Đồ án: Thiết kế mô hình hệ thống lái ô tô có trợ lực điện (EPS)

Tổng quan hệ thống lái trợ lực điện ô tô. Phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch điện và hướng dẫn thiết kế mô hình.

• Tác giả: Lê Tuấn Kha
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Hệ Thống Lái Trợ Lực Điện: Cấu Tạo, Nguyên Lý & Sơ Đồ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Lái Trợ lực Điện

Hệ thống lái trợ lực điện (EPS - Electric Power Steering) là công nghệ hiện đại được ứng dụng rộng rãi trên các xe ô tô hiện nay. Hệ thống này giúp giảm sức mạnh cần thiết để điều khiển vô lăng, nâng cao an toàn và tiện nghi khi lái xe. Khác với trợ lực lái thủy lực truyền thống, trợ lực điện sử dụng mô tơ điện để cung cấp lực hỗ trợ, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường. Công nghệ này đã trở thành tiêu chuẩn trên hầu hết các mẫu xe hiện đại, từ xe phổ thông đến xe hạng sang. Sự phát triển của hệ thống EPS phản ánh xu hướng ô tô hiện đại hướng tới tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Đây là một thành phần quan trọng góp phần vào hiệu suất tổng thể và độ tin cậy của phương tiện.

1.1. Lịch sử Phát triển của Trợ lực Lái

Trợ lực lái bắt đầu từ những năm 1950 với công nghệ thủy lực. Từ những năm 2000, hệ thống lái trợ lực điện dần thay thế công nghệ cũ. Sự chuyển đổi này nhằm cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm tác động môi trường. Hiện nay, trợ lực điện là lựa chọn ưu tiên của các nhà sản xuất ô tô toàn cầu, mang lại lợi ích vượt trội về hiệu năng và tính bền vững.

1.2. Tầm Quan trọng của EPS trong Ô tô Hiện đại

Hệ thống lái trợ lực điện cải thiện đáng kể trải nghiệm lái xe thông qua giảm sức mạnh cần thiết. Hệ thống này tối ưu hóa phân phối năng lượng, nâng cao khả năng điều khiển xe trong các tình huống phức tạp. Ngoài ra, EPS hỗ trợ các tính năng an toàn tiên tiến như cân bằng điện tử, giúp lái xe an toàn hơn.

II. Cấu tạo chi tiết của Hệ thống Lái Trợ lực Điện

Hệ thống lái trợ lực điện bao gồm nhiều thành phần chính được thiết kế để hoạt động đồng bộ. Các thành phần này gồm: vô lăng, trục lái, cơ cấu lái, mô tơ điện, cảm biến momen và hộp điều khiển EPS (ECU). Mỗi bộ phận đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi và truyền tải lực từ tay lái đến bánh xe. Mô tơ điện DC là trái tim của hệ thống, cung cấp lực trợ giúp theo tín hiệu điều khiển. Cảm biến momen phát hiện mức độ tác dụng lực trên vô lăng, gửi dữ liệu đến hộp điều khiển EPS. Trục lái và cơ cấu lái là phần chuyển động cơ học, truyền lực đến bánh xe. Thiết kế này tối ưu hóa sự cân bằng giữa an toàn, hiệu suất và tiện nghi cho người lái.

2.1. Mô tơ Điện DC trong Hệ thống EPS

Mô tơ điện DC là cơ chế chuyên cung cấp lực trợ giúp trong hệ thống lái trợ lực điện. Mô tơ này hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường, biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Khi hộp điều khiển EPS nhận tín hiệu từ cảm biến momen, nó điều chỉnh cường độ dòng điện tới mô tơ, quy định lượng lực trợ giúp cần thiết cho mỗi tình huống lái xe.

2.2. Cảm biến Momen và Hộp Điều khiển EPS

Cảm biến momen (Torque Sensor) là linh kiện nhạy cảm phát hiện lực tác dụng trên vô lăng. Nó gửi tín hiệu điện đến hộp điều khiển EPS (ECU), một bộ xử lý tính toán lực trợ giúp cần thiết. ECU sử dụng thuật toán tiên tiến để tối ưu hóa lực hỗ trợ dựa trên tốc độ xe, góc quay vô lăng và các điều kiện lái khác, đảm bảo trải nghiệm lái mượt mà và an toàn.

III. Nguyên lý Hoạt động của Hệ thống Lái Trợ lực Điện

Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện dựa trên sự phối hợp giữa cảm biến, bộ xử lý điều khiển và mô tơ điện. Khi người lái quay vô lăng, cảm biến momen phát hiện lực tác dụng và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Hộp điều khiển EPS nhận tín hiệu này, xử lý thông tin và điều chỉnh mô tơ điện để cung cấp lực trợ giúp phù hợp. Mô tơ DC quay, truyền lực qua hệ thống truyền động (bánh răng, xích hoặc ổ bi) đến trục lái hoặc cơ cấu lái, hỗ trợ người lái. Quy trình này diễn ra liên tục và tức thời, đảm bảo lực trợ giúp luôn phù hợp với điều kiện lái xe. Điều này giúp giảm mệt mỏi cho người lái, tăng độ chính xác điều khiển và cải thiện an toàn giao thông.

3.1. Quy trình Xử lý Tín hiệu trong EPS

Quy trình hoạt động bắt đầu khi cảm biến momen phát hiện lực từ vô lăng. Tín hiệu được gửi đến hộp điều khiển EPS, nơi xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến khác như tốc độ xe, góc quay bánh. ECU tính toán lực trợ giúp tối ưu và điều khiển mô tơ điện hoạt động với mức công suất thích hợp, cung cấp trợ lực ngay lập tức cho người lái.

3.2. Cơ chế Truyền Lực trong Hệ thống

Cơ chế truyền lực trong hệ thống EPS có thể được thực hiện qua nhiều cách: trên cơ cấu lái hoặc trên trục lái. Lực từ mô tơ điện được truyền qua hệ thống bánh răng, ổ bi hoặc xích đến các thành phần cơ học. Thiết kế này đảm bảo lực trợ giúp được phân phối đều đặn và hiệu quả, tạo cảm giác lái xe mượt mà và đáng tin cậy.

IV. Sơ đồ và Ứng dụng trên Xe Toyota Camry

Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện cho thấy sự kết nối chặt chẽ giữa các thành phần. Trên xe Toyota Camry, hệ thống EPS được tích hợp với các tính năng an toàn tiên tiến. Hộp điều khiển EPS nằm gần cột trợ lực lái, giảm độ trễ xử lý. Mô tơ điện được gắn trên trục lái, tạo cấu trúc gọn gàng và hiệu quả. Cảm biến momen được lắp đặt trên trục lái trung gian, phát hiện chính xác lực tay lái. Hệ thống EPS Toyota Camry có khả năng điều chỉnh lực hỗ trợ dựa trên tốc độ xe: ở tốc độ thấp (đỗ xe, quay vòng), lực trợ giúp cao nhất; ở tốc độ cao, lực trợ giúp giảm để tăng cảm giác lái và sự ổn định. Thiết kế này mang lại trải nghiệm lái tuyệt vời và tiết kiệm năng lượng trên xe Camry hiện đại.

4.1. Đặc điểm EPS trên Toyota Camry

Hệ thống EPS Toyota Camry sở hữu những đặc điểm ưu việt như phản ứng nhanh, mục tiêu độ. Mô tơ được tối ưu hóa để hoạt động êm ái ở mọi tốc độ. Hộp điều khiển EPS trên Camry tích hợp các thuật toán thông minh, cho phép lực hỗ trợ thay đổi động tùy theo điều kiện lái. Điều này tạo ra cảm giác lái chính xác và thoải mái cho người sử dụng.

4.2. Bảo dưỡng và Sửa chữa Hệ thống EPS

Bảo dưỡng hệ thống EPS đòi hỏi kiểm tra định kỳ các kết nối điện và cảm biến. Sửa chữa thường liên quan đến thay thế cảm biến momen hoặc hộp điều khiển EPS. Người dùng nên kiểm tra đèn cảnh báo trên bảng điều khiển. Khi phát hiện lỗi EPS, cần chẩn đoán bằng máy quét mã lỗi (OBD scanner) để xác định vấn đề chính xác và sửa chữa kịp thời.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2:Cơ sở lý thuyết đề tài Chương 3:Thiết kế mô hình hệ thống lái ô tô có trợ lực điện Chương 4: Kết luận và hướng phát triển đề tài 3 Chương 2: CƠ SƠ LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI 2.1 Lịch sử hình thành, phát triển của hệ thống lái và trợ lực lái ô tô Hệ thống lái được ra đời nhầm mục đích giữ cho ô tô chuyển động theo quy đạo nhất định hoặc thay đổi hướng di chuyển của ô tô theo sự điều khiển của người lái. Trong giai đoạn đầu là hệ thống lái thuần túy cơ khí được xuất hiện lần đầu trên các xe thế hệ từ thập kỷ 50. Hệ thống lái này chủ yếu giới hạn ở cấp độ phía trước, việc đánh lái của bánh xe và vô lăng phụ thuộc vào lực tay của người điều khiển. Trong giai đoạn thứ hai, hệ thống lái trợ lực thủy lực(H-PS) được phát minh và được ứng dụng đầu tiên vào năm 1951.

Hệ thống lái trợ lực thủy lực bao gồm bơm trợ lực, bình chứa dầu, van phân phối và các piston gắn vào các thanh răng. Động cơ dẫn động bơm trợ lực chất lỏng trực tiếp hoạt động, chế độ làm việc này làm tăng tải cho động cơ. Ở các tốc độ khác nhau, cảm nhận độ nặng nhẹ của tay lái sẽ khác nhau. Điều này làm cho việc điều khiển của tài xế đôi lúc sẽ gây khó chịu.

Vì vậy hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử (EHPS) được đưa ra nhằm cải tiến và khắc phục các nhược điểm của hệ thống cũ. Sau đó là giai đoạn thứ ba với sự ra đời của hệ thống lái trợ lực điện tử. Hiện nay, hầu hết tất cả các dòng xe mới trên thị trường đều sử dụng hệ thống lái trợ lực điện tử (EPS). Hệ thống này được phát minh khắc phục các nhược điểm của hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử như giảm tải và lãng phí công suất tiêu hao của động cơ, giảm thiểu gây ô nhiễm môi trường từ dầu trợ lực lái, trợ lực cho người lái hiệu quả hơn.

Hệ thống trợ lực lái điện tử hoạt động dựa trên các tín hiệu cảm biến để điều chỉnh lực vô lăng thích hợp.2 Nhiệm vụ, phân loại, yêu cầu của hệ thống lái 2.1 Nhiệm vụ hệ thống lái Hệ thống lái có nhiệm vụ điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe, giúp ô tô chuyển hướng theo ý muốn của người lái và đảm bảo tâm quay của các bánh xe tuân thủ theo đúng động học quay vòng ô tô để hạn chế hiện tượng mòn bánh xe khi quay vòng. Việc điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe có thể là duy trì phương chuyển động hoặc thay đổi phương chuyển động của xe. Có ba trạng thái quay vòng cơ bản: quay vòng đủ, quay vòng thừa và quay vòng thiếu.2 Phân loại hệ thống lái Hệ thống lái được phân loại như sau: ❖ Theo số lượng cầu hướng dẫn - Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng cầu trước; - Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng cầu sau; - Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu. ❖ Theo kết cấu của cơ cấu lái - Loại cơ khí: • Loại trục vít - bánh vít (với hình rẽ quạt răng hay con lăn); • Lọa trục vít – cung răng; • Loại trục vít – con lăn; • Loại bánh răng trụ - thanh răng; • Loại trục vít - đòn quay (với một hay hai chốt trên đòn quay); • Liên hợp (trục vít ECU và đòn quay hay trục vít ECU và thanh khía).

- Loại thủy lực. ❖ Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ trợ lực - Loại trợ lực thủy lực; - Loại trợ lực khí; 5 - Loại trợ lực điện; - Loại trợ lực cơ khí.3 Yêu cầu đối với hệ thống lái • Quay vòng ô tô thật ngoặt trong thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé; • Điều khiển lái phải thật nhẹ nhàng, thuận tiện; • Động học quay vòng phải đúng để các bánh xe không bị trượt khi quay vòng; • Tránh được các va đập từ bánh dẫn hướng truyền lên vô lăng; • Giảm thiểu thương vong cho tài xế khi tai nạn chính diện; • Giữ được chuyển động thẳng ổn định và có khả năng hồi vị tốt.3 Nguyên lý hoạt động, cấu tạo của hệ thống lái Hình 2. 1 Sơ đồ hệ thống lái ô tô (Nguồn: Internet) 1 – Vành lái; 2 – Trục lái; 3 – Cơ cấu lái; 4 – Đòn quay đứng; 5 – Đòn kéo dọc; 6 – Hình thang lái; 7 – Đòn quay ngang; 8 – Trụ xoay đứng; 9 – Bánh xe.1 Nguyên lý hoạt động Khi vô lăng tiếp nhận lực tác động của tài xế, vô lăng sẽ truyền tới trục lái momen và chiều mà tài xế tác động, trục lái truyền tới cơ cấu lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng. Xe sẽ di chuyển theo hướng mà tài xế điều khiển.

Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của xe, từng chủng loại xe. Để quay vòng được thì người lái cần phải tác động vào vô lăng một lực. Đồng thời cần có một phản lực sinh ra từ mặt đường lên mặt vuông góc với bánh xe. Để quay vòng đúng thì bánh xe dẫn hướng phải quay quanh một tâm quay tức thời khi quay vòng.2 Cấu tạo của hệ thống lái Về cơ bản, hệ thống lái bao gồm 3 bộ phận chính sau: - Dẫn động lái; - Cơ cấu lái; - Trợ lực lái.

Dẫn động lái Bộ phận dẫn động lái bao gồm các chi tiết chính là vành lái, trục lái, các thanh dẫn động và khớp liên kết. Bộ phận này truyền chuyển động của tài xế đến hệ thống lái để thay đổi hướng di chuyển của xe, đồng thời tiếp nhận những phản ứng từ mặt đường tạo cảm giác lái chân thực cho tài xế. ❖ Vành lái (vô lăng) Vành lái có dạng tròn, là bộ phận đặt trên buồng lái có nhiệm vụ tiếp nhận momen quay của người lái và truyền cho trục lái.Vành lái còn là nơi bố trí một số bộ phận bắt buộc như: Công tắc còi, công tắc đèn, túi khí… Mặc dù trên hầu hết các hệ thống lái ngày nay đều được trang bị bộ trợ lực lái nhưng vô lăng cũng cần phải đủ vững chắc để có thể truyền được momen yêu cầu lớn 7 nhất kể cả khi bộ trợ lực lái bị hư hỏng. Ngoài ra, vành lái cũng cần phải đảm bảo được tính thẩm mỹ.

2 Vô lăng Toyota Vios (Nguồn: Internet) ❖ Trục lái • Chức năng: Trục lái có chức năng truyền momen lái từ vô lăng đến cơ cấu lái. Một trục lái đơn giản bao gồm trục lái và các bộ phận bao che trục lái.Trục lái của những ô tô hiện đại có cấu tạo phức tạp hơn, nó cho phép thay đổi độ nghiêng của vô lăng hoặc cho phép trục lái chùn ngắn lại khi người lái va đập trong trường hợp xảy ra tai nạn để hạn chế tác hại đối với người lái. Trục lái còn là nơi lắp đặt nhiều bộ phận khác của ô tô như: Cần điều khiển hệ thống đèn,cần điều khiển gạt nước, hệ thống dây điện và các đầu nối điện. • Cấu tạo: Trục lái là bộ phận đặt bên trong vỏ,có thể gồm một đoạn trục hay nhiều đoạn trục liên kết với nhau.

Đầu trên của trục lái thường có ren và then hoa để liên kết và cố định 8 vô lăng, đầu dưới của trục lái liên kết với trục đầu vào của cơ cấu lái bằng khớp nối kiểu các đăng, khớp nối mềm, khớp nối kiểu chốt. 3 Cấu tạo trục lái ô tô (Nguồn: Internet) 1–Trục lái chính; 2– Khớp nối; 3– Trục trung gian • Kết cấu của một số kiểu trục lái: Hình 2. 4 Kết cấu trục lái (Nguồn internet) 1– Khớp các đăng; 3 – Trục lái chính; 2 – Trục trung gian có khớp nối dài; 4 – Vỏ trục lái; 5 – Vỏ cao su chắn bụi. 9 Trên trục trung gian có lắp khớp then để giảm thiểu những rung động dọc trục truyền lên vô lăng.

Trên các loại xe có hệ thống treo phụ thuộc cơ cấu lái được lắp cố định trên trên dầm cầu, khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng dầm cầu sẽ rung động làm cho khoảng cách từ cơ cấu lái tới vô lăng bị thay đổi, khớp then sẽ khắc phục được những thay đổi này đảm bảo cho quá trình truyền mô men từ vô lăng xuống cơ cấu lái một cách liên tục. 5 Kết cấu của khớp then trên trục trung gian (Nguồn: Internet) 1 – Nạng chủ động; 2 – Then; 3 – Then trong; 4 – Nạng bị động. Trong truyền động lái sử dụng loại các đăng kép bao gồm hai các đăng đơn như trên hình (hình 2. Các đăng đơn có cấu tạo khá đơn giản bao gồm hai nạng liên kết với nhau bằng một trục chữ thập, sử dụng bạc lót hay ổ bi kim bôi trơn bằng mỡ, nhờ trục các đăng có thể thiết kế trục lái có hình dàng phù hợp với không gian và các bộ phận xung quanh.

Ngoài khớp các đăng trục lái của một số loại xe ngày nay có sử dụng loại khớp mềm. Khớp nối mềm được làm bằng vật liệu cao xu nhờ đó đường tâm của trục lái 10 và trục đầu vào cơ cấu lái có lệch nhau một góc nhất định. Cao su trong khớp chữ thập có chức năng hấp thụ một phần rung động và giữ cho vô lăng ít bị rung. 6 Cấu tạo trục chữ thập (Nguồn: Internet) Hình 2.

7 Khớp các đăng trên trục lái (Nguồn: Internet) 1 – Trục chủ động; 2 – Trục chữ thập; 3 – Bạc lót; 4 – Trục bị động. 8 Kết cấu thay đổi chức năng của vành tay lái (Nguồn: Internet) A – Tay lái nghiêng; B – Tay lái trượt; C – Cơ cấu hấp thụ chấn động. Cơ cấu lái Cơ cấu lái là bộ phận giảm tốc đảm bảo tăng momen tác động của người lái đến các bánh xe dẫn hướng. Chức năng của cơ cấu cấu lái là biến chuyển động quay tròn thành chuyển động quay góc trong mặt phẳng thẳng đứng của đòn quay đứng và giảm tỷ số truyền theo yêu cầu cần thiết.