Nghiên cứu hệ thống lái trợ lực thuỷ lực với các chế độ điều khiển khác nhau
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.5 MB, 94 trang )
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 THUỶ LỰC
VỚI CÁC CHẾ ĐỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU
NGÀNH : CÔNG NGHỆ ÔTÔ
MÃ SỐ : 04.06
NGUYỄN CHÍ THANH
Người hướng dẫn khoa học: TS ĐINH NGỌC ÂN
HÀ NỘI - 2007
M ỤC L ỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................
1
Chương 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu ...................................
3
1-1 Đặt vấn đề.........................................................................................
3
1-2 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới...........................
5
1-3 Tình hình nghiên cứu trong vùng ASEAN và trong nước................
8
1-4 Lý do chọn đề tài..... .......................................................................... 9
1-5 Mục tiêu của đề tài............................................................................ 10
1-6 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài........................ .............. 10
Chương 2: Cơ sở lý luận về hệ thống lái................................................. 12
2-1 Mô hình hệ thống lái......................................................................... 12
2-2 Các trạng thái quay vòng của xe....................................................... 13
2-3 Phân loại hệ thống lái........................................................................ 16
2-4 Yêu cầu của hệ thống lái................................................................... 17
2-5 Sơ đồ hệ thống lái tổng quát............................................................. 18
2-6 Sơ đồ tải trọng tác động lên hệ thống lái.......................................... 19
2-7 Các yếu tố về kết cấu và sử dụng ảnh hưởng tới lực lái,
tính năng ổn định và tính năng dẫn hướng của hệ thống lái.................. 22
Chương 3: Hệ thống lái có trợ lực........................................................... 36
3-1 Tổng quan về hệ thống lái................................................................. 36
3-2 Cấu trúc và các giải pháp điều khiển các HTL có trợ lực................. 36
Chương 4: Xây dựng mô hình HTL có trợ lực........................................ 50
4-1 Mục đích xây dựng mô hình............................................................. 50
4-2 Thiết kế khung của mô hình.............................................................. 51
4-3 Thiết bị thử nghiệm và chuẩn định................................................... 53
Chương 5: Thí nghiệm............................................................................ 62
5-1 Quy trình thí nghiệm và các kết quả thí nghiệm............................ 63
5-2 Đánh giá kết quả thí nghiệm........................................................... 69
KẾT LUẬN........................................................................................... 70
Phụ lục 1: Các loại van trợ lực và các phương pháp điều
chỉnh gócđặt bánh xe
Phụ lục 2: Các góc đặt bánh xe dẫn hướng của các hãng xe
và kiểu xe đời xe đang sử dụng
Luận văn thạc sỹ
1
Nguyễn Chí Thanh
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của ngành công nghiệp ôtô của Việt Nam như hiện nay,
cùng với chiến lược phát triển của nhà nước về chính sách nội địa hoá phụ
tùng ôtô đã tạo điều kiện cho các nhà thiết kế nghiên cứu, chế tạo các cụm,
các hệ thống trên ôtô trong nước trong đó có hệ thống lái . Vấn đề nghiên cứu
hệ thống lái có trợ lực bằng thuỷ lực với các chế độ điều khiển khác nhau là
phù hợp với xu hướng phát triển của thế giới và chủ trương nội địa hoá sản
phẩm ô tô của Việt Nam.
Là một cán bộ giảng dạy nhiều năm ở một trường Cao đẳng chuyên nghiệp
với chuyên ngành ôtô, để dáp ứng yêu cầu giảng dạy và nghiên cứu khoa học
của cán bộ giáo viên, sinh viên nhà trường cùng các cán bộ kỹ thuật chuyên
ngành ôtô, tôi chọn đề tài:
“Nghiên cứu hệ thống lái có trợ lực bằng thuỷ lực với các chế độ điểu
khiển khác nhau ”
Đề tài này là một mảng các vấn đề liên quan đến hệ thống thuỷ lực và
điện thuỷ lực, có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau. Trong phạm vi luận văn
thạc sỹ, nội dung nghiên cứu của đề tài chỉ giới hạn ở các phần sau đây:
1- Nghiên cứu các lý thuyết và ứng dụng các hệ thống lái trợ lực thuỷ lực
trên xe ôtô.
2- Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái trợ lực thuỷ lực.
3- Tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu trên mô hình với các chế độ điều
chỉnh và điều khiển khác nhau, trên cơ sở đó đánh giá các yếu tố ảnh hưởng
đến hệ thống lái.
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm cơ sở lý thuyết cho việc nghiên cứu
về tính hiệu quả của hệ thống lái có trợ lực bằng thuỷ lực và quá trình giảm
lực tác động lên vòng tay lái trong quá trình điều khiển động học của ôtô,
Luận văn thạc sỹ
2
Nguyễn Chí Thanh
phục vụ cho công tác giảng dạy, bảo dưỡng điều chỉnh hệ thống lái và nghiên
cứu khác về lái.
Đề tài nghiên cứu đã nhận được sự động viên, cổ vũ và sự chỉ bảo tận tình
của Thày TS Đinh Ngọc Ân và các Thày trong bộ môn Ôtô và xe chuyên
dụng Viện cơ khí Động lực Trường ĐHBK Hà Nội cùng các đóng góp ý kiến
của các bạn đồng nghiệp. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự gúp đỡ quý báu đó để
bản luận văn của tôi hoàn thành và đạt kết quả
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2007
Tác giả
Nguyễn Chí Thanh
3
Luận văn thạc sỹ
Nguyễn Chí Thanh
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1- ĐẶT VẤN ĐỀ:
Với các chính sách ưu tiên phát triển ngành công nghiệp ôtô của nước
ta, bước đầu nội địa hóa các chi tiết, các cụm chi tiết và các hệ thống trên ôtô.
Để có thể nội địa hoá một phần hay hoàn toàn ôtô trong tương lai cần phải có
những đầu tư nghiên cứu một cách kỹ lưỡng. Trên thực tế hiện nay, một số
chi tiết trên ôtô đã được nội địa hoá nhưng phần lớn các chi tiết này không
quan trọng và chủ yếu là làm theo mẫu đặt hàng. Để có thể nội địa hoá các chi
tiết, cụm chi tiết hay cả một hệ thống đòi hỏi phải có những nghiên cứu cả về
lý thuyết cũng như ứng dụng thực tế.
Hệ thống lái (HTL) là cơ cấu an toàn của ô tô, dùng để điều khiển
hướng chuyển động của ô tô theo ý muốn của người lái xe như vòng phải,
vòng trái đi thẳng. Nó là một trong những cụm tổng thành chính và đóng vai
trò quan trọng trong việc điều khiển ô tô trên đường.
Chất lượng của một HTL trên ô tô được đánh giá thông qua tính toán
về động học quay vòng, góc đặt của bánh xe dẫn hướng, lực đặt vào vòng tay
lái, đồng thời đảm bảo tính ổn định chuyển động của ô tô khi điều khiển. Đây
là vấn đề luôn được quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học, các
chuyên gia kỹ thuật trong ngành công nghệ ô tô. Nền công nghiệp ô tô đang
ngày càng phát triển mạnh, số lượng ô tô tăng nhanh, mật độ lưu thông trên
đường ngày càng lớn. Các xe ngày càng được thiết kế với công suất cao hơn,
tốc độ chuyển động nhanh hơn thì yêu cầu đặt ra với HTL ngày càng cao và
nghiêm ngặt hơn. Một ô tô có HTL tốt, có độ tin cậy cao thì mới có khả năng
phát huy hết công suất, xe mới có khả năng chạy ở tốc độ cao, tính năng kinh
tế nhiên liệu, tính an toàn và hiệu quả chuyển động của ô tô.
Luận văn thạc sỹ
4
Nguyễn Chí Thanh
Một vấn đề lớn và cũng là bài toán quan trọng cần phải giải quyết đối
với hoạt động của HTL, đó là khi ô tô thay đổi tải trọng, điều kiện mặt đường
khác nhau, góc đặt bánh xe khác nhau thì lực tác động lên vòng tay lái cũng
phải thay đổi sao cho người lái xe cảm nhận được và bỏ ra lực là nhỏ nhất.
Trong trường hợp khi xe đang quay vòng, hiện tượng trượt ngang của các
bánh xe dễ dẫn đến các hiện tượng quay vòng thiếu hay quay vòng thừa làm
mất ổn định khi xe quay vòng.
Để giải quyết bài toán về vấn đề hiệu quả và tính ổn định khi điều
khiển HTL, phần lớn các ô tô hiện nay đều được trang bị HTL có trợ lực thuỷ
lực. Ngày nay, HTL có trợ lực thuỷ lực đã giữ một vai trò quan trọng không
thể thiếu trong các xe ô tô hiện đại kể cả trên xe ô tô du lịch và xe ô tô tải đã
trở thành tiêu chuẩn bắt buộc đối với phần lớn các nước trên thế giới. ở thị
trường Việt Nam, ngoài một phần lớn các xe nhập cũ đã qua sử dụng, một số
loại xe được lắp ráp trong nước cũng đã trang bị hệ thống này. Ngoài ra các
nhà quản lý kỹ thuật và các chuyên gia đầu ngành cũng đề xuất đến vấn đề
ban hành các tiêu chuẩn quy định về việc sử dụng ô tô có trang bị HTL có trợ
lực thuỷ lực với các mốc thời gian cụ thể.
Để sử dụng và khai thác có hiệu quả tất cả các tính năng ưu việt của
HTL có trợ lực bằng thuỷ lực nói riêng và của ô tô nói chung, việc nghiên cứu
và nắm vững hệ thống này là cần thiết. Nội dung về HTL có trợ lực bằng thuỷ
lực đã được một số trường đại học, cao đẳng chuyên ngành, các trung tâm đào
tạo đưa vào nghiên cứu và giảng dạy trong nhiều năm qua. Nhưng nhìn
chung, hiệu quả chưa cao và có những khó khăn chung như: tài liệu tham
khảo về HTL trợ lực thuỷ lực cũng còn ít, thiếu tính hệ thống; các mô hình,
thiết bị về HTL có trợ lực bằng thuỷ lực để phục vụ cho công tác giảng dạy và
nghiên cứu vẫn còn ít, thiếu tính đồng bộ, chưa hoạt động hoàn thiện, chỉ đơn
thuần là một mô hình cấu tạo. Vì vậy, nội dung truyền đạt cho sinh viên về hệ
Luận văn thạc sỹ
5
Nguyễn Chí Thanh
thống này vẫn còn đơn điệu, nghiêng về cấu tạo và hoạt động đơn giản của hệ
thống, thiếu tính sinh động và tính tìm tòi sáng tạo của sinh viên. Đang có
một khoảng cách khá xa giữa thực tế bên ngoài và những gì giảng dạy trong
nhà trường.
Với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy, học tập và
nghiên cứu về hệ thống này, đề tài ‘Nghiên cứu hệ thống lái trợ lực thuỷ lực
với các chế độ điều khiển khác nhau’ đã được thực hiện với ba nhiệm vụ
chính:
- Thiết kế và chế tạo một mô hình HTL có trợ lực bằng thuỷ lực trên cơ
sở các thiết bị của một ô tô thật TOYOTA COROLA 1.8, để phục vụ cho
công tác giảng dạy, học tập và nghiên cứu của sinh viên chuyên ngành ô tô.
- Nghiên cứu về vấn đề trợ lực lái và các giải pháp điều khiển.
- Thí nghiệm và đánh giá một số chế độ điều khiển
1.2-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 rô bốt 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 ngành 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 .
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
Luận văn thạc sỹ
6
Nguyễn Chí Thanh
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
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
Steerig), 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 :
Luận văn thạc sỹ
7
Nguyễn Chí Thanh
• 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 HTL trên xe.
•
Xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính toán kết luận khả năng sử
dụng với từng HTL.
• 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.
Sau đây là một số công trình tiêu biểu nhất :
+ 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
Luận văn thạc sỹ
8
Nguyễn Chí Thanh
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 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.
1.3-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 IKD 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.
PGS 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
Luận văn thạc sỹ
9
Nguyễn Chí Thanh
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...
1.4 -LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:
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 sãn 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
Luận văn thạc sỹ
10
Nguyễn Chí Thanh
thay đổi lưu lượng của bơm dầu trợ lực lái tới lực quay vòng tay lái, khi có và
không có trợ lực thuỷ lực. Được sự ủng hộ của TS Đinh Ngọc Ân và Bộ môn
Ôtô Trường đại học Bách khoa Hà nội, đề tài nghiên cứu hệ thống lái trợ lực
thuỷ lực với các chế độ điều khiển khác nhau được chấp nhận là đề tài luận
văn Thạc sỹ khoa học.
1.5- MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI:
Nhiệm vụ chính được đặt ra của đề tài là nghiên cứu cơ bản lý thuyết
điều khiển lái có trợ lực thuỷ lực và chế tạo mô hình HTL có trợ lực bằng
thuỷ lưc để 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.
Mô hình phải hoạt động tốt, thể hiện rõ chức năng làm việc của HTL có
trợ lực thuỷ lực ở các chế độ điều khiển khác nhau và phục vụ tốt cho công
tác giảng dạy và nghiên cứu.
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.
1.6- GIỚI HẠN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:
1.6.1- Giới hạn phạm vị nghiên cứu.
Do hạn chế về thời gian và kinh phí, nên phạm vi của đề tài xin được
giới hạn ở ba nội dung (đã trình bày ở phần lời nói đầu)
- Nghiêncứư các lý thuyết và ứng dụng các hệ thống lái trợ lực trên xe ôtô.
- Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái trợ lực thuỷ lực.
- Tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu trên mô hình với các chế độ điều
chỉnh và điều khiển khác nháu, trên cơ sở đó đánh giá các yếu tố ảnh hưởng
đến hệ thống lái.
Luận văn thạc sỹ
11
Nguyễn Chí Thanh
1.6.2- Phương pháp nghiên cứu.
* Nghiên cứu lý thuyết về các mối quan hệ trong HTL và các yếu tố ảnh
hưởng đến HTL.
* Nghiên cứu các giải pháp điều khiển HTL trợ lực thuỷ lực.
* Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng mô hình
hoạt động của HTL có trợ lực bằng thuỷ lực và thử nghiệm quá trình điều
khiển của hệ thống trợ lực thuỷ lực khi thay đổi các thông số liên quan.
12
Luận văn thạc sỹ
Nguyễn Chí Thanh
CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ HỆ THỐNG LÁI
2.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI:
5
Hình 2-1 Tổng quan hệ thống lái
1. Vành tay lái
4. Cơ cấu lái
2. Trục lái
5. Bánh xe dẫn hướng
3. Dẫn động lái
Hệ thống lái thực tế ( Hình 2-1) có cấu trúc gồm 5 phần tử cơ bản :
1- Vô lăng ; 2- Trục lái ; 3- Cơ cấu lái ; 4- Dẫn động lái
5- Các bánh xe dẫn hướng
Ở các hệ thống lái có trợ lực còn có thêm các phần tử như :
+ Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực:
6- Xi lanh trợ lực; 7- Bơm trợ lực lái; 8- Van trợ lực; 9- Các đường ống
+ Hệ thống lái trợ lực điện:
6- Mô tơ trợ lực; 7- Cảm biến mô men trục lái ; 8- ECU điều khiển.
Luận văn thạc sỹ
13
Nguyễn Chí Thanh
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 2-2 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 Pc1và 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
(Hình 2-3). 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. (Hình 2-4).
2.2. CÁC TRẠNG THÁI QUAY VÒNG:
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
Luận văn thạc sỹ
14
Nguyễn Chí Thanh
kính quay bằng nhau (r1=r2) hình 2-3 . 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 (a
cùng một tâm (O), nhờ thế mà có được góc lái đúng.
Hình 2-4 Bán kính quay vòng bánh xe
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.
15
Luận văn thạc sỹ
Nguyễn Chí Thanh
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.
O
Tr¹ng th¸i quay vßng "thõa"
Rqv
Rqv
R0
Tr¹ng th¸i quay vßng "thiÕu "
Rqv >R0
O
O
R0
Rqv
Hình 2.4-Các trạng thái quay vòng của xe.
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 2-4)
Trạng thái quay vòng thừa (h ình 2-4) 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.
Luận văn thạc sỹ
16
Nguyễn Chí Thanh
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.
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 .
2.3. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG LÁI:
Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái ôtô:
* . Phân loại theo phương pháp chuyển hướng .
+Chuyển hướng hai bánh xe ở cầu trước (2WD).
+Chuyển hướng tất cả các bánh xe (4WD).
* . Phân loại hệ thống lái theo đặc tính truyền lực .
+Hệ thống lái cơ khí .
+Hệ thống lái cơ khí có trợ lực bằng thuỷ lực hoặc bằng khí nén.
+ Hệ thống lái cơ khí có trợ lực bằng điện
* . Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái.
+ Cơ cáu lái kiểu trục vít lõm- con lăn.
+ Cơ cấu lái kiểu trục vít – răng rẻ quạt và trục vít -đai ốc .
+ Cơ cấu lái kiểu trục vít -thanh răng.
+ Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh khía .
+ Cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn .
* . Phân loại theo bố trí vành lái .
+ Bố trí vành lái bên trái (theo luât đi đường bên trái ).
+ Bố trí vành lái bên phải (theo luật đi đường bên phải ).
Hiện nay sử dụng phổ biến nhất là kiểu thanh răng – trục răng và kiểu
bi tuần hoàn.
Luận văn thạc sỹ
17
Nguyễn Chí Thanh
2.4. YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG LÁI:
An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ôtô là chỉ tiêu
hàng đầu trong việc đánh giá chất lượng thiết kế và sử dụng phương tiện
này. Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển
động của ôtô là HTL. Để giảm nhẹ lao động cho người lái cũng như tăng
thêm độ an toàn cho ôtô , ngày nay trên ôtô thường sử dụng cường hoá lái.
Để đảm bảo tính êm dịu chuyển động trên mọi loại đường từ giải tốc độ
thấp tới giải tốc độ cao, HTL cần đảm bảo các yêu cầu sau;
HTL phải đảm bảo dễ dàng điều khiển, nhanh chóng và an toàn. Các cơ
cấu điều khiển bánh xe dẫn hướng và quan hệ hình học của HTL phải đảm
bảo không gây nên các dao động và va đập trong HTL.
+ 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 hoặc là để quay bánh xe về trạng thái chuyển động thẳng
chỉ cần đặt lực trên vành lái nhỏ hơn khi xe đi đường vòng.
+ Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp dễ dàng: Khi xe quay vòng trên
đường hẹp ,đường gấp khúc, HTL có thể quay ngặt các bánh xe trước
một cách dễ dàng. Quay vòng ngặt là trạng thái quay vòng với thời gian
quay vòng ngắn và bán kính quay vòng nhỏ.
+ Đảm bảo lực lái thích hợp: Lực người lái đặt lên vành lái khi quay vòng
phải nhỏ, lực lái cần thiết sẽ lớn khi xe đứng yên và sẽ giảm khi tốc độ
xe tăng. Vì vậy cần phải đảm bảo lực lái nhỏ nhưng vẫn gây được cảm
giác về trạng thái mặt đường.
+ HTL không được có độ dơ lớn: Với xe có vận tốc lớn nhất trên
100Km/h, thì độ dơ vành lái không vượt quá 180, với xe có vận tốc lớn
nhất từ 25 km/h đến 100km/h thì độ dơ vành lái không vượt quá 270.
18
Luận văn thạc sỹ
Nguyễn Chí Thanh
+ Đảm bảo khả năng an toàn bị động của xe, không gây tổn thương lớn
cho người lái. Đảm bảo hiệu suất thuận phải lớn hơn hiệu suất nghịch
để giảm tác động từ mặt đường qua kết cấu lái lên vô lăng.
+ Đảm bảo tỷ lệ thuận giữa góc quay vô lăng với góc quay bánh xe dẫn hướng.
+ Không đòi hỏi người lái xe một cường độ lao động quá lớn khi điều
khiển ôtô.
2.5. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ THỐNG LÁI:
Sơ đồ tổng quát của HTL không có trợ lực gồm có vành tay lái, trục lái,
cơ cấu lái và dẫn động lái.
6
8
8
7
5
4
3
2
1
Hình 2.5-Sơ đồ tổng quát hệ thống lái.
1.vành tay lái
5.Thanh kéo dọc
2.Trục lái.
6.Đòn quay ngang
3.Cơ cấu lái.
7.Hình thang lái
4.Đòn quay đứng
8.Bánh xe dẫn hướng
Luận văn thạc sỹ
19
Nguyễn Chí Thanh
2.6. SƠ ĐỒ TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN HỆ THỐNG LÁI:
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 2-6
Hình 2-6- 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 HTL
20
Luận văn thạc sỹ
Nguyễn Chí Thanh
• 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 2-1:
Mc= 2(M1+M2+M3+M4)
Trong đó: M1=G1*f*a
M2=0.14*G1*ϕ*Rlbx
(2-1)
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
(2-2)
Trong thực tế, cánh tay đòn lăn a sẽ thay đôitrong 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
21
Luận văn thạc sỹ
Nguyễn Chí Thanh
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 thắngđược lực ở hai bên bánh xe, lực lái trên vành
tay lái có giá trị:
Pvl=2Mc/ih*ηhtl*Rvl
(2-3)
Khi có trợ lực, mô men cường hoá được tính bởi công thức sau:
Mch= Pch*R0
(2-4)
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
(2-5)
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
(2-6)
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
22
Nguyễn Chí Thanh
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.
2.7- CÁC YẾU TỐ VỀ KẾT CẤU VÀ SỬ DỤNG ẢNH HƯỞNG TỚI LỰC LÁI,
TÍNH NĂNG ỔN ĐỊNH VÀG TÍNH DẪN HƯỚNG CỦA HỆ THỐNG LÁI:
Từ hai công thức 2-5 và 2-6 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
(2-7)
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
2.7.1 Các góc đặt bánh xe:
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
