Nghiên cứu hệ thống lái trợ lực điện

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN

NGHÀNH : CÔNG NGHỆ ÔTÔ
MÃ SỐ : 04.06

Người hướng dẫn: TS. Đinh Ngọc Ân
Người thực hiện: Nguyễn Trọng Khoa
HÀ NỘI - 2007


MỤC LỤC
Trang
Lời nói đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
PHẦN 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG LÁI . . . . . . . 4

1.1.1 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới . . . . . . . . . . . .4
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong vùng ASEAN và trong nước . . . . . . 7
1.2 MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI . . 8

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Nội dung luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
PHẦN 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . 10
1.2 CÁC TRẠNG THÁI QUAY VÒNG CỦA XE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 CÁC YẾU TỐ KẾT CẤU VÀ SỬ DỤNG ẢNH HƯỞNG TỚI LỰC LÁI, TÍNH
NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ TÍNH NĂNG DẪN HƯỚNG CỦA HỆ THỐNG LÁI . . . 17

1.3.1 Các góc đặt bánh xe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Góc Camber (góc nghiêng ngang của bánh xe) . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.3 Góc Caster và khoảng Caster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.4 Góc Kingpin (góc nghiêng ngang trụ đứng) . . . . . . . . . . . . . . . . .27
1.3.5 Độ chụm và độ mở (góc doãng) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG LÁI CÓ TRỢ LỰC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI CÓ TRỢ LỰC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.1 Công dụng của hệ thống trợ lực lái . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.1.2 Phân loại hệ thống trợ lực lái . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 HỆ THỐNG LÁI CÓ TRỢ LỰC THỦY LỰC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

2.2.1 Cấu trúc tổng quát HTL trợ lực thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34


2.2.2 Mô hình toán học hệ thống lái trợ lực thủy lực . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.3 Đặc tính trợ lực lái . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.4 Giải pháp điều khiển thay đổi hệ số trợ lực lái . . . . . . . . . . . . . . .37
2.3 HỆ THỐNG TRỢ LỰC THỦY LỰC ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – ĐIỆN TỬ . . . . . .37

2.3.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực thực
hiện điều khiển lưu lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ trên mạch dầu van trợ
lực lái . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.3.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ tại cửa vào ra (cửa P và
cửa R) của van trợ lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.4 HTL trợ lực thủy lực với cách thay đổi tốc độ bơm trợ lực lái . . 42
2.4 HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN – ĐIỆN TỬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.4.1 Cảm biến trong hệ thống trợ lực lái điện – điện tử . . . . . . . . . . . 60
2.4.2 Trợ lực trên cơ cấu lái . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
2.4.3 Cảm biến trong hệ thống trợ lực lái điện – điện tử . . . . . . . . . . . 62
PHẦN 3. MÔ HÌNH HTL VÀ THÍ NGHIỆM . . . . . . . . . . . . . . . . 69
CHƯƠNG 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HTL TRỢ LỰC . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
1.1 MỤC ĐÍCH XÂY DỰNG MÔ HÌNH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
1.2 THIẾT KẾ KHUNG CỦA MÔ HÌNH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

1.2.1 Các kích thước cơ bản của khung xương . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
1.2.2 Kiểm tra và chạy thử mô hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.3 THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM VÀ CHUẨN ĐỊNH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

1.3.1 Tải trọng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
1.3.2 Đo mômen lái và chuẩn định mômen lái . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.3.3 Hệ thống trợ lực điện lắp ráp trên mô hình . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
CHƯƠNG 2. THÍ NGHIỆM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.1 QUY TRÌNH VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.2 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89


KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
PHỤ LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phụ lục 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phụ lục 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Phụ lục 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


1

LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật và công nghệ ôtô ngày nay đã có những bước phát triển vượt
bậc. Đó là ứng dụng các chương trình máy tính để điều khiển các hệ thống
động cơ cũng như các hệ thống gầm ôtô. Mặt khác xu hướng tăng tốc độ cực
đại của ôtô từ khoảng 270 km/h hiện nay đến 330 km/h trong tương lai đòi hỏi
không những phải cải tiến động cơ ôtô để tăng tốc độ và mômen (Áp dụng
các chương trình điều khiển pha phối khí thông minh, điều khiển xupáp thông
minh, điều khiển nạp gió thông minh... ) mà các hệ thống gầm ôtô cũng có
những thay đổi đáng kể như:
1.Hệ thống truyền lực: Sử dụng số tự động điều khiển điện tử để tăng tính
năng khởi hành và tăng tốc, giảm cường độ lao động của lái xe.
2.Hệ thống treo: Sử dụng các hệ thống treo điều khiển điện tử để tăng tính
năng êm dịu của xe, chạy ổn định trên các loại đường, chống chúi đầu,
bốc đầu xe, chống nghiêng ngang xe khi vào cua vòng . . .
3.Hệ thống lái (HTL): Sử dụng các hệ thống trợ lực lái Điện - Thuỷ lực
hoặc hệ thống trợ lực điện hoàn toàn, phù hợp cho việc nâng cấp HTL
lên mức lái tự động. Ngoài ra, để tăng tính năng quay vòng và tự ổn
định chuyển động HTL còn điều khiển cả 4 bánh xe ( 4WS).
4.Hệ thống phanh: Sử dụng các hệ thống phanh tự ổn định (EPS) hay còn
gọi là hệ thống phanh phân phối lực phanh bằng điện tử (EBD) kết hợp
hệ thống ABS và TRC ( Traction).
Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước nhà nước ta chủ
trương đẩy mạnh nghành công nghiệp ôtô và đã có 14 liên doanh ôtô Việt
Nam hoạt động và đã đưa ra thị trường nhiều loại xe có chất lượng cao, ứng
dụng các tiến bộ khoa học và công nghệ tiên tiến. Trong đó hệ thống lái ôtô là

một ví dụ : Hãng Ford, trên xe Ford Focus 2005 đã sử dụng hệ thống lái trợ

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


2

lực dầu và điều khiển tốc độ bơm trợ lực bằng ECU lập trình tối ưu; Hãng
Toyota, 5/9/2007 đã lắp ráp chiếc xe đầu tiên trợ lực lái bằng điện – điện tử
(Xe VIOS 2007).
Là một cán bộ kỹ thuật, phụ trách sản xuất tại công ty ôtô Toyota Việt Nam,
tôi có mong muốn tìm hiểu kỹ hơn về sản phẩm mà công ty Toyota Việt Nam
vừa đưa vào sản xuất và đóng góp một phần vào công tác đào tạo và nghiên
cứu của công ty cũng như của các cơ sở đào tạo khác và chuyên nghành cơ
khí ôtô. Vì vậy tôi chọn đề tài ‘‘ Nghiên cứu hệ thống lái trợ lực điện ’’ và
được bộ môn ôtô và xe chuyên dụng Viện Cơ Khí Động Lực, Trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội chấp thuận là đề tài nghiên cứu ứng dụng.
Đây là một lĩnh vực khá mới mẻ, phức tạp đòi hỏi các kiến thức về điện tử tin học và cơ điện tử và chưa có nhiều tài liệu tham khảo. Vì vậy luận văn
được giới hạn ở 2 nội dung chính:
1. Nghiên cứu lý thuyết về các hệ thống lái trợ lực, đặc biệt là hệ thống lái
có điều khiển điện điện tử
2. Xây dựng (thiết kế, chế tạo) mô hình hệ thống lái để mô phỏng các hoạt
của hệ thống lái trên ôtô và thực hiện các nghiên cứu – thí nghiệm trên
mô hình
Trong việc hoàn thành luận văn tôi luôn nhận được sự giúp đỡ và phối hợp
của các thầy giáo Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng Viện cơ khí động lực trường
Đại học bách khoa Hà nội, đặc biệt là thầy Đinh Ngọc Ân và các nhân viên
của công ty cổ phần thiết bị và phát triển công nghệ ACT, phòng sản xuất

Công ty Toyota Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để cho tôi hoàn
thành bản luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với sự giúp đỡ và phối
hợp trên!

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


3

Mặc dù đã hết sức cố gắng, song bản luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi
sai sót và hạn chế. Tác giả luận văn luôn trân trọng những góp ý quý báu của
các thầy giáo, các đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thiện hơn.

Tác giả

Nguyễn Trọng Khoa

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


4

PHẦN 1 - TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG LÁI

1.1.1 - Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới.

Hiện nay, trên thế giới cùng với sự phát triển của các ngành khoa học
công nghệ khác như vô tuyến điện tử, chế tạo máy với các bộ phận điều khiển
tinh vi, các rôbốt công nghiệp thế hệ thông minh, ngành tin học, ngành chế
tạo ôtô đang có những bước tiến lớn với sự ứng dụng công nghệ tin học, điều
khiển, khoa học mô phỏng, vật liệu mới.
Ôtô ngày nay được sử dụng ở tốc độ cao, vấn đề an toàn chuyển động
ngày càng được các nhà khoa học công nghệ của các trung tâm khoa học tại
các nước có nghành công nghiệp ôtô hoàn chỉnh như Mỹ, Tây Âu và Nhật
Bản đầu tư nghiên cứu. Trong cấu tạo ôtô, hai hệ thống được coi là quan trọng
nhất đảm bảo an toàn chuyển động là hệ thống lái (HTL) và hệ thống phanh
(HTP).
Trong những năm gần đây đã có hàng trăm các công trình khoa học được
công bố nhằm hoàn thiện HTL, các công trình chủ yếu tập trung trong lĩnh
vực động học và động lực học của HTL bốn bánh- 4WS (Four Wheel
Steering) nhằm tăng tính cơ động và hoàn thiện tính điều khiển của HTL. Tác
giả Samkr Moham USA gần đây vào tháng 6 năm 2000 đã công bố trong
công trình về loại xe có hệ thống lái ở cả 4 bánh (All Wheel Driver ). Nhiều
nhà khoa học Đức cũng tập trung nghiên cứu về hệ thống điều khiển cho các
loại xe có HTL 4WS. Những trung tâm khoa học công nghệ lớn như ở Mỹ,
Tây Âu và Nhật Bản hiện đang có nhiều nỗ lực nghiên cứu về vấn đề tự động
điều khiển HTL, đó là những công trình nghiên cứu lớn với sự nỗ lực của
hàng trăm nhà khoa học hàng đầu thế giới. Hãng Mereedes cũng đã trình diễn
loại xe với HTL tự động, trong tương lai sẽ được ứng dụng để sử dụng trên

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


5

các loại đường thông minh. Để tăng tính điều khiển và tiện nghi cho việc
hoàn thiện HTL, các nhà khoa học cũng đã đi sâu vào việc chế tạo các bộ
cường hoá tích cực PPS (Progressive Power Steering) để đảm bảo cảm giác
của người lái với mặt đường, tăng tính điều khiển cuả HTL khi xe chạy ở tốc
độ cao, đặc biệt là các xe thế hệ mới được sử dụng ở tốc độ cao hơn 100km/h.
Những nhà công nghệ cũng luôn tiến tới những kết cấu mới cho HTL như
việc phát triển các cơ cấu điều khiển góc đặt trục lái và vô lăng TS (Tilt
Steering), cùng với ghế ngồi người lái có thể điều chỉnh theo 3 chiều nhằm bố
trí vị trí người điều khiển một cách thuận tiện nhất. Xu thế chung của các
trung tâm công nghiệp ôtô lớn trên thế giới là nghiên cứu HTL tích cực nhằm
sử dụng các thành tựu về điện, điện tử ứng dụng, các thành tựu về tin học để
kiểm soát được các tính năng của HTL và đảm bảo các chế độ hoạt động của
chúng ở chế độ tối ưu. Như vậy có thể thấy rằng HTL với chức năng đảm bảo
tính dẫn hướng đang được các nhà khoa học hàng đầu thế giới tập trung
nghiên cứu với nhiều nỗ lực lớn. Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào các nội
dung sau:
• Nghiên cứu động học HTL thông qua mối tương quan hình học các khâu
độc lập từ đó xác định sự thay đổi động học các khâu, kết luận khả năng
sử dụng của các HTL khác nhau trên xe.
•

Xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính toán khả năng áp dụng các
hệ thống trợ lực để điều khiển lái

• Xây dựng các mô hình động học HTL trong những giả thiết cơ học cho
sát với điều kiện thực tế từ đó nghiên cứu tính năng điều khiển ôtô.
• Nghiên cứu các hệ thống lái có điều khiển Điện – Thủy lực hoặc điện
điện tử
• Nghiên cứu các hệ thống lái tự động

Sau đây là một số công trình tiêu biểu nhất:

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


6

+ Công trình của giáo sư Lưxốp Maxcowva 1972 sử dụng phương pháp
thực nghiệm để nghiên cứu xác định động học, động lực học HTL. Giáo sư đã
sử dụng các thiết bị thí nghiệm xác định trên một số HTL cụ thể để đánh giá
các thông số HTL như độ nhạy nhẹ của cơ cấu lái gồm có lực trên vòng tay
lái, lực trong các phần tử dẫn động lái, lực cản quay vòng của bánh xe dẫn
động lái, xác định ma sát và hệ số hiệu dụng, xác định cơ cấu lái về độ mòn,
độ mỏi.v.v..
+ B.Ф. poдuonob và M.Фuttepman Maxcơva 1980 sử dụng hai phương
pháp đồ thị và phương pháp đại số để nghiên cứu xác định động học HTL
Giáo sư đã sử dụng các thông số hình học chọn lựa của HTL và hệ thống treo
phía trước cần phải phù hợp trong quan hệ với sự biến đổi của góc nghiêng
dọc của trục đứng, của góc nghiêng ngoài của bánh xe, của góc chụm bánh
xe, và độ chuyển dịch ngang của tiếp điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường
khỏi vị trí thiết kế tuỳ theo vị trí bánh xe trên chiều cao đối với phần treo của
ôtô, cũng như trong quan hệ phụ thuộc vào góc quay bánh xe ngoài đối với
góc quay bánh xe trong. Ngoài ra còn phải tính đến cả góc nghiêng ngang của
trục đứng, nó có ý nghĩa đáng kể đối với độ ổn định chuyển động của ôtô, vì
sự thay đổi của nó tương ứng gần chính xác với sự thay đổi góc nghiêng ngoài
của bánh xe. Những sự phụ thuộc này được xác định bằng phương pháp đồ thị
hoặc phương pháp giải tích. Phương pháp đồ thị rõ ràng, trực quan, nhưng rất
tốn công sức và do đó độ chính xác của kết quả thu được phụ thuộc vào sự

cẩn thận khi thực hiện và các thiết bị vẽ hiện có. Vì vậy phương pháp đồ thị
chỉ dùng trong các sơ đồ động học đơn giản và xác định những phụ thuộc đơn
lẻ. Phương pháp giải tích được sử dụng đặc biệt hợp lý khi có khả năng dùng
máy tính. Cả trong những trường hợp phức tạp nhất sau khi đã đưa ra được
những sự phụ thuộc giải tích cần thiết, phương pháp này cho ta khả năng lập
chương trình cho máy tính và sẽ thu được lời giải điển hình cho một vị trí và

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


7

dễ dàng thực hiện các tính toán như vậy cho các vị trí tiếp theo của bánh xe,
cho một hoặc một số giá trị của các thông số hình học.
1.1.2- Tình hình nghiên cứu trong vùng Asean và trong nước
Nhờ sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật, trên thế giới đã có nhiều
công trình nghiên cứu về HTL trợ lực thuỷ lực và đưa vào ứng dụng có hiệu
quả, ngày càng được cải tiến và tối ưu hoá qúa trình điều khiển của hệ thống.
Theo đó, nội dụng chương trình và công nghệ chế tạo mô hình phục vụ cho
việc giảng dạy và nghiên cứu cũng được làm tốt.
Trong công tác nghiên cứu những năm gần đây cũng đã có một số cán bộ
khoa học công nghệ đi sâu nghiên cứu các hệ thống ôtô 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,
Simulik... trong quá trình nghiên cứu ôtô. Ở Việt Nam chúng ta đang ở trong
giai đoạn xây dựng nền công nghiệp ôtô ở giai đoạn lắp ráp CKD và tiến hành
chương trình nội địa hóa các cụm chi tiết và phụ tùng ôtô xe máy. 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.
TS Nguyễn Khắc Trai trong luận án của mình cũng nghiên cứu sâu về lý
thuyết quay vòng. Thạc sỹ Nguyễn Xuân Châu đã bảo vệ thành công luận văn
Thạc sỹ với đề tài cơ cấu lái đặc biệt cho người tàn tật tại Xemina 12/2000.
TS Nguyễn Xuân Thiện và TS Lê Hồng Quang trong khuôn khổ đề tài nhà
nước KHCN-05-09 đã thử nghiệm thành công bộ trợ lực lái thuỷ lực do Việt
Nam chế tạo áp dụng cho xe xích T55. TS Nguyễn Thanh Quang với đề tài
nghiên cứu động học, động lực học và độ bền HTL trên xe Mêkông Star. Thạc
sỹ Vũ Cao Điền với đề tài tính toán ổn định lật cho xe tải nhỏ bằng đồ thị quỹ
đạo pha của HTL. Thạc sỹ Nguyễn Hồng Vũ với đề tài tính toán động lực học
quay vòng cho bánh xe dẫn hướng...

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


8

Trong thời gian qua, việc giảng dạy về HTL có trợ lực thuỷ lực 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 có trợ lực thuỷ lực 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 hiện nay về HTL có trợ lực thuỷ lực.
Các đề tài nghiên cứu về HTL có trợ lực ở trong nước những năm gần đây
chưa có một đề tài nghiên cứu hoàn chỉnh về ảnh hưởng của các yếu tố góc
đặt của bánh xe dẫn hướng và ảnh hưởng của sự thay đổi tải trọng cũng như
thay đổi các chế độ điều khiển khác nhau.
1.2- MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỂ TÀI

1.2.1- Mục tiêu nghiên cứu của luận văn.
Nhiệm vụ chính được đặt ra của đề tài là nghiên cứu cơ bản lý thuyết điều
khiển lái có trợ lực và chế tạo mô hình HTL có trợ lực bằng điện – điện tử và
đánh giá các quá trình điều khiển ở các chế độ khác nhau. Trên cơ sở các cụm
thiết bị sẵn có của hệ thống lái xe TOYOTA COROLA 1.8.

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


9

Nội dung của luận văn còn có thể dùng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu
cho các đối tượng là sinh viên, học sinh chuyên ngành cơ khí ô tô của các
trường đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp và có thể làm tài liệu tham
khảo cho cán bộ, công nhân kỹ thuật chuyên ngành.
Mô hình được chế tạo từ đề tài có thể dùng để giảng dạy về hệ thống lái trợ
lực điện – điện tử và có thể phục vụ cho việc nghiên cứu nâng cao về điều
khiển lái tự động ( không người lái).

1.2.2 – Nội dung luận văn
Nội dung luận văn gồm 3 phần chính:
+ Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống lái: Mối quan hệ giữa tải trọng và các
mômen, lực trong hệ thống lái; Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp điều
chỉnh. Lý thuyết và các giải pháp kỹ thuật điều khiển trợ lực lái
+ Xây dựng mô hình hệ thống lái để có thể thực hiện các nghiên cứu và điều
khiển trợ lực lái. Thí nghiệm và đánh giá kết quả.
+ Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống lái trợ lực điện - điện tử.
1.2.3 – Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình, đánh giá các kết quả và đưa ra các
kiến nghị.

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


10

PHẦN 2 – CƠ SỞ LÝ LUẬN
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI
1.1 – TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC

Hình 1.1. Tổng quan hệ thống lái
1- Vành tay lái
2- Trục lái
3- Cơ cấu lái

4- Dẫn động lái (gồm các đòn dẫn động từ cơ
cấu lái đến trục quay đứng của bánh xe)

5- Bánh xe dẫn hướng

Về cơ bản, hệ thống lái gồm 5 cụm chính nêu trên; Các hệ thống lái trợ lực có
thêm các cụm khác như:
- Bơm trợ lực, van trợ lực, xi lanh trợ lực, van điều khiển chế độ trợ lực...
( Đối với hệ thống lái trợ lực thủy lực hoặc trợ lực Điện -Thủy lực)
- Mô tơ trợ lực, các cảm biến, ECU trợ lực lái... ( đối với hệ thống lái trợ lực
điện – điện tử).

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


11

Hệ thống lái là một cơ cấu chịu tác động từ 2 phía: Người lái, tải trọng xe đặt
trên các bánh xe dẫn hướng và các lực cản từ mặt đường.
Tải trọng tác dụng từ mặt đường qua bánh xe dẫn hướng lên HTL gồm có
lực cản chuyển động, lực cản bên, lực cản ổn định. Sơ đồ lực tác dụng được
mô tả trên hình 1.2

Hình 1.2. Sơ đồ tải trọng tác dụng lên hệ thống lái
Ff – Lực cản chuyển động; Fb- Lực cản bên; FG- Lực cản ổn định
Mc=(Ff+Fb+FG)*a – Mô men cản tổng cộng trên trục đứng.
a- Cánh tay đòn lăn của bánh xe dẫn hướng;
Rlbx – Bán kính lăn bánh xe dẫn hướng; ϕ - Hệ số bám
Trong các tính toán HTL, để đơn giản người ta đưa ra các giả thiết sau:
• Bỏ qua ảnh hưởng đàn hồi và khối lượng lốp xe ( lốp xe cứng tuyệt đối)
• Bỏ qua các thành phần ma sát trong các khớp và trong hệ thống.

• Không có ảnh hưởng của các phần tử đàn hồi (cao su, nhựa) trong

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


12

•

HTL ( Hệ thống lái)

• Mô men quay vành tay lái Mvl với tốc độ quay đều.
• Cánh tay đòn lăn a của hai bên là như nhau.
• Giá treo dưới của hệ thống treo được gắn chặt với chassis.
HTL chịu tải nặng nhọc nhất khi xe đầy tải, đứng tại chỗ, quay hết vành tay
lái trên mặt đường nhựa khô có hệ số bám lớn nhất. Mô men cản quay vòng
do các thành phần lực cản từ mặt đường gây nên quy về hai bên trục quay
đứng được tính bởi công thức 1-1:
Mc= 2(M1+M2+M3+M4)
Trong đó: M1=G1*f*a
M2=0.14*G1*ϕ*Rlbx

(1-1)
Mô men cản chuyển động quay bánh xe
Mô men cản bên

M3=FG*a*4(sin(ξ)+sin(β)) Mô men cản ổn định
Trong công thức, thành phần M3 được đặc trưng bởi hệ số χ =1.07-1.15

M4=Fp*a

Mô men cản do lực phanh Fp
Khi xe đứng yên, M4=0

ηhtl=ηk*ηt

ηk=0.6 Hiệu suất dẫn động lái
ηt=0.9 Hiệu suất khớp truyền lực

Trong đó ξ là góc tổng cộng của trục đứng và góc nghiêng bánh xe dẫn
hướng trong mặt phẳng ngang.
Khi đó ta có:
Mc= 2(M1+M2)*χ/ηhtl

(1-2)

Trong thực tế, cánh tay đòn lăn a sẽ thay đổi trong quá trình đánh lái. Việc
tính toán khoảng cách a và xét đến ảnh hưởng của các trọng lực và mô men
quán tính rất phức tạp, tuy nhiên nhờ việc ứng dụng tin học để tính toán các
thông số này sẽ đơn giản hơn, giảm thời gian đi nhiều và có độ chính xác cao.
Mô phỏng vết tiếp xúc mặt của bánh xe với mặt đường bởi một liên kết phẳng

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


13

ba bậc tự do với 3 điểm liên kết trong đó hai điểm nằm trên lốp và một điểm
nằm trên mặt đường.
Khi không có trợ lực, để thắng được lực ở hai bên bánh xe, lực lái trên vành
tay lái có giá trị:
Pvl=2Mc/ih*ηhtl*Rvl

(1-3)

Khi có trợ lực, mô men cường hoá được tính bởi công thức sau:
Mch= Pch*R0

(1-4)

Trong đó: Mch là mô men cường hoá; R0 chiều dài cánh tay đòn dẫn động;
Pch là lực cường hoá.
Như vậy, trong điều kiện nặng nhọc nhất, để thắng được lực cản từ mặt
đường lên bánh xe dẫn hướng trong quá trình lái xe, lực lái cực đại trên vô
lăng phải thoả mãn điều kiện sau:
Md ≥ Mc

(1-5)

Trong đó: Md là mô men quay trục quay đứng được quy về cơ cấu lái và
được xác định bởi công thức sau:
Md=ML+Mch

(1-6)

Trong đó: ML mô men của người lái xe quay vành tay lái, phụ thuộc vào
trạng thái, tâm lý của người lái và kết cấu của HTL.

Mch là mô mên trợ lực lái. Khi HTL không có trợ lực thì
Mch = 0 và Md = ML
Ngoài ra, các trọng lực, mô men quán tính có sẵn không biến đổi phụ thuộc
vào khối lượng và gia tốc đánh lái.
Thông số quan trọng để đánh giá chất lượng HTL là lực lái trên vành tay
lái. Lực lái (PL) do người lái sinh ra đủ lớn để quay vành tay lái, thắng được
các thành phần lực cản truyền từ mặt đường thông qua các bánh xe dẫn hướng
bên trái và bên phải và các khâu khớp, kết quả là bánh xe sẽ quay xung quanh
trục quay đứng theo hướng mong muốn của người lái xe. Giá trị lực lái không

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


14

lớn vượt quá sức con người nhưng không được quá nhỏ nhằm cảm giác được
sự bám của bánh xe dẫn hướng với mặt đường, đặc biệt khi xe chạy ở tốc độ
cao trên đường có hệ số bám thấp.
Độ nhậy của HTL được dánh giá bằng thời điểm quay vành tay lái để bánh
xe dẫn hướng quay theo ý muốn. HTL có độ nhậy tốt nhất nếu thời gian chậm
tác dụng từ vành tay lái tới bánh xe dẫn hướng (độ rơ tổng thể νTT) là nhỏ
nhất
Thông thường hai thông số này được cho từ nhà thiết kế chế tạo đối với các
xe đời mới, nhưng để đánh giá được các chỉ tiêu tại thời điểm sử dụng ta cần
dựa trên các kết quả thực nghiệm.
Xét trên cấu trúc cơ bản hệ thống lái với 5 phần tử có thể xây dựng mô hình
toán học của hệ thống như sau:

Hình 1.3 Mô hình toán học của hệ thống lái
Trên mô hình toán học có thể thấy: Lực cản quay vòng bánh xe bên trái và
bên phải Pc1 và Pc2 khác nhau, được khắc phục nhờ tác động của lực P1 lực
của người lái tác động lên vô lăng 1 và thông qua vô lăng lực này được
chuyển đổi thành mô men M1 trên trục lái. Từ M1, thông qua cơ cấu lái được
chuyển đổi thành lực P2 trên ngõng lái (hoặc thanh răng) và truyền qua các
thanh dẫn động lái tới trục quay đứng bánh xe, chia ra lực P3-1 và P3-2 làm
quay các bánh xe 5a và 5b để thắng các lực cản quay vòng Pc1 và Pc2.
Về mặt lý thuyết thì P3-1 và P3-2 bằng nhau. Tuy nhiên, trên thực tế 2 bánh
xe trái và phải quay với 2 góc khác nhau để tâm quay quay quanh 1 điểm O

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


15

(Hình 1-3). Nếu 2 bánh xe quay cùng một góc thì sẽ sảy ra hiện tượng trượt
bên lớn của bánh xe phía trong cung quay vòng (Hình 1.4).
Vì vậy khi quay vòng bánh xe phía trong cung quay vòng thường vừa phải
lăn vừa quay và trượt nên P3-1 và P3-2 khác nhau.
1.2. CÁC TRẠNG THÁI QUAY VÒNG CỦA XE.
Bán kính quay vòng là góc quay của bánh xe phía trước bên trái và bên phải
khi chạy trên đường vòng. Với góc quay của các bánh xe bên phải và bên trái
khác nhau, phù hợp với tâm quay của cả bốn bánh xe thì độ ổn định của xe
chạy trên đường vòng sẽ tăng lên. Ví dụ, đối với loại hệ thống lái có thanh nối
đặt phía sau trục lái, nếu các đòn cam lái được đặt song song với đường tâm
xe, thì góc lái của bánh xe bên phải và bên trái bằng nhau (a=b), và mỗi bánh
xe sẽ quay quanh một tâm quay khác nhau (O1 và O2), mặc dù chúng có bán

kính quay bằng nhau (r1=r2) Hình 1.4.

Hình 1.4 Bán kính quay vòng bánh xe

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


16

Vì vậy, sẽ xuất hiện sự trượt bên ở một trong hai bánh xe. Tuy nhiên, nếu đòn
cam lái nghiêng đi so với đường tâm xe, các bánh xe bên phải và bên trái sẽ
có góc quay khác nhau (aquay khác nhau (r1>r2) để quay quanh cùng một tâm (O), nhờ thế mà có được
góc lái đúng.
Sự chuyển động và thay đổi hướng chuyển động của xe trên đường là quá
trình phức tạp. Nếu cho xe chuyển động trên đường vòng với tốc độ thấp thì
ứng với mỗi vị trí góc quay của vành tay lái nhất định θvl, thì xe sẽ quay vòng
với một bán kính quay vòng R0 tương ứng. Trạng thái quay vòng này có thể
coi là trạng thái quay vòng tĩnh và được gọi là quay vòng đủ.
Trong thực tế xe thường chuyển động ở tốc độ lớn, do vậy quá trình quay
vòng là động, trạng thái quay vòng đủ ít xảy ra mà thường gặp là trạng thái
quay vòng thiếu và quay vòng thừa xẩy ra trên cơ sở của việc thay đổi tốc độ
chuyển động, sự đàn hồi của lốp và hệ thống treo.
Khi quay vòng thiếu, để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R0 thì
người lái phải tăng góc quay vành lái một lượng θvl và khi quay vòng thừa, để
thực hiện quay vòng xe theo bán kính R0 thì người lái phải giảm góc quay
vành lái một lượng θvl. Hình 1.5
Trạng thái quay vòng thừa và trạng thái quay vòng thiếu là những trạng

thái quay vòng nguy hiểm. Chúng làm mất tính ổn định và tính điều khiển của
xe vì nó làm gia tăng lực ly tâm (vận tốc quay vòng của xe tăng kéo theo lực
ly tâm khi quay vòng tăng ), ở những trạng thái này đòi hỏi người lái phải có
kinh nghiệm xử lý tốt. Hình 1.5
Vấn đề chất tải, độ đàn hồi của lốp có ảnh hưởng ở mức độ nhất định tới
tính năng quay vòng và tính an toàn chuyển động của xe ôtô và máy kéo bánh
bơm, đặc biệt là những xe có vận tốc lớn.

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


17

Trạng thái quay vòng là một khái niệm lý thuyết song nó gắn chặt với tính
an toàn chuyển động và tính điểu khiển của xe. Do vậy cần thiết phải hiểu rõ
kết cấu của hệ thống lái.

O
Tr¹ng th¸i quay vßng "thõa"
Rqv O
Rqv
R0

Tr¹ng th¸i quay vßng "thiÕu "
Rqv >R0
O
O

R0
Rqv

`

Hình 1.5-Các trạng thái quay vòng của xe.
1.3 . CÁC YẾU TỐ KẾT CẤU VÀ SỬ DỤNG ẢNH HƯỞNG TỚI LỰC LÁI, TÍNH
NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ TÍNH NĂNG DẪN HƯỚNG CỦA HỆ THỐNG LÁI

Từ hai công thức 1-5 và 1-6 chỉ ra rằng năng lượng của người lái xe được
giới hạn bởi hai đường cong của mô men cản tổng cộng Mc và mô men cản
trợ lực Mch:
ML=Md – Mch ≥ Mc – Mch

(1-7)

Với những thông số động học chuẩn của HTL thì đây được coi là vùng ổn
định năng lượng lái. Năng lượng lái yêu cầu của HTL không được vượt quá
sức của con người và không có dao động lớn xung quanh đường cong chuẩn
trong quá trình đánh lái. Các thông số động học của HTL gồm độ chụm bánh
xe dẫn hướng, góc nghiêng bánh xe dẫn hướng và góc nghiêng trục đứng.
1.3.1 - Các góc đặt bánh xe

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


18

Việc bố trí các bánh xe dẫn hướng liên quan trực tiếp tới tính điều khiển
xe, tính ổn định chuyển động của ôtô. Các yêu cầu chính của việc bố trí là
điều khiển chuyển động nhẹ nhàng, chính xác đảm bảo ổn định khi đi thẳng
cũng như khi quay vòng, kể cả khi có sự cố ở các hệ thống khác. Đối với xe
con yêu cầu này ngày càng được quan tâm và được nâng cao hơn vì vận tốc
của xe không ngừng được nâng lên. Trên cầu dẫn hướng các bánh xe dẫn
hướng được bố trí và quan tâm thích đáng. Ở các bánh xe không dẫn hướng
thì việc bố trí cũng đã được chú ý, song bị hạn chế bởi giá thành chế tạo và sự
phức tạp của kết cấu nên việc bố trí vẫn được tuân thủ theo các điều kiện
truyền thống.
Ôtô có thể chuyển động mọi hướng bằng sự tác động của người lái quanh vô
lăng. Tuy nhiên, nếu ôtô ở trạng thái đi thẳng mà người lái vẫn phải tác động
liên tục lên vô lăng để giữ xe ở trạng thái chạy thẳng, hay người lái phải tác
dụng một lực lớn để quay vòng xe thì sẽ gây sự mệt mỏi và căng thẳng về cả cơ
bắp lẫn tinh thần khi điều khiển xe. Đó là điều không mong muốn, vì vậy để
khắc phục được các vấn đề nêu trên thì các bánh xe được lắp vào thân xe với các
góc nhất định tuỳ theo yêu cầu nhất định đối với từng loại xe và tính năng sử
dụng của từng loại. Những góc này được gọi chung là góc đặt bánh xe.
Việc điều khiển xe sẽ trở nên dễ dàng hơn nếu các bánh xe được đặt theo
một góc một cách chính xác theo yêu cầu thiết kế. Các góc đặt bánh xe đúng
sẽ ngăn cản việc mài mòn lốp. nếu như các góc đặt bánh xe không đúng thì có
thể dẫn đến các hiện tượng sau:
+ Khó lái.
+ Tính ổn định lái kém .
+ Trả lái trên đường vòng kém .
+ Tuổi thọ lốp giảm ( mòn nhanh).
Góc đặt bánh xe gồm các góc sau:

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


19

+ Góc Camber ( góc nghiêng ngang của bánh xe ).
+ Góc Caster và khoảng Caster (Góc nghiêng dọc của trụ đứng và chế độ
lệch dọc).
+ Góc Kingpin (Góc nghiêng ngang trụ đứng).
+ Độ chụm và độ mở (góc doãng).
Các góc này được mô tả trong hình 1-6

Hình 1.6 Các góc đặt của bánh xe dẫn hướng
1.3.2 Góc Camber ( góc nghiêng ngang của bánh xe ).
Góc tạo bởi đường tâm của bánh xe dẫn hướng ở vị trí thẳng đứng với
đường tâm của bánh xe ở vị trí nghiêng được gọi là góc CAMBER, và đo
bằng độ. Khi bánh xe dẫn hướng nghiêng ra ngoài thì gọi là góc
“CAMBER dương”, và ngược lại gọi là góc ”CAMBER âm”. Bánh xe
không nghiêng thì CAMBER bằng không (bánh xe thẳng đứng ).

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


20

Hình 1.7. Góc CAMBER.
Chức năng của góc CAMBER:

Những năm về trước bánh xe được đặt với góc CAMBER dương để cải
thiện độ bền của cầu trước và để các lốp tiếp xúc vuông góc với mặt đường
(do trọng lượng của xe ) nhằm ngăn ngừa sự mòn không đều của lốp trên
đường, do có phần giữa cao hơn hai bên.
Góc camber còn đảm bảo sự lăn thẳng của các bánh xe, giảm va đập của
mép lốp với mặt đường. Khi góc CAMBER bằng không hoặc gần bằng
không có ưu điểm là khi đi trên đường vòng bánh xe nằm trong vùng có
khả năng truyền lực dọc và lực bên tốt nhất.
Góc CAMBER ngăn ngừa khả năng bánh xe bị nghiêng theo chiều
ngược lại dưới tác động của trọng lượng xe do các khe hở và sự biến dạng
trong các chi tiết của trục trước và hệ thống treo trước. Đồng thời giảm

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa


21

cánh tay đòn của phản lực tiếp tuyến với trục trụ đứng, để làm giảm mômen
tác dụng lên dẫn động lái và giảm lực lên vành tay lái.
Khi chuyển động trên đường vòng, do tác dụng của lực ly tâm thân xe
nghiêng theo hướng quay vòng, các bánh xe ngoài nghiêng vào trong, các
bánh xe trong nghiêng ra ngoài so với thân xe. Để các bánh xe lăn gần
vuông góc với mặt đường để tiếp nhận lực bên tốt hơn, trên xe có tốc độ
cao, hệ thống treo độc lập thì góc CAMBER thường âm.

Hình 1.8. Mô tả ảnh hưởng lực đẩy ngang đối với góc camber âm.
Khi tải trọng thẳng đứng tác dụng lên một bánh xe nghiêng thì sẽ sinh ra
một lực theo phương nằm ngang. Lực này được gọi là “ lực đẩy ngang”. Nó

tác động theo chiều vào trong khi bánh xe có camber âm, và theo chiều ra
ngoài xe khi có camber dương.
Khi xe chạy trên đường vòng, vì xe có xu hướng nghiêng ra phía ngoài,
nên camber của lốp xe trở nên dương hơn, và “lực đẩy ngang” về phía
trong xe cũng giảm xuống, lực quay vòng cũng bị giảm xuống.
Góc camber âm của bánh xe giữ cho bánh xe không bị nghiêng dương khi
chạy vào đường vòng và duy trì lực quay vòng thích hợp.

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Trọng Khoa