Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống lái là một trong những cụm hệ thống điều khiển quan trọng nhất trên ô tô, có vai trò quyết định đến tính an toàn chuyển động, khả năng cơ động và việc duy trì hoặc thay đổi quỹ đạo chuyển động của phương tiện, đặc biệt là khi xe vận hành ở dải tốc độ cao. Cùng với sự phát triển của công nghệ ô tô thế giới và nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng về độ an toàn, tính tiện nghi và mức độ thân thiện với môi trường, các hệ thống trợ lực lái thuần cơ khí và thủy lực dần bộc lộ những nhược điểm về hiệu suất năng lượng, không gian bố trí cũng như khả năng can thiệp tự động hóa. Trong xu hướng đó, các hãng sản xuất ô tô lớn như Volkswagen, Toyota, Ford, Audi, BMW hay Mercedes-Benz đã nghiên cứu, ứng dụng và hoàn thiện các cơ cấu trợ lực lái điện (EPS - Electronic Power Steering) nhằm tối ưu hóa cảm giác lái, giảm thiểu lực tác động của người điều khiển và tiết kiệm năng lượng. Đề tài khóa luận tốt nghiệp được hình thành dựa trên quá trình học tập ngành Cơ khí Ô tô tại Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM và quá trình thực tập, khảo sát thực tế tại Công ty TNHH Truck & Bus Trường Chinh.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lịch sử hình thành, xu hướng phát triển của các dạng hệ thống lái trên thế giới và điểm qua các công trình nghiên cứu hệ thống lái tiêu biểu tại Việt Nam.
  2. Thiết lập cơ sở lý thuyết động lực học quay vòng của ô tô (điều kiện quay vòng Ackerman, khảo sát các sơ đồ bố trí dẫn động từ 2 cầu, nhiều trục đến dẫn động 4 bánh 4WS) và phân tích các thông số đánh giá động học, động lực học của hệ thống lái.
  3. Khảo sát chi tiết nguyên lý làm việc và cấu tạo của các hệ thống lái cơ khí thuần túy, hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS), hệ thống lái trợ lực thủy lực - điện (EHPS) và hệ thống lái trợ lực điện (EPS).
  4. Phân tích sâu cấu tạo cơ điện tử, nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết chính trên hệ thống lái trợ lực điện xe Volkswagen (cảm biến mô-men xoắn kiểu từ tính, cảm biến góc lái quang học, mô tơ trợ lực, hộp điều khiển ECU EPS) và các thuật toán trợ lực theo từng chế độ vận hành.
  5. Tổng hợp các dạng hư hỏng, nguyên nhân và quy trình bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống EPS.
  6. Thiết kế và chế tạo hoàn thiện mô hình thực hành hệ thống lái trợ lực điện ô tô phục vụ công tác giảng dạy, học tập chuyên ngành Cơ khí Ô tô.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu tạo chi tiết và nguyên lý trợ lực theo sự thay đổi vận tốc của hệ thống lái trợ lực điện trên dòng xe Volkswagen; quy trình xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống lái trợ lực điện.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát lý thuyết động lực học lái và cơ cấu trợ lực điện tử trên ô tô; thực hiện gia công, lắp ghép phần cứng mô hình khung giá thực tế.
  • Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 09/2022 (giai đoạn chuẩn bị đề cương khi thực tập) đến tháng 02/2023 (nghiệm thu và bảo vệ khóa luận tốt nghiệp).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận sử dụng nền tảng lý thuyết động lực học ô tô, cơ học máy, kỹ thuật điện tử và điều khiển tự động trên ô tô:

  • Khung lý thuyết động học và động lực học quay vòng: Điều kiện quay vòng động học Ackerman đối với bánh xe dẫn hướng phía trước nhằm đảm bảo bánh xe quay không bị trượt lê: $$\cot\delta_0 - \cot\delta_i = \frac{w}{l}$$ Trong đó $\delta_i$ và $\delta_0$ lần lượt là góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong và phía ngoài bán kính quay vòng; $w$ là chiều rộng cơ sở (vệt bánh xe); $l$ là chiều dài cơ sở của xe.
  • Lý thuyết quay vòng mở rộng: Thiết lập công thức xác định bán kính quay vòng cực đại $R_{\max}$, bán kính quay vòng cực tiểu $R_{\min}$, không gian chiếm chỗ khi quay vòng $\Delta R$, động lực học xe dẫn động cầu sau (RWD), xe có vệt bánh trước/sau không bằng nhau, xe nhiều hơn hai trục, xe kéo rơ-moóc và hệ thống đánh lái 4 bánh (4WS - Four-Wheel Steering) theo chế độ cùng chiều ở tốc độ cao hoặc ngược chiều ở tốc độ thấp dựa trên hệ số chiều dài lái $L_s$.
  • Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ thống EPS theo định luật Newton:
    • Phương trình chuyển động trục lái: $J_s \ddot{\theta}_s + B_s \dot{\theta}_s + T_s = T_d$ với $T_s = K_s (\theta_s - \frac{x_r}{r_s})$
    • Phương trình chuyển động thanh răng và bánh răng: $m_r \ddot{x}_r + B_r \dot{x}_r + F_r = \frac{K_s}{r_s}(\theta_s - \frac{x_r}{r_s}) + \frac{K_m G_m}{r_s}(\theta_s - \frac{x_r}{r_s} G_m)$
    • Phương trình điện và cơ học của mô tơ trợ lực: $J_m \ddot{\theta}_m + B_m \dot{\theta}_m + K_m(\theta_m - \frac{x_r}{r_s} G_m) = K_a i$ và $L\frac{di}{dt} + Ri + K_v \dot{\theta}_m = U_m$
  • Các chỉ tiêu kỹ thuật đánh giá hệ thống lái: Tỷ số truyền động học ($i_{\theta ht} = 13 \div 22$ đối với xe du lịch, $20 \div 25$ đối với xe tải); hiệu suất thuận ($\eta_t \approx 0.82$) và hiệu suất nghịch ($\eta_n \approx 0.63$); khe hở ăn khớp trung gian ($\Delta \approx 0$ và tăng dần ra hai phía $25^\circ \div 30^\circ$); hành trình tự do vành lái ($\le 15^\circ$ đối với xe có trợ lực, $\le 5^\circ$ đối với xe không trợ lực); lực cực đại tác dụng lên vành tay lái ($150 \div 200\text{ N}$ đối với xe du lịch, $\le 500\text{ N}$ đối với xe tải/khách).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết phân tích - tổng hợp và nghiên cứu thực nghiệm:

  • Thu thập, dịch thuật và tổng hợp tài liệu chuyên ngành cơ khí ô tô trong và ngoài nước (chủ yếu là tài liệu kỹ thuật tiếng Anh về xe Volkswagen).
  • Khảo sát thực tế cơ cấu chấp hành và mạch điện điều khiển hệ thống lái trợ lực điện.
  • Thiết kế kết cấu khung gầm, lựa chọn vật liệu thép hộp và gia công cơ khí (hàn, cắt, bắt bu-lông), lắp ráp các chi tiết thước lái, đĩa phanh, giảm chấn và cảm biến tạo thành mô hình hoạt động độc lập.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu

Chương này điểm lại lịch sử phát triển của hệ thống lái trợ lực trên thế giới từ năm 1876 (Fitts chế tạo trợ lực đầu tiên), năm 1900 (Robert E. Twyford đăng ký bằng sáng chế hệ thống lái trợ lực cơ khí), năm 1951 (Chrysler thương mại hóa hệ thống Hydraguide), năm 1990 (Toyota giới thiệu EHPS trên mẫu MR2), năm 1994 (Volkswagen sản xuất Mark 3 Golf Ecomatic sử dụng bơm điện), đến năm 2000 (Honda thương mại hóa hệ thống EPS có tỷ số truyền biến thiên VGS trên dòng S2000 Type V) và các cải tiến của Toyota, BMW vào năm 2003. Tại Việt Nam, tác giả lược khảo các đề tài nghiên cứu ECU trợ lực lái của ThS. Lê Thanh Nhàn và mô hình lái không trục lái điều khiển qua LabVIEW của ThS. Trần Văn Lợi, từ đó chỉ ra tính cần thiết của việc xây dựng một mô hình vật lý hoàn chỉnh về cơ điện tử phục vụ giảng dạy.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết toán học động lực học quay vòng và phân loại hệ thống lái. Tác giả so sánh đặc tính kỹ thuật giữa 3 thế hệ trợ lực lái chính:

Tiêu chí so sánh Hệ thống lái cơ khí thuần túy Trợ lực thủy lực (HPS) Trợ lực điện - thủy lực (EHPS) Trợ lực điện (EPS)
Nguồn cung cấp năng lượng 100% sức người lái Bơm thủy lực trích công suất động cơ đốt trong Bơm thủy lực dẫn động bằng mô tơ điện độc lập Mô tơ điện một chiều (DC/Brushless)
Mức tiêu hao năng lượng Không tiêu hao năng lượng ngoài Tiêu hao công suất động cơ liên tục Giảm phụ tải động cơ, tiết kiệm đến 20% năng lượng so với HPS Tiết kiệm 2 - 3% nhiên liệu, chỉ tiêu thụ điện khi đánh lái
Khả năng biến thiên trợ lực theo vận tốc Không có Kém (áp suất bơm phụ thuộc vòng tua máy) Tốt (ECU điều khiển tốc độ bơm theo vận tốc xe) Rất linh hoạt thông qua phần mềm điều khiển trong ECU
Không gian và kết cấu Chiếm không gian cơ khí lớn, nặng Cồng kềnh gồm bình dầu, ống dẫn, van xoay, bơm Gọn hơn HPS do tích hợp cụm bơm điện Rất gọn gàng, loại bỏ hoàn toàn hệ thống dầu thủy lực

Chương 3: Giới thiệu về hệ thống lái trợ lực điện trên xe Volkswagen

Chương này đi sâu vào cấu trúc phần cứng và nguyên lý điều khiển của hệ thống EPS trang bị trên xe Volkswagen:

  • Cảm biến mô-men xoắn (G269): Hoạt động theo nguyên lý từ trở không tiếp xúc, gồm thanh xoắn liên kết giữa trục lái vào và trục bánh răng lái, vòng nam châm 16 cực (8 cặp cực) và 2 stator có 8 vấu răng nối với hai cảm biến Hall tuyến tính dự phòng. Nguồn cấp cho cảm biến là 5V. Ở vị trí trung gian ("0"), điện áp xuất ra là 2,5V. Khi xoay đến vị trí cực đại, điện áp cảm biến Hall A đạt 4,5V thì cảm biến Hall B đạt 0,5V (hoặc ngược lại). Nếu cảm biến hỏng, hệ thống kích hoạt chế độ "tắt dần nhẹ nhàng" (soft deactivation) dựa trên tín hiệu góc lái và vị trí rô-to mô tơ, đồng thời bật đèn cảnh báo K161 màu đỏ.
  • Cảm biến góc lái (J527): Giao tiếp qua mạng CAN-bus, cấu tạo gồm một đĩa mã hóa với vòng ngoài tuyệt đối (được đọc bởi 6 bộ cản sáng quang học để nhận biết góc vượt quá $360^\circ$ trong phạm vi quay vô lăng 2,76 vòng) và vòng trong tương đối (chia thành 5 đoạn, mỗi đoạn $72^\circ$).
  • Mô tơ điện trợ lực: Loại một chiều nam châm vĩnh cửu gắn liền cụm cơ cấu lái, có độ biến thiên mô-men xoắn nhỏ, khả năng đảo chiều nhanh và độ ồn thấp.
  • Các kiểu bố trí kết cấu EPS: Trợ lực trên trục lái (Column EPS), trợ lực thanh răng đơn (Single Pinion), trợ lực bánh răng kép (Dual Pinion) và trợ lực kiểu trục song song (Parallel Axis).
  • Các thuật toán điều khiển trợ lực: Chế độ lái khi đỗ xe (trợ lực cực đại), lái trong đô thị (trợ lực vừa phải), lái trên đường cao tốc (trợ lực giảm dần để vô lăng đầm chắc), kiểm soát tự động trả lái về tâm (Active Return), ổn định chuyển động thẳng (Straight-line Stability) và bù lực khi mặt đường nghiêng/mấp mô.

Chương 4: Bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống lái trợ lực điện

Phân tích các dạng hư hỏng cơ bản trên hệ thống lái trợ lực điện: hỏng mô tơ trợ lực, đứt/trượt dây đai truyền động thước lái, mòn cơ cấu truyền động cơ khí, mất kết nối mạng CAN, lỗi cảm biến mô-men xoắn và cảm biến góc lái. Phân tích nguyên nhân gây hiện tượng "nhao lái" chủ yếu do sai lệch các góc đặt bánh xe dẫn hướng (Camber, Caster, Kingpin, Toe-in) hoặc áp suất lốp không đều.

Chương 5: Xây dựng mô hình thực tế

Trình bày các bước thiết kế khung đỡ, lựa chọn vật tư và lắp ráp hệ thống lái hoàn chỉnh thành một mô hình thực hành cơ khí - điện tử.

Thiết kế và triển khai mô hình hệ thống lái

Quy trình chế tạo mô hình thực tế được tác giả triển khai qua các bước kỹ thuật cụ thể:

  1. Thiết kế và gia công khung sườn: Sử dụng thép hộp vuông để cắt, hàn định hình khung giá đỡ chịu lực, đảm bảo độ cứng vững khi chịu tải trọng và mô-men xoắn trong quá trình đánh lái thực nghiệm.
  2. Lắp đặt cụm dẫn động lái và thước lái: Bắt bu-lông siết chặt cụm cơ cấu lái (thước lái, cơ cấu bánh răng - thanh răng) vào khung sườn thép cố định.
  3. Lắp đặt hệ thống treo và bánh xe: Lắp bộ giảm xóc, tấm chắn đĩa phanh và cụm moay-ơ đĩa phanh vào hệ thống khung sườn, sau đó bắt chặt các khớp rô-tuyn của đòn dẫn động lái vào ngõng quay bánh xe dẫn hướng.
  4. Lắp ráp bánh xe và hoàn thiện: Gắn bánh xe dẫn hướng vào moay-ơ, kiểm tra độ rơ của các khớp cầu, kết nối trục lái trung gian lên vành lái và bố trí cụm điều khiển điện tử ECU EPS lên thân giá đỡ.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật: Hoàn thành một mô hình thực hành hệ thống lái trợ lực điện ô tô hoàn chỉnh, thể hiện đầy đủ cấu tạo không gian của hệ thống lái độc lập (thước lái, rô-tuyn, giảm chấn, đĩa phanh, trục lái, vô lăng và hộp điều khiển).
  • Phân tích lý thuyết: Hệ thống hóa các công thức giải tích về động học quay vòng ô tô theo điều kiện Ackerman, mô hình hóa toán học 3 phương trình vi phân chuyển động cho cụm trục lái, thanh răng và mô tơ điện trên hệ thống EPS.
  • Làm rõ nguyên lý EPS Volkswagen: Khảo sát chi tiết đặc tính kỹ thuật của cảm biến mô-men xoắn G269 (16 cực từ tính, 2 cảm biến Hall dự phòng, điện áp tuyến tính $0,5\text{V} \div 4,5\text{V}$, điểm 0 tại $2,5\text{V}$), cảm biến góc lái quang học J527 (vòng tương đối chia 5 đoạn $72^\circ$, vòng tuyệt đối với 6 cặp thu phát quang học) và cơ chế chuyển đổi sang chế độ an toàn khi xảy ra lỗi.
  • Đóng góp ứng dụng: Đề tài tạo ra một học cụ trực quan phục vụ cho công tác đào tạo, thực hành bộ môn Khung gầm và Điện thân xe tại Viện Cơ khí - Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đề tài mới dừng lại ở việc thiết kế, gia công phần cứng mô hình khung giá và khảo sát lý thuyết mạch điện/nguyên lý của hãng Volkswagen; chưa tích hợp giao diện điều khiển lập trình nhúng độc lập hoặc phần mềm mô phỏng tải cản mặt đường biến thiên theo thời gian thực (chưa có cơ cấu tạo tải chủ động lên đĩa phanh/bánh xe).
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Nghiên cứu kết nối phần mềm chẩn đoán chuyên dụng qua giắc chẩn đoán DLC và giao thức mạng CAN để đọc mã lỗi DTC theo thời gian thực trên mô hình.
    • Lập trình vi điều khiển để mô phỏng tín hiệu tốc độ xe và góc quay vô lăng, giúp điều khiển trợ lực biến thiên linh hoạt phục vụ thí nghiệm chuyên sâu.
    • Thiết kế thêm cơ cấu tạo tải cơ học hoặc thủy lực tại bánh xe dẫn hướng nhằm tái lập chân thực cảm giác cản của mặt đường.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Cơ khí Ô tô đang học các môn học: Lý thuyết Ô tô, Thiết kế tính toán Ô tô, Hệ thống Điện - Điện tử Ô tô và Thực hành Khung gầm.
  • Giảng viên chuyên ngành sử dụng làm tài liệu hướng dẫn giảng dạy nguyên lý cảm biến ô tô và xây dựng bài tập thực hành cơ điện tử ô tô.
  • Cán bộ kỹ thuật, kỹ thuật viên sửa chữa ô tô cần tài liệu tra cứu về đặc tính điện áp làm việc của cảm biến G269, cảm biến J527 và các mã lỗi chẩn đoán trên hệ thống trợ lực lái EPS của tập đoàn Volkswagen.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến mô-men xoắn G269 trên xe Volkswagen xác định mô-men đánh lái dựa trên nguyên lý nào và có dải điện áp làm việc ra sao?
Cảm biến G269 hoạt động theo nguyên lý từ trở không tiếp xúc. Cảm biến gồm một thanh xoắn nằm giữa trục vào và trục bánh răng lái, một vòng nam châm 16 cực và 2 stator có 8 vấu nối tiếp với 2 cảm biến Hall tuyến tính. Ở vị trí trung gian (không đánh lái), điện áp ngõ ra là 2,5V (trên nguồn cấp 5V). Khi đánh lái cực đại theo một chiều, cảm biến Hall A phát tín hiệu 4,5V thì cảm biến Hall B là 0,5V (và ngược lại theo chiều ngược lại).

2. Nếu cảm biến mô-men xoắn hoặc cảm biến góc lái bị lỗi thì hệ thống EPS Volkswagen xử lý như thế nào?
Hệ thống không ngắt trợ lực đột ngột mà thực hiện quy trình "tắt dần nhẹ nhàng". ECU EPS sẽ sử dụng tín hiệu góc lái từ hộp J527 và vị trí rô-to của mô tơ điện để tính toán mô-men lái thay thế tạm thời nhằm duy trì khả năng trợ lực lái, đồng thời kích hoạt đèn cảnh báo K161 màu đỏ trên bảng đồng hồ taplo.

3. Tại sao cảm biến góc lái quang học J527 lại sử dụng cấu trúc hai vòng mã hóa riêng biệt?
Đĩa mã hóa gồm vòng tương đối bên trong chia thành 5 đoạn (mỗi đoạn $72^\circ$) để xác định góc quay tức thời, và vòng tuyệt đối bên ngoài được đọc bởi 6 bộ cản quang để nhận biết số vòng quay khi vô lăng quay vượt quá $360^\circ$ (trong tổng giới hạn thiết kế 2,76 vòng quay vô lăng).

4. Hệ thống lái trợ lực điện EPS mang lại những ưu điểm kỹ thuật vượt trội nào so với trợ lực thủy lực truyền thống?
EPS loại bỏ hoàn toàn bơm dầu, bình chứa và đường ống thủy lực cồng kềnh; tiết kiệm khoảng 2 - 3% lượng tiêu hao nhiên liệu do mô tơ chỉ hoạt động khi có thao tác đánh lái; đồng thời cho phép ECU can thiệp linh hoạt các thuật toán điều khiển như trợ lực nhẹ khi đỗ xe, vô lăng đầm chắc ở tốc độ cao, tự động trả lái về tâm và bù lực khi mặt đường nghiêng.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Văn Trọng đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu lý thuyết động lực học lái và phân tích chuyên sâu hệ thống lái trợ lực điện EPS trên dòng xe Volkswagen. Tác giả đã thiết lập các mô hình toán học mô tả động lực học chuyển động của cơ cấu lái cơ điện tử, làm rõ nguyên lý làm việc của cụm cảm biến từ tính G269 và cảm biến quang học J527. Đồng thời, đề tài đã hoàn thành việc gia công, lắp ráp một mô hình thực hành hệ thống lái thực tế cứng vững, mang lại giá trị ứng dụng thiết thực trong công tác đào tạo chuyên ngành Cơ khí Ô tô.