Nghiên cứu thiết kế bệ thử để khảo nghiệm đánh giá chất lượng làm việc của bộ điều khiển và đặc tính của động cơ điện trợ lực lái

..

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

NGUYỄN ĐỨC HÀ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỆ THỬ ĐỂ KHẢO NGHIỆM ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐẶC TÍNH CỦA
ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRỢ LỰC LÁI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2018


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

NGUYỄN ĐỨC HÀ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỆ THỬ ĐỂ KHẢO NGHIỆM ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐẶC TÍNH CỦA
ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRỢ LỰC LÁI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HỒNG THĂNG BÌNH

Hà Nội - 2018


MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................. 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................. 6
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ............................................................... 9
1.1. Hệ thống lái trợ lực hiện nay ............................................................................... 9
1.1.1. Hệ thống lái trợ lực thủy lực ........................................................................ 9
1.1.2. Hệ thống lái trợ lực điện ............................................................................ 10
1.2. Đặt vấn đề nghiên cứu ....................................................................................... 13
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU QU Y LUẬT BIẾN ĐỔI CỦA MƠ MEN CẢN
QUAY VỊNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH XE DẪN HƯỚNG VÀ CƠ SỞ CHỌN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN .................................................................................................... 15
2.1. Động lực học quay vòng xe tải ......................................................................... 15
2.1.1.Đặc điểm quay vòng của xe tải ................................................................... 15
2.1.2. Xây dựng các phương trình động lực học quay vịng xe tải ...................... 16
2.2. Ảnh hưởng của độ đàn hồi lốp tới tính năng quay vịng của ơ tơ tải ................ 22
2.3. Ảnh hưởng của các góc đặt của bánh xe dẫn hướng tới tính quay vịng ơ tơ tải
............................................................................................................................ 27
2.3.1. Góc nghiêng ngang bánh xe (Camber) ...................................................... 27
2.3.2. Góc nghiêng ngang của trụ đứng (Kingpin) .............................................. 31

2.3.3. Góc nghiêng dọc của trụ đứng bánh xe (Caster) ....................................... 35
2.3.4. Độ chụm bánh xe dẫn hướng (Toe) ........................................................... 38
2.4. Mơ men cản quay vịng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng ................................. 40
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN VÀ SỰ ĐIỀU KHIỂN SỰ
HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ................................................................ 42
3.1. Các phần tử cơ bản của trợ lực lái điện ............................................................. 42
3.1.1. Mô tơ .......................................................................................................... 42
3.1.2. Bộ điều khiển trung tâm (ECU) ................................................................. 43
3.1.3. Các cảm biến .............................................................................................. 44
3.1.4. Hộp giảm tốc .............................................................................................. 44
3.2. Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống trợ lực lái điện .......................................... 44

1


3.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của eps ............................................................. 46
3.3.1. Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1 ............................................................ 46
3.3.2. Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2 ............................................................ 48
3.4. Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện .................................................... 51
3.4.1. Cảm biến tốc độ đánh lái loại máy phát điện ............................................ 51
3.4.2. Loại cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall ...................................... 52
3.4.3. Cảm biến mơ men lái có 3 loại ................................................................. 52
3.4.3.1. Loại lõi thép trượt ........................................................................... 52
3.4.3.2. Loại lõi thép xoay ........................................................................... 53
3.4.3.3. Loại 4 vành dây ............................................................................... 54
3.4.4. Cảm biến vận tốc xe .................................................................................. 55
3.4.4.1. Loại công tắc lưỡi gà ....................................................................... 56
3.4.4.2. Loại từ - điện ................................................................................... 56
3.4.4.3. Loại quang điện ............................................................................... 57
3.4.4.4. Loại mạch từ trở MRE .................................................................... 57

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỆ THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ
TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐẶC TÍNH MƠ MEN
CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN .......................................................................................... 59
4.1 Mục tiêu xây dựng mơ hình ............................................................................... 59
4.2. Nội dung thực hiện ............................................................................................ 59
4.2.1. Mô men trên vành tay lái ........................................................................... 59
4.2.2. Mơ men cản quay vịng .............................................................................. 59
4.2.3. Đo cường độ dịng điện cấp cho mơ tơ trợ lực .......................................... 59
4.2.4. Đo tải trọng ................................................................................................ 60
4.3. Mơ hình ............................................................................................................. 60
4.3.1. Đo mơ men trợ lực và mơ men cản quay vịng .......................................... 60
4.3.1.1. Dùng cảm biến mô men .................................................................. 60
4.3.1.2. Đo mơ men trợ lực và mơ men cản quay vịng. .............................. 61
4.3.2. Đo mô men đánh lái ................................................................................... 62
4.3.3 Đo cường độ dòng điện ............................................................................... 63
4.3.4 Đo tải trọng ................................................................................................. 64
4.3.4.1. Sử dụng Loadcell ............................................................................ 64
4.3.4.2. Vị trí lắp đặt .................................................................................... 64
4.3.5. Tín hiệu vận tốc ......................................................................................... 65
2


4.3.5.1. Sử dụng triết áp để thay đổi điện áp đưa vào modul điều khiển ..... 65
4.3.5.2. Vị trí lắp đặt: giả lập điện áp của cảm biến vận tốc đưa vào mô đul
điều khiển ..................................................................................................... 65
4.4 Kết quả đo thí nghiệm ........................................................................................ 66
4.4.1. Các giá trị đo thực tế .................................................................................. 68
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 72

3


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những nội dung được
trình bày trong luận văn do chính tơi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của thầy
giáo TS. Hồng Thăng Bình, cùng các thầy giáo Bộ môn ôtô – Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội. Toàn bộ nội dung trong luận văn hoàn toàn phù hợp với nội
dung đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực.
Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2018
Tác giả
Nguyễn Đức Hà

4


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu,
viết tắt

Đơn vị

Ý nghĩa

σ

độ

Góc Kingpin

γ

độ

Góc Camber

θ

độ

Góc quay bánh xe dẫn hướng

τ

độ

Góc Caster

ϕ'

-

δ

độ

Góc lệch bên bánh xe

L

m

Chiều dài cơ sở

B

m

Chiều ngang cơ sở

a

m

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu trước

b

m

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu sau

v

m/s

Vận tốc chuyển dộng của ô tô

nk

mm

KhoảngKingpin

nτ

mm

Khoảng Caster

N/độ

Hệ số cản lệch bên của lốp

na

mm

Khoảng dịch chuyển trụ đứng

rbx

mm

Bán kính lăn bánh xe

g

m / s2

Gia tốc trọng trường

G1

N

Trọng lượng cầu trước

G2

N

Trọng lượng cầu sau

R

m

Bán kính quay vịng

Fx,Fy,Fz

N

k

Mx,My,Mz

N.m

Mcqv

N.m

Hệ số bám ngang của lốp

Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng theo phương
x, y, z
Các Mô men tác dụng vào bánh xe dẫn hướng theo
phương x,y,z
Mơ men cản quay vịng

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực .......................................................... 9
Hình 1.2 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu bố trí trên trục lái ...................................... 11
Hình 1.3 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện ................................... 12
Hình 2.1 Quỹ đạo của ơ tơ khi quay vịng ............................................................... 15
Hình 2.2 Lực ngang và gia tốc ................................................................................. 16
Hình 2.3 Các lực và mô men tác dụng vào ô tô khi quay vịng ............................... 19
Hình 2.4 Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng ................................................. 21
Hình 2.5 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác động của lực ngang ...... 22
Hình 2.6 Đồ thị quan hệ giữa lực ngang và góc lệch bên của lốp ........................... 23
Hình 2.7 Quay vịng xe khi lốp có biến dạng ngang ................................................ 24
Hình 2.8 Mơ hình quay vịng 1 dãy ......................................................................... 25
Hình 2.9 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác dụng của lực bên ......... 26
Hình 2.10 Góc nghiêng bánh xe dẫn hướng trong mặt phẳng ngang ...................... 27

Hình 2.11 Thay đổi cánh tay địn nk và xác định thành ........................................... 28
phần Fzsinγ do góc Camber sinh ra .......................................................................... 28
Hình 2.12 Sự thay đổi của góc Camber ................................................................... 29
Hình 2.13 Mịn lốp xe do trị số góc Camber q lớn ............................................... 30
Hình 2.14 Góc nghiêng ngang của trụ đứng ............................................................ 31
Hình 2.15. Cách xác định góc Kingpin .................................................................... 31
Hình 2.16 Sự lệch của góc Kingpin ......................................................................... 33
Hình 2.17 Xác định khoảng cách r2 ........................................................................ 33
Hình 2.18 Xác định r3 và các thành phần của phản lực thẳng đứng ........................ 34
Hình 2.19: Góc Caster và cánh tay địn nτ ............................................................... 35
Hình 2.20 Tác dụng của gió bên khi góc Caster dương ........................................... 37
Hình 2.21 Độ chụm và góc chụm bánh xe dẫn hướng ............................................. 38
Hình 2.22 Mô men làm quay bánh xe dẫn hướng của các lực dọc .......................... 39
Hình 2.23 Sự ăn mịn lốp do độ chụm quá lớn ........................................................ 40
Hình 3.1: Sơ đồ khối nguyên lý trợ lực lái điện. ..................................................... 44
Hình 3.2: Bản đồ điều khiển ECU trong hệ thống trợ lực lái điện. ......................... 45
Hình 3.3: Trợ lực lái điện với moto trợ lực trên trục lái .......................................... 46
Hình 3.4: Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái kiểu 1 ................................................ 47
Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển trợ lực lái kiểu 1 ........................................................... 47
6


Hình 3.6: Bố trí các cụm và Taplơ thể hiện đèn báo lỗi P/S .................................... 48
Hình 3.7: Mơ tơ trợ lực lắp rời trên cơ cấu lái ......................................................... 49
Hình 3.8: Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái ........................................................ 49
Hình 3.9: Cụm mơ tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay ....................... 50
Hình 3.10: Cụm mơ tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay ..................... 51
Hình 3.11: Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái ................................... 51
Hình 3.12: Cảm biến tốc độ đánh lái (góc đánh lái) loại Hall ................................. 52
Hình 3.13: Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến ................................. 53

mơ men lái loại lõi thép trượt ................................................................................... 53
Hình 3.14: Vị trí lắp, cấu trúc và đặc tính của cảm biến mơ men ............................ 54
lái loại lõi thép xoay ................................................................................................. 54
Hình 3.15: Cấu tạo cảm biến mô men lái loại 4 vành dây ....................................... 55
Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý và xung của cảm biến ................................................. 55
mô men lái loại 4 vành dây ...................................................................................... 55
Hình 3.17: Cảm biến loại cơng tắc lưỡi gà .............................................................. 56
Hình 3.18: Cảm biến loại từ điện ............................................................................. 56
Hình 3.19: Cảm biến loại quang điện ...................................................................... 57
Hình 3.20: Cảm biến tốc độ ơ tơ loại MRE ............................................................. 58
Hình 4.1: Mơ hình bệ thử ......................................................................................... 60
Hình 4.2: Cảm biến mơ men .................................................................................... 61
Hình 4.3: Vị trí đặt cảm biến mơ men ...................................................................... 61
Hình 4.4: Cảm biến lực ............................................................................................ 62
Hình 4.5: Vị trí đặt mơ men cảm biến lực................................................................ 62
Hình 4.6: Vị trí cảm biến đo mơ men trên vơ lăng .................................................. 63
Hình 4.7: Sơ đồ lắp đặt đo cường độ dịng điện ...................................................... 63
Hình 4.8: Cảm biến đo tải trọng ............................................................................... 64
Hình 4.9: Vị trí cảm biến đo tải trọng ...................................................................... 64
Hình 4.10: Triết áp ................................................................................................... 65
Hình 4.11: Sơ đồ giả lập điện áp .............................................................................. 65
Hình 4.12: Hình ảnh mơ hình thực tế và q trình triển khai đo đạc ....................... 66
Hình 4.13: Biểu đồ quan hệ vận tốc và các mơ men đầu vào .................................. 67
Hình 4.14: Biểu đồ quan hệ vận tốc và mô men cản ............................................... 67
Hình 4.15: Sơ đồ quan hệ mơ men cản và mô men trợ lực ...................................... 68

7


MỞ ĐẦU

Ngày nay, nền kinh tế của Việt Nam đang trên đà tăng trưởng mạnh, đời
sống của người dân tăng cao, nhu cầu đi lại, mua sắm các phương tiện cá nhân cũng
tăng. Hệ thống giao thông nước ta ngày càng được hồn thiện từ đó cho phép vận
tốc tối đa của ô tô tăng lên nhằm rút ngắn thời gian di chuyển của con người và
hàng hóa, mang nhiều lợi ích về kinh tế. Tuy nhiên cùng với sự phát triển đó thì tại
nạn giao thơng là vấn đề thách thức lớn mang tính thời sự nóng bỏng. Trong các vụ
tai nạn giao thơng thì hệ thống lái đóng một vai trò quan trọng. Người ta đã chứng
minh được rằng khi vận tốc càng cao thì khả năng mất lái càng lớn do khi vận tốc
lớn thì mơ men trả lái giảm. Do đó để giữ được cảm giác lái của người lái thì u
cầu đối với ơ tơ ngày nay phải có hệ thống lái trợ lực có tỷ số truyền lực thay đổi.
Ở nước ta, số lượng xe tải tham gia giao thông chiếm một tý lệ tương đối
lớn. Xuất phát từ yêu cầu thực tế, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của mình liên quan
đến động lực học của hệ thống lái xe tải, với mong muốn đóng góp một phần cơng
sức của mình vào vấn đề an tồn giao thơng cũng như có được kiến thức về động
lực học hệ thống lái xe tải là cơ sở dữ liệu cho việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống lái
trợ lực sau này.
Trong thời gian làm luận văn tôi luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận
tình của thầy giáo hướng dẫn khoa học: T.S Hồng Thăng Bình cùng các thầy giáo
trong bộ mơn ơtơ và xe chuyên dụng trường đại học Bách Khoa Hà nội. Tơi xin
chân thành cảm ơn thầy Hồng Thăng Bình và các thầy trong bộ môn cùng các bạn
đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn của mình.

8


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Hệ thống lái giữ vai trị quyết định đến tính năng điều khiển và dẫn hướng ô
tô. Trong hệ thống lái của nhiều ô tơ hiện nay vẫn cịn sử dụng hệ thống trợ lực thủy
lực. Tuy nhiên, đặc tính mơ men của hệ thống lái trợ lực thủy lực lại không phù hợp
với quy luật biến đổi của mơ men cản quay vịng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng

đặc biệt khi xe chuyển động với vận tốc cao (từ 50 km/h trở lên).
Sử dụng hệ thống lái trợ lực điện có ưu điểm là dễ bố trí các mạch điều khiển
điện tử thay đổi trị số mô men trợ lực của động cơ phù hợp với quy luật biến đổi
của mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng khi chuyển động ở các
tốc độ khác nhau. Ngoài ra, hệ thống lái trợ lực điện cịn có tính kinh tế, an tồn và
thân thiện với mơi trường tốt hơn so với hệ thống lái trợ lực thủy lực.
1.1. Hệ thống lái trợ lực hiện nay
1.1.1. Hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hình 1.1. Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thủy lực (Hình 1.1) có bộ trợ lực lái sử dụng một phần
cơng suất động cơ để tạo ra áp suất dầu thủy lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh
xe dẫn hướng để chuyển hướng chuyển động của ô tô. Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển
mạch một đường dầu tại van điều khiển.
Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực có thể thấy hệ
thống có các ưu điểm, nhược điểm như sau:
9


+ Ưu điểm: với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực đã giúp người lái điều khiển nhẹ
nhàng hơn so với hệ thống lái khơng có trợ lực vì có thêm trợ lực tác động của
piston-xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra. Trong
trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo được an tồn về hướng
trong quá trình chuyển động .
+ Nhược điểm: trong hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, nguồn năng lượng trợ lực được
tạo thành do sự làm việc bơm dầu mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của
động cơ, sử dụng một phần công suất của động cơ. Trong quá trình chuyển động,
ngay cả khi xe chuyển động thẳng thì bơm dầu vẫn làm việc, điều này gây lãng phí
cơng suất động cơ trong khi hệ thống lái khơng cần nguồn trợ lực. Để đảm bảo được áp
suất dầu trợ lực thì hệ thống cần yêu cầu về độ kín khít cao ở trên đường ống, van do đó

thường xuyên phải kiểm tra sự rò rỉ dầu trong hệ thống lái. Hệ thống làm việc ồn do
tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống, van. Ngồi ra, dầu trợ lực lái
khi thải ra cịn là nguồn chất thải gây ô nhiểm môi trường.
- Đánh giá: đối với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì tỉ số truyền của cơ cấu lái
không thay đổi. Do đó, khơng đáp ứng được u cầu rất quan trọng đối với hệ thống lái
trên xe ô tô hiện đại ngày nay. Để cải thiện điều này, người ta đưa ra hệ thống lái trợ
lực thuỷ lực hỗ trợ điện tử EHPS bằng cách đưa ra thêm các van điện từ vào sau van
phân phối để điều khiển áp suất dầu trợ lực. Tuy nhiên, hệ thống EHPS tồn tại nhiều
nhược điểm như: hệ thống phức tạp, về bản chất là hệ thống thuỷ lực nên tổn hao
công suất do phải dùng bơm thuỷ lực, các yêu cầu về độ kín khít cao, khối lượng lớn
và chiếm diện tích bố trí lớn. Cùng với các loại EHPS, trong thời gian gần đây đã xuất
hiện các dạng hệ thống lái trợ lực khác hồn hảo hơn đó là hệ thống lái trợ lực điện
EPS.
1.1.2. Hệ thống lái trợ lực điện
Hệ thống lái trợ lực điện có cấu tạo như trên Hình 1.2.
- Đặc điểm của hệ thống:

10


+ Cảm biến mô men: cảm biến mô men được gắn vào phía trong trục lái, dựa
vào hiệu ứng Hall để đưa ra điện áp tùy thuộc vào mô men đánh lái và mô men cản.
Điện áp ra của cảm biến sẽ được gửi vào ECU để điều khiển môtơ trợ lực.
+ ECU điều khiển: ECU tiếp nhận các thông số tín hiệu của cảm biến mơ men,
cảm biến tốc độ động cơ, tín hiệu IG, tín hiệu tốc độ xe sau đó tính tốn và điều khiển
mơtơ trợ lực.

1- Cảm biến mơ men

3- Trục vít - Bánh vít

2- Mơ tơ trợ lực

4- ECU điều khiển

Hình 1.2 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu bố trí trên trục lái
+ Mơ tơ trợ lực: mô tơ trợ lực nối với trục lái bằng bộ giảm tốc trục vít - bánh
vít và được điểu khiển bằng ECU, mơ tơ có thể đảo chiều và quay ở các tốc độ khác
nhau tùy theo mức độ đánh lái của người lái và mô men cản quay vòng.
- Nguyên lý hoạt động: ECU tiếp nhận các thơng số chính từ cảm biến mơ men
và từ tốc độ xe, ngồi ra có các thơng số phụ như: tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu B+ ,
chế độ khơng tải… để tính tốn điều khiển mơ tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái. Lực
đánh lái càng lớn thì mơ tơ trợ lực càng nhiều, nhưng mô men trợ lực sẽ giảm dần khi
tốc độ xe tăng dần.
+ Trạng thái quay vòng: khi người điều khiển tác động quay vành lái, xuất
hiện hiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men thay đổi
điện áp tùy theo chiều quay và độ lệch tương đối giữa hai đầu thanh xoắn sau đó
truyền tín hiệu về ECU, kết hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU
tính tốn ra dịng điện điều khiển và chiều quay của mô tơ trợ lực cho phù hợp.
11


Hình 1.3 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện
+ Trạng thái đi thẳng: trục lái khơng được tác động do đó khơng có hiện
tượng xoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men khơng thay đổi điện
áp, vì thế ECU khơng điều khiển môtơ trợ lực và trạng thái đi thẳng được giữ nguyên.
- Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện: so sánh kết cấu với hệ thống lái
trợ lực thuỷ lực thì hệ thống lái trợ lực điện không sử dụng bơm dầu để tạo ra năng
lượng trợ lực mà sử dụng một motor điện một chiều, do đó giảm tổn hao nhiên liệu
từ 2-3%. Hệ thống khơng sử dụng các đường ống dẫn và van phức tạp như hệ thống

lái trợ lực thuỷ lực. Với việc sử dụng motor điện một chiều, hệ thống lái trợ lực điện dễ
dàng điều khiển được chiều quay của motor điện cũng như dễ dàng thay đổi mô men
xoắn của motor bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cấp vào motor.
- Đánh giá: ngoài những ưu điểm vượt trội khi so sánh với hệ thống lái trợ lực
thủy lực thì hệ thống lái trợ lực điện đã đáp ứng được yêu cầu về tỉ số truyền lái thay
đổi. Đây là một yêu cầu rất quan trọng và đặc biệt là đối với các xe ô tô hiện đại ngày
nay. Nhờ việc dễ dàng thay đổi tỉ số truyền lái mà hệ thống lái trợ lực điện giúp
nâng cao tính năng an toàn chuyển động của xe khi xe đi ở tốc độ cao, ngoài ra hệ

12


thống còn giúp cho người lái dễ dàng điều khiển xe khi xe đi vào những đường hẹp, yêu
cầu quay vịng với bán kính nhỏ.
1.2. Đặt vấn đề nghiên cứu
Khi xe ôtô hoạt động hay chạy trên các mặt đường khác nhau. Qua thời gian bào
món và q trình sử dụng ô tô. Các thiết bị cơ học hay điện tử có thể bị bào mịn,
nguy cơ hỏng hóc. Trong khi đó thiết bị trợ lực lái là vơ cùng quan trọng.Vì vậy để
có thể đưa ra cảnh báo cho người dung và đưa ra đo lường kịp thời về các thơng số
chuẩn. Hiện nay ở nước ta chưa có cơng trình nào nghiên cứu các thơng số, dữ liệu
để thiết kế hệ thống trợ lực lái này. Xuất phát từ đó tác giả đã chọn hướng xây dựng
đề tài tốt nghiệp “ Thiết kế bệ thử để khảo nghiệm đánh giá chất lượng làm việc của
bộ điều khiển và đặc tính của động cơ điện trợ lực” để làm cơ sở dữ liệu đo lường
các thiết bị trợ lực lái sau này.
Mục đích của đề tài:
Thiết kế bệ thử để khảo nghiệm đánh giá chất lượng làm việc của bộ điều
khiển và đặc tính của động cơ điện trợ lực..
Với mục đích trên thì nội dung của đề tài được thể hiện như sau:
Chương I : Tổng quan về đề tài
Chương II: Nghiên cứu quy luật biến đổi của mơ men cản quay vịng tác dụng

lên bánh xe dẫn hướng và cơ sở chọn động cơ điện.
Chương III: Nghiên cứu thuật toán và sự điều khiển sự hoạt động của động cơ
điện.
-

Các phần tử cơ bản của trợ lực lái điện

-

Các cảm biến

Chương IV: Nghiên cứu, thiết kế bệ thử nghiệm đánh giá tính năng làm việc của bộ
điều khiển và đặc tính mơ men của động cơ điện.
- Xây dựng bản thiết kế bệ thử.
- Thí nghiệm đo lường lấy dữ liệu.
- Đánh giá khả năng làm việc của bộ điều khiển và đặc tính của mơ men của
động cơ điện.

13


Nhận xét: Từ những phân tích ở trên tác giả thấy ưu điểm của hệ thống lái trợ lực
điện là rất ưu việt mà cho đến nay các cơng trình nghiên cứu hệ thống lái trợ lực
điện chỉ dừng lại ở lý thuyết. Nhưng trên thế giới đã thương mại hóa từ rất lâu.
Theo xu hướng thế giới đang tiến tới nền công nghiệp 4.0, việc nghiên cứu phát
triển hệ thống lái trợ lực điện hiện nay là cấp bách.

14

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU QU Y LUẬT BIẾN ĐỔI CỦA
MÔ MEN CẢN QUAY VÒNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH XE
DẪN HƯỚNG VÀ CƠ SỞ CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN.
2.1. Động lực học quay vịng xe tải
2.1.1.Đặc điểm quay vịng của xe tải

Hình 2.1 Quỹ đạo của ơ tơ khi quay vịng
Q trình ô tô đi vào đường vòng được chia làm 3 giai đoạn như hình 2.1:
-Giai đoạn 1: xe bắt đầu vào đường vòng (đoạn ab), ở giai đoạn này bán kính
quay vịng thay đổi vì khi quay vịng để đạt ngay bán kính quay vịng bằng hằng số
thì rất nguy hiểm cho xe. Chính vì vậy ở giai đoạn này người lái phải đánh lái từ từ.
-Giai đoạn 2: Người lái giữ vành tay lái để xe quay vòng với bán kính khơng đổi
hay cịn gọi là giai đoạn quay vòng ổn định (đoạn bc).
-Giai đoạn 3: Khi thực hiện quay vịng xong người lái trả vơ lăng về, ở giai đoạn
này bán kính quay vịng giảm dần (đoạn cd).
15


2.1.2. Xây dựng các phương trình động lực học quay vòng xe tải
Khi xe vào đường vòng, để đảm bảo các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết
hoặc trượt quay thì đường vng góc với các véctơ vận tốc chuyển động của tất cả
bánh xe phải gặp nhau ở một điểm, điểm đó chính là tâm quay tức thời của xe (điểm
O trên hình 2.2).
Xét mơ hình một dãy với điểm 1,2 và điểm C có tâm quay tức thời là O.

Hình 2.2 Lực ngang và gia tốc
Từ hình vẽ có được:
Gia tốc theo phương y của xe:

a y = a1 + a4 =

v2
dω
+b
R
dt

(2.1)

Gia tốc theo phương x của xe:

ax = a2 + a3 =

dv
− bω 2
dt

(2.2)

16


a1 , a2 : Gia tốc hướng tâm và gia tốc tiếp tuyến đối với tâm quay tức thời O
a3 , a4 : Gia tốc hướng tâm và gia tốc tiếp tuyến đối với tâm trục sau
R: là bán kính quay vịng,
v: là vận tốc ơ tơ theo phương x
Lực ngang của ơ tơ khi đi vào đường vịng:

Pyv =ma y =m(

v2
bR d ω
dω
mv 2
+b
) = (1 + 2
)
R
dt
R
v dt

(2.3)

Khi đó lực ngang của ơ tơ khi đi ra đường vòng:
v2
dω
mv 2
bR dω
Pyr = m( − b
)=
(1 − 2
)
R
dt
R
v dt
Lực ngang của ơ tơ khi quay vịng ổn định:

Theo hình trên do θ nhỏ nên :

R
=

Pyo = m

L
L
≅
tgθ θ

Vận tốc quay vòng ω=

v v
=
tgθ
R L

Gia tốc quay vòng ε =

dω tgθ dv
v
dθ
=
⋅ +
⋅
2
dt
L dt L ⋅ cos θ dt

(2.4)

v2
R

(2.5)

(2.6)

(2.7)
(2.8)

Thay (2.8) vào (2.3) và (2.4) được:

mv 2
L
mv 2
Pyr =
L
mv 2
Pyo =
L
Pyv =

b

+
1
 v2


b

−
1
 v2


dv
tgθ
+v 2
dt
sin θ
dv
tgθ
( +v 2
dt
sin θ
(

dθ 
) tgθ
dt 
dθ 
) tgθ
dt 

tgθ

(2.9)

(2.10)
(2.11)

Các công thức (2.9),(2.10),(2.11) cho thấy:
- Lực ngang khi xe bắt đầu đi vào đường vòng là lớn nhất và lực ngang phụ thuộc
vào phân bố trọng tâm của xe, gia tốc đánh lái, vận tốc của xe.

17


- Khi đi vào đường vịng thì thời điểm dễ làm cho xe lệch khỏi quỹ đạo nhất là
thời điểm khi xe bắt đầu đi vào đường vòng. Vậy để an toàn người lái nên giảm tốc
độ, đánh lái từ từ, khi bắt đầu đi vào đường vịng.
Khi ơ tơ chịu lực ngang Py lúc đó xuất hiện lực ngang của mặt đường Ry1 , Ry 2 tác
dụng lên lốp xe.
Mơ men cản lăn do lực qn tính được tính theo cơng thức:
dω
(2.12)
M j = mρ 2
dt
Trong đó: ρ là bán kính qn tính của ơ tơ
Từ hình 2.2, viết phương trình cân bằng mơ men tại điểm 1 và điểm 2:
Tại điểm 1:

Ry 2 .L + M j - aPy =
0
Ry 2 =

aPy − M j

(2.13)

L

Kết hợp (2.9), (2.12), (2.13) có được:

amv 2  ab − ρ 2  dv vtgθ dθ  
Ry 2 =2 1 +
 +
 tgθ
L 
av 2  dt sin 2 θ dt  
Tương tự tại điểm 2:

(2.14)

Ry1 .L − bPy − M j =
0
R y1 =

bPy + M j
L

bmv 2
Ry1 =2
L

 b 2 + ρ 2  dv vtgθ dθ  
1 + bv 2  dt + sin 2 θ dt   tgθ





(2.15)

Nhận xét: phản lực từ mặt đường đến bánh xe dẫn hướng phụ thuộc vận tốc, gia
tốc của ô tô và vận tốc, góc đánh lái.

18


Hình 2.3 Các lực và mơ men tác dụng vào ô tô khi quay vòng
Khi chuyển động quay vòng khi đó ơ tơ chịu thêm các lực do chuyển động trịn,
các lực nay sinh ra mơ men cản sự quay vịng của ơ tơ. Tổng mơ men cản được tính
theo công thức:

M c = M1 + M 2 + M 3 + M j

(2.16)

Trong đó:
M1: Mơ men do lực cản lăn sinh ra
M2: Mô men do lực ngang sinh ra
M3: Mơ men cản quay vịng do chênh lệch lực kéo giữa hai bánh xe
Mô men do lực cản lăn được tính theo cơng thức:
M 1 = LFf 1 sin θ

(2.17)

Mơ men do lực ngang sinh ra được tính theo cơng thức:

19


M 2 = bPy

(2.18)

Mô men do chênh lệch lực kéo được tính theo cơng thức:
=
M 3 0,5 B( Pki − Pko )

(2.19)

Từ các phương trình trên tính được:
M c = M 1 + M 2 + M 3 + M j = LFf 1 sin θ + bFy + 0,5 B( Pki − Pko ) + M j (2.20)

Lực dọc qn tính khi ơ tơ chuyển động trên đường trịn:
Fjx m=
a x m(
=

dv
− bω 2 )
dt

(2.21)

Khi đó mơ men quay vịng của ơ tơ được tính:
'

=
M qv LF
=
Fx1 L sin θ cos θ
x1 sin θ

(2.22)

Do M c = M qv nên từ (2.24) và (2.26) tính được:

Ff 1
1 bPy + M j 0,5 B ( Pki − Pko )
+
Fx1 =+
L sin θ cos θ
cos θ L sin θ cos θ

R=

L
tgθ

(2.24)

m =

G
g

(2.25)

G

(2.23)

b
= G1
L

(2.26)

Thay (2.24),(2.25), (2.26) vào (2.23) tính được lực đẩy của xe :

Ff 1
tgθ
G1v 2
bR dω
G1 2 dω 0,5 B ( Pki − Pko )
1
+
ρM
+
Fx1 =
(1 + 2
)+
v dt
b sin θ cos θ g
dt
L sin θ cos θ
cos θ sin θ cos θ gL

(2.27)

20


Hình 2.4 Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng
Từ hình vẽ có được:
Ry1 phân ra làm 2 lực: Lực theo phương dọc lốp bánh xe dẫn hướng Ry1,x
Lực theo phương ngang lốp bánh xe dẫn hướng Ry1,y

Ry1, x = Ry1.sin θ

Ry1, y = Ry1.cosθ

(2.28)

(2.29)

Fx1 phân ra làm 2 lực: Lực theo phương dọc lốp bánh xe dẫn hướng F’x1
Lực theo phương ngang lốp bánh xe dẫn
hướng Fϕ
F ' x1 = Fx1cosθ
(2.30)

Fϕ = Fx1 sin θ

(2.31)

Phản lực dọc của bánh dẫn hướng

Fx = Ry1, x + F ' x1 = Ry1 .sin θ + F

x1

.cosθ

21

(2.32)


Thay (2.19) và (2.32) vào (2.37) được:

G1v 2 sin 2 θ + 1  b 2 + ρ 2  dv vtgθ dθ   0,5 B ( Pki − Pko )
Fx =
Ff 1 +
.
. 1 +
 +
 +
(2.33)
cosθ 
L sin θ
gL
bv 2  dt sin 2 θ dt  
Phản lực bên của bánh xe dẫn hướng
Fy =
Fϕ − Ry1, y =
Fx1 .sin θ − Ry1 .cosθ

(2.34)

Thay (2.15) và (2.27) vào (2.34) được:

Ff 1 sin θ G1v 2
 b2 + ρ 2
+
Fy =
.sin θ tg 2θ 1 +
cosθ
gL
bv 2


 dv vtgθ dθ   0,5 B ( Pki − Pko )
 + 2
 +
L sin θ(2.35)
 dt sin θ dt  

2.2. Ảnh hưởng của độ đàn hồi lốp tới tính năng quay vịng của ơ tơ tải
Ở phần trên, nghiên cứu động lực học quay vịng của ơ tơ tải chưa tính đến ảnh
hưởng của độ đàn hồi bên của lốp. Trong thực tế sử dụng,nhân tố này có ảnh hưởng
ở mức độ nhất định tới tính năng quay vịng và tính an tồn chuyển động của ơ tơ tải
đặc biệt ở những xe có vận tốc lớn.

Hình 2.5 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác động của lực ngang
Sự chuyển động của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào mối quan hệ của bánh xe với
nền đường. Ngày nay, phần lớn ô tơ sử dụng các loại lốp bằng cao su có khí nén,
tức là các bánh xe đàn hồi. Khi các bánh xe được lắp lốp đàn hồi, thì sự tiếp xúc của

lốp xe với mặt đường không phải là điểm tiếp xúc mà là một vùng tiếp xúc. Khi xe
chạy trên đường vòng, dưới tác dụng của lực ly tâm, lực gió bên, hoặc thành phần
của trọng lực xe sẽ làm xuất hiện lực ngang Ry tác dụng lên bánh xe dẫn hướng.
22


Dưới tác dụng của lực ngang Ry các bánh xe đàn hồi sẽ bị lệch bên và đường tâm
vết tiếp xúc của lốp với mặt đường sẽ bị lệch so với mặt phẳng lăn bánh xe một góc

α gọi là góc lệch bên. Khi trị số lực ngang cịn nhỏ hơn trị số lực bám ngang của
lốp trên mặt đường, thì lốp xe bị biến dạng làm cho bánh xe bị lăn lệch khỏi quỹ
đạo chuyển động ban đầu. Góc lệch bên phụ thuộc vào kết cấu mành lốp, vật liệu
cao su, áp suất lốp, trị số lực ngang, hệ số bám ngang của đường.
Mối quan hệ giữa lực ngang Ry tác dụng vào bánh xe và góc lệch bên α được
trình bày trên đồ thị trên hình 2.6.

Hình 2.6 Đồ thị quan hệ giữa lực ngang và góc lệch bên của lốp
Đoạn thẳng OA tương ứng với sự lệch tinh của lốp (khơng có sự trượt bên), đoạn
AB đặc trưng cho sự trượt cục bô từ lúc bắt đầu (điểm A) tới khi trượt hoàn toàn
(điểm B). Tại thời điểm này (điểm B) phản lực ngang Ry đạt tới giá trị của lực bám
ngang của lốp tới mặt đường.

Ry = Z b .ϕ '

(2.36)

Trong đó ϕ ' là hệ số bám ngang của lốp.
Trong vùng biến dạng nhỏ của bánh xe thì quan hệ giữa góc lệch bên và lực
ngang được tính theo cơng thức:

Ry = k .α

(2.37)
23