Nghiên cứu hệ thống trợ lái dùng động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm cho ô tô điện

`

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

TRẦN QUANG THỦY

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRỢ LÁI DÙNG ĐỘNG CƠ NAM CHÂM
VĨNH CỬU CỰC CHÌM CHO Ơ TƠ ĐIỆN
Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN – TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. TẠ CAO MINH

Hà Nội – Năm 2011


`

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ thống trợ lái dùng
động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm cho ơ tơ điện” do tôi tự thiết kế dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn
đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 27 tháng 03 năm 2011
Học viên thực hiện

Trần Quang Thủy


`

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
T
1
3

31T

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. i
T
1
3

T
1
3

DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... ii
T
1

3

31T

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................iii
T
1
3

T
1
3

MỞ ĐẦU ................................................................................................................ v
T
1
3

31T

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN (ELECTRIC VEHICLE – EV) ......... 1
T
1
3

1.1.
T
1
3

31T

Lịch sử phát triển của ô tô điện (EV) .......................................................... 1
31T

T
1
3

1.1.1.
T
1
3

31T

1.1.2.
T
1
3

31T

1.1.3.
T
1
3

31T

1.2.
T
1
3

31T

Giới thiệu chung .................................................................................. 1
31T

31T

Các dạng ô tô điện được sử dụng ngày nay .......................................... 4
31T

T
1
3

Xu hướng trong tương lai..................................................................... 5
31T

T
1
3

Hệ thống lái của ô tô (Steering System) ...................................................... 5
31T

T

1
3

1.2.1. Giới thiệu về hệ thống lái ........................................................................ 5
T
1
3

T
1
3

1.2.2. Chức năng của hệ thống lái ..................................................................... 7
T
1
3

T
1
3

1.2.3. Kết cấu của hệ thống lái .......................................................................... 8
T
1
3

T
1
3

1.2.4. Lực và momen tác động lên hệ thống lái ............................................... 13
T
1
3

T
1
3

1.3.
T
1
3

31T

Tổng quan về hệ thống trợ lái (Power Steering System) ........................... 15
31T

T
1
3

1.3.1.
T
1
3

31T

1.3.2.
T
1
3

31T

Hệ thống trợ lái thủy lực HPS (Hydraulic Power Steering Systems) .. 16
31T

T
1
3

Hệ thống trợ lái điện EPS (Electric Power Steering Systems) ............ 18
31T

T
1
3

CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG TRỢ LÁI ĐIỆN EPS (ELECTRIC POWER STEERING
SYSTEM) ............................................................................................................. 21
T
1
3

2.1. Giới thiệu chung .......................................................................................... 21
T
1

3

31T

2.2. Phân loại hệ thống EPS ............................................................................... 22
T
1
3

31T

2.2.1. Hệ thống trợ lái kiểu trụ ........................................................................ 23
T
1
3

T
1
3

2.2.2. Hệ thống trợ lái kiểu bánh răng ............................................................. 23
T
1
3

T
1
3

2.2.3. Hệ thống trợ lái kiểu thanh răng ............................................................ 24

T
1
3

T
1
3

2.3. Nguyên lý hoạt động và chức năng của EPS ................................................ 25
T
1
3

T
1
3


`

2.3.1. Nguyên lý hoạt động ............................................................................. 25
T
1
3

T
1
3

2.3.2. Chức năng của hệ thống trợ lái điện ...................................................... 28

T
1
3

T
1
3

2.4. Cấu trúc chung của hệ thống trợ lái điện EPS .............................................. 28
T
1
3

T
1
3

2.4.1. Cảm biến momen (cảm biến độ xoắn) ................................................... 28
T
1
3

T
1
3

2.4.2. Động cơ trợ lái ...................................................................................... 32
T
1
3

31T

2.4.3. Khối điều khiển (Electronic Control Unit – ECU) ................................. 39
T
1
3

T
1
3

2.5. Ưu nhược điểm của hệ thống trợ lái điện EPS ............................................. 41
T
1
3

T
1
3

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ............................................. 43
T
1
3

3.1. Xây dựng mơ hình hệ thống lái và trợ lái ..................................................... 43
T
1
3

T
1
3

3.1.1. Quan hệ giữa vô lăng và trục lái ............................................................ 44
T
1
3

T
1
3

3.1.2. Thành phần mô men dọc trục lái ........................................................... 44
T
1
3

T
1
3

3.1.3. Động cơ trợ lái ...................................................................................... 44
T
1
3

31T

3.1.4. Kết cấu bánh răng - thanh răng .............................................................. 45
T
1
3

T
1
3

3.2. Xây dựng mơ hình động học xe ................................................................... 48
T
1
3

T
1
3

3.3. Ước lượng nhiễu tác động lên thanh răng dẫn hướng ................................... 52
T
1
3

T
1
3

3.3.1. Ước lượng nhiễu do lực dọc trục sinh ra ................................................ 52
T
1

3

T
1
3

3.3.2. Ước lượng nhiễu do lực bên sinh ra ....................................................... 54
T
1
3

T
1
3

3.3. Mô phỏng bằng MATLAB/SIMULINK ...................................................... 55
T
1
3

T
1
3

3.3.1. Sơ đồ chung hệ thống điều khiển........................................................... 55
T
1
3

T

1
3

3.3.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển trong MATLAB/SIMULINK ....................... 57
T
1
3

T
1
3

3.3.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................. 58
T
1
3

31T

CHƯƠNG 4. CẢI THIỆN CẢM GIÁC LÁI CỦA HỆ THỐNG TRỢ LÁI BẰNG
ĐIỀU CHỈNH ĐƯỜNG CONG TRỢ LÁI ............................................................ 66
T
1
3

4.1. Tổng quát .................................................................................................... 66
T
1
3

31T

4.2. Các thông số đặc trưng cho cảm giác lái ...................................................... 67
T
1
3

T
1
3

4.2.1. Quan hệ giữa gia tốc bên và momen đặt ................................................ 68
T
1
3

T
1
3

4.2.2. Quan hệ giữa góc lái đặt và momen lái .................................................. 69
T
1
3

T
1
3

4.3. Điều chỉnh đường cong trợ lái ..................................................................... 70

T
1
3

T
1
3

KẾT LUẬN ........................................................................................................... 81
T
1
3

31T

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 82
T
1
3

31T


`

PHỤ LỤC.............................................................................................................. 85
T
1
3

31T


`

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EV

Electric Vehicle

Ô tô điện

HPS

Hydraulic Power Steering

Trợ lái thủy lực

EHPS

Electro-Hydraulic Power Steering Trợ lái điện – thủy lực

EPS

Electric Power Steering

Trợ lái điện

ECU

Electronic Control Unit

Khối điều khiển

BLDCM Brushless Direct Current Motor

Động cơ một chiều không chổi than

DCM

Direct Current Motor

Động cơ một chiều

IM

Induction Motor

Động cơ không đồng bộ

IPM

Interior Permanent Magnet

Động cơ đồng bộ NCVC cực chìm

SRM

Switch Reluctance Motor

Động cơ từ trở

4WS

Four Wheel Steering

Hệ thống lái 4 bánh

NCVC

Nam châm vĩnh cửu

i


`

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. So sánh đặc điểm một số loại động cơ. .................................................. 34
T
1
3

T
1
3

Bảng P.1. Tham số động cơ dùng trong mô phỏng................................................. 85
T

1
3

T
1
3

Bảng P.2. Tham số xe dùng trong mô phỏng. ........................................................ 85
T
1
3

T
1
3

Bảng P.3. Tham số hệ thống lái dùng trong mô phỏng. .......................................... 85
T
1
3

T
1
3

Bảng P.4. Bảng tra dịng điện đặt vào động cơ [A] theo mơ men lái [Nm] và vận tốc
T
1
3

xe [km/h]. .............................................................................................................. 86
31T

ii


`

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Chiếc xe taxi điện ở New York năm 1901[16].......................................... 2
T
1
3

T
1
3

Hinh 1.2. So sánh năng lượng của xăng (dầu) và pin chì-axit[16]. ........................... 3
T
1
3

T
1
3

Hình 1.3. Tác động quay của các bánh trong cơ cấu 4WS[13]. ................................ 6
T
1

3

T
1
3

Hình 1.4. Bánh xe ở hệ thống lái bằng hai bánh trước trong khi rẽ[9]. ..................... 7
T
1
3

T
1
3

Hình 1.5. Cách bố trí hệ thống lái trên ơ tơ. ............................................................. 9
T
1
3

T
1
3

Hình 1.6. Các kết cấu của hệ dẫn hướng[9]............................................................ 10
T
1
3

T

1
3

Hình 1.7. Liên kết truyền tác động lái phụ thuộc.................................................... 11
T
1
3

T
1
3

Hình 1.8. Liên kết truyền tác động lái độc lập........................................................ 11
T
1
3

T
1
3

Hình 1.9. Cơ cấu dẫn động lái Davis. .................................................................... 12
T
1
3

T
1
3

Hình 1.10. Cơ cấu dẫn động lái Ackermann........................................................... 13
T
1
3

T
1
3

Hình 1.11. Các lực và mơ men tác dụng lên lốp[9]. ............................................... 15
T
1
3

T
1
3

Hình 1.12. Hệ thống trợ lái thủy lực HPS[10]. ....................................................... 17
T
1
3

T
1
3

Hình 1.13. Hệ thống trợ lái điện EPS của xe Toyota Prius[12]. .............................. 19
T
1

3

T
1
3

Hình 2.1. Sự phát triển của EPS[31]. ..................................................................... 22
T
1
3

T
1
3

Hình 2.2. Hệ thống trợ lái kiểu trụ[8]..................................................................... 23
T
1
3

T
1
3

Hình 2.3. Hệ thống trợ lái kiểu bánh răng[8].......................................................... 24
T
1
3

T

1
3

Hình 2.4. Hệ thống trợ lái kiểu thanh răng[8]. ....................................................... 24
T
1
3

T
1
3

Hình 2.5. Cấu hình hệ thống trợ lái điện đơn giản[17]. .......................................... 25
T
1
3

T
1
3

Hình 2.6. Đồ thị quan hệ vận tốc xe, mô men lái và dịng điện đặt vào động cơ[31].
.............................................................................................................................. 27
T
1
3

T
1
3

Hình 2.7. Một số loại cảm biến độ xoắn[2]. ........................................................... 31
T
1
3

T
1
3

Hình 2.8. Cảm biến độ xoắn dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ của Delphi[2]. . 32
T
1
3

T
1
3

Hình 2.9. Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện cho động cơ IPM. ................. 38
T
1
3

T
1
3

Hình 2.10. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống EPS[19]. ............................................. 40
T

1
3

T
1
3

Hình 3.1. Mơ hình động học hệ thống trợ lái[18]. .................................................. 44
T
1
3

T
1
3

Hình 3.2. Mơ hình tương đương hai bánh của xe ơ tơ[9]. ....................................... 48
T
1
3

T
1
3

Hình 3.3. Góc trượt của bánh trước[26]. ................................................................ 50
T
1
3

T
1
3

iii


`

Hình 3.4. Lực dọc trục và mơ men hãm bánh trước. .............................................. 52
T
1
3

T
1
3

Hình 3.5. Phân bố lực và mơ men trên hai bánh trước[28]. .................................... 53
T
1
3

T
1
3

Hình 3.6. Sơ đồ hệ thống điều khiển. ..................................................................... 56
T
1

3

T
1
3

Hình 3.7. Một phần đường cong trợ lái. ................................................................. 57
T
1
3

T
1
3

Hình 3.8. Sơ đồ hệ thống điều khiển. ..................................................................... 57
T
1
3

T
1
3

Hình 3.9. Sơ đồ khối điều khiển động cơ IPM (IPM Controller). ........................... 58
T
1
3

T

1
3

Hình 3.10. Bộ điều khiển dịng (Current Controller) .............................................. 58
T
1
3

T
1
3

Hình 3.11. Momen trợ lái của động cơ................................................................... 59
T
1
3

T
1
3

Hình 3.12. Momen tạo cảm giác lái. ...................................................................... 60
T
1
3

T
1
3

Hình 3.13. Góc lái đặt............................................................................................ 61
T
1
3

31T

Hình 3.14. Gia tốc bên. .......................................................................................... 62
T
1
3

31T

Hình 3.15. Độ lắc. ................................................................................................. 63
T
1
3

31T

Hình 3.16. Quan hệ giữa góc lái đặt và momen đặt. ............................................... 64
T
1
3

T
1
3

Hình 3.16. Quan hệ giữa gia tốc bên và momen đặt. .............................................. 65
T
1
3

T
1
3

Hình 4.1. Mối quan hệ giữa gia tốc bên và momen đặt. ......................................... 68
T
1
3

T
1
3

Hình 4.2. Mối quan hệ giữa góc lái đặt và momen lái. ........................................... 69
T
1
3

T
1
3

Hình 4.3. Thay đổi dạng momen trợ lái của động cơ.............................................. 70
T
1

3

T
1
3

Hình 4.4. Sơ đồ khối mô phỏng khi thay đổi đường cong trợ lái. ........................... 71
T
1
3

T
1
3

Hình 4.5. Quan hệ giữa gia tốc bên và momen lái T d . ........................................... 72
T
1
3

R

R

T
1
3

Hình 4.6. Quan hệ giữa góc lái đặt và momen lái................................................... 73
T

1
3

T
1
3

Hình 4.7. Momen trợ lái của động cơ..................................................................... 74
T
1
3

T
1
3

Hình 4.8. Momen tạo cảm giác lái T c . ................................................................... 74
T
1
3

R

R

T
1
3

Hình 4.9. Quan hệ giữa gia tốc bên và momen lái. ................................................. 75

T
1
3

T
1
3

Hình 4.10. Quan hệ giữa góc lái đặt và momen lái. ................................................ 76
T
1
3

T
1
3

Hình 4.11. Momen trợ lái của động cơ................................................................... 77
T
1
3

T
1
3

Hình 4.12. Quan hệ giữa gia tốc bên và momen lái. ............................................... 78
T
1
3

T
1
3

Hình 4.13. Quan hệ giữa góc lái đặt và momen lái. ................................................ 79
T
1
3

T
1
3

Hình 4.14. Momen trợ lái của động cơ................................................................... 80
T
1
3

T
1
3

iv


`

MỞ ĐẦU
Từ khi xuất hiện, ô tô đã trở thành phương tiện được ưa thích của mọi người

trên tồn thế giới bởi tính tiện lợi, an tồn, thoải mái. Với sự phát triển của khoa học
kỹ thuật, ngành công nghiệp sản xuất ô tô đang phát triển mạnh mẽ để có thể đáp
ứng được những địi hỏi khắt khe về chất lượng của người sử dụng.
Hiện nay, cuộc khủng hoảng về năng lượng dầu mỏ đồng thời vấn đề ô
nhiễm môi trường đang trở nên cấp bách đã mở ra một hướng đi mới cho ngành
công nghiệp ô tô với việc phát triển sản phẩm ô tô điện.
Trong cấu trúc của ơ tơ nói chung và ơ tơ điện nói riêng, hệ thống lái là thành
phần quan trọng của xe, thơng qua cơ cấu này, người lái có thể điều khiển xe chạy
đúng theo quỹ đạo mình mong muốn. Vì thế, tính an tồn, thoải mái và điều khiển
dễ dàng là mục tiêu chung trong việc phát triển hệ thống lái của ngành công nghiệp
sản xuất ô tô. Từ những hệ thống lái cơ khí thơ sơ ban đầu đã được thay thế bằng hệ
thống lái được trợ lái bằng thủy lực và tương lai gần là hệ thống trợ lái bằng điện.
Hệ thống trợ lái bằng điện mới đang trong giai đoạn đầu của sự phát triển kết
hợp với điều kiện trong nước khi việc thiết kế, chế tạo ô tô điện đã được chú trọng
bằng việc đưa vào đề tài nghiên cứu cấp nhà nước và định hướng của PGS.TS Tạ
Cao Minh – người có nhiều bằng phát minh sáng chế về hệ thống trợ lái điện là lý
do để tôi chọn đề tài nghiên cứu về hệ thống trợ lái điện trong luận văn này.
Mục đích chính của luận văn là nghiên cứu về hệ thống trợ lái điện sử dụng
động cơ trợ lái là động cơ đồng bộ NCVC cực chìm và chú trọng vào việc nâng cao
chất lượng cảm giác lái của hệ thống. Để thực hiện điều đó, trong luận văn này tơi
đã đưa ra thuật toán nhằm thay đổi đường cong trợ lái (được các hãng sản xuất ô tô
nghiên cứu sử dụng để tạo ra dòng điều khiển động cơ trợ lái).
Phương pháp nghiên cứu chính là tìm hiểu về hướng phát triển hiện nay của
hệ thống trợ lái điện trên thế giới dựa vào các bài báo đã viết đồng thời đưa ra đánh
giá của bản thân để xác định được hướng phát triển. Từ đó xây dựng mơ hình mơ

v


`

phỏng hệ thống trong phần mềm Matlab/Simulink và thực hiện việc đánh giá chất
lượng của hệ thống trợ lái thông qua việc phân tích kết quả mơ phỏng.
Sau một thời gian nghiên cứu về xe điện và hệ thống trợ lái điện cho ơ tơ,
luận văn đã được hồn thành và trình bày trong 4 chương.
Chương 1: Giới thiệu một cách tổng quan về sự phát triển của ô tô điện nói
chung đồng thời giới thiệu về cấu trúc, chức năng của hệ thống lái hệ thống trợ lái
thủy lực và hệ thống trợ lái điện nói riêng.
Chương 2: Đi sâu vào việc tìm hiểu hệ thống trợ lái điện về cấu trúc, chức
năng của từng thành phần.
Chương 3: Xây dựng mơ hình lái, mơ hình động học của xe (trong phần này
đưa ra phương pháp ước lượng phản lực của mặt đường tác dụng lên hệ thống lái)
và tiến hành mơ phỏng, phân tích để xác định những thay đổi, ảnh hưởng của hệ
thống lái trên toàn bộ xe.
Chương 4: Đưa ra thuật tốn để thay đổi hình dạng đường cong trợ lái góp
phần cải thiện chất lượng cảm giác lái của hệ thống.
Do thời gian có hạn cũng như còn nhiều hạn chế về kiến thức và điều kiện
thực nghiệm, luận văn sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế, em kính mong
nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cơ để có thể khắc
phục và cải tiến các vấn đề còn tồn tại của luận văn, tạo điều kiện cho việc đi sâu
nghiên cứu, tìm hiểu, phát triển và triển khai đề tài vào thực tế.

Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2011
Học viên thực hiện

Trần Quang Thủy

vi

`

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN (ELECTRIC VEHICLE
– EV)

1.1.

Lịch sử phát triển của ô tô điện (EV)
Vào giai đoạn những năm 30 của thế kỉ 19, phiên bản thử nghiệm đầu tiên

của chiếc xe ô tô điện được sản xuất và ngay sau đó được tung vào trong thị trường
thương mại cho tới tận cuối thế kỷ này. Hiện tại xe ô tô điện đã bước vào thập kỷ
thứ ba như là một sản phẩm thương mại đạt được những thành công nhất định và trụ
vững được nhiều hơn các ý tưởng kỹ thuật khác xuất hiện cùng lúc. Tuy nhiên, xe ơ
tơ điện khơng được ưa thích và chiếm ưu thế so với ô tô dùng động cơ đốt trong bởi
ô tô dùng động cơ đốt trong chạy được quãng đường xa hơn đối với mỗi lần nạp
nhiên liệu và việc nạp nhiên liệu đơn giản hơn nhiều so với ô tô điện. Ngày nay vấn
đề môi trường, đặc biệt là tiếng ồn và ô nhiễm môi trường đã đặt ra yêu cầu về việc
phát triển pin và các nguồn nhiên liệu sạch. Chính điều này đã tạo điều kiện cho sự
phát triển mạnh mẽ của ô tô điện (EV). Vì thế các ngun lý thiết kế ơ tô điện là
điều kiện cần thiết và quan trọng bởi nó liên quan trực tiếp tới vấn đề cơng nghệ và
môi trường.
1.1.1. Giới thiệu chung
Chiếc xe ô tô điện thử nghiệm đầu tiên vào những năm 1830 sử dụng pin
không có khả năng nạp lại điện. Hơn một nửa thập kỷ trơi qua trước khi pin được
phát triển để có thể sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Vào cuối thế kỷ 19, với
việc sản xuất hàng loạt pin có khả năng nạp lại thì ơ tơ điện đã được sử dụng một
cách khá rộng rãi. Hình 1.1 giới thiệu chiếc xe taxi điện ở New York vào khoảng
năm 1901. Quả thật, nếu xét về hiệu suất thì xe ô tô điện vẫn thích được sử dụng

hơn so với đối thủ của nó là ơ tơ sử dụng động cơ đốt trong và động cơ hơi nước.
Chiếc xe ô tơ điện đầu tiên có tốc độ vượt q 100 km/h là chiếc xe La Jamais

1


`

Contente do Camille Jenatzy - một lái xe người Bỉ lái. Tốc độ được ghi nhận vào
năm 1899 là 106 km/h.
Mặc dù đã bán được hàng trăm ngàn chiếc xe ô tô điện vào những năm
1910s với các loại ô tô con, ô tô tải, taxi, xe chuyên chở và xe bus tuy nhiên tương
lai hứa hẹn đấy bị dập tắt một cách nhanh chóng bởi các dịng xe ơ tô chạy bằng
động cơ đốt trong đã thay thế việc khởi động xe bằng tay cầm bằng thiết bị tự khởi
động (được phát minh vào năm 1911) đồng thời xăng dầu phổ biến và rẻ.

Hình 1.1. Chiếc xe taxi điện ở New York năm 1901[16].
Giai đoạn phát triển tiếp theo của ô tô điện là giai đoạn từ sau năm 1910 cho
tới những năm đầu của thế kỷ 20. Đây là giai đoạn suy sụp của ô tô điện và sự lên
ngôi của ô tô sử dụng động cơ đốt trong. Lý do dẫn tới điều này rất đơn giản và dễ
hiểu nếu ta so sánh năng lượng lưu giữ/ 1 kg thiết bị.

2


`

Ví dụ:

Năng lượng lưu giữ/1 kg thiết bị của nhiên liệu (xăng, dầu) khoảng 9000

Wh/kg
Năng lượng lưu giữ/1 kg thiết bị của pin chì axit khoảng 20 Wh/kg.
Hiệu suất của động cơ đốt trong sử dụng xăng là 20%, như vậy năng lượng nhận
được ở đầu trục động cơ khoảng 1800 Wh/kg.
Với xe sử dụng động cơ điện, hiệu suất của động cơ khoảng 90%, như vậy năng
lượng nhận được ở đầu trục động cơ chuyển động là 27 Wh/kg
Để dễ hình dung, ta xét 1 ơ tơ sử dụng động cơ xăng chạy 50km, khi đó nó cần thiết
phải sử dụng 4.5 lit xăng tức tương đương với 4 kg xăng. Điều đấy có nghĩa là năng
lượng ở đầu trục động cơ khoảng 1800 x 4 = 7200 Wh/kg.
Xét tiếp với động cơ điện của ô tô điện, để có thể có năng lượng ở đầu trục động cơ
như vậy thì khối lượng pin cần thiết phải có: 7200 / 27 = 270 (kg)

Hinh 1.2. So sánh năng lượng của xăng (dầu) và pin chì-axit[16].
Như vậy, để chạy 50km thì xe ơ tơ sử dụng động cơ đốt trong chỉ cần mang
theo 4kg bình xăng trong khi xe ơ tô điện cần phải mang theo pin nặng 270kg. Việc
so sánh này được thực hiện khi chúng ta đang giả sử là 2 loại động cơ đều chạy
cùng 1 quãng đường mà không cần nạp nhiên liệu. Đối với ô tô điện, để giảm khối
3


`

lượng pin thì sẽ cần phải nạp năng lượng rất nhiều lần, mỗi lần nạp lại tốn thời gian
hơn so với nạp nhiên liệu xăng dầu.
Mặc dù mang trong mình nhược điểm lớn nhất ở trên nhưng việc sử dụng EV
vẫn thường xuyên được sử dụng từ đầu thế kỷ 20. Ưu điểm lớn nhất của chúng so
với động cơ đốt trong là đảm bảo vấn đề an tồn mơi trường (khơng xả khí độc ra
mơi trường và giảm tiếng ồn trong khi hoạt động), khi đó, EV là động cơ lý tưởng
trong nhà kho, sân golf,…

1.1.2. Các dạng ô tô điện được sử dụng ngày nay
Trong giai đoạn nửa cuối thể kỷ 20, đã có một số thay đổi lớn ảnh hưởng tới
sự phát triển của EV, làm cho EV có sức hấp dẫn nhiều hơn đối với người tiêu
dùng.
Thứ nhất, cuộc sống phát triển, con người ngày càng quan tâm nhiều hơn về
việc bảo vệ môi trường sống của chính mình đặc biệt là ở các thành phố lớn nơi
lượng khí thải CO 2 và các khí độc hại khác trong thành phố.
R

R

Thứ hai, đã có sự phát triển trong kỹ thuật chế tạo pin có khả năng nạp lại
cũng như động cơ và các phương pháp điều khiển. Ngoài ra, phát minh về pin nhiên
liệu (fuel cells) của William Grove vào năm 1940 được ứng dụng vào EV đã đánh
dấu bước phát triển mới trong việc chế tạo và sản xuất EV.
Hiện tại, chúng ta có thể chia EV thành 6 dạng như sau:
+ Ơ tơ điện sử dụng pin truyền thống.
+ Ơ tơ điện hybrid (hybrid EV): kết hợp sử dụng pin và động cơ đốt trong,
đây là dạng ô tô đang chiếm ưu thế chủ đạo hiện nay.
+ EV sử dụng nhiên liệu có thể thay thế như nguồn năng lượng sử dụng pin
nhiên liệu,…
+ EV được cấp bởi đường dây điện trên không (power lines)
+ EV sử dụng năng lượng mặt trời
+ EV sử dụng siêu tụ

4


`

1.1.3. Xu hướng trong tương lai
Hiện tại, ô tô điện lai đang chiếm ưu thế chủ đạo trong quá trình phát triển
của ngành công nghiệp ô tô với việc kết hợp sử dụng hai nguồn năng lượng là pin
(Li-ion chiếm ưu thế) và động cơ đốt trong. Tuy nhiên, với vấn đề khan hiếm nguồn
tài nguyên, khủng hoảng kinh tế thế giới, khủng hoảng chính trị của các nước nắm
giữ nguồn tài nguyên xăng dầu khiến giá xăng dầu ngày càng được đẩy lên cao. Nên
người tiêu dùng lúc này sẽ có xu hướng chuyển sang dịng xe ít phụ thuộc vào
nguồn tài nguyên thiên nhiên sẵn có. Đây là thời điểm thích hợp để xe điện có điều
kiện phát triển một cách mạnh mẽ. Một nguyên nhân cơ bản dẫn tới xe điện chưa
được ưa chuộng là thời gian nạp pin lâu trong khi dung lượng lưu giữ của pin là hạn
chế. Vì thế, nếu so sánh các dạng ô tô điện trong mục 1.1.2 thì ô tô điện dùng siêu
tụ sẽ có khả năng phát triển cao hơn. Điều này càng rõ ràng hơn khi mới đây các
nhà khoa học tại đại học Illinois (Mỹ) công bố một cơng nghệ làm cho thời gian sạc
pin có thể được rút ngắn xuống hàng trăm lần so với hiện nay. Công nghệ này làm
pin từ những tấm phim mỏng 3 chiều, nó là sự kết hợp của việc nạp và phóng nhanh
của tụ điện và khả năng lưu trữ lớn của pin.
Một xu hướng khác hiện tại cũng đang được GS.Hoiri (phịng thí nghiệm
NSK) phát triển tại Nhật là sử dụng việc nạp điện cho ô tô không cần dây dẫn. Theo
đó, dưới mặt đường sẽ có các vịng dây dẫn, khi ơ tơ chạy qua vịng dây này thì pin
của ô tô sẽ được nạp điện mà không cần phải dừng xe lại. Hướng phát triển này
bước đầu đã đạt được những thành công nhất định tuy nhiên vẫn đang còn rất nhiều
việc phải làm và đây là xu hướng của tương lai.
1.2.

Hệ thống lái của ô tô (Steering System)

1.2.1. Giới thiệu về hệ thống lái
Chức năng của hệ thống lái trong ô tô là điều khiển chuyển động của bánh xe
đáp ứng thích hợp với lực lái truyền tới từ người lái để định hướng cho chiều
chuyển động của tồn bộ ơ tơ. Tuy nhiên, góc lái thật sự đạt được phụ thuộc vào cấu

trúc của giảm sóc, cấu trúc nội tại của hệ thống lái, dạng đường đi và tác động của
nó tới cảm giác của người lái.

5


`

Trong q trình phát triển của ơ tơ thì hệ thống lái là thành phần quan trọng
trong việc nghiên cứu bởi nó là cơ cấu chính ảnh hưởng trực tiếp tới người lái. Mọi
nghiên cứu đều nhằm mục đích tạo tính thoải mái, an tồn và dễ điều khiển cho
người lái. Nếu như trước đây, hệ thống lái thông thường là hệ thống cơ khí mà ở đó
người lái cần phải tác dụng một lực lớn mới có thể chuyển hướng cho xe thì hiện
nay tất cả các xe đều sử dụng hệ thống trợ lái giúp người lái điều khiển chuyển
hướng dễ dàng hơn.
Đối với cấu hình xe ơ tô 4 bánh, hệ thống dẫn hướng (hệ thống dẫn lái)
trong hệ thống lái có thể được đặt ở bánh trước và sau, tuy nhiên để tạo sự chủ động
và cảm giác lái tốt hơn cho người lái thì hệ thống dẫn hướng đều được đặt để lái
chuyển hướng bánh trước.
Hiện nay, do yêu cầu của người tiêu dùng đối với tính năng điều khiển của
một chiếc xe ngày càng cao nên công nghệ lái bốn bánh 4WS (four-wheel steering)
hay lái tất cả các bánh AWS (all-wheel steering) được các nhà sản xuất dần coi
trọng và phát triển.
Ở các hệ thống lái chuyển hướng hai bánh thông dụng, bánh sau ln tùy
động nên khơng thể đóng vai trị chủ động trong q trình lái. Trong khi đó, đối với
hệ thống 4WS, bốn bánh xe đều được chuyển hướng khi xe đánh lái (tuy nhiên góc
chuyển của các bánh sau sẽ nhỏ hơn các bánh trước). Công nghệ này đã cải thiện
khả năng chuyển hướng của xe và độ ổn định trong khi lái ở cả tốc độ thấp và cao.

Hình 1.3. Tác động quay của các bánh trong cơ cấu 4WS[13].

6


`

Khi vơ lăng điều khiển bánh trước chuyển hướng thì hệ thống máy tính cũng
sẽ điều khiển bánh sau chuyển hướng. Q trình điều khiển 4WS phải thơng qua
máy tính và các bộ cảm biến do cơ cấu cơ khí khơng trực tiếp điều chỉnh góc
chuyển hướng của bánh sau được.
Khi ở tốc độ thấp, để thực hiện việc rẽ hay quay xe thì bánh sau sẽ xoay
ngược hướng với hướng xoay của bánh trước để dễ dàng đỗ xe hoặc quay xe.
Ngược lại, khi chạy ở tốc độ cao, bánh sau lại xoay cùng hướng với bánh trước giữ
cho thân xe ở trạng thái song song với làn đường giúp xe giữ thăng bằng, đỡ bị lắc,
tạo cảm giác thoải mái và tăng tính an tồn cho người ngồi trong xe khi rẽ hay
chuyển làn đường.
1.2.2. Chức năng của hệ thống lái
Chức năng chính của hệ thống lái là điều khiển góc lái, góc rẽ của xe bằng
cách tác động lên bánh lái nhờ có các thanh nối và các cơ cấu lái để chuyển đổi góc
quay của vơ lăng thành góc quay của bánh lái.

Hình 1.4. Bánh xe ở hệ thống lái bằng hai bánh trước trong khi rẽ[9].
Ngồi tính năng chính nêu trên hệ thống lái cịn có nhiều tính năng khác như
sau:
 Đảm bảo chuyển động theo hướng thẳng của xe được ổn định
Đặc điểm này rất quan trọng do việc đảm bảo cho xe đi thẳng nhiều khi khó
hơn cả khi rẽ. Nếu như hệ thống lái không ổn định, hai bánh lái trước không
7


`

ở vị trí đảm bảo cho xe đi thẳng theo như trí tương ứng của vơ lăng thì xe có
thể bị chệch hướng và mất kiểm sốt hồn tồn.


Đảm bảo ổn định quá trình lái (các bánh xe đều quay trong quá trình

chuyển hướng)
Khi xe chuyển hướng, hai bánh trước rẽ làm xuất hiện lực xoắn trên trục các
đăng của xe. Lực xoắn này gây ra tác động lên bộ vi sai làm cho hai bánh sau
của xe có tốc độ khác nhau. Theo hình 1.4 thì chính là đảm bảo tồn tại tâm rẽ
tức thời của xe hay trục của bốn bánh xe giao nhau tại một điểm.
 Dễ dàng lấy lại sự ổn định của xe sau khi rẽ
Sau khi rẽ, hai bánh trước phải có hướng thẳng về phía trước và hai bánh sau
phải trở về cùng tốc độ thì xe mới ở trạng thái ổn định.
 Giảm nhẹ lực tác động nhờ động cơ lái (ở hệ thống EPS)
Như đã nói ở trên, một hệ thống lái thơng thường khơng có hệ thống trợ lái
thì cảm lái trên vơ lăng là rất nặng. Vì vậy, để giảm thiểu cảm giác lái nặng
này ta có thể dùng hệ thống lái thủy lực hoặc hệ thống lái dùng động cơ điện.
 Tối thiểu hóa sự hao mịn của lốp
Trong q trình rẽ thì do bán kính rẽ của các bánh xe là khác nhau nên phải
đảm bảo tồn tại tâm rẽ tức thời của xe hay giao điểm của trục các bánh xe
phải trùng nhau. Khi đó, các bánh xe sẽ chuyển động theo phương tiếp tuyến
với bán kính tức thời và giảm thiểu sự trượt của bánh, qua đó giảm thiểu sự
hao mịn của lốp xe.
1.2.3. Kết cấu của hệ thống lái
Mặc dù hệ thống lái của các loại ô tô ngày nay hết sức đa dạng và phong phú
về nguyên lý cũng như về kết cấu, từ hệ thống lái của xe con, xe tải, hệ thống lái
trên các loại xe có hệ thống treo độc lập đến các xe có hệ thống treo phụ thuộc tuy
nhiên về cơ bản chúng đều có 4 bộ phận chính và được bố trí như hình 1.5.

+ Vành lái (Vô lăng).
+ Trục lái.

8


`

+ Cơ cấu lái.
+ Dẫn động lái.

Hình 1.5. Cách bố trí hệ thống lái trên ơ tơ.
a. Vành tay lái (Vô lăng).
Vô lăng là bộ phận đặt trên buồng lái, có nhiệm vụ tiếp nhận momen quay
của người lái và truyền cho trục lái. Vành tay lái có cấu tạo tương đối giống
nhau trên các loại xe ô tô. Mặc dù trên hầu hết các hệ thống lái ngày nay đều
được trang bị bộ trợ lực lái nhưng vành lái cũng cần phải đủ vững chắc để có
thể truyền được momen yêu cầu lớn nhất kể cả khi bộ trợ lực bị hư hỏng.
Ngoài ra vành lái cũng cần phải đảm bảo tính thẩm mỹ.
b. Trục lái.
Trục lái bao gồm trục lái chính làm nhiệm vụ truyền momen quay từ vành lái
đến hộp số lái và ống đỡ trục lái để cố định trục lái vào thân xe. Đầu trên của
trục lái chính được siết chặt với vành lái bằng đai ốc. Đầu dưới của trục lái
chính nối với cơ cấu lái bằng khớp nối mềm hoặc khớp các đăng để giảm
thiểu việc truyền chấn động từ mặt đường lên vành tay lái. Trục lái phải đảm
bảo đủ cứng để truyền momen điều khiển nhưng lại phải đảm bảo giảm rung
động trong hệ thống lái, không gây rung, ồn trong buồng điều khiển,…
9

`

c. Cơ cấu lái.
Cơ cấu lái có chức năng biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển
động thẳng dẫn đến các đòn kéo dẫn hướng. Cơ cấu lái sử dụng trên các xe ô
tô hiện nay rất đa dạng tuy nhiên để đảm bảo thực hiện tốt được chức năng
trên thì chúng phải đảm bảo được các yêu cầu:
+ Tỉ số truyền của cơ cấu lái phải đảm bảo phù hợp với từng loại ơ tơ.
+ Có kết cấu đơn giản, tuổi thọ cao và giá thành thấp, dễ dàng tháo lắp
và điều chỉnh.
+ Hiệu suất truyền động thuận và nghịch sai lệch không lớn.
+ Độ rơ của cơ cấu lái phải nhỏ.
Hiện tại trên thị trường, cơ cấu lái sử dụng trên các loại ô tô được chia thành
3 loại chính là: kết cấu thanh răng – bánh răng, kết cấu lái kiểu xe tải, kết cấu lái
hộp số như hình 1.6 .

a.

c.
b.
Hình 1.6. Các kết cấu của hệ dẫn hướng[9].
a.Kết cấu lái thanh răng- bánh răng. b.Kết cấu lái hộp số. c. Kết cấu lái kiểu xe tải.

10


`

Có hai kiểu liên kết giữa 2 bánh dẫn hướng:
• Liên kết truyền tác động lái phụ thuộc.

Với kết cấu này, góc quay của bánh lái sẽ truyền trực tiếp xuống một
bánh và gián tiếp qua bánh còn lại nhờ thanh truyền. Vơ lăng tác động
một lực nhỏ thì hộp lái sẽ chuyển tác động này thành một góc tương ứng
xuống bánh lái bên vô lăng làm cho bánh lái này quay một lượng tương
ứng. Thông qua thanh nối liên kết, chuyển động rẽ của bánh này sẽ truyền
sang bánh kia tạo ra góc lái phù hợp giữa hai bánh.

Hình 1.7. Liên kết truyền tác động lái phụ thuộc.
• Liên kết truyền tác động lái độc lập.
Kết cấu này giúp truyền góc quay trực tiếp lên cả hai bánh. Việc tạo liên
kết này tương đối khó khăn do cần sự chính xác cao hơn. Khi xe đi thẳng
sẽ gặp khó khăn do phải giữ cho cơ cấu ổn định.

Hình 1.8. Liên kết truyền tác động lái độc lập.
11


`

d. Dẫn động lái.
Cơ cấu dẫn động lái có chức năng thời phải đảm bảo mối quan hệ về góc
quay của bánh xe dẫn hướng sao cho trục của bốn bánh xe trong quá trình
chuyển động phải đồng quy tại tâm tức thời của xe như truyền chuyển động
điều khiển từ hộp cơ cấu lái tới hai khớp quay của bánh xe. Để đảm bảo việc
thực hiện dẫn động lái thì có hai kết cấu cơ khí chính của Davis và
Ackermann.

 Cơ cấu dẫn động lái Davis:
Kết cấu Davis được thể hiện như hình 1.9. Đặc điểm của cơ cấu này là
có hiện tượng trượt trên cả hai bánh, gây ra ma sát lớn và hao mòn

cho lốp. Bánh răng làm nhiệm vụ kết nối cơ bản trong mọi quá trình
chạy xe. Do lốp bị hao mịn nên hệ thống trở nên khơng chính xác sau
một thời gian sử dụng. Cơ cấu lái này có hai thanh cố định EM và FN
làm cho truc GH luôn song song với AC. Điều này tạo ra quan hệ
khơng hợp lý trong góc rẽ hai bánh lái và gây ra những bất lợi kể trên.

Hình 1.9. Cơ cấu dẫn động lái Davis.

 Cơ cấu dẫn động lái Ackermann:
Khác với cơ cấu Davis, cơ cấu Ackermann được thiết kế nhằm đảm
bảo khi rẽ thì bánh gần hướng rẽ sẽ quay một góc nhỏ hơn và bánh
cịn lại sẽ quay một góc lớn hơn. Nhờ kết cấu cơ khí mà thanh chỉnh
hướng lái hai bánh ở đây có phương khơng song song với trục trước
khi lái. Điều này giúp gia tăng độ chênh lệch góc lái của hai bánh so
12


`

với cơ cấu Davis. Hạn chế của cơ cấu này là thực hiện các quy trình
cơ bản ở các góc rẽ giới hạn và đi thẳng thì trục nối tâm bốn bánh
khơng trùng nhau.

b.

a.

Hình 1.10. Cơ cấu dẫn động lái Ackermann.
a. Xe chạy thẳng.

b. Xe rẽ trái.

Giả sử δ 0 là góc rẽ bánh ngồi, δi là góc rẽ bánh trong.
R

R

R

R

L: Khoảng cách giữa trục trước và sau của xe.
t: Độ dài của trục sau.
R: Bán kính cung rẽ của trọng tâm xe (tâm là tâm tức thời).
Với kết cấu Ackermann thì các góc rẽ được xác định như sau:
δ 0 = tan-1
R

R

P

δi = tan-1
R

R

P

P

P

L
L
≅
( R + t / 2) R + t / 2
L
L
≅
( R − t / 2) R − t / 2

Khi đó có :
cosδo – cosδ i = t/L
R

R

R

(1.1)

R

1.2.4. Lực và momen tác động lên hệ thống lái

13


`

Lực và mô men tác dụng lên hệ thống lái được tạo ra do tương tác giữa lốp
xe với mặt đường. Do vậy sau đây ta sẽ phân tích các lực và mơ men tác dụng lên
lốp xe.
Trong hình 1.11 thì hệ trục tọa độ XYZ được chọn sao cho:
 Trục X có gốc tại giao của mặt bánh và mặt đường theo hướng di chuyển
là hướng dương.
 Trục Z vng góc mặt đường với hướng dương hướng xuống dưới.
 Trục Y xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Các lực và mô men tác động lên lốp:
 Lực dọc Fx là thành phần lực tác động lên lốp bởi đường trong mặt phẳng
của đường và song song với đường giao giữa mặt phẳng bánh và mặt đường.
 Lực bên Fy là thành phẩn lực tác dụng lên lốp bởi đường trong mặt phẳng
của đường và vng góc với Fx.
 Lực vng góc Fz là thành phần lực tác dụng lên lốp bởi đường và vng
góc với mặt đường. Lực vng góc có giá trị âm. Tải vng góc được định
nghĩa là âm của lực vng góc, do đó nó có giá trị dương.

14