kienzzzz1
Tài xế O-H
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ Ô TÔ
Bộ môn: Công nghệ Ô tô
---------------------------------------
BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU BỘ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN HỆ THỐNG LÁI XE TOYOTA VIOS 2012
Môn học: CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ
GVHD: LÊ HỮU CHÚC
Lớp: 20221AT6048002
Khóa: K15
Nhóm: 12
Thành viên:
1 Mã Ngọc Huy 2020606609
2 Hứu Như Khương 2020600930
3 Nguyễn Đình Khải 2020606607
2022
MỤC LỤC
MỤC LỤC I
DANH MỤC HÌNH ẢNH III
LỜI NÓI ĐẦU V
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN 2
1.1 Vai trò của trợ lực lái 2
1.2 Phân loại trợ lực lái 3
1.3 Cấu tạo và sơ đồ khối nguyên lý của bộ trợ lực lái điện vios 2012 5
1.4 Phân loại và nguyên lý làm việc của EPS 11
1.4.1 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1 11
1.4.2 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2 14
1.5 Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện 18
1.5.1 Cảm biến tốc độ đánh lái có 2 loại: 18
1.5.2 Cảm biến mômen lái có 3 loại: 19
1.5.3 Cảm biến tốc độ ôtô: 23
CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH BỘ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN 27
2.1 Điều khiển động cơ điện 27
2.1.1 Vấn đề điều khiển mô tơ điện trợ lực 27
2.1.2 Các mạch điều khiển động cơ 30
2.2 Đặc tính động cơ điện 38
2.2.1 Đặc tính tự nhiên 39
2.2.2 Đặc tính nhân tạo 41
2.3 Đặc tính trợ lực điện 43
2.3.1 Dạng đặc tính trợ lực lái 43
2.3.2 Tính trợ lực 46
KẾT LUẬN 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50
DANH MỤC HÌNH ẢNH
HÌNH 1. 1 SƠ ĐỒ KHỐI NGUYÊN LÝ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN 9
HÌNH 1. 2 BẢN ĐỒ ĐIỀU KHIỂN ECU TRONG HỆ THỐNG TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN 10
HÌNH 1. 3 TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN VỚI MOTO TRỢ LỰC TRÊN TRỤC LÁI 11
HÌNH 1. 4 HỘP GIẢM TỐC DÙNG CHO TRỢ LỰC LÁI KIỂU 1 12
HÌNH 1. 5 SƠ ĐỒ TRỢ LỰC LÁI KIỂU 1 13
HÌNH 1. 6 BỐ TRÍ CÁC CỤM VÀ TAPLÔ THỂ HIỆN ĐÈN BÁO LỖI P/S 14
HÌNH 1. 7 MÔTƠ TRỢ LỰC LẮP RỜI TRÊN CƠ CẤU LÁI 15
HÌNH 1. 8 SƠ ĐỒ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN TRÊN CƠ CẤU LÁI 16
HÌNH 1. 9 CỤM MÔ TƠ VÀ TRỤC VÍT, THANH RĂNG VÀ CẢM BIẾN GÓC QUAY 16
HÌNH 1. 10 CỤM MÔ TƠ VÀ TRỤC VÍT, THANH RĂNG VÀ CẢM BIẾN GÓC QUAY 17
HÌNH 1. 11 CẤU TẠO VÀ TÍN HIỆU CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐÁNH LÁI 18
HÌNH 1. 12 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐÁNH LÁI ( GÓC ĐÁNH LÁI) LOẠI HALL 19
HÌNH 1. 13 SƠ ĐỒ ĐẶC TÍNH VÀ CÁC VỊ TRÍ LÀM VIỆC CỦA CẢM BIẾN MÔMEN LÁI LOẠI LÕI THÉP TRƯỢT 20
HÌNH 1. 14 VỊ TRÍ LẮP, CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN MÔMEN LÁI LOẠI LÕI THÉP XOAY 21
HÌNH 1. 15 CẤU TẠO CẢM BIẾN MÔMEN LÁI LOẠI 4 VÀNH DÂY 21
HÌNH 1. 16 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ XUNG CỦA CẢM BIẾN MÔMEN LÁI 22
HÌNH 1. 17 CẢM BIẾN LOẠI CÔNG TẮC LƯỠI GÀ 23
HÌNH 1. 18 CẢM BIẾN LOẠI TỪ ĐIỆN 24
HÌNH 1. 19 CẢM BIẾN LOẠI QUANG ĐIỆN 25
HÌNH 1. 20 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ÔTÔ LOẠI MRE 26
HÌNH 2. 1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÔTƠ TRỢ LỰC LÁI THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP 28
HÌNH 2. 2 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÔTƠ 29
HÌNH 2. 3 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÔTƠ 30
HÌNH 2. 4 MẠCH ĐO DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 32
HÌNH 2. 5 SƠ ĐỒ ĐIỀU CHỈNH MÔMEN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 33
HÌNH 2. 6 HỆ ĐẢO CHIỀU HAI BỘ BIẾN ĐỔI MẮC SONG SONG NGƯỢC 35
HÌNH 2. 7 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC MOSFET DẪN ĐỘNG MÔTƠ 38
HÌNH 2. 8 ĐẶC TÍNH CƠ ĐIỆN TỰ NHIÊN VÀ ĐẶC TÍNH CƠ ĐIỆN NHÂN TẠO 42
HÌNH 2. 9 ĐẶC TÍNH TỰ NHIÊN VÀ ĐẶC TÍNH CƠ NHÂN TẠO 43
HÌNH 2. 10 ĐỒ THỊ BIỂU THỊ BIỂU THỊ MỐI QUAN HỆ GIỮA M VÀ P 44
HÌNH 2. 11 ĐỒ THỊ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA TRỢ LỰC 46
HÌNH 2. 12 ĐẶC TÍNH CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 48
LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhà nước ta chủ trương đẩy mạnh nghành công nghiệp ôtô và đã có 14 liên doanh ôtô Việt Nam hoạt động và đã đưa ra thị trường nhiều loại xe có chất lượng cao. Đặc biệt là Vinfast khi đã sản xuất và đưa ra thị trường 2 dòng xe: xăng và điện. Góp phần phát triển và mở ra một chương mới cho ngành sản xuất ô tô Việt Nam ứng dụng các tiến bộ khoa học và công nghệ tiên tiến. Trong đó hệ thống lái ôtô là một ví dụ.
Hệ thống này có chức năng điều khiển hướng chuyển động của ô tô, đảm bảo tính năng ổn định chuyển động thẳng cũng như quay vòng của bánh xe dẫn hướng. Trong quá trình chuyển động hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến an toàn chuyển động và quỹ đạo chuyển động của ô tô, đặc biệt đối với xe có tốc độ cao. Do đó người ta không ngừng cải tiến hệ thống lái để nâng cao tính năng của nó. Xuất phát từ những yêu cầu và đặc điểm đó, chúng em đã được giao thực hiện nhiệm vụ với đề tài “ Nghiên cứu bộ trợ lực lái điện trong hệ thống lái xe Toyota Vios 2012”.
Trong quá trình hoàn thành bài tập lớn chuyên ngành này, mặc dù gặp rất nhiều khó khăn nhưng nhóm em đã nhận được sự giúp đỡ của các bạn trong lớp cùng sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn. Qua đó rút ra cho mình nhiều kinh nghiệm hơn, giúp chúng em củng cố kiến thức đã học và tích lũy thêm kiến thức mới, nâng cao được trình độ chuyên môn. Quan trọng hơn, em và các bạn trong nhóm đã dần hình thành cho mình phương pháp học tập, nghiên cứu mới và có ý thức hơn cho nghề nghiệp của mình trong tương lai.
Chúng em xin cảm ơn thầy giáo “Lê Hữu Chúc” đã nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành bài tập lớn này này một cách tốt nhất.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN
Ngày nay ô tô được sử dụng ở tốc độ cao, vấn đề an toàn chuyển động ngày càng được quan tâm nhiều hơn. Trong cấu tạo ôtô, hai hệ thống được coi là quan trọng nhất đảm bảo an toàn chuyển động là hệ thống lái và hệ thống phanh.
Để đảm bảo tiện ích trong quá trình lái, hầu hết các ô tô hiện nay được trang bị thêm trợ lực lái.
1.1 Vai trò của trợ lực lái
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 còn nhằm nâng cao tính an toàn 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 đòi hỏi phải quay vành lái nhiều hơn khi xe quay vòng dẫn đến không thể thực hiện được việc vòng ngoặt 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.
Yêu cầu cơ bản đối với trợ lực lái:
- Đảm bảo tính tùy động
- Trợ lực lái phải có lực điều khiển trên vành tay lái đủ nhỏ để giảm cường độ lao động nhưng cũng đủ gây cảm giác điều khiển cho người lái.
- Khi hệ thống trợ lực lái hỏng thì hệ thống lái vẫn điều khiển được như hệ thống lái cơ khí thông thường;
- Kết cấu hệ thống trợ lực phải đơn giản, dễ chăm sóc bảo dưỡng, sửa chữa.
1.2 Phân loại trợ lực lái
Các hệ thống lái có trợ lực được tổng kết tại bảng 1 và chia thành 2 nhóm chính:
+ Nhóm trợ lực thủy lực đơn thuần( HPS)
+ Nhóm trợ lực có điều khiển điện – điện tử
Các phương pháp điều khiển nêu trên có thể được mô 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 1 đường dầu đi tắt về đường hồi dầu. Bộ điều khiển điện tử sẽ điều chỉnh van điện từ solenoid mở khi ôtô chạy ở tốc độ cao để giảm lưu lượng của bơm cấp đến van trợ lực và xilanh trợ lực. Điều này làm tăng lực lái. Bằng việc giảm độ cản của mạch giữa bơm và xilanh trợ lực, yêu cầu về trợ lực sẽ giảm.
Dòng dầu thủy lực được đưa tới xilanh trợ lực sẽ giảm khi lái ở tốc độ cao và vậy đối với phương pháp này, lượng tỉ lệ phản hồi và lực phản lái sẽ cân bằng tại điểm cân bằng
Phương pháp điều khiển mạch tách qua xilanh trợ lực(Cylinder Bypass Control Method):
Trong phương pháp này một van điện và một mạch rẽ sẽ được thiết lập hai khoang cửa xilanh trợ lực. Thời gian mở van sẽ được kéo dài bởi bộ điều khiển điện tử cho phù hợp với việc tăng tốc độ ôtô. Như vậy sẽ giảm được áp suất dầu trong xilanh trợ lực và tăng hiệu quả 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 phản 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 xi lanh trợ lực được chia thành phần thứ hai, phần thứ ba. Còn phần thứ tư được điều khiển bởi tín hiệu Mô tơ 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 xilanh 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 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.
Phương pháp điều khiển bằng dòng điện và điện áp:
Trong phương pháp này dùng mô tơ điện một chiều để tạo mômen trợ lực cho HTL. Nhờ vào các cảm biến mà quyết định được công suất mô tơ trợ lực.
* So sánh trợ lực lái điện với trợ lực lái thủy lực
Với hệ thống HPS nguồn cung cấp năng lượng tách biệt hoàn toàn với hệ thống lái, HPS cần một nguồn năng lượng ( bơm thuỷ lực, xi lanh thủy lực, các van, các đường dầu). Để thiết kế HPS là cả một khối lượng công việc đáng kể, một phần ở đó là số lượng đáng kể các thiết bị mà hệ thống yêu cầu, điều đó có nghĩa là HPS không dễ dàng lắp đặt trên xe nhỏ gọn. Hơn nữa nó tiêu thụ năng lượng ở tất cả các công việc của xe.
Với hệ thống điều khiển như thế HPS yêu cầu độ chính xác cao trong chế tạo, khi có sự cố về hệ thống trợ lực thì lực của người lái lớn hơn lực lái khi không thiết kế trợ lực do lực cản của chất lỏng trong hệ thống trợ lực. Việc dùng dầu trợ lực cũng là một nhược điểm của nó. Khi thay thế sữa chữa lượng dầu thải ra ảnh hưởng đến môi trường, đó là một trong những vấn đề được các nhà sản xuất ôtô trên thế giới quan tâm.
Hệ thống trợ lực lái EPS được tạo ra từ môtơ điện một chiều đặt trên hệ thống lái. Hệ thống chỉ gồm 2 phần: trục lái với Mô tơ điện một chiều và một ECU, do đó hệ thống tương đối nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng khối lượng chủ yếu là Mô tơ điện, hoạt động có hiệu quả cao và đặc biệt chỉ tiêu thụ năng lượng khi hệ thống lái yêu cầu. Với sự nhỏ gọn dùng nguồn năng lượng sạch năng lượng không lãng phí lái. Như HPS bơm sẽ vẫn làm việc thậm chí khi hệ thống không đòi hỏi trợ lực, với EPS có thể đưa ra khả năng về cải tiến để tiết kiệm nhiên liệu cho ôtô.
1.3 Cấu tạo và sơ đồ khối nguyên lý của bộ trợ lực lái điện vios 2012
a) Cấu tạo
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 lôgíc toán học và hệ thống lái chuyên 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 còn 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 không 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 mô tơ điện tới hệ thống lái. Thiết bị này bao gồm có cảm biến tốc độ xe, một cảm biến lái (mômen, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một môtơ. Tín hiệu đầu ra từ mỗi cảm biến được đưa tới ECU có chức năng tính toán chế độ điều khiển lái để điều khiển hoạt động của môtơ trợ lực.
Các phần tử chính cua trợ lực lái điện gồm có: Mô tơ điện một chiều; Các cảm biến; Bộ điều khiển trung tâm (ECU); Hộp giảm tốc.
* Mô tơ:
Mô tơ điện của trợ lực lái là một mô tơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, gắn với bộ truyền động của trợ lực lái. Mô tơ chấp hành của trợ lực lái điện có nhiệm vụ tạo ra mô men trợ lực dưới điều khiển của ECU và phải đáp ứng các yêu cầu:
- Mô tơ phải đưa ra được mô men xoắn và lực xoắn mà không làm quay vô lăng.
- Mô tơ phải có cơ cấu đảo chiều quay khi có sự cố xảy ra.
- Những dao động của mô tơ và mô men xoắn, lực xoắn phải trực tiếp chuyển đổi thông qua vành lái tới tay người lái phải được cân nhắc.
Do vậy Mô tơ điện có các đặc điểm:
- Nhỏ, nhẹ, và có kết cấu đơn giản.
- Lực, mô men xoắn biến thiên nhỏ thông qua điều khiển.
- Dao động và tiếng ồn nhỏ.
- Lực quán tính và ma sát nhỏ.
- Độ an toàn và độ bền cao.
* Bộ điều khiển trung tâm (ECU)
Bộ điều khiển trung tâm (ECU) nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin để điều khiển mô tơ.
Yêu cầu đối với ECU gồm có:
- Đảm bảo tính tiện nghi khi lái (chức năng điều khiển dòng điện mô tơ). Các chức năng này gồm có:
(1) Điều khiển được dòng điện cấp cho Mô tơ theo qui luật xác định
Tạo ra lực trợ lực (tương ứng với dòng điện cấp cho Mô tơ ) theo tốc độ xe và mô-men đặt lên vành lái để đảm bảo lực lái thích hợp trong toàn dải tốc độ xe.
(2) Điều khiển bù
Giảm thiểu sự biến động của lực lái bằng cách bù dòng điện cấp cho Mô tơ tương ứng với sự biến động mô-men xoắn đầu vào.
(3) Bù ma sát
Khi ô tô chuyển động với vận tốc thấp, trợ lực lái điện giúp cho vành tay lái trở lại vị trí chuyển động thẳng sau khi đã quay vòng bằng cách bù dòng điện mô tơ .
(4) điều khiển tụ
Khi ô tô chuyển động với vận tốc cao, trợ lực lái giữ ổn định lực tác động lên vành lái ở vị trí đang quay vòng (ví dụ, trong khi chuyển làn đường) bằng cách bù dòng điện cấp cho mô tơ làm cho vành lái có thể dễ dàng trở về vị trí thẳng .
(5) Tối đa dòng điện cấp cho mô tơ.
Giới hạn dòng điện của mô tơ tối đa đến mức tối ưu để bảo vệ ECU và mô tơ không bị hư hỏng do quá tải.
- Đảm bảo độ tin cậy (Chức năng tự chuẩn đoán và sửa lỗi).
Để đảm bảo độ tin cậy trong ECU sẽ có mạch tự chuẩn đoán và sửa lỗi). Nó sẽ theo dõi sự sai lệch của các phần tử trong hệ thống và khi phát hiện bất kỳ sai lệch nào, nó sẽ điều khiển các chức năng EPS phụ thuộc vào ảnh hưởng của sự sai lệch và cảnh báo cho người lái xe. Ngoài ra, nó còn lưu trữ các vị trí các sai lệch trong ECU.
- Đảm bảo tính đối thoại với các hệ thống khác (Chức năng truyền tin và kiểm tra hệ thống EPS).
* Các cảm biến:
Các cảm biến có nhiệm vụ cấp tín hiệu mô men lái, vận tốc chuyển động xe và tốc độ trục khuỷu động cơ. Về cơ bản trợ lực lái điện có cảm biến mô men lái hoặc tốc độ đánh lái. Đa phần hiện nay sử dụng cảm biến mô men lái. Các cảm biến này có hai loại chính là có tiếp điểm và không có tiếp điểm. Ưu điểm của loại không tiếp điểm là : không bị mòn do lão hóa, từ trễ nhỏ, là ít bị ảnh hưởng bởi dịch chuyển dọc trục và lệch trục.
Giảm tốc có nhiệm vụ tăng lực lái và truyền mô men trợ lực đến cơ cấu lái.
b) Sơ đồ khối nguyên lý của trợ lực lái điện.
Trợ lực lái được điều khiển theo các bản đồ được lưu trũ sẵn trong bộ nhớ của ECU. EPS ECU có thể lưu trũ 16 bản đồ, các bản đồ này được kích hoạt ở nhà máy phụ thuộc vào các yêu cầu cho trước (ví dụ trọng lượng của ô tô).
Hình 1. 1 Sơ đồ khối nguyên lý trợ lực lái điện vios 2012
1- Dòng cấp mô tơ; 2- Tốc độ mô tơ; 3- Vận tốc mô tơ; 4- Mô men lái; 6- Điều khiển dòng tối đa cho mô tơ; 7- Điều khiển bù rung động; 8- Điều khiển phục hồi; 9- Điều khiển bù; 10- Điều khiển chính; 11- Dòng đích; Hạn chế dòng cấp áp tối đa ra mô tơ; 13- Điều khiển dòng cấp ra mô tơ; 14- Dòng cấp cho mô tơ
Ngoài ra các bản đồ náy cũng được kích hoạt bằng những công cụ quét ECU hoặc hệ thống lái sau khi bảo dưỡng hoặc thay thế ECU hoặc hệ thống lái. Với bất kì một cái xe đã cho thì cả hai bản đồ tương ứng với xe hạng nặng và hạng nhẹ được chon. Mỗi bản đồ có 5 đặc tính khác nhau tương ứng với các vận tốc chuyển động của ô tô. Các bản đồ này xác định vùng trợ lực lái có thể làm việc.
Hình 1. 2 Bản đồ điều khiển ECU trong hệ thống trợ lực lái điện vios 2012
Nguyên lý làm việc của trợ lực lái gồm các bước:
Bước 1. Trợ lực lái sẽ bắt đầu làm việc khi người lái tác dụng lực để quay vô lăng.
Bước 2. Lực tác dụng lên vành lái sẽ làm cho thanh xoắn trong cơ cấu lái xoay. Cảm biến mô men lái sẽ xác định góc quay của thanh xoắn và gửi các lực lái đã được tính toán đên ECU
Bước 3. Cảm biến góc quay của vô lăng sẽ thông báo góc quay vành lái và tốc độ đánh tay lái hiện thời.
Bước 4. Phụ thuộc vào lực lái, tốc độ chuyển động, tốc độ động cơ, góc quay vô lăng, tốc độ đánh tay lái và bản đồ được lưu giữ trong ECU, EPS ECU sẽ tính toán lực trợ lực cần thiết và gửi đến động cơ điện.
Bước 5. Trợ lực lái sẽ tác động lên cơ cấu lái một lực trợ lực song song với lực đặt lên vành lái.
Bước 6. Tổng của lực đặt lên vành lái và lực trợ lực sẽ tác động lên cơ cấu lái để quay vòng xe.
1.4 Phân loại và nguyên lý làm việc của EPS
Tùy thuộc vào vị trí đặt hộp giảm tốc có 2 kiểu trợ lực điện: Kiểu thứ nhất, hộp giảm tốc đặt trực tiếp trên trục lái ngay dưới vành lái. Kiểu thứ hai, hộp giảm tốc được tích hợp vào cơ cấu lái (trong trường hợp này cơ cấu lái thường là loại bánh răng – thanh răng và đặt trực tiếp trên thanh lái ngang).
1.4.1 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1
Trong hệ thống trợ lực lái kiểu này được sử dụng trên xe Kia Mornig, 2009, Toyota Vios 2008 có một môtơ điện trợ lực cùng cơ cấu giảm tốc trục vít- bánh vít được bố trí ở trục lái chính ( trước đoạn các đăng trục lái) (Hình 1.3). Tại đây cũng bố trí cảm biến mômen lái. Cạnh đó là bộ điều khiển điện tử của trợ lực lái điện (EPS ECU). Trên hình 1.4 là cấu tạo hộp giảm tốc.
Hình 1. 3 Trợ lực lái điện với moto trợ lực trên trục lái
1- moto; 2- cảm biến mômen; 3- trục lái; 4- trục vít - bánh vít; 5- cơ cấu lái trục răng - thanh răng; 6- ly hợp điện từ
Hình 1. 4 Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái kiểu 1
1-vòng bi; 2- trục vít; 3- vỏ trục lái; 4- khớp nối; 5- roto;
6- stator; 7- trục môtơ; 8- trục lái chính; 9- bánh vít
Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống thể hiện trên hình 1.5.
Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát hình 1.5 trên đó có thể nhận thấy các tín hiệu đầu vào của EPS ECU gồm 4 nhóm tín hiệu chính:
Hình 1. 5 Sơ đồ trợ lực lái kiểu 1
Tín hiệu cảm biến mô men số 1;B- Tín hiệu cảm biến mô men số2; 1- Giắc nối đa năng số 1; 2- Giắc nối đa năng số 2; 3- Táp lô; 4- ABS+TRC ECU; 5- Cảm biến tốc độ ô tô; 6- ECU Mô tơ ; 7- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 8- Đèn báo; 9- Mô tơ trợ lực;10- EPS ECU; 11- Giắc kết nối dữ liệu số 1; 12- Giắc kết nối dữ liệu số 2
1- Nhóm tín hiệu (2 hoặc 4 tín hiệu) từ cảm biến mômen lái
2- Tín hiệu vận tốc chuyển động ô tô có thể gửi trực tiếp về EPS ECU hoặc thông qua ECU truyền lực và mạng điều khiển vùng ( CAN – Controller Area Network) và các giắc nối truyền tới EPS ECU.
3- Tín hiệu tốc độ mô tơ ( xung biểu diễn số vòng quay trục khuỷu ne từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECU động cơ và mạng CAN truyền tới EPS ECU.
4- Nhóm dữ liệu cài đặt và tra cứu thông qua giắc kết nối dữ liệu DLC3 (Data Link Connector) để truy nhập các thông tin cài đặt và tra cứu thông tin làm việc của hệ thống và báo lỗi hệ thống.
Hình 1. 6 Bố trí các cụm và Taplô thể hiện đèn báo lỗi P/S
1- Đèn báo; 2-EPS ECU; 3- ECU Mô tơ ; 4- Bảng táp lô;5- Trục lái(cảm biến mô men, Mô tơ điện 1 chiều,cơ cấu giảm tốc);6- ECU điều khiển trượt
Những sự cố trong quá trình vận hành hệ thống được ghi lại trong bộ nhớ của EPS ECU và cảnh báo bằng đèn P/S trên Bảng táp lô 4 ( Hình 1.6).
1.4.2 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2
Kiểu này có 2 cách bố trí mô tơ trợ lực:
Thứ nhất là loại môtơ chế tạo rời lắp với trục bánh răng của cơ cấu lái ( hình 1.7) sử dụng trên xe Toyota Lexus.
Thứ hai là loại môtơ được chế tạo liền khối với cơ cấu lái. Loại này sử dụng trên xe BMW. Trong trợ lực lái loại này mô tơ trợ lực được chế tạo liền với cơ cấu lái và là một bộ phận cấu thành của cơ cấu lái ( Hình 1.8). Phương án này rất gọn, tuy nhiên giá thành hệ thống cao. Phương án này đang được áp dụng cho dòng xe Lexus đời 2006.
Hình 1. 7 Môtơ trợ lực lắp rời trên cơ cấu lái
1- Khớp cầu; 2- Chụp cao su; 3- Thanh lái; 4- Mô tơ;
5- Giắc điện; 6- Trục lái
Cấu tạo mô tơ thể hiện ở hình 1.9. Phần kéo dài của thanh răng 13 được chế tạo dưới dạng trục vít và trục vít này ăn khớp với đai ốc 7 liên kết cứng với rôto 10 của mô tơ trợ lực lái thông qua các viên bi tuần hoàn 9.
Hình 1. 8 Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái
1- Cảm biến mô men; 2- Vành tay lái; 3- Cảm biến góc quay; 4- Mô tơ trợ lực; 5- Tăng điện thế.
Hình 1. 9 Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay
1-Cảm biến mô men; 2- Stator; 3- Cuộn dây; 4- Bi cầu; 5- Giắc điện; 6- Gioăng làm kín; 7- Đai ốc; 8-Chốt ; 9- Bi cầu;
10- Rô to; 11- Nam châm; 12- Vỏ thanh răng; 13- Thanh răng của cơ cấu lái; 14- Vòng bi
Cảm biến mô men là loại không tiếp điểm được bố trí trên trục lái, cấu tạo của nó thể hiện trên hình 1.10
Để điều khiển chế độ trợ lực ( Điều khiển mô tơ trợ lực) cảm biến mô men lái gửi tín hiệu giá trị mômen về EPS ECU. EPS ECU sẽ tính toán chế độ trợ lực theo chương trình đã được cài đặt sẵn và điều khiển mô tơ trợ lực bằng chuỗi xung để tạo ra các mức điện áp khác nhau tùy theo việc cần trợ lực mạnh hay yếu.
Trong hệ thống điều khiển này để tăng độ nhạy chấp hành và giảm kích thước, trọng lượng mô tơ điều khiển EPS ECU có thêm mạch tăng thế, nâng điện áp điều khiển lên gấp đôi (24V), cụm 5 trên hình 1.8
KHOA CÔNG NGHỆ Ô TÔ
Bộ môn: Công nghệ Ô tô
---------------------------------------
BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU BỘ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN HỆ THỐNG LÁI XE TOYOTA VIOS 2012
Môn học: CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ
GVHD: LÊ HỮU CHÚC
Lớp: 20221AT6048002
Khóa: K15
Nhóm: 12
Thành viên:
1 Mã Ngọc Huy 2020606609
2 Hứu Như Khương 2020600930
3 Nguyễn Đình Khải 2020606607
2022
MỤC LỤC
MỤC LỤC I
DANH MỤC HÌNH ẢNH III
LỜI NÓI ĐẦU V
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN 2
1.1 Vai trò của trợ lực lái 2
1.2 Phân loại trợ lực lái 3
1.3 Cấu tạo và sơ đồ khối nguyên lý của bộ trợ lực lái điện vios 2012 5
1.4 Phân loại và nguyên lý làm việc của EPS 11
1.4.1 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1 11
1.4.2 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2 14
1.5 Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện 18
1.5.1 Cảm biến tốc độ đánh lái có 2 loại: 18
1.5.2 Cảm biến mômen lái có 3 loại: 19
1.5.3 Cảm biến tốc độ ôtô: 23
CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH BỘ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN 27
2.1 Điều khiển động cơ điện 27
2.1.1 Vấn đề điều khiển mô tơ điện trợ lực 27
2.1.2 Các mạch điều khiển động cơ 30
2.2 Đặc tính động cơ điện 38
2.2.1 Đặc tính tự nhiên 39
2.2.2 Đặc tính nhân tạo 41
2.3 Đặc tính trợ lực điện 43
2.3.1 Dạng đặc tính trợ lực lái 43
2.3.2 Tính trợ lực 46
KẾT LUẬN 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50
DANH MỤC HÌNH ẢNH
HÌNH 1. 1 SƠ ĐỒ KHỐI NGUYÊN LÝ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN 9
HÌNH 1. 2 BẢN ĐỒ ĐIỀU KHIỂN ECU TRONG HỆ THỐNG TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN 10
HÌNH 1. 3 TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN VỚI MOTO TRỢ LỰC TRÊN TRỤC LÁI 11
HÌNH 1. 4 HỘP GIẢM TỐC DÙNG CHO TRỢ LỰC LÁI KIỂU 1 12
HÌNH 1. 5 SƠ ĐỒ TRỢ LỰC LÁI KIỂU 1 13
HÌNH 1. 6 BỐ TRÍ CÁC CỤM VÀ TAPLÔ THỂ HIỆN ĐÈN BÁO LỖI P/S 14
HÌNH 1. 7 MÔTƠ TRỢ LỰC LẮP RỜI TRÊN CƠ CẤU LÁI 15
HÌNH 1. 8 SƠ ĐỒ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN TRÊN CƠ CẤU LÁI 16
HÌNH 1. 9 CỤM MÔ TƠ VÀ TRỤC VÍT, THANH RĂNG VÀ CẢM BIẾN GÓC QUAY 16
HÌNH 1. 10 CỤM MÔ TƠ VÀ TRỤC VÍT, THANH RĂNG VÀ CẢM BIẾN GÓC QUAY 17
HÌNH 1. 11 CẤU TẠO VÀ TÍN HIỆU CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐÁNH LÁI 18
HÌNH 1. 12 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐÁNH LÁI ( GÓC ĐÁNH LÁI) LOẠI HALL 19
HÌNH 1. 13 SƠ ĐỒ ĐẶC TÍNH VÀ CÁC VỊ TRÍ LÀM VIỆC CỦA CẢM BIẾN MÔMEN LÁI LOẠI LÕI THÉP TRƯỢT 20
HÌNH 1. 14 VỊ TRÍ LẮP, CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN MÔMEN LÁI LOẠI LÕI THÉP XOAY 21
HÌNH 1. 15 CẤU TẠO CẢM BIẾN MÔMEN LÁI LOẠI 4 VÀNH DÂY 21
HÌNH 1. 16 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ XUNG CỦA CẢM BIẾN MÔMEN LÁI 22
HÌNH 1. 17 CẢM BIẾN LOẠI CÔNG TẮC LƯỠI GÀ 23
HÌNH 1. 18 CẢM BIẾN LOẠI TỪ ĐIỆN 24
HÌNH 1. 19 CẢM BIẾN LOẠI QUANG ĐIỆN 25
HÌNH 1. 20 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ÔTÔ LOẠI MRE 26
HÌNH 2. 1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÔTƠ TRỢ LỰC LÁI THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP 28
HÌNH 2. 2 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÔTƠ 29
HÌNH 2. 3 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÔTƠ 30
HÌNH 2. 4 MẠCH ĐO DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 32
HÌNH 2. 5 SƠ ĐỒ ĐIỀU CHỈNH MÔMEN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 33
HÌNH 2. 6 HỆ ĐẢO CHIỀU HAI BỘ BIẾN ĐỔI MẮC SONG SONG NGƯỢC 35
HÌNH 2. 7 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC MOSFET DẪN ĐỘNG MÔTƠ 38
HÌNH 2. 8 ĐẶC TÍNH CƠ ĐIỆN TỰ NHIÊN VÀ ĐẶC TÍNH CƠ ĐIỆN NHÂN TẠO 42
HÌNH 2. 9 ĐẶC TÍNH TỰ NHIÊN VÀ ĐẶC TÍNH CƠ NHÂN TẠO 43
HÌNH 2. 10 ĐỒ THỊ BIỂU THỊ BIỂU THỊ MỐI QUAN HỆ GIỮA M VÀ P 44
HÌNH 2. 11 ĐỒ THỊ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA TRỢ LỰC 46
HÌNH 2. 12 ĐẶC TÍNH CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 48
LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhà nước ta chủ trương đẩy mạnh nghành công nghiệp ôtô và đã có 14 liên doanh ôtô Việt Nam hoạt động và đã đưa ra thị trường nhiều loại xe có chất lượng cao. Đặc biệt là Vinfast khi đã sản xuất và đưa ra thị trường 2 dòng xe: xăng và điện. Góp phần phát triển và mở ra một chương mới cho ngành sản xuất ô tô Việt Nam ứng dụng các tiến bộ khoa học và công nghệ tiên tiến. Trong đó hệ thống lái ôtô là một ví dụ.
Hệ thống này có chức năng điều khiển hướng chuyển động của ô tô, đảm bảo tính năng ổn định chuyển động thẳng cũng như quay vòng của bánh xe dẫn hướng. Trong quá trình chuyển động hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến an toàn chuyển động và quỹ đạo chuyển động của ô tô, đặc biệt đối với xe có tốc độ cao. Do đó người ta không ngừng cải tiến hệ thống lái để nâng cao tính năng của nó. Xuất phát từ những yêu cầu và đặc điểm đó, chúng em đã được giao thực hiện nhiệm vụ với đề tài “ Nghiên cứu bộ trợ lực lái điện trong hệ thống lái xe Toyota Vios 2012”.
Trong quá trình hoàn thành bài tập lớn chuyên ngành này, mặc dù gặp rất nhiều khó khăn nhưng nhóm em đã nhận được sự giúp đỡ của các bạn trong lớp cùng sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn. Qua đó rút ra cho mình nhiều kinh nghiệm hơn, giúp chúng em củng cố kiến thức đã học và tích lũy thêm kiến thức mới, nâng cao được trình độ chuyên môn. Quan trọng hơn, em và các bạn trong nhóm đã dần hình thành cho mình phương pháp học tập, nghiên cứu mới và có ý thức hơn cho nghề nghiệp của mình trong tương lai.
Chúng em xin cảm ơn thầy giáo “Lê Hữu Chúc” đã nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành bài tập lớn này này một cách tốt nhất.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN
Ngày nay ô tô được sử dụng ở tốc độ cao, vấn đề an toàn chuyển động ngày càng được quan tâm nhiều hơn. Trong cấu tạo ôtô, hai hệ thống được coi là quan trọng nhất đảm bảo an toàn chuyển động là hệ thống lái và hệ thống phanh.
Để đảm bảo tiện ích trong quá trình lái, hầu hết các ô tô hiện nay được trang bị thêm trợ lực lái.
1.1 Vai trò của trợ lực lái
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 còn nhằm nâng cao tính an toàn 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 đòi hỏi phải quay vành lái nhiều hơn khi xe quay vòng dẫn đến không thể thực hiện được việc vòng ngoặt 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.
Yêu cầu cơ bản đối với trợ lực lái:
- Đảm bảo tính tùy động
- Trợ lực lái phải có lực điều khiển trên vành tay lái đủ nhỏ để giảm cường độ lao động nhưng cũng đủ gây cảm giác điều khiển cho người lái.
- Khi hệ thống trợ lực lái hỏng thì hệ thống lái vẫn điều khiển được như hệ thống lái cơ khí thông thường;
- Kết cấu hệ thống trợ lực phải đơn giản, dễ chăm sóc bảo dưỡng, sửa chữa.
1.2 Phân loại trợ lực lái
Các hệ thống lái có trợ lực được tổng kết tại bảng 1 và chia thành 2 nhóm chính:
+ Nhóm trợ lực thủy lực đơn thuần( HPS)
+ Nhóm trợ lực có điều khiển điện – điện tử
Các phương pháp điều khiển nêu trên có thể được mô 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 1 đường dầu đi tắt về đường hồi dầu. Bộ điều khiển điện tử sẽ điều chỉnh van điện từ solenoid mở khi ôtô chạy ở tốc độ cao để giảm lưu lượng của bơm cấp đến van trợ lực và xilanh trợ lực. Điều này làm tăng lực lái. Bằng việc giảm độ cản của mạch giữa bơm và xilanh trợ lực, yêu cầu về trợ lực sẽ giảm.
Dòng dầu thủy lực được đưa tới xilanh trợ lực sẽ giảm khi lái ở tốc độ cao và vậy đối với phương pháp này, lượng tỉ lệ phản hồi và lực phản lái sẽ cân bằng tại điểm cân bằng
Phương pháp điều khiển mạch tách qua xilanh trợ lực(Cylinder Bypass Control Method):
Trong phương pháp này một van điện và một mạch rẽ sẽ được thiết lập hai khoang cửa xilanh trợ lực. Thời gian mở van sẽ được kéo dài bởi bộ điều khiển điện tử cho phù hợp với việc tăng tốc độ ôtô. Như vậy sẽ giảm được áp suất dầu trong xilanh trợ lực và tăng hiệu quả 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 phản 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 xi lanh trợ lực được chia thành phần thứ hai, phần thứ ba. Còn phần thứ tư được điều khiển bởi tín hiệu Mô tơ 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 xilanh 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 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.
Phương pháp điều khiển bằng dòng điện và điện áp:
Trong phương pháp này dùng mô tơ điện một chiều để tạo mômen trợ lực cho HTL. Nhờ vào các cảm biến mà quyết định được công suất mô tơ trợ lực.
* So sánh trợ lực lái điện với trợ lực lái thủy lực
Với hệ thống HPS nguồn cung cấp năng lượng tách biệt hoàn toàn với hệ thống lái, HPS cần một nguồn năng lượng ( bơm thuỷ lực, xi lanh thủy lực, các van, các đường dầu). Để thiết kế HPS là cả một khối lượng công việc đáng kể, một phần ở đó là số lượng đáng kể các thiết bị mà hệ thống yêu cầu, điều đó có nghĩa là HPS không dễ dàng lắp đặt trên xe nhỏ gọn. Hơn nữa nó tiêu thụ năng lượng ở tất cả các công việc của xe.
Với hệ thống điều khiển như thế HPS yêu cầu độ chính xác cao trong chế tạo, khi có sự cố về hệ thống trợ lực thì lực của người lái lớn hơn lực lái khi không thiết kế trợ lực do lực cản của chất lỏng trong hệ thống trợ lực. Việc dùng dầu trợ lực cũng là một nhược điểm của nó. Khi thay thế sữa chữa lượng dầu thải ra ảnh hưởng đến môi trường, đó là một trong những vấn đề được các nhà sản xuất ôtô trên thế giới quan tâm.
Hệ thống trợ lực lái EPS được tạo ra từ môtơ điện một chiều đặt trên hệ thống lái. Hệ thống chỉ gồm 2 phần: trục lái với Mô tơ điện một chiều và một ECU, do đó hệ thống tương đối nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng khối lượng chủ yếu là Mô tơ điện, hoạt động có hiệu quả cao và đặc biệt chỉ tiêu thụ năng lượng khi hệ thống lái yêu cầu. Với sự nhỏ gọn dùng nguồn năng lượng sạch năng lượng không lãng phí lái. Như HPS bơm sẽ vẫn làm việc thậm chí khi hệ thống không đòi hỏi trợ lực, với EPS có thể đưa ra khả năng về cải tiến để tiết kiệm nhiên liệu cho ôtô.
1.3 Cấu tạo và sơ đồ khối nguyên lý của bộ trợ lực lái điện vios 2012
a) Cấu tạo
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 lôgíc toán học và hệ thống lái chuyên 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 còn 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 không 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 mô tơ điện tới hệ thống lái. Thiết bị này bao gồm có cảm biến tốc độ xe, một cảm biến lái (mômen, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một môtơ. Tín hiệu đầu ra từ mỗi cảm biến được đưa tới ECU có chức năng tính toán chế độ điều khiển lái để điều khiển hoạt động của môtơ trợ lực.
Các phần tử chính cua trợ lực lái điện gồm có: Mô tơ điện một chiều; Các cảm biến; Bộ điều khiển trung tâm (ECU); Hộp giảm tốc.
* Mô tơ:
Mô tơ điện của trợ lực lái là một mô tơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, gắn với bộ truyền động của trợ lực lái. Mô tơ chấp hành của trợ lực lái điện có nhiệm vụ tạo ra mô men trợ lực dưới điều khiển của ECU và phải đáp ứng các yêu cầu:
- Mô tơ phải đưa ra được mô men xoắn và lực xoắn mà không làm quay vô lăng.
- Mô tơ phải có cơ cấu đảo chiều quay khi có sự cố xảy ra.
- Những dao động của mô tơ và mô men xoắn, lực xoắn phải trực tiếp chuyển đổi thông qua vành lái tới tay người lái phải được cân nhắc.
Do vậy Mô tơ điện có các đặc điểm:
- Nhỏ, nhẹ, và có kết cấu đơn giản.
- Lực, mô men xoắn biến thiên nhỏ thông qua điều khiển.
- Dao động và tiếng ồn nhỏ.
- Lực quán tính và ma sát nhỏ.
- Độ an toàn và độ bền cao.
* Bộ điều khiển trung tâm (ECU)
Bộ điều khiển trung tâm (ECU) nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin để điều khiển mô tơ.
Yêu cầu đối với ECU gồm có:
- Đảm bảo tính tiện nghi khi lái (chức năng điều khiển dòng điện mô tơ). Các chức năng này gồm có:
(1) Điều khiển được dòng điện cấp cho Mô tơ theo qui luật xác định
Tạo ra lực trợ lực (tương ứng với dòng điện cấp cho Mô tơ ) theo tốc độ xe và mô-men đặt lên vành lái để đảm bảo lực lái thích hợp trong toàn dải tốc độ xe.
(2) Điều khiển bù
Giảm thiểu sự biến động của lực lái bằng cách bù dòng điện cấp cho Mô tơ tương ứng với sự biến động mô-men xoắn đầu vào.
(3) Bù ma sát
Khi ô tô chuyển động với vận tốc thấp, trợ lực lái điện giúp cho vành tay lái trở lại vị trí chuyển động thẳng sau khi đã quay vòng bằng cách bù dòng điện mô tơ .
(4) điều khiển tụ
Khi ô tô chuyển động với vận tốc cao, trợ lực lái giữ ổn định lực tác động lên vành lái ở vị trí đang quay vòng (ví dụ, trong khi chuyển làn đường) bằng cách bù dòng điện cấp cho mô tơ làm cho vành lái có thể dễ dàng trở về vị trí thẳng .
(5) Tối đa dòng điện cấp cho mô tơ.
Giới hạn dòng điện của mô tơ tối đa đến mức tối ưu để bảo vệ ECU và mô tơ không bị hư hỏng do quá tải.
- Đảm bảo độ tin cậy (Chức năng tự chuẩn đoán và sửa lỗi).
Để đảm bảo độ tin cậy trong ECU sẽ có mạch tự chuẩn đoán và sửa lỗi). Nó sẽ theo dõi sự sai lệch của các phần tử trong hệ thống và khi phát hiện bất kỳ sai lệch nào, nó sẽ điều khiển các chức năng EPS phụ thuộc vào ảnh hưởng của sự sai lệch và cảnh báo cho người lái xe. Ngoài ra, nó còn lưu trữ các vị trí các sai lệch trong ECU.
- Đảm bảo tính đối thoại với các hệ thống khác (Chức năng truyền tin và kiểm tra hệ thống EPS).
* Các cảm biến:
Các cảm biến có nhiệm vụ cấp tín hiệu mô men lái, vận tốc chuyển động xe và tốc độ trục khuỷu động cơ. Về cơ bản trợ lực lái điện có cảm biến mô men lái hoặc tốc độ đánh lái. Đa phần hiện nay sử dụng cảm biến mô men lái. Các cảm biến này có hai loại chính là có tiếp điểm và không có tiếp điểm. Ưu điểm của loại không tiếp điểm là : không bị mòn do lão hóa, từ trễ nhỏ, là ít bị ảnh hưởng bởi dịch chuyển dọc trục và lệch trục.
Giảm tốc có nhiệm vụ tăng lực lái và truyền mô men trợ lực đến cơ cấu lái.
b) Sơ đồ khối nguyên lý của trợ lực lái điện.
Trợ lực lái được điều khiển theo các bản đồ được lưu trũ sẵn trong bộ nhớ của ECU. EPS ECU có thể lưu trũ 16 bản đồ, các bản đồ này được kích hoạt ở nhà máy phụ thuộc vào các yêu cầu cho trước (ví dụ trọng lượng của ô tô).
Hình 1. 1 Sơ đồ khối nguyên lý trợ lực lái điện vios 2012
1- Dòng cấp mô tơ; 2- Tốc độ mô tơ; 3- Vận tốc mô tơ; 4- Mô men lái; 6- Điều khiển dòng tối đa cho mô tơ; 7- Điều khiển bù rung động; 8- Điều khiển phục hồi; 9- Điều khiển bù; 10- Điều khiển chính; 11- Dòng đích; Hạn chế dòng cấp áp tối đa ra mô tơ; 13- Điều khiển dòng cấp ra mô tơ; 14- Dòng cấp cho mô tơ
Ngoài ra các bản đồ náy cũng được kích hoạt bằng những công cụ quét ECU hoặc hệ thống lái sau khi bảo dưỡng hoặc thay thế ECU hoặc hệ thống lái. Với bất kì một cái xe đã cho thì cả hai bản đồ tương ứng với xe hạng nặng và hạng nhẹ được chon. Mỗi bản đồ có 5 đặc tính khác nhau tương ứng với các vận tốc chuyển động của ô tô. Các bản đồ này xác định vùng trợ lực lái có thể làm việc.
Hình 1. 2 Bản đồ điều khiển ECU trong hệ thống trợ lực lái điện vios 2012
Nguyên lý làm việc của trợ lực lái gồm các bước:
Bước 1. Trợ lực lái sẽ bắt đầu làm việc khi người lái tác dụng lực để quay vô lăng.
Bước 2. Lực tác dụng lên vành lái sẽ làm cho thanh xoắn trong cơ cấu lái xoay. Cảm biến mô men lái sẽ xác định góc quay của thanh xoắn và gửi các lực lái đã được tính toán đên ECU
Bước 3. Cảm biến góc quay của vô lăng sẽ thông báo góc quay vành lái và tốc độ đánh tay lái hiện thời.
Bước 4. Phụ thuộc vào lực lái, tốc độ chuyển động, tốc độ động cơ, góc quay vô lăng, tốc độ đánh tay lái và bản đồ được lưu giữ trong ECU, EPS ECU sẽ tính toán lực trợ lực cần thiết và gửi đến động cơ điện.
Bước 5. Trợ lực lái sẽ tác động lên cơ cấu lái một lực trợ lực song song với lực đặt lên vành lái.
Bước 6. Tổng của lực đặt lên vành lái và lực trợ lực sẽ tác động lên cơ cấu lái để quay vòng xe.
1.4 Phân loại và nguyên lý làm việc của EPS
Tùy thuộc vào vị trí đặt hộp giảm tốc có 2 kiểu trợ lực điện: Kiểu thứ nhất, hộp giảm tốc đặt trực tiếp trên trục lái ngay dưới vành lái. Kiểu thứ hai, hộp giảm tốc được tích hợp vào cơ cấu lái (trong trường hợp này cơ cấu lái thường là loại bánh răng – thanh răng và đặt trực tiếp trên thanh lái ngang).
1.4.1 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1
Trong hệ thống trợ lực lái kiểu này được sử dụng trên xe Kia Mornig, 2009, Toyota Vios 2008 có một môtơ điện trợ lực cùng cơ cấu giảm tốc trục vít- bánh vít được bố trí ở trục lái chính ( trước đoạn các đăng trục lái) (Hình 1.3). Tại đây cũng bố trí cảm biến mômen lái. Cạnh đó là bộ điều khiển điện tử của trợ lực lái điện (EPS ECU). Trên hình 1.4 là cấu tạo hộp giảm tốc.
Hình 1. 3 Trợ lực lái điện với moto trợ lực trên trục lái
1- moto; 2- cảm biến mômen; 3- trục lái; 4- trục vít - bánh vít; 5- cơ cấu lái trục răng - thanh răng; 6- ly hợp điện từ
Hình 1. 4 Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái kiểu 1
1-vòng bi; 2- trục vít; 3- vỏ trục lái; 4- khớp nối; 5- roto;
6- stator; 7- trục môtơ; 8- trục lái chính; 9- bánh vít
Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống thể hiện trên hình 1.5.
Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát hình 1.5 trên đó có thể nhận thấy các tín hiệu đầu vào của EPS ECU gồm 4 nhóm tín hiệu chính:
Hình 1. 5 Sơ đồ trợ lực lái kiểu 1
Tín hiệu cảm biến mô men số 1;B- Tín hiệu cảm biến mô men số2; 1- Giắc nối đa năng số 1; 2- Giắc nối đa năng số 2; 3- Táp lô; 4- ABS+TRC ECU; 5- Cảm biến tốc độ ô tô; 6- ECU Mô tơ ; 7- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 8- Đèn báo; 9- Mô tơ trợ lực;10- EPS ECU; 11- Giắc kết nối dữ liệu số 1; 12- Giắc kết nối dữ liệu số 2
1- Nhóm tín hiệu (2 hoặc 4 tín hiệu) từ cảm biến mômen lái
2- Tín hiệu vận tốc chuyển động ô tô có thể gửi trực tiếp về EPS ECU hoặc thông qua ECU truyền lực và mạng điều khiển vùng ( CAN – Controller Area Network) và các giắc nối truyền tới EPS ECU.
3- Tín hiệu tốc độ mô tơ ( xung biểu diễn số vòng quay trục khuỷu ne từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECU động cơ và mạng CAN truyền tới EPS ECU.
4- Nhóm dữ liệu cài đặt và tra cứu thông qua giắc kết nối dữ liệu DLC3 (Data Link Connector) để truy nhập các thông tin cài đặt và tra cứu thông tin làm việc của hệ thống và báo lỗi hệ thống.
Hình 1. 6 Bố trí các cụm và Taplô thể hiện đèn báo lỗi P/S
1- Đèn báo; 2-EPS ECU; 3- ECU Mô tơ ; 4- Bảng táp lô;5- Trục lái(cảm biến mô men, Mô tơ điện 1 chiều,cơ cấu giảm tốc);6- ECU điều khiển trượt
Những sự cố trong quá trình vận hành hệ thống được ghi lại trong bộ nhớ của EPS ECU và cảnh báo bằng đèn P/S trên Bảng táp lô 4 ( Hình 1.6).
1.4.2 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2
Kiểu này có 2 cách bố trí mô tơ trợ lực:
Thứ nhất là loại môtơ chế tạo rời lắp với trục bánh răng của cơ cấu lái ( hình 1.7) sử dụng trên xe Toyota Lexus.
Thứ hai là loại môtơ được chế tạo liền khối với cơ cấu lái. Loại này sử dụng trên xe BMW. Trong trợ lực lái loại này mô tơ trợ lực được chế tạo liền với cơ cấu lái và là một bộ phận cấu thành của cơ cấu lái ( Hình 1.8). Phương án này rất gọn, tuy nhiên giá thành hệ thống cao. Phương án này đang được áp dụng cho dòng xe Lexus đời 2006.
Hình 1. 7 Môtơ trợ lực lắp rời trên cơ cấu lái
1- Khớp cầu; 2- Chụp cao su; 3- Thanh lái; 4- Mô tơ;
5- Giắc điện; 6- Trục lái
Cấu tạo mô tơ thể hiện ở hình 1.9. Phần kéo dài của thanh răng 13 được chế tạo dưới dạng trục vít và trục vít này ăn khớp với đai ốc 7 liên kết cứng với rôto 10 của mô tơ trợ lực lái thông qua các viên bi tuần hoàn 9.
Hình 1. 8 Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái
1- Cảm biến mô men; 2- Vành tay lái; 3- Cảm biến góc quay; 4- Mô tơ trợ lực; 5- Tăng điện thế.
Hình 1. 9 Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay
1-Cảm biến mô men; 2- Stator; 3- Cuộn dây; 4- Bi cầu; 5- Giắc điện; 6- Gioăng làm kín; 7- Đai ốc; 8-Chốt ; 9- Bi cầu;
10- Rô to; 11- Nam châm; 12- Vỏ thanh răng; 13- Thanh răng của cơ cấu lái; 14- Vòng bi
Cảm biến mô men là loại không tiếp điểm được bố trí trên trục lái, cấu tạo của nó thể hiện trên hình 1.10
Để điều khiển chế độ trợ lực ( Điều khiển mô tơ trợ lực) cảm biến mô men lái gửi tín hiệu giá trị mômen về EPS ECU. EPS ECU sẽ tính toán chế độ trợ lực theo chương trình đã được cài đặt sẵn và điều khiển mô tơ trợ lực bằng chuỗi xung để tạo ra các mức điện áp khác nhau tùy theo việc cần trợ lực mạnh hay yếu.
Trong hệ thống điều khiển này để tăng độ nhạy chấp hành và giảm kích thước, trọng lượng mô tơ điều khiển EPS ECU có thêm mạch tăng thế, nâng điện áp điều khiển lên gấp đôi (24V), cụm 5 trên hình 1.8
