Các cuộc nghiên cứu về ô tô bán tự động dùng mô hình
giao thông liên tục dựa trên hệ thống GPS và quá trình tự động hoá việc dừng và đi
nhằm xác lập các hướng đi đang diễn ra ở khắp các trung tâm nghiên cứu. Hệ thống
nhận biết và điều khiển được đề xuất cho loại xe như có sự tham gia của hệ thống
định vị toàn cầu vi phân (DGPS-differential global positioning systems), xử lýảnh
theo thời gian thực và xác lập hướng đi linh hoạt Sử dụng rada để đo khoảng cách
và vận tốc nhằm tự động điều chỉnh khoảng cách giữa cácxe ôtô( Modern Control
Systems, 9th ed., R. C. Dorf and R.H. Bishop, Prentice-Hall, 2001 ) Các hệ Cơ điện tử
tương lai trong ô tô có thể bao gồm kính chắn gió không mờ dựa trên hệ
thốngnhận biết độ ẩm, nhiệt độ và điều hoà không khí, khả năng tự đỗ xe

song song. thiết bị trợ giúp đỗ xe phía sau, hỗ trợ thay đổi làn xe, phanh điện tử
và việc thay thế các hệ thống thuỷ lực bằng các hệ cơ điện servo. Khi lượng ô tô
trên thế giới tăng lên, các tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn về khí thải sẽ ra
đời. Các sản phẩm Cơ điện tử sẽ có khả năng đáp ứng được những thách
thức đặt ra đối với việc điều chỉnh lượng khí thải và hiệu suất động cơ bằng
việc giảm đáng kể lượng khí thải CO, NO và HC và tăng hiệuquả của xe Rõ ràng là
không thể coi một chiếc ô tô với 30 đến 60 bộ vi điều khiển, 100 động cơ điện, hệ
thống dây điện nặng 200 pound, vô số các cảm biến và hàng nghìn dòng mã lệnh là
một hệ cơ khí thuần tuý. Ô tô đang được chuyển hoá thành một hệ Cơ điện tử hoàn
toàn.
Lịch sử phát triển của hệ thống lái tích cực
Cơ điện tử được áp dụng vào hệ thống lái tương đối chậm hơn so với các hệ
thống khác trên ô tô bởi vì hệ thống lái có những đặc tính khác biệt so với các hệ
thống khác. Một trong những khác biệt quan trọng nhất đó là vấn đề an toàn khi vận
hành, Hệ thống điều khiển tương đối phức tạp, thói quen cảm giác lái xe, hệ thống
lái xe trợ lực cũ vẫn đủ các tiêu chí cơ bản của hệ thống lái và hệ thống lái còn chịu
ảnh hưởng và phụ thuộc rất lớn đến các hệ thống khác trên ô tô . Chính vì các lý do

20


nêu trên mà hệ thống lái tích cực cuối thập kỷ 90 mới bắt đầu được áp dụng trên xe
ô tô
Vào năm 1990 Chryste đã nghiên cứu hệ thống lái tự động có tên là Automated
Durability Road Sử dụng Rô bốt để lái xe trên những cung đường thử rất khó
khăn . Cũng vào năm 1990 Ferdinand porsche đã thiết kế một chiếc ô tô sử dụng hệ
thống truyền động bằng điện để giới thiệu tại triễn lãm thế giới
-Vào năm 2002 hãng xe BMW đẫ sử dụng hệ thống lái công nghệ AL-active
Steering . Cũng vào đầu năm 2002 Hãng xe BMW đẫ lắp hệ thống trợ lực lái bằng
điện tử lên xe BMW Z4 nhưng chưa tỏ rõ sự ưu việt hơn so với hệ thống trợ lực

thủy lực . trong khi chờ hoàn thiện hệ thống thì BMW đã quay lại với tay lái trợ lực
thủy lực trong Model BMW Z4 M
Vào năm 2004 hãng Hon Đa đã công bố thành công trong việc phát triển một
hệ thống dẫn động mới gọi là SH-AWD (Super Handling All- Drivesystem ) Hệ
thống 4 bánh chủ động siêu ổn định. Năm 1997 Chervrolet corvette đã thử nghiệm
khả năng chỉ đạo by wire, xe kiểm tra thử nghiệm được tặng cho tổng công ty
General Motors
Hệ thống lái bằng dây By wire đầu tiên được láp lên xe BMW 5- Series vào
năm 2001 Nhưng vẫn trong quá trình thực nghiệm
Hệ thống lái điều khiển bằng giọng nói được giới thiệu tại thị trường Bắc Mỹ
vào năm 2010 trên dòng xe Nissan châu âu
Khoảng 2005 cho đến nay hầu hết các xe ô tô du lịch đều được trang bị hệ
thống lái trợ lực điện . Hệ thống trợ lực điện ngày càng được tích hợp với các hệ
thống khác trên xe nhằm đưa lại những ưu việt nổi trội , dễ dàng điều khiển, an
toàn khi vận hành , và còn giúp lái xe vận hành trong những tình huống nhất định
Hệ thống lái xe bằng dây By wire là một hệ thống có rất nhiều ưu việt nổi trội so
với các hệ thống lái khác . nhưng vì tính phức tạp của hệ thống, vì tính an toàn
trong vận hành v,v, nên hệ thống này đã được nghiên cứu, thử nghiệm trên một số
xe ô tô của một số hãng xe như đã trình bày ở trên nhưng chưa thể đưa ra sản xuất

21


hàng loạt được vì đang quá trình hoàn thiện và thực nghiệm . chắc chắn hệ thống lái
bằng dây sẽ là hệ thống lái trong tương lai gần .
CHƯƠNG II:

HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC

2.1 : Phân loại hệ thống lái tích cực

Theo mức độ hoàn thiện về kết cấu cũng như mức độ ứng dụng cơ điện tử
vào trong hệ thống lái . Chúng ta có thể phân loại hệ thống lái tích cực như sau

- Hệ thống lái trợ lực thủy lực có hộ trợ bởi điện tử (Electric Hydraulic Power
Steering – EHPS).

- Hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS).
- Hệ thống lái 4 bánh trợ lực điện (Super Handling All- Drive system )
- Hệ thống lái bằng dây dây ( By wire )
Sau đây chúng ta đi vào phân tích cụ thể từng loại như sau:
2.2 Các hệ thống lái tích cực cơ bản
2.2.1: Hệ thống lái thủy lực điều khiển điện tử (Electric Hydraulic Power
Steering – EHPS).
Hệ thống lái tích cực loại EHPS cũng sử dụng CCL trợ lực thủy lực không có
nhiều khác biệt. với kết cấu phổ biến hiện nay, chỉ khác Hệ thống EHPS (Electric
Hydraulic Power Steering): dùng năng lượng trợ lực từ ắc quy, điều khiển bơm dầu
tạo áp suất dầu lớn để điều khiển trợ lực bằng xi lanh lực (hình 9) và cơ cấu thay đổi
tỷ số truyền động hợp lý. Hệ thống cũng kiểm soát chặt chẽ theo nhiều thông số làm
việc của ô tô.Sơ đồ của hệ thống bao gồm những bộ phận sau:

22


Hình 2.1 : Sơ đồ và một số bộ phận cơ bản của hệ thống EHPS

Hình 2.2: Các bộ phận chính của hệ thống lái thủy lực điều khiển điện tử
Thành phần chính của hệ thống Active Steering bao gồm: cơ cấu hành tinh, bộ
điều khiển độc lập, bộ trợ lực thủy lực và các cảm biến. Trong số đó, bộ phận quan

23

trọng nhất của Active Steering là cơ cấu lái điều khiển kép với “2 đầu vào 1 đầu ra”.
Một đầu liên kết với trục tay lái, đầu vào thứ 2 là động cơ điện điều khiển nối với
thanh chuyển hướng. Đầu ra là trục bánh lái với góc quay do động cơ điện điều
khiển. Có thể thấy rằng động cơ trợ lực không thể tự mình quay các bánh xe mà cần
đến sự giúp đỡ của bộ trợ lực lái thuỷ lực như ở những tay lái thông thường khác.
Phần bên ngoài của Active Steering nối với bộ điều khiển và kiểm tra tính ổn
định thân xe (DSC-Dynamic Stability Control). Hệ thống này sẽ được kích hoạt khi
bộ tay lái không còn làm chủ được tình huống. Tùy thuộc vào từng trường hợp cụ
thể, Active Steering sẽ tăng hoặc giảm bớt góc quay của bánh trước so với góc quay
tay lái. Các bộ phận thủy lực tương đối giống như hệ thống lái trợ lực thông thường
, do vậy chúng ta chỉ nghiên cứu cơ cấu trợ lực điện tử nhằm thay đổi tỷ số truyền
động lái một cách phù hợp như sau
Sơ đồ cấu tạo:

24


Hình.2.3. Bộ trợ lực lái điều khiển điện tử

25