Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống lái trợ lực điện phục vụ giảng dạy

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

--------------------------------------------------

Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH
DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2018

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống lái trợ lực điện phục vụ giảng dạy
Số hợp đồng: 2018.01.68

Chủ nhiệm đề tài: Dương Hồng Long
Đơn vị cơng tác: Khoa Cơ khí – Điện – Điện tử - Ơ tơ
Thời gian thực hiện: 06/2018 – 11/2018

TP. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 12 năm 2018


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
-----------------------------------------------------

Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH

CHƯƠNG DÀNH

1. TỔNG QUAN
TÀI
LIỆU .........................................................................
CHO
CÁN
BỘ - GIẢNG VIÊN 2018 2
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 5

Tên đề tài:3.Thiết
và chế
mơ hình
hệ.................................................................
thống lái trợ lực điện phục vụ giảng dạy
CHƯƠNG
KẾTkế
QUẢ
VÀtạo
THẢO
LUẬN
49
Số hợp đồng: 2018.01.68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 57

Chủ nhiệm đề tài: Dương Hồng Long

Đơn vị cơng tác: Khoa Cơ khí – Điện – Điện tử – Ơ tơ
Thời gian thực hiện: 06/2018 – 11/2018

Các thành viên phối hợp và cộng tác:

STT
1

Họ và tên
Nguyễn Hữu
Luân

Chuyên ngành
Kỹ thuật Cơ điện tử

Cơ quan cơng tác
Khoa Cơ khí – Điện
– Điện tử – Ơ tô

Ký tên


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Xe hơi đầu tiên trên thế giới [1] .......................................................................... 2
Hình 2.1. Hệ thống lái trên ơ tơ [6] ..................................................................................... 4
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí các chi tiết trong hệ thống lái xe ơ tơ .............................................. 5
Hình 2.3 - Sơ đồ tải trọng tác dụng lên hệ thống lái .......................................................... 6
Hình 2.4. Mơ hình tốn học của hệ thống lái ...................................................................... 9
Hình 2.5. Các góc đặt của bánh xe dẫn hướng .................................................................. 11
Hình 2.6. Góc CAMBER ................................................................................................... 12
Hình 2.7. Mơ tả ảnh hưởng lực đẩy ngang đối với góc camber âm .................................. 13
Hình 2.8. Mơ tả góc camber khi xe quay vịng ................................................................. 14
Hình 2.9. Mơ tả camber bằng khơng và camber dương .................................................... 15
Hình 2.10. Caster và khoảng Caster .................................................................................. 16
Hình 2.11. Thể hiện độ ổn định và hồi vị trên đường nhờ góc caster ............................... 16

Hình 2.12. Dạng hình học Nachlauf và Vorlauf ................................................................ 17
Hình 2.13. Góc KingPin .................................................................................................... 18
Hình 2.14. Tác dụng giảm lực đánh lái ............................................................................. 19
Hình 2.15. Tác dụng giảm phản hồi .................................................................................. 20
Hình 2.16. Độ chụm của bánh xe dẫn hướng .................................................................. 21
Hình 2.17. Trợ lực lái điện – điện tử với mô tơ trợ lực bố trí trên trục lái ........................ 22
Hình 2.18. Mô tơ trợ lực lắp ở cơ cấu lái .......................................................................... 23
Hình 2.19. Trợ lực lái điện-điện tử với mơtơ trợ lực bố trí ở cơ cấu lái ........................... 23
Hình 2.20. Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Scion ...................................... 24
Hình 2.22. Sơ đồ khối hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Scion .............................. 25
Hình 2.23. Sơ đồ bố trí hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Scion ............................ 25
Hình 2.24. Sơ đồ mơ phỏng q trình điều khiển mơtơ trợ lực lái theo phương pháp
điều khiển điện á ............................................................................................ 26
Hình 2.25. Sơ đồ mơ phỏng q trình điều khiển mơtơ trợ lực lái theo phương pháp
điều khiển dịng điện ...................................................................................... 27
Hình 2.26. Mạch tương đương của mơtơ .......................................................................... 27
Hình 2.27. Sơ đồ điều khiển tổng quát .............................................................................. 28
Hình 2.28. Điều khiển chế độ mơtơ................................................................................... 29
Hình 2.29. Đặc tính điều khiển .......................................................................................... 29
Hình 2.30. Cấu tạo cảm biến mô men trên xe Toyota Camry ........................................... 30
Hình 2.31. Cấu tạo cảm biến mơ men trên xe Toyota Corolla .......................................... 31
Hình 2.32. Đường đặc tính phát ra điện áp của cảm biến mô men trên xe Toyota
Corolla


Hình 2.33. Cảm biến góc xoay kiểu Resolver ................................................................... 32
Hình 2.35. Mối quan hệ giữa mô men đánh lái, mô men trợ lực và tốc độ ơ tơ ............... 33
Hình 2.36. Cảm biến tốc độ ơ tơ ........................................................................................ 33
Hình 2.37. Hộp EPS-ECU ................................................................................................. 35
Hình 2.38. Card Arduino UNO ......................................................................................... 36

Hình 2.38. Lưu đồ giải thuật.............................................................................................. 40
Hình 2.39. Máy Oscillocope .............................................................................................. 46
Hình 3.1. Khung mơ hình sau khi thiết kế ......................................................................... 48
Hình 3.2. Bộ điều khiển hệ thống lái trợ lực điện ............................................................. 49
Hình 3.3. Mơ hình sản phảm hệ thống lái trợ lực điện ...................................................... 49
Hình 3.4. Mơ tơ trợ lực và cảm biến mơ men trên mơ hình .............................................. 50
Hình 3.5. Máy Oscillocope ................................................................................................ 50
Hình 3.6. Tín hiệu cảm biến mơ men ................................................................................ 51
Hình 3.7. Tín hiệu điều khiển Motor khi đánh lái sang phải ............................................. 52
Hình 3.8. Tín hiệu điều khiển Motor khi đánh lái sang trái .............................................. 53


TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận văn đã đáp ứng yêu cầu và nhiệm vụ
đặt ra của đề tài trên. Đề tài trình bày và phân tích một cách hệ thống và kỹ lưỡng các
cơ sở lý thuyết và kết cấu có ảnh hưởng đến hệ thống lái; Các giải pháp kỹ thuật trong
điều khiển hệ thống lái trợ lực. Ngoài việc nghiên cứu, nội dung phần này có thể dùng
làm tài liệu giảng dạy hoặc tài liệu chuyên đề sâu về hệ thống lái để giảng dạy trong
các trường cao đẳng và đại học chun ngành cơ khí ơtơ.
Trong phần xây dựng mơ hình và thí nghiệm, đề tài đã thiết kế chế tạo thành
cơng mơ hình sống hệ thống lái trợ lực điện. Mơ hình đã mơ phỏng được các hoạt
động cơ bản của hệ thống lái trên và có thể thực hiện các thí nghiệm-nghiên cứu trên
mơ hình như:
-

Đo đạc các thơng số tín hiệu từ các cảm biến

-

Lập trình trên hệ thống với các chương trình khác nhau và kiểm nghiệm

-

Thay bộ điều khiển bằng các dòng vi điều khiển khác nhau

-

Thay thế thử nghiệm cho ECU của hãng

Mơ hình cịn có thể làm giáo cụ trực quan về hệ thống lái và để thực hành các
điều chỉnh, điều khiển hệ thống lái cho học sinh, sinh viên.


Sản phẩm thực đạt được
01 mơ hình hệ thống lái trợ lực điện
01 hướng dẫn sử dựng mơ hình

Sản phẩm đăng ký tại thuyết minh
01 mơ hình hệ thống lái trợ lực điện
01 hướng dẫn sử dụng mơ hình

Thời gian đăng ký : từ ngày 01/06/2018 đến ngày 01/11/2018
Thời gian nộp báo cáo: ngày 05/12/201


MỞ ĐẦU
Trang bị cho sinh viên các kiến thức về điều khiển tự động trên ôtô hiện đại, đặc
biệt là hệ thống lái có trợ lực điện tử, kiến thức về cách lập trình vi điều khiển cho các hệ
thống trên ôtô, những hư hỏng và cách khắc phục về hệ thống điều khiển, nâng cao kiến
thức, tay nghề.

Thiết kế mơ hình dạy học có khoa học, đạt tính thẩm mỹ cao kết hợp với những
bài tập thực hành trực quan sinh động nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức và kỹ năng
cần thiết.
Tạo phong trào nghiên cứu khoa học lớn mạnh tại nhà trường, không ngừng cải
tiến nâng cao phương tiện dạy học sao cho sinh viên đạt kết quả cao nhất.
Thêm thiết bị dạy học cho môn học thực hành lập trình vi điều khiển trên ơtơ khoa
Cơ khí, cũng như thêm thiết bị tham gia trưng bày các sản phẩm giới thiệu ngành nghề
cho các ngày hội “Tư vấn tuyển sinh” của trường.

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.

Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới
Ngành công nghiệp ô tô đã trãi qua hơn 130 năm qua, kể từ khi chiếc xe ô tô

chạy bằng động cơ xăng được giới thiệu đầu tiên trên thế giới chế tạo bởi Carl Benz
(Hình 1.1). Sự ra đời của ơ tơ đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp
vận tải, phương tiện đi lại,… Tuy nhiên, xe ô tô cũng đã để lại hậu quả to lớn đến môi
trường vì khí thải độc hại và an tồn giao thơng. Hiện nay, với sự phát triển của khoa
học, kỹ thuật và cơng nghệ, đã có rất nhiều thay đổi trong thiết kế xe ơ tơ. Theo đó,
ngành cơng nghiệp xe hơi được nghiên cứu, cái tiến và phát triển ngày một thân thiện
hơn với mơi trường và an tồn cho người sử dụng.

Hình 1.1. Xe hơi đầu tiên trên thế giới [1]
Ngày nay, kỹ thuật điện, điện tử và công nghệ thông tin đã được ứng dụng rộng
rãi và phổ biến trong ô tô ngày nay nhằm nâng cao hiệu suất làm việc, giảm khí thải và
tăng tính an tồn cho người sử dụng. Các công nghệ này đã được ứng dụng vào hầu

như tất cả các hệ thống trên ô tô, như động cơ, hệ thống treo, hệ thống phanh, cân bằng
điện tử, và hệ thống lái (HTL) cũng được tập trung phát triển, đặc biệt để nâng cao sự
tiện dụng và tính năng an tồn.
Bên cạnh nghiên cứu và phát triển hệ thống lái, việc nghiên cứu và chế tạo mơ
hình hệ thống lái phục vụ cho đào tạo và giảng dạy cũng đã rất phổ biến trên thế giới
mà đặc biệt là được phát triển bởi các cơng ty chun sản xuất về mơ hình dạy học.

2


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 cơng
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. Trong cơng 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 q trình nghiên cứu ơtơ. 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 vịng 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 tốn ổn định lật cho xe tải
nhỏ bằng đồ thị quỹ đạo pha của HTL. Thạc sỹ Nguyễn Hồng Vũ với đề tài tính tốn
động lực học quay vòng cho bánh xe dẫn hướng... Theo đó, nội dụng chương trình và
cơng nghệ chế tạo mơ hình phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu cũng được làm
tốt.
Cho tới thời điểm này, đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu khoa học về thiết kế và
chế tạo mơ hình hệ thống lái để phục vụ cho công việc giảng dạy. Tác giả Dương Văn
Yên và Nguyễn Tiến Nhật thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống lái của xe Suzuki
Wagon R+ [2]. Nhóm tác giả đã nghiên cứu sâu về lập trình và dùng các đèn LED để
biểu thị các tín hiệu như tốc độ xe, mô-men xoắn của tay lái, và chiều rẽ của bánh xe.
Tuy nhiên, đề tài chưa mô hiển thị được tốc độ xe và các giá trị mô-men. Lê Ngọc
Chung và Phạm Tiến Hùng thiết kế hệ thống lái trợ lực trên xe Toyota đời mới (Camry,
Lexus) [3]. Nguyễn Thế Anh đã thực hiện đề tài nghiên cứu và chế tạo mơ hình hệ
thống lái trợ lực điều khiển bằng điện tử trên xe con [4]. Ở đề tài này, tác giả đã tập
trung phân tích các tín hiệu điện tử được thu thập bởi các cảm biến ở các chế độ hoạt
3


động của xe. Qua đó mơ hình hố để giả lập các tín hiệu đưa về bộ xử lý trung tâm
ECU để điều khiển mô-tơ trợ lực điện hỗ trợ một lực thích hợp cho hệ thống lái. Hai
tác giả Mạc Thành Hưng và Phùng Minh Lộc đã thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học
thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái ơ tơ kết nối máy tính phục vụ đào tạo [5]. Đề tài
này tập trung nghiên cứu 2 vấn đề: (1) chế tạo mơ hình hệ thống lái, và (2) kết nối máy
tính để tạo các lỗi thường gặp để phục vụ giảng dạy cho sinh viên.
Hiên nay, các công ty ở Việt Nam đã tự thiết kế, chế tạo cũng như nhập hàng về
từ nước ngoài để bán cho các cơ sở đào tạo và trường học. Tuy nhiên giá các sản phẩm
này còn đang khá cao, dao động từ 2500 đến 4000 USD. Với hiện trạng đó, việc giảng
dạy và thực hành về HTL nói chung và HTL có trợ lực ở nước ta cịn gặp nhiều khó
khăn bởi sự thiếu hụt về mơ hình. Do đó, việc nghiên cứu và chế tạo các mơ hình phục

vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu có tính cấp thiết và phù hợp với nhu cầu thực tiễn,
vừa mang lợi ích kinh tế đối với Khoa Cơ khí – Điện – Điện tử - Ơ tơ và Trường Đại
học Nguyễn Tất Thành. Bên cạnh đó, thực hiện đề tài này cũng tạo điều kiện để hướng
dẫn các sinh viên nghiên cứu khoa học, khoá luận tốt nghiệp hoặc đồ án môn học, giúp
sinh viên hiểu sâu hơn về kiến thức chuyên ngành cũng như phát triển các kỹ năng.

4


CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.1. Giới thiệu về hệ thống lái trên ô tô
Hệ thống lái (HTL) là một trong những cụm chính đóng vai trị điều khiển
phương và hướng di chuyển của ơ tơ, bố trí chung của HTL trên xe được thể hiện trong
Hình 2.1. Hiện nay HTL trên ơ tơ đã được phát triển và tích hợp sự hỗ trợ của điện tử
để nâng cao tiện ích hỗ trợ người lái và tăng tính năng an tồn. Sử dụng các cảm biến
và điều khiển bằng bộ xử lý trung tâm (ECU), các hệ thống lái ngày một hoàn thiện và
hiện đại hơn, đặc biệt để tiến đến xe tự lái. HTL là một trong những hệ thống được yêu
câu về độ an tồn cao nhất trên ơ tơ vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới sự an tồn và tín
mạng của người lái xe. Theo thống kê, tỷ lệ phần trăm của tai nạn giao thông gây ra do
các hư hỏng của các hệ thống trên xe ô tô chiếm khoảng 5 đến 10%, trong đó hệ thống
phanh có tỷ lệ cao nhất, tiếp đến là các vấn đề liên quan đến HTL. Qua đó để thấy rằng,
HTL đóng vai trị hết sức quan trọng trong sự an tồn của xe khi vận hành. Do đó, các
nhà sản xuất đã không ngừng cải tiến và phát triển, đặc biệt là ứng dụng ngày một tinh
vi và thông minh công nghệ điện tử vào HTL.

Hình 2.1. Hệ thống lái trên ô tô [6]
Về cơ bản, HTL trên ô to có các 5 bộ phận chính như trong hình 2.2, bao gồm
vành tay lái, trục lái, cơ cấu lái, dẫn động lái (gồm các đòn dẫn động từ cơ cấu lái đến
trục quay đứng của bánh xe), và bánh xe dẫn hướng.

5


Hình 2.2. Sơ đồ bố trí các chi tiết trong hệ thống lái xe ô tô [7]
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).
Một HTL đạt tiêu chuẩn phải đảm bảo được các yêu cầu sau:
-

Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp nhất

-

Độ rơ vành lái nhỏ

-

Lực đánh lái nhỏ

-

Giảm va đập từ bánh xe lên vành lái

-

Có khả năng ổn định chuyển động thẳng

Hệ thống lái được phân loại theo các hình thức:

6


-

Theo các bố trí vành tay lái: HTL bên phải và HTL bên trái

-

Theo cơ cấu lái: Trục vít – cung răng; Trục vít – con lăn; Bánh răng – thanh
răng; Liên hợp

-

Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ trợ lực: Trợ lực thuỷ lực; Loại trợ
lực khí; Trợ lực điện

-

Theo số lượng cầu dẫn hướng: Một cầu dẫn hướng; nhiều cầu dẫn hướng; và
tất cả cầu dẫn hướng

2.1.2. Động lực học quay vịng của ơ tơ
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 mơ tả trên
hình 2.3.

Hình 2.3 - Sơ đồ tải trọng tác dụng lên hệ thống lái [8]
Ff : Lực cản chuyển động;
Fb: Lực cản bên;
7


FG: Lực cản ổn định
Mc=(Ff+Fb+FG)*a: Mô men cản tổng cộng trên trục đứng, với a là cánh tay đòn
lăn của bánh xe dẫn hướng;
Rlbx: Bán kính lăn bánh xe dẫn hướng;
: Hệ số bám
Trong các tính tốn 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.

•

Khơng có ảnh hưởng của các phần tử đàn hồi (cao su, nhựa) trong HTL (Hệ
thống lái)

•

Mơ men quay vành tay lái Mvl với tốc độ quay đều.

•

Cánh tay địn lăn a của hai bên là như nhau.

•

Giá treo dưới của hệ thống treo được gắn chặt với khung gầm.

HTL chịu tải nặng nhọc nhất khi xe đầy tải, đứng tại chỗ, quay hết vành tay lái
trên mặt đường nhựa khơ có hệ số bám lớn nhất. Mơ men cản quay vịng do các thành
phần lực cản từ mặt đường gây nên quy về hai bên trục quay đứng được tính bởi cơng
thức 2-1:
Mc= 2(M1+M2+M3+M4)
Trong đó: M1=G1*f*a

(2.1)
Mơ men cản chuyển động quay bánh xe

M2=0.14*G1**Rlbx

Mơ men cản bên

M3=FG*a*4(sin()+sin())

Mô men cản ổn định

Trong công thức, thành phần M3 được đặc trưng bởi hệ số  =1.07-1.15
M4=Fp*a

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

htl=k*t

k=0.6 Hiệu suất dẫn động lái
t=0.9 Hiệu suất khớp truyền lực

8


Trong đó  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)*/htl

(2.2)

Trong thực tế, cánh tay địn lăn a sẽ thay đổi trong quá trình đánh lái. Việc tính
tốn khoảng cách a và xét đến ảnh hưởng của các trọng lực và mơ men qn tính rất
phức tạp, tuy nhiên nhờ việc ứng dụng tin học để tính tốn các thơng số này sẽ đơn
giản hơn, giảm thời gian đi nhiều và có độ chính xác cao. Mơ phỏng vết tiếp xúc mặt
của bánh xe với mặt đường bởi một liên kết phẳng ba bậc tự do với 3 điểm liên kết
trong đó hai điểm nằm trên lốp và một điểm nằm trên mặt đường.
Khi khơng có trợ lực, để thắng được lực ở hai bên bánh xe, lực lái trên vành tay
lái có giá trị:
Pvl=2Mc/ih*htl*Rvl

(2.3)

Khi có trợ lực, mơ men cường hố được tính bởi cơng thức sau:
Mch= Pch*R0
Trong đó:

(2.4)

Mch là mơ men cường hố; R0 chiều dài cánh tay địn dẫn động;
Pch là lực cường hố.

Như vậy, trong điều kiện nặng nhọc nhất, để thắng được lực cản từ mặt đường
lên bánh xe dẫn hướng trong q trình lái xe, lực lái cực đại trên vơ lăng phải thoả mãn
điều kiện sau:
Md ≥ Mc
Trong đó:

(2.5)

Md là mô men quay trục quay đứng được quy về cơ cấu lái và được xác

định bởi cơng 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 khơng có trợ lực thì
Mch = 0 và Md = ML

9


Ngồi ra, các trọng lực, mơ men qn 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 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 đánh 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 TT) 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 mơ hình
tốn học của hệ thống như sau:

Hình 2.4. Mơ hình tốn học của hệ thống lái

Trên mơ hình tốn 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.

10


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 2.4). Nếu 2
bánh xe quay cùng một góc thì sẽ xảy ra hiện tượng trượt bên lớn của bánh xe phía
trong cung quay vịng.
Vì vậy khi quay vịng bánh xe phía trong cung quay vịng thường vừa phải lăn
vừa quay và trượt nên P3-1 và P3-2 khác nhau.
2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến 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 q sức của con
người và khơng 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.
a) 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 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
khơng 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.

11


Ơtơ 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
vịng xe thì sẽ gây sự mệt mỏi và căng thẳng về cả cơ bắp lẫn tinh thần khi điều khiển xe.
Đó là điều khơng 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
(Hình 2.5).
Việc điều khiển xe sẽ trở nên dễ dàng hơn nếu các bánh xe được đặt theo một
góc một cách chính xác theo u cầu thiết kế. Các góc đặt bánh xe đúng sẽ ngăn cản
việc mài mịn lốp. nếu như các góc đặt bánh xe khơng đúng thì có thể dẫn đến các hiện
tượng sau:
• Khó lái
• Tính ổn định lái kém
• Trả lái trên đường vịng kém
• Tuổi thọ lốp giảm (mịn nhanh)

Hình 2.5. Các góc đặt của bánh xe dẫn hướng [9]

12


Góc đặt bánh xe gồm các góc sau:
• 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 dỗng)

b) 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 (Hình
2.6). Khi bánh xe dẫn hướng nghiêng ra ngồi thì gọi là góc “CAMBER dương”, và
ngược lại gọi là góc ”CAMBER âm”. Bánh xe khơng nghiêng thì CAMBER bằng
khơng (bánh xe thẳng đứng ).

Hình 2.6. Góc CAMBER [9]

13


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 mịn khơng đều của lốp trên đường, do có phần giữa cao
hơn hai bên (Hình 2.7).
Góc Camber cịn đảm bảo sự lăn thẳng của các bánh xe, giảm va đập của mép
lốp với mặt đường. Khi góc CAMBER bằng khơng hoặc gần bằng khơng có ưu điểm
là khi đi trên đường vịng 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 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 vịng, các bánh xe ngồi nghiêng vào trong, các bánh xe trong
nghiêng ra ngoài so với thân xe. Để các bánh xe lăn gần vng 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 2.7. Mơ tả ảnh hưởng lực đẩy ngang đối với góc camber âm [9]
14


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 ngồi xe khi có camber
dương (Hình 2.8).
Khi xe chạy trên đường vịng, vì xe có xu hướng nghiêng ra phía ngồi, nên
camber của lốp xe trở nên dương hơn, và “lực đẩy ngang” về phía trong xe cũng giảm
xuống, lực quay vịng cũng bị giảm xuống.
Góc camber âm của bánh xe giữ cho bánh xe khơng bị nghiêng dương khi chạy
vào đường vịng và duy trì lực quay vịng thích hợp.

Hình 2.8. Mơ tả góc camber khi xe quay vịng [9]
Khi xe chạy vào đường vịng, lực đẩy ngang ở các lốp xe phía ngồi sẽ có tác
dụng làm giảm lực quay vịng. Lực ly tâm làm cho xe nghiêng đi vì tác động của các
lò xo của hệ thống treo, làm thay đổi góc camber. Bởi vì khi xe chạy trên đường vịng

15


lực ly tâm ln xuất hiện và có xu hướng buộc xe phải chạy theo cung trịn có bán
kính lớn hơn cung theo ý muốn của người lái xe, trừ phi xe có khả năng tạo ra đối lực
(lực hướng tâm) cân bằng với lực ly tâm. Lực ly tâm được tạo ra nhờ sự biến dạng và
trượt của hoa lốp, do ma sát giữa mặt đường và lốp xe. Lực này được gọi là lực quay
vịng (Hình 2.9).

Hình 2.9. Mô tả camber bằng không và camber dương [9]
Khoảng cách từ giao điểm của đường tâm trục đứng với mặt đất đến đường tâm
vùng tiếp xúc giữa lốp và mặt đường được gọi là khoảng Caster.
c) Góc Caster và khoảng Caster
Tác dụng của góc Caster là hồi vị bánh xe do khoảng Caster:
Dưới tác dụng của lực ly tâm khi bánh xe vào đường vịng hoặc lực do gió bên
hoặc thành phần của trọng lượng xe khi xe đi vào đường nghiêng, ở khu vực tiếp xúc
của bánh xe với mặt đường sẽ xuất hiện các phản lực bên Yb (Hình 2.10).
Khi trụ quay đứng được đặt nghiêng về phía sau một góc nào đó so với chiều
tiến của xe (Caster dương) thì phản lực bên Yb của đường sẽ tạo với tâm tiếp xúc một
mô men ổn định, mô men đó được xác định bằng cơng thức sau:
M=Yb.c

(2.8)
16


Hình 2.10. Caster và khoảng Caster [9]
Mơ-men này có xu hướng làm bánh xe trở lại vị trí trung gian ban đầu khi nó bị lệch
khỏi vị trí này. Nhưng khi quay vòng người lái phải tạo ra một lực để khắc phục mơ
men này. Vì vậy, góc Caster thường khơng lớn. Mơmen này phụ thuộc vào góc quay

vịng của bánh xe dẫn hướng. Đối với các xe hiện đại thì trị số của góc Caster bằng
khoảng từ 00 đến 30.

Hình 2.11. Thể hiện độ ổn định và hồi vị trên đường nhờ góc caster [9]

17


Khi trục xoay đứng quay để xe chạy vào đường vịng, nếu các bánh xe có góc
caster thì lốp sẽ bị nghiêng đi so với mặt đường và tạo ra mơ men “kích” có xu hướng
nâng thân xe lên ( xem hình minh hoạ). Mơ men “kích” này đóng vai trị như một lực
hồi vị bánh xe, có xu hướng đưa thân xe trở về vị trí nằm ngang và duy trì độ ổn định
trên đường thẳng của xe.
Trên hình 2.11 cũng thể hiện khả năng hồi vị bánh xe nhờ góc caster. Nếu bánh
xe có góc Caster thì giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng với mặt đường sẽ nằm
phía trước nên lực kéo này sẽ lấn át các lực có xu hướng làm cho bánh xe mất ổn định,
giữ cho bánh xe chạy ổn định theo đường thẳng. Khi bánh xe được chuyển hướng sang
một bên (do lái hoặc do trở ngại khi chạy trên đường thẳng) thì sẽ phát sinh các lực
bên F2 và F’2. Những lực bên này có tác dụng làm quay trục xoay đứng (nhờ có
khoảng Caster) và có xu hướng hồi vị bánh xe về vị trí ban đầu của nó (lực hồi vị).
Vào lúc này, với cùng một lực bên như nhau, nếu khoảng caster lớn, lực hồi vị bánh
xe cũng lớn. Vì vậy, khoảng caster càng lớn thì độ ổn định trên đường thẳng và lực hồi
vị càng lớn.

Hình 2.12. Dạng hình học Nachlauf và Vorlauf [9]

18


Trên hình 2.12 mơ tả dạng hình học Nachlauf và Vorlauf. Nói chung, muốn

tăng khoảng caster thì phải tăng góc caster. Tuy nhiên, với một góc caster khơng đổi
vẫn có thể thay đổi khoảng caster bằng cách đặt lệch trục xoay lên phía trước hoặc lùi
về sau tâm bánh xe. Dạng hình học Nachlaufcf cho phép tăng khoảng cách caster bằng
cách đặt lệch trục xoay đứng dịch lên phía trước tâm bánh xe. Dạng hình học Vorlauf
cho phép giảm khoảng caster bằng cách đặt lệch trục xoay đứng lùi về phía sau tâm
bánh xe. Trên thực tế, các dạng hình học Nachlauf và Vorlauf được áp dụng để đặt
khoảng caster phù hợp với đặc tính của xe.
d) Góc Kingpin (Góc nghiêng ngang trụ đứng).
Góc nghiêng ngang của trụ đứng được xác định trên mặt cắt ngang của xe. Góc
Kingpin được tạo nên bởi hình chiếu của đường tâm trụ đứng trên mặt cắt ngang đó và
phương thẳng đứng (Hình 2.13).

Hình 2.13. Góc KingPin [9]

19