CHƯƠNG 1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu Ngành công nghệ kỹ thuật ô tô hiện đại ngày nay ngày càng đề cao cũng như đặt tính an toàn và tiện nghi lên hàng đầu nhằm đáp ứng nhu cầu và đảm bảo cho người tiêu dùng có những trải nghiệm thoải mái nhất. Hệ thống lái là một trong những hệ thống của ô tô có chức năng thay đổi và ổn định hướng khi ô tô chuyển động, do đó ảnh hưởng đến tính an toàn chủ động của ô tô. Cũng như những công nghệ tân tiến khác, hệ thống lái ngày càng được cải thiện và phát triển trên những dòng xe hiện đại hiện nay.
Việc ứng dụng công nghệ điện tử vào hệ thống lái – Hệ thống lái Steer by wire (SBW) là một bước phát triển tiếp theo đáp ứng được với các đòi hỏi ngày càng cao về an toàn chuyển động cho ô tô, thoải mái, linh hoạt cho người lái và hơn nữa nó đáp ứng tốt nhất những yêu cầu cho một chiếc xe ô tô tự lái trong tương lai. Bên cạnh đó thì việc ứng dụng công nghệ điện tử vào Hệ thống treo khí nén điện tử để hoàn thiện hệ thống treo được thay thế bằng điện tử hoàn toàn cũng là một bước nhảy rất lớn trong việc ứng dụng và phát triển công nghệ xe điện để ngày càng tăng tính tiện lợi và linh động của một chiếc xe ô tô thế hệ mới. Các nghiên cứu cũng như những cái tiến của hai hệ thống nói trên đều mang một ý nghĩa vô cùng to lớn, đặt nền tảng cho nền công nghệ ô tô trong thế giới tương lai ngày một phát triển, vừa đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như phát triển về công nghệ điều khiển bằng điện để góp phần bảo vệ môi trường- là vấn đề vô cùng cấp thiết và được ưu tiên hàng đầu và nâng cao hiệu suất sử dụng xe. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Trong thời đại những dây chuyền sản xuất ô tô tân tiến xuất hiện ngày càng nhiều trong những khoảng thời gian gần đây có nhiều giáo sư, tiến sĩ tâm huyết trong nước và trên thế giới đang nghiên cứu để dần sáng tạo và hoàn thiện hệ thống lái SBW, làm nền tảng quan trọng cho việc phát triển các công nghệ lái tự động trong thế giới tương lai.
Công nghệ lái hiện đại này được dự báo là công nghệ sử dụng rộng rãi trên phương tiện vận tải trong tương lai tại các thành phố lớn. Và cũng không thể không nhắc đến vai trò quan trọng của hệ thống treo trên xe ô tô. Ngoài ra, một trong những dấu mốc vô cùng quan trọng của sự phát triển và chuyển đổi công nghệ của hệ thống treo chính là hệ thống treo khí nén điện tử. Do vậy, nghiên cứu hệ thống lái SBW và hệ thống treo khí nén điện tử đều mang trong nó ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn để dần hình thành nền tảng cốt lõi trong bước đầu phát triển, của ô tô nói riêng và máy móc thiết bị nói chung, tiếp bước làm chủ công nghệ trong tương lai.
Tình hình nghiên cứu của đề tài Công nghệ điện tử của hệ thống lái X-by wire được áp dụng trên ô tô cho một số hệ thống như: Động cơ (Direct fuel injection), hệ thống phanh (Brake by wire), hệ thống treo (Active suspension), hệ thống lái (Electrically assisted power steering)… Nhờ việc áp dụng công nghệ vào thực tiễn đã góp phần mang lại nhiều lợi ích đáng kể, ví dụ như nâng cao tính tiện nghi, cải thiện hiệu suất, tăng độ tin cậy, độ an toàn, giảm chi phí sản xuất, chi phí vận hành,. Bên cạnh đó song cũng mang lại một bước tiến lớn cho ngành công nghệ kỹ thuật ô tô trong những năm gần đây vì tính tối ưu cũng như sử dụng nguồn năng lượng điện, bước đầu phát triển của ô tô điện trong tương lai. Nối tiếp sự phát triển đó, xu hướng tiếp theo trong việc phát triển hệ thống lái là hoàn toàn loại bỏ trục lái – Hệ thống lái Steer-By-Wire. Đây là một trong những sự thay đổi lớn nhất từ trước đến nay đối với hệ thống lái ô tô, cải thiện sự an toàn và gia tăng hiệu suất điều khiển, do đó cần được quan tâm nghiên cứu sâu hơn nữa để tìm cách cải thiện cũng như tối ưu hiệu suất, đảm bảo độ an toàn khi hoạt động và chứng minh hiệu quả của nó trong thực tế.
Hệ thống lái Steer-By-Wire: Thay thế việc sử dụng trục lái cơ khí để truyền động đến cơ cấu lái (hệ thống lái truyền thống), hệ thống lái hiện đại này sử dụng một bộ chấp hành dẫn hướng (động cơ điện, thủy lực…) và một bộ điều khiển điện tử (gồm các cảm biến và bộ xử lý điện tử ECU). Việc nghiên cứu chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường trên ô tô sang hệ thống lái Steer-By-Wire là sự nghiên cứu mang tính ứng dụng thực tiễn cao, liên quan đến các nghiên cứu động lực học của hệ thống lái và nghiên cứu điều khiển tối ưu cho hệ thống. Nhờ đó mà nâng tầm công nghệ của ô tô vươn lên một tầm cao mới, mang ý nghĩa giá trị vô cùng to lớn. Năm 2013 được đánh dấu với việc hãng sản xuất ô tô Nissan của Nhật Bản đã lần đầu tiên đưa hệ thống lái SBW lên mẫu xe thương mại Infiniti Q50.
Hệ thống lái không trụ lái tích hợp được Nissan áp dụng trên xe Infiniti Q50 2013 được cấu tạo từ các bộ phận chính như: cảm biến lực đánh lái, bộ ly hợp, hộp điều khiển, động cơ trợ lực. Mặc dù vẫn còn chờ các đánh giá từ phía người dùng cũng như những cải tiến cho hệ thống của nhà sản xuất, những bước đầu cho thấy hướng phát triển mới đối với hệ thống lái trên ô tô. Thay vì truyền động bằng cách sử dụng các kết nối cơ khí, hệ thống lái điện tử Steer by wire cho phép điều khiển xe bằng các tín hiệu điện tử và truyền động thủy lực. Trên thực tế, hệ thống lái điện tử Drive by wire đã được các nhà sản xuất xe hơi nghiên cứu và phát triển từ rất lâu, thế nhưng hệ thống này chỉ mới dừng lại ở mức 2 thử nghiệm, và vẫn chưa có nhà sản xuất này áp dụng vào xe thương mại để có thể đưa đến tay người dùng.
Mặt khác, khi ôtô chuyển động trên đường không bằng phẳng, xe thường chịu tải trọng dao động do bề mặt đường mấp mô sinh ra. Những dao động này ảnh hưởng xấu tới tuổi thọ của xe và đặc biệt là gây cảm giác không thoải mái đối với người ngồi trong xe. Các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng dao động của ôtô đối với cơ thể con người đều đi tới kết luận là nếu con người phải chịu đựng lâu trong môi trường dao động của ôtô sẽ mắc những bệnh về thần kinh và não. Vì vậy tính êm dịu trong chuyển động là một trong những chỉ tiêu quan trọng của xe.
Tính năng này phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố trong đó hệ thống treo đóng vai trò quyết định. Hệ thống treo của xe con ngày nay thường sử dụng hai kiểu chính: hệ thống treo phụ thuộc và hệ thống treo độc lập. Hai hệ thống treo này tuy khác nhau về cấu tạo nhưng mục đích chính cũng đều là làm giảm rung xóc khi xe vận hành trên đường không bằng phẳng, tạo điều kiện cho bánh xe dao động theo phương thẳng đứng, tránh dao động lắc ngang hay lắc dọc đồng thời đảm bảo truyền lực và momen ổn định. Với hệ giảm chấn quá mềm hệ thống treo sẽ tạo ra nhiều rung động đàn hồi khi làm việc, ngược lại với hệ quá cứng sẽ làm cho xe bị xóc mạnh.
Sự dung hoà giữa hai đặc điểm trên chính là ý tưởng để các nhà thiết kế đưa ra hệ thống treo khí nén - điện tử. Hệ thống treo sử dụng nhíp lá, lò xo xoắn… ra đời từ rất sớm nhưng chưa thể đáp ứng đòi hỏi cao về độ êm dịu của xe con, hệ thống treo khí nén cũng không phải là một phát minh mới, nó xuất hiện từ những năm 1950 cùng với hệ thống treo Mc Pherson. Ở hệ thống treo khí nén người ta sử dụng những gối cao su chứa khí nén thay vì dùng lò xo xoắn, nhíp lá hay thanh xoắn. Nhưng ở thời kỳ này ngành công nghệ vật liệu chưa đáp ứng được độ bền cũng như yêu cầu kĩ thuật cho các chi tiết trong hệ thống treo khí nén nên người ta vẫn phải dùng lò xo xoắn, nhíp lá, thanh xoắn làm cơ cấu giảm chấn.
Ngày nay các nhà thiết kế ôtô đã ứng dụng nhiều thành tựu mới của công nghệ vật liệu, kỹ thuật cơ - điện tử để cho ra đời hệ thống treo có tính năng kỹ thuật tiên tiến, đó là hệ thống treo khí nén điện tử EAS hiện đang dùng cho dòng xe cao cấp như Audi, Lexus… Ngày nay, hệ thống treo khí nén điện tử EAS vẫn còn đang được nghiên cứu và phát triển để cải thiện những thiếu sót từ các phiên bản cũ cũng như áp dụng và nâng cấp các công nghệ mới nhằm giảm thiểu tối đa những ảnh hưởng không tốt và tạo cảm giác ngồi cũng như lái thoải mái nhất cho người sử dụng xe. Đối tượng nghiên cứu Hệ thống lái trợ lực điện không trụ lái Steer By Wire. 3 Hệ thống treo khí nén điện tử EAS. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và tính toán động lực học trên hệ thống lái Steer By Wire áp dụng trên xe Nissan Infiniti Q50.
Nghiên cứu lý thuyết và tính toán động lực học trên hệ thống treo khí nén điện tử EAS áp dụng trên xe Mitsubishi Pajero 2020. Ý nghĩa khoa học của nghiên cứu Bài nghiên cứu mô tả sơ bộ về hệ thống lái Steer By Wire và hệ thống treo khí nén điện tử đã và đang phát triển trong hiện tại và tương lai gần. Xây dựng mô hình động lực học và tính toán dựa trên các thông số chính xác của hệ thống lái Steer By Wire và hệ thống treo khí nén điện tử tích hợp đã ứng dụng trên dòng xe hiện đại. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu Hệ thống lái SBW điện tử tích hợp và hệ thống treo khí nén điện tử EAS lắp trên ô tô là sản phẩm công nghiệp đã được thử nghiệm không tải, có tải tại chỗ và vận hành trên đường giao thông nội bộ.
Dù vẫn chưa được ra mắt và sản xuất rộng rãi trên thị trường nhưng là nền tảng góp phần giới thiệu và mở ra tầm nhìn cho nền công nghệ ôtô hiện đại trong tương lai. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng cho việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ.