Đồ án hệ thống lái điện trên xe kia Morning

Đồ Án Tốt Nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, thế giới đang bắt đầu bước vào cuộc cách mạng khoa học công nghệ lần
thứ 4, với sự phát triển của công nghệ viễn thông, điện tử, Internet kết nối vạn vật (IoT) .
Không nằm ngoài sự phát triển đó, ngành Công nghiệp Ô Tô cũng không ngừng ứng
dụng các tiến bộ khoa học và công nghệ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao hơn của
khách hàng. Các hệ thống ngày càng được nâng cấp và cải tiến tối ưu hơn, Hệ thống lái
ôtô là một ví dụ điển hình.
Với chức năng chính điều khiển hướng chuyển động của ô tô, cùng như đảm bảo
tính năng ổn định chuyển động thẳng, quay vòng của bánh xe dẫn hướng. Hệ thống lái có
ảnh hưởng rất lớn đến an toàn và quỹ đạo chuyển động của ô tô. Đặc biệt khi xe chạy ở
có tốc độ cao. Do đó các nhà sản xuất ô tô đang không ngừng cải tiến hệ thống lái để
nâng cao các tính năng của nó.
Xuất phát từ nhu cầu học tập, nghiên cứu và tìm hiểu các hệ thống trên ô tô,em được
giao đề tài “ Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Lái Trợ Lực Điện Trên Xe Ô tô Du Lịch
5 Chỗ”. Hệ thống lái điện giúp cải thiện được tính năng an toàn, và giảm được mệt mỏi
cho lái xe. Tuy nhiên, Đây là đề tài khá rộng liên quan để nhiều lĩnh vực cơ khí, điện
tử….. đòi hỏi thời gian, cũng như quá trình thực nghiệm trong thời gian dài. Vậy nên, em
rất mọng nhân được ý kiến, góp ý của các thầy và các bạn sinh viên để đề tài ngày càng
hoàn thiện hơn. Qua đây em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa, bộ
môn, thầy giáo chủ nhiệm, đặc biệt là thầy th.s Chu Văn Huỳnh đã tận tình hướng dẫn em
hoàn thành đồ án này.
Sinh viên thực hiên:

Nguyễn Văn Độ

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

1

Đồ Án Tốt Nghiệp

MỤC LỤC
Lời nói đầu......................................................................................................…………..1

CHƯƠNG 1.............................................................................................2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI.....................................................2
1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại........................................................................2

CHƯƠNG 2...........................................................................................25
LƯA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.............................................25
2.1 Bản Thông số kỹ thuật của xe tham khảo................................................25
2.2 Lưa chọn phương án thiết kế của cơ cấu lái..............................................26
2.4 Lưa chọn phương án thiết kế tình toán trợ lực lái....................................33

CHƯƠNG 3...........................................................................................37
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI.......................................37
3.1. Đặc điểm kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống đã lựa chọn.....37
3.2. Kiểm tra động học quay vòng của hình thang lái:...................................41
3.3. Xác định mômen cản quay vòng taị chỗ...................................................47
3.4 Xác định chiều dài thanh răng:..................................................................50
3.5. Tính toán bộ truyền cơ cấu lái:..................................................................50
3.6. Tính bền dẫn động lái.................................................................................57
3.7. Tính toán trợ lực.........................................................................................60
3.8. Đặc điểm sửa chữa bảo dưỡng phần trợ lực lái điện...............................69

CHƯƠNG 4...........................................................................................75
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM SOLIDWORK 2016
................................................................................................................75

4.2 Đồ họa 3D hệ thông lái trợ lực điện...........................................................78

KẾT LUẬN............................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................85
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI
Ngày nay ô tô được sử dụng ở tốc độ cao,nên vấn đề an toàn khi chuyển động ngày
càng được quan tâm nhiều hơn. Trong cấu tạo ôtô, hai hệ thống được coi là quan trọng
nhất đảm bảo an toàn chuyển động là hệ thống lái và hệ thống phanh.
1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại
1.1.1 Nhiệm vụ
Hệ thống lái có nhiệm vụ điều khiển hướng chuyển động của ô tô bằng cách quay
bánh xe dẫn hướng thông qua tác động quay vành lái của người điều khiển. Ngoài ra hệ
thống lái còn có nhiệm vụ giữ cho xe chuyển động thẳng ổn định nhờ khả năng tự trả lái.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

2


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái

Hình.1.1 Cách bố trí các bộ phận của hệ thống lái trên xe.
Hệ thống lái gồm : cơ cấu lái và hệ dẫn động lái.
+ Cơ cấu lái: Thực chất là bộ giảm tốc để đảm bảo tăng mô men điều khiển hướng
chuyển động của người lái đến bánh xe dẫn hướng và có nhiêm vụ truyền và thay đổi
hướng của lực của trục lái

+ Hệ dẫn động lái: gồm vành lái,các đòn dẫn động cơ cấu lái và các đòn dẫn động từ
cơ cấu lái đến bánh xe dẫn hướng, hình thang lái. Có nhiệm vụ truyền lực từ vành lái
và từ cơ cấu lái đến bánh xe dẫn hướng.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

3


Đồ Án Tốt Nghiệp
1.1.2 Yêu Cầu
Đảm bảo động lực học chuyển động và quay vòng của xe : Đảm bảo ổn định bánh xe
dẫn hướng, các bánh xe dẫn hướng sau khi thực hiện quay vòng cần có khả năng tự động
quay về trạng thái chuyển động thẳng
Đảm bảo động lực học chuyển động và quay vòng của xe: mô men cản lớn thì lực
điều khiển phải lớn và ngược lại.
Hiệu suất thuận.
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, thường chọn η = 0,65.
Hiệu suất nghịch.
Hiệu suất nghịch là hiệu suất tính theo lực truyền từ đòn 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. Đây là
một tính chất rất quí của cơ cấu lái. Nhưng không thể đưa hiệu suất nghịch xuống thấp
quá vì khi đó bánh lái xẽ không tự trả lại được về vị trí ban đầu dưới tác dụng của mômen
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 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 không được quá 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
1.1.3 Phân loại
Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái, tùy tường phương pháp mà có cách phân loại hệ
thống khác nhau, có các cách phân loại sau:
•

Theo cách bố trí vô lăng.
Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (theo chiều chuyển động của ôtô) được

dùng trên ôtô của các nước có luật đi đường bên phải như ở Việt nam và một số các
nước khác.
Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

4


Đồ Án Tốt Nghiệp
Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (theo chiều chuyển động của ôtô) được
dùng trên ôtô của các nước có luật đi đường bên trái như ở Anh, Nhật, Thuỵ Điển...
• Theo số lượng cầu dẫn hướng.
Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước.
Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu sau.
Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu.
• Theo kết cấu của cơ cấu lái.
Cơ cấu lái loại trục vít - bánh vít.
Cơ cấu lái loại trục vít - cung răng.

Cơ cấu lái loại trục vít - con lăn.
Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay.
Cơ cấu lái loại liên hợp (gồm trục vít, êcu, cung răng).
Cơ cấu lái loại bánh răng trụ - thanh răng.
• Theo đặc tính truyền lực.
Hệ thống lái cơ khí.
Hệ thống lái có trợ lực.
1.2 Các hệ thống lái thông dung trên Ô TÔ
Hầu hết các ô tô hiện nay đều sử dụng hệ thống lái có trợ lực lái
1.2.1 Vai trò của trợ lực lái
Trợ lực của hệ thống lái 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 vành lái nhiều hơn khi xe quay vòng dẫn đến không thể thực hiện được
việc vòng ngoặt 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.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

5


Đồ Án Tốt Nghiệp
Yêu cầu cơ bản đối với trợ lực lái:
- Đảm bảo tính tùy động

- Trợ lực lái phải có lực điều khiển trên vành tay lái đủ nhỏ để giảm cường độ lao
động nhưng cũng đủ gây cảm giác điều khiển cho người lái.
- Khi hệ thống trợ lực lái hỏng thì hệ thống lái vẫn điều khiển được như hệ thống lái
cơ khí thông thường;
- Kết cấu hệ thống trợ lực phải đơn giản, dễ chăm sóc bảo dưỡng, sửa chữa.
1.2.2 Phân loại trợ lực lái
Các hệ thống lái có trợ lực được tổng kết tại bảng 1 và chia thành 2 nhóm chính:
+ Nhóm trợ lực thủy lực đơn thuần( HPS)
+ Nhóm trợ lực có điều khiển điện – điện tử
Các phương pháp điều khiển nêu trên có thể được mô tả tóm tắt như sau:
Phương pháp điều khiển lưu lượng( Flow Control Method):
Trong phương pháp này van điện từ Solenoid được đặt tại vị trí cửa ra của bơm để
mở 1 đường dầu đi tắt về đường hồi dầu. Bộ điều khiển điện tử sẽ điều chỉnh van điện từ
solenoid mở khi ôtô chạy ở tốc độ cao để giảm lưu lượng của bơm cấp đến van trợ lực và
xilanh trợ lực. Điều này làm tăng lực lái. Bằng việc giảm độ cản của mạch giữa bơm và
xilanh trợ lực, yêu cầu về trợ lực sẽ giảm.
Dòng dầu thủy lực được đưa tới xilanh trợ lực sẽ giảm khi lái ở tốc độ cao và vậy
đối với phương pháp này, lượng tỉ lệ phản hồi và lực phản lái sẽ cân bằng tại điểm cân
bằng
Phương pháp điều khiển mạch tách qua xilanh trợ lực(Cylinder Bypass Control
Method):
Trong phương pháp này một van điện và một mạch rẽ sẽ được thiết lập hai khoang
cửa xilanh trợ lực. Thời gian mở van sẽ được kéo dài bởi bộ điều khiển điện tử cho phù
hợp với việc tăng tốc độ ôtô. Như vậy sẽ giảm được áp suất dầu trong xilanh trợ lực và
tăng hiệu quả lái. Giống như phương pháp điều khiển lưu lượng hệ thống này cũng đạt
được điểm cân bằng giữa lượng phản hồi lái và lực phản lái.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

6


Đồ Án Tốt Nghiệp
Phương pháp điều khiển đặc tính van(Valve Characteristics Control Method):
Trong phương pháp này áp suất điều khiển bị giới hạn bởi cơ cấu van xoay tức là
điều khiển lượng và áp suất của dầu cung cấp cho xi lanh trợ lực được chia thành phần
thứ hai, phần thứ ba. Còn phần thứ tư được điều khiển bởi tín hiệu Mô tơ điều khiển
dòng dầu giữa phần thứ hai và phần thứ ba của van. Hiệu quả lái được điều khiển bằng
cách phát hiện ra những biến đổi điều khiển của phần thứ tư để biến đổi tỉ lệ trợ lực. Do
cấu trúc hệ thống đơn giản và dòng dầu được cung cấp hiệu quả từ bơm đến xilanh trợ
lực, hệ thống này thể hiện lượng phản hồi tốt. Khi dòng điện cấp cho van điện từ là 0,3A
van sẽ mở hết cỡ và rất phù hợp với chạy xe tốc độ cao.
Phương pháp điều khiển phản lực dầu ( Hydraulic Reaction Force Method):
Trong phương pháp này hiệu quả lái được điều khiển bởi cơ cấu phản lực dầu, nó
được lắp trên van xoay( van trợ lực). Van điều khiển phản lực dầu làm tăng áp suất dầu
cấp cho khoang phản lực phù hợp với tốc độ xe.
Phương pháp điều khiển bằng dòng điện và điện áp:
Trong phương pháp này dùng mô tơ điện một chiều để tạo mômen trợ lực cho HTL.
Nhờ vào các cảm biến mà quyết định được công suất mô tơ trợ lực.
1.2.3 Khái quát hệ thống lái trợ lực thủy lưc.
Hệ thống gồm 3 phần chính: bơm trợ lực(bơm cánh gạt), van điều khiển, xy lanh lực.
Van điều khiển gồm 3 loại: kiểu van cánh, kiểu van ống, kiểu van quay.
Hình 1.2 là sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thuỷ lực.

Van điều khiển

Hình 1.2 Hệ thống lai trợ lực thủy lực
Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

7


Đồ Án Tốt Nghiệp
Ngyên lý làm việc.
Hình 1.3 là sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống lái trợ lực dầu.

Van điều

Hình 1.3 - Sơ đồ nguyên lý
Khi ta xoay vành lái tác động làm van điều khiển xoay, van đã phân phối dầu đến xy lanh
lực nhờ áp suất dầu do bơm trợ lưc mà xy lanh đã trợ lưc cho người lái.
+ Trạng thái quay vòng trái: khi ta xoay vành lái sang trái van điều khiển cấp dầu đến
khoang trái của xy lanh áp suất dầu trợ lực đẩy thanh răng sang phải, dầu khoang phải
được hồi về bình chứa. Với góc quay của vành lái càng lớn van phân phối dầu đến xy
lanh càng nhiều dẫn đến trợ lực càng nhiều do áp suất dầu tăng.
+ Với trạng thái quay vòng phải sẽ ngươc lại với quay vòng trái dầu được van phân phối
cấp tới khoang bên phải của xy lanh và thanh răng được đẩy sang trái.
+ Trạng thái đi thẳng: van phân phối ở vị trí trung gian lúc này áp suất dầu ở hai khoang
xy lanh là như nhau vì vậy lực tác dụng lên thanh răng bị triệt tiêu.
Như vậy hệ thống làm việc dựa vào 1 thông số mô men trục lái vì vậy ta có các ưu nhược
điểm của hệ thống là như sau:
Ưu nhược điểm của hệ thống
+Ưu điểm:
- Giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so vơí hệ thống lái không có trợ lực vì có
thêm trợ lực tác động của xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lưc gây
ra.
- Là cơ cấu an toàn khi xe bị nổ lốp hoặc xì hơi.
- Kết cấu đơn giản so với hệ thống trợ lực khác: trợ lưc khí nén và trợ lực điện.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

8


Đồ Án Tốt Nghiệp
- Làm việc tin cậy có độ bền cao, chịu được va đập nhẹ.
+ Nhược điểm:
- áp suất dầu được tạo ra từ bơm dầu mà bơm dầu lại đươc dẫn động từ trục khuỷu của
động cơ và bơm dầu luôn luôn hoạt động trong suôt quá trình xe chạy vì vậy làm tốn
công suất của động cơ thưòng xuyên.
- Hệ thống cần độ kín khít cao, nên thường xuyên phải kiểm tra sự dò dỉ dầu của hệ
thống.
- Kết cấu đơn giản nhưng hệ thống cồng kềnh dẫn đến tăng khối lượng của hệ thống.
- Làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống và van và dầu
là chất thải ô nhiễm gây ô nhiễm môi trường.
Hạn chế.
Mới chỉ đáp ứng được công dụng trợ lực cho người lái giúp người lái điều khiển nhẹ
nhàng nên hệ thống trợ lực dầu còn nhiều hạn chế sau đây:
+ Hệ thống làm việc theo 2 thông số là mô men và góc quay trục lái do người điều khiển
tác dụng nên chỉ đáp ứng được mặt trợ lực mà chưa đáp ứng được tỉ số truyền lực thay
đổi theo tốc độ của xe.
+ Về mặt tỉ số truyền góc bị hạn chế rất lớn đó là ở tốc độ thấp cần tỉ số truyền thấp để
người lái quay vòng hiệu quả: người điều khiển phải quay vành lái ít và ở tốc độ cao cần
có tỉ số truyền cao vì lúc này mức phản ứng của xe rất nhạy nhưng hê thống chưa đáp
ứng được.
+ Khi quay vòng ngoặt người điều khiển vẫn phải đánh tay lái khá nhiều vòng.
+ Khi hệ thống trợ lực hỏng lực điều khiển nặng hơn hệ thống không có trợ lực.
1.2.4 Khái quát hệ thống lái trợ lực điện điều khiển điện

Đặc điểm của hệ thống lái trợ lực điện:
Hình 1.4 là Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện
Các bộ phận của phần trợ lực điện gồm các bộ phận sau: cảm biến mô men , mô tơ điên 1
chiều, ECU, cảm biến tốc độ ô tô, và các dây điện
+ Cảm biến mô men có nhiệm vụ xác định mô men trên trục lái do người lái tác dụng
thông qua vành lá, từ đó gửi tín hiệu nàyđến ECU.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

9


Đồ Án Tốt Nghiệp

Cảm biến
vận tốc xe

Hình 1.4 -Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện
+ Motor điện 1 chiều:
Hình 1.5 thể hiện Motor và bộ truyền trục vít - bánh ví

Hình 1.5 - Motor và bộ truyền trục vít – bánh ví
Trên hình 1.5 ta có motor điện được dẫn động từ ECU. Motor truyền mô men qua khớp
nối sang trục vít sang bánh vít bắt trên trục lái.
+ ECU là bộ phận điều khiển. ECU nhận tín hiệu từ cảm biến mô men và cảm biến tốc độ
xe từ đó tính toán mô men cần trơ lực từ đó điều khiển motor điện.
+ Cảm biến tốc độ xe có nhiệm vụ đưa tín hiệu tốc độ của ô tô tới ECU
Cấu tạo và nguyên lý làm việc của EPS
Tùy thuộc vào vị trí đặt hộp giảm tốc có 2 kiểu trợ lực điện: Kiểu thứ nhất, hộp

giảm tốc đặt trực tiếp trên trục lái ngay dưới vành lái. Kiểu thứ hai, hộp giảm tốc được
tích hợp vào cơ cấu lái (trong trường hợp này cơ cấu lái thường là loại bánh răng – thanh
răng và đặt trực tiếp trên thanh lái ngang).
Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

10


Đồ Án Tốt Nghiệp
•

Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1
Trong hệ thống trợ lực lái kiểu này được sử dụng trên xe Kia Mornig, 2009, Toyota

Vioss 2008 có một môtơ điện trợ lực cùng cơ cấu giảm tốc trục vít- bánh vít được bố trí ở
trục lái chính. Tại đây cũng bố trí cảm biến mômen lái. Cạnh đó là bộ điều khiển điện tử
của trợ lực lái điện (EPS ECU).

Hình 1.6 Trợ lực lái điện với moto trợ lực trên trục lái
1- moto; 2- cảm biến mômen; 3- trục lái; 4- trục vít - bánh vít; 5- cơ cấu lái
trục răng - thanh răng; 6- ly hợp điện từ

Hình 1.7 Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái kiểu 1
1-vòng bi; 2- trục vít; 3- vỏ trục lái; 4- khớp nối; 5- roto; 6- stator; 7- trục
môtơ; 8- trục lái chính; 9- bánh vít
Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

11

Đồ Án Tốt Nghiệp
Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống thể hiện trên hình 1.8.
Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát hình 1.8 trên đó có thể nhận thấy
các tín hiệu đầu vào của EPS ECU gồm 4 nhóm tín hiệu chính:

Hình 1.8 Sơ đồ trợ lực lái kiểu 1
Tín hiệu cảm biến mô men số 1;B- Tín hiệu cảm biến mô men số2; 1- Giắc
nối đa năng số 1; 2- Giắc nối đa năng số 2; 3- Táp lô; 4- ABS+TRC ECU;
5- Cảm biến tốc độ ô tô; 6- ECU Mô tơ ; 7- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 8Đèn báo; 9- Mô tơ trợ lực;10- EPS ECU; 11- Giắc kết nối dữ liệu số 1; 12Giắc kết nối dữ liệu số 2
1- Nhóm tín hiệu (2 hoặc 4 tín hiệu) từ cảm biến mômen lái
2- Tín hiệu vận tốc chuyển động ô tô có thể gửi trực tiếp về EPS ECU hoặc thông
qua ECU truyền lực và mạng điều khiển vùng ( CAN – Controller Area Network)
và các giắc nối truyền tới EPS ECU.
3- Tín hiệu tốc độ mô tơ ( xung biểu diễn số vòng quay trục khuỷu ne từ cảm biến
trục khuỷu) thông qua ECU động cơ và mạng CAN truyền tới EPS ECU.
4- Nhóm dữ liệu cài đặt và tra cứu thông qua giắc kết nối dữ liệu DLC3 (Data Link
Connector) để truy nhập các thông tin cài đặt và tra cứu thông tin làm việc của hệ
thống và báo lỗi hệ thống.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

12


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.9.Bố trí các cụm và Taplô thể hiện đèn báo lỗi P/S

1- Đèn báo; 2-EPS ECU; 3- ECU Mô tơ ; 4- Bảng táp lô;5- Trục lái(cảm biến mô
men, Mô tơ điện 1 chiều,cơ cấu giảm tốc);6- ECU điều khiển trượt
Những sự cố trong quá trình vận hành hệ thống được ghi lại trong bộ nhớ của EPS
ECU và cảnh báo bằng đèn P/S trên Bảng táp lô 4 ( Hình 1.6).
•

Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2
Kiểu này có 2 cách bố trí mô tơ trợ lực:
Thứ nhất là loại môtơ chế tạo rời lắp với trục bánh răng của cơ cấu lái ( hình 1.7) sử

dụng trên xe Toyota Lexus.
Thứ hai là loại môtơ được chế tạo liền khối với cơ cấu lái. Loại này sử dụng trên xe
BMW. Trong trợ lực lái loại này mô tơ trợ lực được chế tạo liền với cơ cấu lái và là một
bộ phận cấu thành của cơ cấu lái ( Hình 1.8). Phương án này rất gọn, tuy nhiên giá thành
hệ thống cao. Phương án này đang được áp dụng cho dòng xe Lexus đời 2006.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

13


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.10 Môtơ trợ lực lắp rời trên cơ cấu lái
1- Khớp cầu;

2- Chụp cao su;

3- Thanh lái;

4- Mô tơ; 5- Giắc điện;

6- Trục lái
Cấu tạo mô tơ thể hiện ở hình 1.9. Phần kéo dài của thanh răng 13 được chế tạo
dưới dạng trục vít và trục vít này ăn khớp với đai ốc 7 liên kết cứng với rôto 10 của mô tơ
trợ lực lái thông qua các viên bi tuần hoàn 9.

Hình: 1.11 Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái
1- Cảm biến mô men; 2- Vành tay lái; 3- Cảm biến góc quay; 4- Mô tơ trợ
lực; 5- Tăng điện thế.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

14


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.12 Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay
1-Cảm biến mô men; 2- Stator; 3- Cuộn dây; 4- Bi cầu; 5- Giắc điện;
6- Gioăng làm kín; 7- Đai ốc; 8-Chốt ; 9- Bi cầu; 10- Rô to; 11- Nam châm;
12- Vỏ thanh răng; 13- Thanh răng của cơ cấu lái; 14- Vòng bi
Cảm biến mô men là loại không tiếp điểm được bố trí trên trục lái, cấu tạo của nó
thể hiện trên hình 1.12
Để điều khiển chế độ trợ lực ( Điều khiển mô tơ trợ lực) cảm biến mô men lái gửi
tín hiệu giá trị mômen về EPS ECU. EPS ECU sẽ tính toán chế độ trợ lực theo chương
trình đã được cài đặt sẵn và điều khiển mô tơ trợ lực bằng chuỗi xung để tạo ra các mức
điện áp khác nhau tùy theo việc cần trợ lực mạnh hay yếu.

Trong hệ thống điều khiển này để tăng độ nhạy chấp hành và giảm kích thước, trọng
lượng mô tơ điều khiển EPS ECU có thêm mạch tăng thế, nâng điện áp điều khiển lên
gấp đôi (24V),

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

15


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.11. Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay
1- Trục bánh răng của cơ cấu lái; 2- Thanh xoắn; 3- Trục vào;
4- Thanh răng; 5- Cuộn phân tích 1; 6- Cuộn phân tích 2.
Các tín hiệu từ động cơ, hệ thống phanh thông qua mạng CAN gửi về EPS ECU,
còn các tín hiệu từ các cảm biến khác được gửi trực tiếp về EPS ECU. EPS ECU sẽ tính
toán và đưa ra lệnh điều khiển mô tơ lực, trong đó tín hiệu của cảm biến mômen đóng vai
trò quan trọng nhất.
Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện
Trong trợ lực lái điện, có một phần tử rất quan trọng không thể thiếu đó là các cảm
biến. Các cảm biến này có nhiệm vụ truyền thông tin đến ECU để ECU sử lý thông tin và
quyết định vòng quay của môtơ trợ lực.
Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện – điện tử gồm: Cảm biến mômen lái,
cảm biến tốc độ đánh lái ( tốc độ quay vành lái ), cảm biến tốc độ ôtô.
Cảm biến tốc độ đánh lái có 2 loại:
a. Loại máy phát điện( Hình 1.12):
Được dẫn động từ trục lái thông qua các cặp bánh răng tăng tốc làm tăng tốc độ
quay và phát ra điện áp 1 chiều tuyến tính tỉ lệ với tốc độ quay của trục lái. Tín hiệu của
máy phát phát ra được hiệu chỉnh và khuyếch đại thông qua 1 bộ khuyếch đại.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

16


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.12 Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái
1- Trục răng; 2- Biến thế vi sai; 3- Mạch giao diện; 4- Trục vào; 5- Thanh
xoắn; 6- Bánh răng trung gian; 7- Mô tơ; 8- Cơ cấu cam; 9- Lõi thép trượt;
10- Cánh
b. Loại cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall (Hình 1.13):
Có cấu tạo đơn giản hơn, dễ lắp đặt và đặc tính ra là dạng xung số. Vì vậy các xe
ngày nay thường sử dụng loại cảm biến này.
Cấu tạo của cảm biến gồm 1 rôto nam châm nhiều cực gắn với trục lái. Một IC Hall
được đặt đối diện với vành nam châm ( Cách 1 khe hở nhỏ: 0,2 ÷ 0,4 mm). Cảm biến
được cấp nguồn điện 12v một chiều. Khi đánh tay lái, vành nam châm sẽ quay và từ
trường của nam châm tác động vào IC Hall tạo ra chuỗi xung vuông 0v ÷ 5v. Số xung
tăng dần theo góc quay trục lái. Tín hiệu này sẽ được gửi về EPS ECU và phân tích thành
góc quay trục lái và tốc độ đánh lái ( nếu đặt vào mạch đếm thời gian).

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

17


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.13 Cảm biến tốc độ đánh lái ( góc đánh lái) loại Hall
a- Cấu tạo;

b- Xung của cảm biến

1- Vỏ; 2- Rô to nam châm; 3- Ổ bi; 4- IC Hall; 5- Giắc điện; 6- Nhựa từ
tính
Cảm biến mômen lái có 3 loại:
a. Loại lõi thép trượt ( Hình 1.14):
Gồm 1 lõi thép được lắp lỏng trượt trên trục lái, trên đó có 1 rãnh chéo, rãnh này sẽ
được lắp với 1 chốt trên trục lái. Phía ngoài lõi thép là 3 cuộn dây quấn: 1 cuộn sơ cấp và
2 cuộn thứ cấp. Cuộn sơ cấp được cấp 1 nguồn điện xoay chiều tần số cao. Tùy thuộc vào
vị trí của lõi thép mà suất điện động cảm ứng ra trong hai cuộn dây thứ cấp khác nhau.
Tín hiệu của 2 cuộn thứ cấp được chỉnh lưu và đưa về mạch so sánh để biến đổi thành
điện áp tuyến tính tỉ lệ với góc xoắn của 1 thanh xoắn đặt giữa trục lái và cơ cấu lái ( Như
trong van trợ lực thủy lực loại van xoay).
Ba trạng thái của rãnh chéo và chốt và lõi thép tương ứng với các trường hợp quay
vòng phải, vị trí trung gian và quay vòng trái cũng được thể hiện trên hình 1.14.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

18


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.14 Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến mômen lái loại lõi thép
trượt

1- Lái phải; 2- Trung gian; 3- Lái trái; 4- Cuộn sơ cấp;5,7- Cuộn thứ cấp;
6- Lõi thép trượt;
b. Loại lõi thép xoay ( hình 1.15):

Hình 1.15 Vị trí lắp, cấu trúc và đặc tính của cảm biến mômen lái loại
lõi thép xoay
1- Cảm biến mô men; 2- Trục lái chính; 3- Bộ giảm tốc; 4- Vô lăng; 5- Vành
phát hiện 1; 6- Trục sơ cấp;7- Cuộn dây bù;8-Vành cảm ứng 1; 9- Vành
cảm ứng 3; 10- Trục thứ cấp; 11- Từ trục lái; 12- Từ cơ cấu lái; 13-Vành
cảm ứng 2
Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

19


Đồ Án Tốt Nghiệp
Gồm trục vào ( gắn với phần trên trục lái), trục ra ( gắn với phần nối tiếp của trục lái
tới cơ cấu lái), giữa trục vào và trục ra được liên kết bằng 1 thanh xoắn. Trên trục vào lắp
1 vành cảm ứng số 1 có các rãnh để cài với các răng của vành cảm ứng số 2. Còn vành
cảm ứng số 3 cũng có các răng và rãnh được lắp trên trục ra. Phía ngoài các vòng cảm
ứng là các cuộn dây được chia ra các cuộn dây cảm ứng và cuộn dây bù.
c. Loại 4 vành dây (Hình 1.15)
Sơ đồ bố trí các cuộn dây và xung của cảm biến được trình bày trên hình 1.16

Hình
1.16 Cấu tạo cảm biến mômen lái loại 4 vành dây
1-Vành 2; 2-Thanh xoắn; 3- Vành 1; 4- Trục vào;5- Vành 1(phần Stator); 6Vành 2(Stator);7- Trục ra
Cảm biến gồm 2 phần:
-

Phần stato có 2 vành dây, các dây được cuốn trên các răng thép định hình

-

Phần rôto có 2 vành dây: 1 vành được gắn với trục răng, phần thứ 2 được gắn với
cácđăng trục lái. Giữa vành thứ nhất và thứ hai có thể xoay lệch nhau 1 góc bằng
góc xoắn của thanh xoắn ( Khoảng 7 độ 58 phút)
Sơ đồ bố trí các cuộn dây và xung của cảm biến được trình bày trên hình 1.16

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

20


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý và xung của cảm biến mômen lái loại 4 vành dây
Cảm biến tốc độ ôtô:
Gồm 4 loại:
-

Loại công tắc lưỡi gà

-

Loại từ điện HALL

-

Loại quang điện

-

Loại mạch từ trở MRE

a. Loại công tắc lưỡi gà (Hình 1.18):
Gồm 1 tiếp điểm lá đặt trong một ống thủy tinh nhỏ và đặt cạnh một mâm nam châm
quay. Mâm nam châm được dẫn động bởi dây côngtơmét.
Khi ô tô chuyển động, thông qua bánh vít- trục vít ở trục thứ cấp hộp số làm cho dây
côngtơmét quay và làm quay mâm nam châm. Từ trường của nam châm làm cho công tắc
lưỡi gà đóng, mở theo nhịp quay của mâm nam châm và tạo ra chuỗi xung vuông. Cảm
biến này thường được lắp ngay sau công tơ mét ( đồng hồ tốc độ ôtô) ở bảng táplô.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

21


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.18 Cảm biến loại công tắc lưỡi gà
1- Nối với cáp đồng hồ tốc độ; 2- Nam châm; 3- Công tắc lưỡi gà
b. Loại từ - điện (Hình 1.19):

Hình 1.19 Cảm biến loại từ điện
1- Rô to; 2- Cảm biến tốc độ; 3- Trục thứ cấp
Gồm 1 cánh phát xung được lắp ở trục thứ cấp hộp số hoặc từng bánh xe và 1 cuộn

phát xung với 3 phần tử: Lõi thép, nam châm và cuộn dây. Được đặt cách cánh phát xung
một khe hở 0,5 ÷ 1,0 mm. Mỗi lần cánh phát xung lướt qua đầu cuộn phát xung thì ở
cuộn dây sẽ cảm ứng ra 1 cặp.
c. Loại quang điện ( Hình 1.20):
Được lắp ngay sau đồng hồ côngtơmét. Nó gồm 1 cánh xẻ rãnh được dẫn động quay
từ dây côngtơmét. Cánh xẻ rãnh quay giữa khe của đèn LED và phototransittor ( Tranzito
Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

22


Đồ Án Tốt Nghiệp
quang). Tốc độ quay của cánh sẻ rãnh tỉ lệ với tốc độ ô tô và lần lượt che và thông luồng
ánh sáng từ đèn LED sang tranzito quang để tạo nên chuỗi xung vuông 0V– 5V tỷ lệ với
tốc độ quay của trục thứ cấp hộp số phản ảnh tốc độ ôtô.

Hình 1.20 Cảm biến loại quang điện
1- Nối với cáp đồng hồ tốc độ; 2- Tranzito; 3- Cặp quang điện; 4- Bánh xe
có khía rãnh
d. Loại mạch từ trở MRE (Hình 1.21):
Cảm biến được lắp ở trục thứ cấp hộp số. Cảm biến gồm 1 vòng nam châm nạp
nhiều cực lắp trên trục của cảm biến. Khi vòng nam châm quay, từ trường sẽ tác động lên
mạch từ trở MRE và tạo ra các xung xoay chiều tại 2 đầu mút 2 và 4 của mạch MRE. Các
xung đưa tới bộ so và điều khiển tranzito để tạo xung 0v – 12v ở đầu ra của cảm biến.
Tần số xung tỉ lệ với tốc độ ôtô.

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

23


Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.21Cảm biến tốc độ ôtô loại MRE
1- Trục thứ cấp của hộp số; 2- Bánh răng bị động; 3- Cảm biến tốc độ; 4HIC có gắn MRE bên trong; 5- Các vòng từ tính
Tín hiệu ra của cảm biến được đưa tới đồng hồ côngtơmét để báo tốc độ ôtô và đưa tới
các ECU như PS ECU, ECT ECU . . . để điều khiển các cơ cấu chấp hành ( ví dụ van
điện từ trong hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử hoặc mô tơ trợ lực lái).

Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

24


Đồ Án Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 2
LƯA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Hiện nay trên thị trường đã có nhiều mẫu xe sử dụng hệ thống lái có trợ lực lái điện
như: Toyota Vios, Toyota Corolla Altis-2009,
KIA Morning, Lexus-2006… xuất phát từ nhiệm vụ đồ án , cũng như như nhu cầu tìm
hiều em lựa chọn mẫu xe Kia Morning Si 2017(picanto) làm mẫu xe tham khảo để tính
toán thiết kế.
2.1 Bản Thông số kỹ thuật của xe tham khảo

Hình 2.1 hình ảnh xe Kia Morning si 2017
Kích thước tổng thể (DxRxC) /

Overall dimensions

3.595 x 1.595 x 1.490 mm

Chiều dài cơ sở / Wheel base

2.385 mm

Khoảng sáng gầm xe / Minimum
ground clearance

152 mm

Bán kính quay vòng / Minimum
turning circle radius

4.900 mm

Trọng lượng /
Weight

Không tải / Curb

940 kg

960 kg

Toàn tải / Gross

1.340 kg

1.370 kg

Dung tích thùng nhiên liệu / Fuel
tank capacity

35 L

Số chỗ ngồi / Seat capacity

05

ĐỘNG CƠ-HỘP SỐ / ENGINE-TRANSMISSION
Svth: Nguyễn Văn Độ
Lớp: 63DCOT02

25