Nghiên cứu các loại hệ thống điều khiển bằng điện tử trên ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU CÁC LOẠI HỆ THỐNG LÁI
ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ
SVTH: TRẦN PHI HÙNG
MSSV: 13145103
SVTH: NGÔ QUỐC HUY
MSSV: 13145109
GVHD: GVC.ThS NGUYỄN NGỌC BÍCH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CÁC LOẠI HỆ THỐNG LÁI
ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ
SVTH: TRẦN PHI HÙNG
MSSV: 13145103

SVTH: NGÔ QUỐC HUY
MSSV: 13145109
GVHD: GVC.ThS NGUYỄN NGỌC BÍCH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Tốt nghiệp Đại học là một trong những bước ngoặc quan trọng trong cuộc đời mỗi
người, là thời khắc chắp cánh bao ước mơ, hoài bão được bay cao, bay xa. Trong suốt bốn
năm gắn bó, chúng em cảm thấy vinh dự, tự hào là sinh viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh thân yêu. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi lời
cảm ơn chân thành đến tất cả q Thầy Cơ, gia đình và bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ chúng
em một cách tận tâm, nhiệt tình.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cơ khoa Cơ khí Động lực –
Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã dùng cả tri thức và sự tâm
huyết của mình để truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu và những kỹ năng cần
thiết nhất trong suốt quá trình chúng em học tập tại trường.
Đặc biệt, trong học kỳ này, Khoa Cơ khí Động lực đã tạo điều kiện cho chúng em hoàn
thành Đồ Án Tốt Nghiệp. Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GVC.ThS.
Nguyễn Ngọc Bích đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình làm Đồ
Án Tốt Nghiệp. Nếu khơng có sự chỉ bảo, hướng dẫn nhiệt tình của Thầy thì chúng em khó
có thể hồn thành Đồ Án Tốt Nghiệp này như mong đợi. Một lần nữa, chúng em xin chân
thành cảm ơn Thầy.
Quá trình thực hiện Đồ Án Tốt Nghiệp kéo dài khoảng 3 tháng, tuy nhiên vẫn khó có
thể tránh khỏi thiếu sót. Chính vì vậy, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp
q báu của q Thầy Cơ để chúng em có thể hồn thiện Đồ Án Tốt Nghiệp này một cách
trọn vẹn hơn nữa. Chúng em xin chân thành cảm ơn!

1

TĨM TẮT
Nội dung chính của Đồ Án Tốt Nghiệp là tập trung nghiên cứu lý thuyết về hệ thống lái
trợ lực điện. Bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các hư hỏng thường gặp, cách bảo dưỡng,
sửa chữa...Hướng tiếp cận chính là các tài liệu của các hãng xe, tài liệu về hệ thống lái của Bộ
môn, của các Thầy, Cơ thuộc khoa Cơ Khí Động Lực, của các anh chị khóa trước. Nguồn tài
liệu trên Internet và các hình ảnh trực quan tại các Cơng ty ơ tơ, các garage cũng vơ cùng quan
trọng và hữu ích.
Trên cơ sở tìm hiểu, phân tích, chọn lọc kỹ càng và sự hướng dẫn nhiệt tình của
GVC.Ths. Nguyễn Ngọc Bích, chúng em đã thu được một số kết quả khả quan. Đó là những
thơng tin chính xác về hệ thống lái của một số hãng xe ô tô đời mới. Những tư liệu hình ảnh
rõ nét được chụp tại các garage, cơng ty ơ tơ của các hãng xe đó. Qua đó đã bổ sung, hồn
chỉnh một cách tốt nhất có thể để hoàn thành bài báo cáo. Trên cơ sở đó, Đồ Án Tốt Nghiệp
sẽ gồm những phần chính là: Tổng quan; Nghiên cứu lý thuyết; Cách bảo dưỡng, kiểm tra,
sửa chữa; So sánh các loại hệ thống lái; Bàn luận về kết quả; Kết luận và đề nghị.
Với những nội dung đó, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô đời
mới để tiếp thu và phát triển hơn nữa không chỉ riêng về hệ thống lái mà còn về các hệ thống
khác trên ô tô trong tương lai.

2


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn ............................................................................................................................ 1
Tóm tắt .................................................................................................................................. 2
Mục lục .................................................................................................................................. 3
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu ................................................................................ 6
Danh mục các hình............................................................................................................... 7

Danh mục các bảng .............................................................................................................. 9
Chương 1. Tổng quan .......................................................................................................... 10
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ................................................................... 10
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ................................................................ 11
1.2.1. Tình hình nghiên cứu hệ thống lái trên thế giới .................................................. 11
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong vùng ASEAN và trong nước .................................. 12
1.3. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 13
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................ 13
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu.......................................................................................... 13
1.4. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 13
1.4.1. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 13
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................... 13
Chương 2. Cơ sở lý thuyết................................................................................................... 15
2.1. Tổng quan về hệ thống lái trợ lực ............................................................................... 15
2.1.1. Công dụng của hệ thống lái trợ lực ..................................................................... 15
2.1.2. Phân loại hệ thống lái trợ lực .............................................................................. 15
2.2. Sơ lược về hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử ..................................................... 17
2.3. Hệ thống lái trợ lực điện của 4 xe ô tô đời mới .......................................................... 20
2.3.1. Hệ thống lái trợ lực điện của xe Ford Escape................................................. 20

3


2.3.1.1. Cấu tạo ......................................................................................................... 20
2.3.1.2. Nguyên lý hoạt động .................................................................................... 25
2.3.2. Hệ thống lái trợ lực điện của xe Hyundai i30 ................................................. 27
2.3.2.1. Cấu tạo ......................................................................................................... 27
2.3.2.2. Nguyên lý làm việc ...................................................................................... 30
2.3.2.3. Cấu tạo và hoạt động của từng bộ phận chính ............................................. 33
2.3.3. Hệ thống lái trợ lực điện của xe Toyota Camry 2012 .................................... 45

2.3.3.1. Tổng quan .................................................................................................... 45
2.3.3.2. Nguyên lý hoạt động và chức năng của hệ thống ........................................ 47
2.3.3.3. Các quá trình điều khiển của EPS................................................................ 49
2.3.3.4. Cấu tạo và hoạt động chi tiết của từng bộ phận ........................................... 50
2.3.4. Hệ thống lái trợ lực điện của xe Mazda CX – 5 ............................................. 57
2.3.4.1. Tổng quan .................................................................................................... 57
2.3.4.2. Nguyên lý hoạt động và chức năng của hệ thống ........................................ 58
2.3.4.3. Cấu tạo và hoạt động chi tiết của từng bộ phận ........................................... 61
Chương 3. Quy trình bảo dưỡng, kiểm tra, sửa chữa các loại hệ thống lái ................... 66
3.1. Xe Ford Escape ............................................................................................................. 66
3.1.1. Bảo dưỡng .......................................................................................................... 66
3.1.2. Kiểm tra ............................................................................................................. 67
3.1.3. Sửa chữa ............................................................................................................. 70
3.2. Xe Hyundai i30 .............................................................................................................. 80
3.2.1. Bảo dưỡng .......................................................................................................... 80
3.2.2. Kiểm tra ............................................................................................................. 80
3.2.3. Sửa chữa ............................................................................................................. 81
3.3. Xe Toyota Camry 2012 ................................................................................................. 82
3.3.1. Bảo dưỡng .......................................................................................................... 82
3.3.2. Kiểm tra ............................................................................................................. 82
4


3.3.3. Sửa chữa ............................................................................................................. 84
3.4. Xe Mazda CX – 5 .......................................................................................................... 90
3.4.1. Bảo dưỡng .......................................................................................................... 90
3.4.2. Kiểm tra ............................................................................................................. 90
3.4.3. Sửa chữa ............................................................................................................. 92
Chương 4. So sánh đặc tính kỹ thuật của các hệ thống lái .............................................. 94
Chương 5. Trình bày, dánh giá, bàn luận về các kết quả ................................................ 95

Chương 6. Kết luận và đề nghị ........................................................................................... 96
Danh mục tài liệu tham khảo .............................................................................................. 97

5


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
-

EPS (Electronic Power Steering): Hệ thống lái trợ lực điện

-

HPS (Hydraulic Power Steering): Hệ thống lái trợ lực thủy lực

-

ECU (Electronic Control Unit): Bộ điều khiển điện tử

-

HTL: Hệ thống lái

-

HTP: Hệ thống phanh

-

4WD (4 Wheel Driver): 4 bánh xe chủ động

-

4WS (4 Wheel Steering): Hệ thống lái 4 bánh xe

-

EHPS (Electronic Hydraulic Power Steering): Hệ thống lái trợ lực thủy lực - điện

-

ABS (Anti-lock Brake System): Hệ thống phanh chống hãm cứng

-

DC (Direct Current): Dòng điện 1 chiều

-

CCL: Cơ cấu lái

-

CAN (Controller Area Network): Vùng mạng điều khiển

-

MDPSCM (Motor Driven Power Steering Control Module): Bộ điều khiển motor trợ
lực lái

-

DTC (Diagnostic Trouble Code): Mã chẩn đoán hư hỏng

-

DLC (Data Link Connector): Giắc cắm kết nối dữ liệu

6


DANH MỤC CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử với motor trợ lực bố trí trên trục lái ........ 18
Hình 2.2: Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử với motor trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được
thiết kế rời ....................................................................................................................... 18
Hình 2.3: Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử với motor trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được
thiết kế liền ...................................................................................................................... 19
Hình 2.4: Xe Ford Escape 2013 ...................................................................................... 20
Hình 2.5: Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Ford Escape ................................................ 20
Hình 2.6: Sơ đồ điện hệ thống lái trên xe Ford Escape .................................................. 21
Hình 2.7: Bộ trợ lực điện ................................................................................................ 22
Hình 2.8: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều ................................................................... 23
Hình 2.9: Cấu tạo của cảm biến moment quay trục lái ................................................... 24
Hình 2.10: Sơ đồ dẫn động lái kết hợp thanh răng ......................................................... 25
Hình 2.11: Xe Hyundai i30 ............................................................................................ 27
Hình 2.12: Cấu tạo cụm trợ lực lái điện .......................................................................... 27

Hình 2.13: Motor điện xoay chiều 3 pha không sử dụng chổi than ................................ 28
Hình 2.14: Vị trí cảm biến .............................................................................................. 29
Hình 2.15: Motor và bộ giảm tốc .................................................................................... 29
Hình 2.16: ECM .............................................................................................................. 30
Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý làm việc của HTL trợ lực điện trên Hyundai i30 .............. 31
Hình 2.18: Cơ cấu nghiêng trục lái ................................................................................. 33
Hình 2.19: Hoạt động của cơ cấu nghiêng trục lái ......................................................... 33
Hình 2.20: Cấu tạo của motor ......................................................................................... 35
7


Hình 2.21: Vị trí bộ cảm biến ......................................................................................... 36
Hình 2.22: Hình ảnh thực tế của cảm biến ..................................................................... 37
Hình 2.23: Vị trí của cảm biến ngồi thực tế .................................................................. 37
Hình 2.24: Thanh xoắn ................................................................................................... 39
Hình 2.25: Hoạt động của thanh xoắn ............................................................................ 40
Hình 2.26: Hình ảnh thực tế của MDPSCM ................................................................... 41
Hình 2.27: Sơ đồ hoạt động của dịng tín hiệu CAN ...................................................... 43
Hình 2.28: Xe Toyota Camry 2012 ................................................................................ 45
Hình 2.29: Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Camry 2012 .................................. 46
Hình 2.30: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của EPS ............................................................. 47
Hình 2.31: Trục lái .......................................................................................................... 50
Hình 2.32: Các bộ phận trên trục lái ............................................................................... 51
Hình 2.33: Cảm biến moment xoắn ................................................................................ 52
Hình 2.34: Hoạt động của cảm biến moment khi chưa đánh lái ..................................... 53
Hình 2.35: Hoạt động của cảm biến moment khi đánh lái ............................................. 54
Hình 2.36: Đặc điểm đầu ra của cảm biến moment xoắn ............................................... 55
Hình 2.37: Motor trợ lực ................................................................................................. 56
Hình 2.38: Xe Mazda CX – 5 ......................................................................................... 57
Hình 2.39: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của EPS trên Mazda CX – 5 ............................. 58

Hình 2.40: Sơ đồ khối chức năng của các bộ phận rong EPS CM ................................. 61
Hình 2.41: Motor trợ lực ................................................................................................. 62
Hình 2.42: Cảm biến moment xoắn ................................................................................ 63
Hình 2.43: Hoạt động của cảm biến moment xoắn ....................................................... 64
Hình 2.44: Bộ giảm tốc ................................................................................................... 65

8


DANH MỤC CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Các sự cố và chế độ dự phòng ................................................................................. 42
Bảng 2.2: Chức năng của từng cơ cấu trong EPS .................................................................... 48
Bảng 2.3: Các quá trình điều khiển và hoạt động của từng quá trình trong EPS .................... 49
Bảng 2.4: Chức năng của các bộ phận trong EPS CM ............................................................ 60
Bảng 3.1. Chẩn đoán dựa vào máy chẩn đoán ......................................................................... 68
Bảng 3.2: Chẩn đoán dựa vào các triệu chứng hư hỏng .......................................................... 69
Bảng 3.3. Cách kiểm tra EPS ECU .......................................................................................... 83
Bảng 3.4: Tổng hợp các hư hỏng thường gặp ở hệ thống lái................................................... 93
Bảng 4.1. So sánh đặc tính kỹ thuật của các hệ thống lái đã nghiên cứu ................................ 94

9


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu.
Trong những năm gần đây, ngành Cơng Nghệ Ơ tô phát triển rất nhanh đặc biệt là các

hệ thống điều khiển cơ khí, thủy lực, khí nén… được thay thế điều khiển bằng điện và điện
tử. Trong đó, hệ thống lái trợ lực bằng điện (Electric Power Steering – EPS) là một trong
những hệ thống đang được ứng dụng rất mạnh mẽ trên hầu hết các hãng xe trên thế giới nói
chung và Việt Nam nói riêng. Hệ thống lái trợ lực bằng điện EPS làm việc trên cơ sở phụ
thuộc năng lượng của ắc qui, thực hiện các chức năng trợ lực thông thường nhưng với ưu
điểm nổi bật so với các hệ thống lái trợ lực truyền thống trước đây:
 Hệ thống EPS có kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo dưỡng.
 Giảm tiêu tốn nhiên liệu, một số nghiên cứu cho thấy rằng nhiên liệu tiêu tốn tiết
kiệm (5% – 8%) so với cùng một xe trang bị hệ thống lái HPS.
 Không phụ thuộc vào tốc độ vòng quay của động cơ.
 Tăng khả năng thích ứng của hệ thống lái trong các điều kiện làm việc khác nhau
và góp phần quản lý hệ thống tốt hơn, do có khả năng đưa nhiều thơng số vào các
mạch điều khiển và xử lý các chương trình phần mềm cài đặt sẵn bên trong EPSECU.
 Cho phép góp phần hạn chế lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ nhiệt bằng cách thu
hồi năng lượng của động cơ nhiệt khi dư thừa cấp cho bình tích năng lượng (ắc qui)
và sau đó sử dụng với mục đích hỗ trợ lực điều khiển của người lái.
 Tạo điều kiện kiểm soát chặt chẽ sự làm việc của hệ thống lái thông qua các đèn
báo giúp nâng cao khả năng đảm bảo an toàn trong chuyển động của ô tô.
Tuy nhiên, áp dụng các công nghệ điện tử làm phức tạp thêm hệ thống, đồng thời người
sử dụng cần chăm sóc hệ thống cung cấp điện chặt chẽ hơn (máy phát điện, ắc qui…)

10


1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới.
Hiện nay, trên thế giới cùng với sự phát triển của các ngành khoa học công nghệ khác
như vô tuyến điện tử, chế tạo máy với các bộ phận điều khiển tinh vi, các rô bốt công nghiệp
thế hệ thông minh, ngành tin học, ngành chế tạo ơ tơ đang có những bước tiến lớn với sự
ứng dụng công nghệ tin học, điều khiển, khoa học mơ phỏng, vật liệu mới.

Ơ tô ngày nay được sử dụng ở tốc độ cao, vấn đề an toàn chuyển động ngày càng được
các nhà khoa học công nghệ của các trung tâm khoa học tại các nước có ngành cơng nghiệp
ơ tơ hồn chỉnh như Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản đầu tư nghiên cứu. Trong cấu tạo ô tô, hai hệ
thống được coi là quan trọng nhất đảm bảo an toàn chuyển động là hệ thống lái (HTL) và hệ
thống phanh (HTP).
Trong những năm gần đây đã có hàng trăm các cơng trình khoa học được cơng bố nhằm
hồn thiện HTL, các cơng trình chủ yếu tập trung trong lĩnh vực động học và động lực học
của HTL bốn bánh- 4WS (Four Wheel Steering) nhằm tăng tính cơ động và hồn thiện tính
điều khiển của HTL. Tác giả Samkr Moham (USA) vào tháng 6 năm 2000 đã cơng bố trong
cơng trình về loại xe có hệ thống lái ở cả 4 bánh (All Wheel Drive). Nhiều nhà khoa học
Đức cũng tập trung nghiên cứu về hệ thống điều khiển cho các loại xe có HTL 4WS. Những
trung tâm khoa học cơng nghệ lớn như ở Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản hiện đang có nhiều nỗ
lực nghiên cứu về vấn đề tự động điều khiển HTL, đó là những cơng trình nghiên cứu lớn
với sự nỗ lực của hàng trăm nhà khoa học hàng đầu thế giới. Hãng Mercedes cũng đã trình
diễn loại xe với HTL tự động, trong tương lai sẽ được ứng dụng để sử dụng trên các loại
đường thông minh. Để tăng tính điều khiển và tiện nghi cho việc hoàn thiện HTL, các nhà
khoa học cũng đã đi sâu vào việc chế tạo các bộ cường hố tích cực PPS (Progressive Power
Steering) để đảm bảo cảm giác của người lái với mặt đường, tăng tính điều khiển của HTL
khi xe chạy ở tốc độ cao, đặc biệt là các xe thế hệ mới được sử dụng ở tốc độ cao hơn
100km/h.
Những nhà công nghệ cũng luôn tiến tới những kết cấu mới cho HTL như việc phát
triển các cơ cấu điều khiển góc đặt trục lái và vơ lăng TS (Tilt Steering), cùng với ghế ngồi
11


người lái có thể điều chỉnh theo 3 chiều nhằm bố trí vị trí người điều khiển một cách thuận
tiện nhất. Xu thế chung của các trung tâm công nghiệp ô tô lớn trên thế giới là nghiên cứu
HTL tích cực nhằm sử dụng các thành tựu về điện, điện tử ứng dụng, các thành tựu về tin
học để kiểm sốt được các tính năng của HTL và đảm bảo các chế độ hoạt động của chúng
ở chế độ tối ưu. Như vậy, có thể thấy rằng HTL với chức năng đảm bảo tính dẫn hướng đang

được các nhà khoa học hàng đầu thế giới tập trung nghiên cứu với nhiều nỗ lực lớn. Các nhà
nghiên cứu đã tập trung vào các nội dung sau:
 Nghiên cứu động học HTL thơng qua mối tương quan hình học các khâu độc lập từ
đó xác định sự thay đổi động học các khâu, kết luận khả năng sử dụng của các HTL
khác nhau trên xe.
 Xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính tốn khả năng áp dụng các hệ thống
trợ lực để điều khiển lái.
 Xây dựng các mơ hình động học HTL trong những giả thiết cơ học cho sát với điều
kiện thực tế từ đó nghiên cứu tính năng điều khiển ơ tơ.
 Nghiên cứu các hệ thống lái có điều khiển Điện – Thủy lực hoặc Điện– Điện tử.
 Nghiên cứu các hệ thống lái tự động.
1.2.2. 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 hóa qúa trình điều khiển của hệ thống. Theo đó, nội dung chương trình và cơng
nghệ chế tạo mơ hình phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu cũng được thực hiện hồn
thành và đánh giá tốt.
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 ô tô đặc biệt là HTL và HTP. 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, Simulink... trong q trình nghiên cứu ơ tơ. Ở Việt Nam chúng
ta đang ở trong giai đoạn xây dựng nền công nghiệp ô tô ở giai đoạn lắp ráp và tiến hành
12


chương trình nội địa hóa các cụm chi tiết và phụ tùng ô tô.

1.3.

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu.

1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu.

Vận dụng các kiến thức lý thuyết về hệ thống lái trên ô tô, lý thuyết về động lực học
quay vịng ơ tơ để tìm hiểu rõ hơn về hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô đời mới hiện nay.
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu.
Tập trung nghiên cứu hệ thống lái trợ lực điện của 4 xe ơ tơ đời mới hiện nay, đó là:
- Ford Escape 2013
- Hyundai i30
- Toyota Camry 2012
- Mazda CX – 5
1.4.

Phạm vi và phương pháp nghiên cứu.
1.4.1. Phạm vi nghiên cứu.

Trong đề tài này, chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu về lý thuyết của hệ thống lái trợ lực
điện của 4 xe ơ tơ nói trên, bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, quá trình bảo dưỡng,
kiểm tra, sửa chữa của từng xe.
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu.
-

Tìm hiểu lý thuyết về nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ thống
lái trợ lực thủy lực (Hydraulic Power Steering – HPS hay PS), trợ lực thủy lực điện (Electric Hydraulic Power Steering – EHPS) đang được ứng dụng trên ơ tơ
hiện nay. Từ đó rút ra các nhược điểm của các hệ thống.

-

Tìm hiểu lý thuyết về nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái
trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS).

-

Nghiên cứu một số sơ đồ mạch điện điều khiển hệ thống lái trợ lực điện của một số
hãng xe.

13


- Nghiên cứu lý thuyết động học quay vòng và động học của hệ thống lái để tìm ra
moment quay của vành tay lái và moment cản do mặt đường tác dụng lên hệ
thống lái.

14


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về hệ thống lái trợ lực.
2.1.1. Công dụng của hệ thống lái trợ lực.
Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng giảm nhẹ cường độ lao động của người lái, giảm
mệt mỏi khi xe hoạt động trên đường dài. Đặc biệt trên xe có tốc độ cao, trợ lực lái cịn nhằm
nâng cao tính an tồn chuyển động khi xe có sự cố ở bánh xe như nổ lốp, hết khí nén trong
lốp và giảm va đập truyền từ bánh xe lên vành tay lái.
Để cải thiện tính êm dịu chuyển động, phần lớn các xe hiện đại đều dùng lốp bản rộng,
áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc với mặt đường. Kết quả là cần một lực lái lớn hơn.
Lực lái có thể giảm bằng cách tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái. Tuy nhiên, việc đó lại
địi hỏi phải quay vơ lăng nhiều hơn khi xe quay vịng dẫn đến khơng thể thực hiện được
việc quay vịng ngoặc gấp.
Vì vậy, để giữ cho hệ thống lái nhanh nhạy trong khi vẫn chỉ cần lực lái nhỏ, cần phải
có trợ lực lái.
2.1.2. Phân loại hệ thống lái trợ lực.

Hệ thống lái trợ lực được sử dụng phổ biến rộng rãi trên tất cả các ô tô với nhiều hình
thức trợ lực khác nhau. Nhưng chủ yếu phụ thuộc 2 nhóm chính:
- Nhóm trợ lực thủy lực đơn thuần
- Nhóm trợ lực có điều khiển điện – điện tử
Các phương pháp điều khiển của hai nhóm nêu trên có thể được mơ tả tóm tắt như sau:
 Phương pháp điều khiển lưu lượng (Flow Control Method): Trong phương
pháp này, van điện từ Solenoid được đặt tại vị trí cửa ra của bơm để mở một
đường dầu đi tắt về đường hồi dầu. Bộ điều khiển điện tử sẽ điều chỉnh
van điện từ solenoid mở khi ô tô chạy ở tốc độ cao để giảm lưu lượng của
bơm cấp đến van trợ lực và xy lanh trợ lực. Điều này làm tăng lực lái. Bằng
15


việc giảm độ cản của mạch giữa bơm và xy lanh trợ lực, yêu cầu về trợ lực
sẽ giảm. Dòng dầu thủy lực được đưa tới xy lanh trợ lực sẽ giảm khi lái ở tốc
độ cao và vậy đối với phương pháp này, lượng tỷ lệ phản hồi và lực phản lái
sẽ cân bằng tại điểm cân bằng.
 Phương pháp điều khiển mạch tách qua xy lanh trợ lực (Cylinder Bypass
Control Method): Trong phương pháp này một van điện và một mạch rẽ sẽ
được thiết lập hai khoang cửa xy lanh trợ lực. Thời gian mở van sẽ được kéo
dài bởi bộ điều khiển điện tử cho phù hợp với việc tăng tốc độ ô tô. Như vậy
sẽ giảm được áp suất dầu trong xy lanh trợ lực và tăng cảm giác lái. Giống
như phương pháp điều khiển lưu lượng hệ thống này cũng đạt được điểm cân
bằng giữa lượng phản hồi lái và lực cản lái.
 Phương pháp điều khiển đặc tính van (Valve Characteristics Control
Method): Trong phương pháp này, áp suất điều khiển bị giới hạn bởi cơ cấu
van xoay tức là điều khiển lượng và áp suất của dầu cung cấp cho xy lanh
trợ lực được chia thành phần thứ hai, phần thứ ba. Còn phần thứ tư được điều
khiển bởi tín hiệu động cơ điều khiển dòng dầu giữa phần thứ hai và phần
thứ ba của van. Hiệu quả lái được điều khiển bằng cách phát hiện ra những

biến đổi điều khiển của phần thứ tư để biến đổi tỉ lệ trợ lực. Do cấu trúc hệ
thống đơn giản và dòng dầu được cung cấp hiệu quả từ bơm đến xy lanh trợ
lực, hệ thống này thể hiện lượng phản hồi tốt. Khi dòng điện cấp cho van
điện từ là 0,3A van sẽ mở hết cỡ và rất phù hợp với chạy xe tốc độ cao.
 Phương pháp điều khiển phản lực dầu (Hydraulic Reaction Force Method):
Trong phương pháp này hiệu quả trợ lực lái được điều khiển bởi cơ cấu phản
lực dầu, nó được lắp trên van xoay (van trợ lực). Van điều khiển phản lực
dầu làm tăng áp suất dầu cấp cho khoang phản lực phù hợp với tốc độ xe.

16


2.2. Sơ lược về hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử.
Hệ thống lái trợ lực điện - điện tử ra đời là do đòi hỏi tốc độ ngày một cao hơn, chất
lượng tốt hơn và yêu cầu giảm năng lượng tiêu thụ ở phương tiện ngày một gia tăng. Để đáp
ứng cho các đòi hỏi này, việc nghiên cứu và phát triển theo xu hướng cải thiện hệ thống điều
khiển điện điện tử nhằm mục đích nâng cao hơn nữa các chức năng và đặc tính của nó. Điểm
đặc biệt đó gồm hai đề xuất là giới thiệu lơgíc tốn học và hệ thống lái chun sâu phù hợp
với môi trường xe chạy bằng cách thay đổi các trợ lực cho phù hợp với điều kiện giao thông
hoặc điều kiện bề mặt đường để tạo cảm giác nhạy bén khi lái xe. Vấn đề quan trọng nhất là
khả năng phản ứng tức thời của trợ lực lái, gây cảm giác cho người lái làm họ phải chú ý đến
sự biến đổi do phản lực lái gây ra. Như vậy, hệ thống cung cấp cho người lái xe các thông
tin cần lưu ý trong điều kiện vận hành của phương tiện, ví dụ: sự biến đổi vận tốc và gia tốc,
phản lực lái, không chỉ cải thiện mối quan hệ giữa người lái và phương tiện mà cịn có thể
tạo ra sự phù hợp giữa cảm giác của người lái và hệ thống lái, nhưng chức năng tự động bù
khi phương tiện có những biến đổi khơng đồng đều mà nguyên nhân do sự xáo trộn gây ra
cũng có thể được giải quyết.
Trợ lực lái điện (EPS – Electric Power Steering) là một hệ thống điện hoàn chỉnh làm
giảm đáng kể sức cản hệ thống lái bằng cách cung cấp dòng điện trực tiếp từ motor điện tới
hệ thống lái. Thiết bị này bao gồm có cảm biến tốc độ xe, một cảm biến lái (moment, vận

tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một motor. Tín hiệu đầu ra từ mỗi cảm biến được
đưa tới ECU có chức năng tính tốn chế độ điều khiển lái để điều khiển hoạt động của motor
trợ lực.
Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử gồm có 3 loại trợ lực cơ bản:
 Motor trợ lực bố trí trên trục lái (hình 2.1)
 Motor trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết kế rời (hình 2.2)
 Motor trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết kế liển (hình 2.3).

17


Hình 2.1: Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử với motor trợ lực bố trí trên trục lái

Hình 2.2: Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử với motor trợ lực bố trí trên cơ cấu
lái và được thiết kế rời

18


Hình 2.3: Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử với motor trợ lực bố trí trên
cơ cấu lái và được thiết kế liền

19


2.3. Hệ thống lái trợ lực điện của 4 xe ô tô đời mới.
2.3.1. Hệ thống lái trợ lực điện của xe Ford Escape.

Hình 2.4: Xe Ford Escape 2013

2.3.1.1. Cấu tạo

10

9

1 - Bộ chấp hành ABS và ECU ABS; 2 – Cảm biến moment quay trục lái; 3 Động cơ điện một chiều; 4 - ECU EPS; 5 - Đồng hồ táp lô; 6 - Cơ cấu giảm tốc;
7 - Rơ le điều khiển; 8 - ECU động cơ; 9 - thước lái; 10 - rotuyn lái trái (phải)
Hình 2.5: Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Ford Escape
20


1 – cơ cấu lái, 2 – motor điện DC, 3 – hộp số truyền, 4 – bộ cảm biến lái, 5 – cảm
biến tốc độ ô tô, 6 – bộ kiểm soát tốc độ, 7 – đèn báo EPS, 8 – đường dẫn điện
Hình 2.6: Sơ đồ điện hệ thống lái trên xe Ford Escape

Hệ thống lái trợ lực điện (EPS) có kết cấu bố trí chung trình bày trên hình. Hệ thống lái
giữ nguyên cấu trúc của hệ thống lái bánh răng – thanh răng 1 (không trợ lực thơng dụng trên
ơ tơ con) và bố trí thêm: motor điện DC 2, hộp số truyền 3, các cảm biến 4, tốc độ 5, và bộ vi
xử lý 6. Động cơ điện, sử dụng nguồn điện 1 chiều điều khiển bằng tín hiệu xung, được bố trí
mắc song song với vành lái điều khiển qua hộp số 3. Hệ thống điện EPS bố trí: giữa vành lái
với hộp số truyền một bộ cảm biến 4 (góc quay và moment trên vành lái), giữa hộp số truyền
và cơ cấu lái bố trí cảm biến moment cản bánh xe dẫn hướng đặt lên CCL. Chương trình điều
khiển motor DC bao hàm các trạng thái cụ thể của kết cấu theo các tiêu chí: tốc độ ơ tơ, đặc
tính quay vịng tĩnh của ơ tơ, đặc tính quay vịng động của ơ tô, các trạng thái nguy hiểm, mức
độ trợ lực, giảm chấn của hệ thống, các chức năng chẩn đoán và các thông tin tổng quát chung
của xe (CAN). Như vậy hệ thống EPS có khả năng xử lý rộng rãi nhiều thơng tin liên quan tới
khả năng quay vịng của ô tô, hoàn thiện chất lượng điều khiển và quay vịng, và đặc biệt là
sự làm việc của EPS khơng phụ thuộc vào tốc độ làm việc của động cơ đốt trong.

21


Hình 2.7: Bộ trợ lực điện
Bộ trợ lực điện là bộ trợ lực sử dụng công suất của động cơ điện một chiều để hỗ trợ cho
quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng.
Như đã đề cập ở phần sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trên Ford Escape, trợ lực lái thuỷ lực sử
dụng công suất động cơ để tạo áp suất thuỷ lực và tạo mômen trợ lực, do vậy làm tăng phụ tải
động cơ, dẫn đến tốn nhiên liệu, cịn EPS dùng motor điện nên khơng cần công suất động cơ
và làm cho việc tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn. Hệ thống EPS có các thiết bị chính như sau:
ECU của EPS nhận tín hiệu từ các cảm biến, đánh giá tình trạng xe và quyết định dòng
điện cần đưa vào động cơ điện một chiều để trợ lực. Khi người lái xe điều khiển vô lăng,
moment lái tác động lên trục sơ cấp của cảm biến moment thơng qua trục lái chính.
Người ta bố trí các vòng phát hiện 1 và 2 trên trục sơ cấp (phía vơ lăng) và vịng 3 trên
trục thứ cấp (phía cơ cấu lái). Trục sơ cấp và trục thứ cấp được nối bằng một thanh xoắn. Các
vịng phát hiện có cuộn dây phát hiện kiểu khơng tiếp xúc trên vịng ngồi để hình thành một
mạch kích thích. Khi tạo ra moment lái thanh xoắn bị xoắn tạo độ lệch pha giữa vòng phát
hiện 2 và 3. Dựa trên độ lệch pha này, một tín hiệu tỷ lệ với moment vào được đưa tới ECU.
Dựa trên tín hiệu này, ECU tính toán moment trợ lực cho tốc độ xe và dẫn động motor.
22


 Các bộ phận cơ bản của bộ trợ lực điện.
- Động cơ điện.
Để đảm bảo được công suất trợ lực cần thiết trên bộ trợ lực điện sử dụng loại động cơ
điện một chiều, nó bao gồm rotor, stator, trục chính và cơ cấu giảm tốc. Cơ cấu giảm tốc bao
gồm trục vít và bánh vít, moment do rotor động cơ điện tạo ra được truyền tới cơ cấu giảm tốc
sau đó được truyền tới trục lái chính. Trục vít được đỡ trên các ổ đỡ để giảm độ ồn và tăng
tuổi thọ làm việc, khớp nối đảm bảo cho việc nếu động cơ bị hư hỏng thì trục lái chính và cơ
cấu giảm tốc khơng bị khóa cứng lại và hệ thống lái vẫn có thể hoạt động được.

1- trục vít, 2 – vỏ trục lái, 3 – khớp nối, 4 – rotor, 5 – stator, 6 – trục chính,
7 – trục lái chính, 8 – bánh vít, 9 - ổ bi
Hình 2.8: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều

- ECU EPS
ECU EPS nhận tín hiệu từ các cảm biến, đánh giá chung tình trạng của xe và quyết định
dòng

điện

cần

thiết

để

đưa

vào

động

cơ

điện

một

chiều

để

trợ

lực.

ECU ABS nhận biết tốc độ của xe và đưa tới ECU EPS.Trong trường hợp hệ thống có sự cố
ECU EPS sẽ gửi tín hiệu tới relay bật sáng đèn trên trên đồng hồ táp lô.

23