Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. Trong những năm gần đây, ngành Công Nghệ Ô 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.
Cũng như tuyên bố gần đây của Hãng Ford “ Hệ thống trợ lực tay lái điện EPS sẽ được lắp đặt cho (80 – 90)% số xe Ford vào năm 2012. Tất cả những dòng xe sản xuất năm 2008 hiện hành của Ford như Ford Escape, Mercury Mariner và những mẫu xe hybrid sắp tới đều đã có khả năng tích hợp hệ thống EPS”. Hệ thống lái trợ lực bằng điện EPS làm việc trên cơ sở phụ thuộc năng lượng của ắc quy, 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 thông số vào các mạch điều khiển và xử lý các chương trình phần mềm cài đặt sẵn bên trong EPS-ECU. 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 quy) và sau đó sử dụng với mục đích hỗ trợ lực điều khiển của người lái. HVTH: Trịnh Thái Luân Trang 17 MSHV: 010085246011 Luận văn cao học GVHD:PGS-TS.
Đỗ Văn Dũng 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 quy…) 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. 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 rôbốt công nghiệp thế hệ thông minh, ngành tin học, ngành chế tạo ô tô đang có những bước tiến lớn với sự ứng dụng công nghệ tin học, điều khiển, khoa học mô phỏng, vật liệu mới.
Ô 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 công nghiệp ô tô hoàn 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 công trình khoa học được công bố nhằm hoàn thiện HTL, các công 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 hoàn thiện tính điều khiển của HTL. Tác giả Samkr Moham (USA) vào tháng 6 năm 2000 đã công bố trong công 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 công 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 công 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 HVTH: Trịnh Thái Luân Trang 18 MSHV: 010085246011 Luận văn cao học GVHD:PGS-TS. Đỗ Văn Dũng 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 hoá 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 vô lăng TS (Tilt Steering), cùng với ghế ngồi 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 soát 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 thông 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 toán khả năng áp dụng các hệ thống trợ lực để điều khiển lái. Xây dựng các mô 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 ô tô. Nghiên cứu các hệ thống lái có điều khiển Điện – Thủy lực hoặc điện– điện tử Nghiên cứu các hệ thống lái tự động Sau đây là một số công trình tiêu biểu nhất: Công trình nghiên cứu " Điều khiển động lực học của hệ thống lái trợ lực điện" của PRASANTH BABU KANDULA tại Clveland State Universitty, tháng 08 năm 2010: Nội dung của đề tài là trình bày việc áp dụng một bộ điều khiển loại bỏ HVTH: Trịnh Thái Luân Trang 19 MSHV: 010085246011 Luận văn cao học GVHD:PGS-TS.
Đỗ Văn Dũng những tác động gây nhiễu (ADRC) với một hệ thống trợ lực lái điện (EPAS) trên ô tô. Mục tiêu chính của việc điều khiển là giảm mô men xoắn tác dụng bởi người lái xe cũng như đạt được cảm giác lái tốt trong điều kiện có mặt của các rối loạn gây nhiễu từ bên ngoài và tạo ra tác động xấu đến hệ thống. Cả hai kết quả mô phỏng và tần số - miền phân tích chứng minh sự ổn định, vững mạnh, và theo dõi hiệu suất tuyệt vời của bộ điều khiển ADRC. Ngoài ra, ADRC chỉ có hai thông số điều chỉnh, làm cho nó rất đơn giản để thực hiện và điều chỉnh trong thế giới thực.
Công trình nghiên cứu của Shin Hung Chang, Pin Yung Chen , Yi Hua Ting và Shih Wei Hung (Implementation and Control Logic Design of Intelligent Electric Power Steering System) thuộc Phòng thí nghiệm và nghiên cứu cơ khí, Viện nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp, Đài Loan: Đề tài ứng dụng thuật toán logic mờ thiết kế điều khiển hệ thống lái trợ lực điện thay thế cho các hệ thống lái trợ lực thủy lực và trợ lực điện – thủy lực nhằm đạt được hiệu quả tốt hơn cho hệ thống trợ lực lái. Công trình của giáo sư Lưxốp Matscơva 1972 sử dụng phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu xác định động học, động lực học HTL : Ông đã sử dụng các thiết bị thí nghiệm xác định trên một số HTL cụ thể để đánh giá các thông số HTL như độ nhạy nhẹ của cơ cấu lái gồm có lực trên vòng tay lái, lực trong các phần tử dẫn động lái, lực cản quay vòng của bánh xe dẫn động lái, xác định ma sát và hệ số hiệu dụng, xác định cơ cấu lái về độ mòn, độ mỏi. F Rodionov và Fitterman năm 1980 sử dụng hai phương pháp đồ thị và phương pháp đại số để nghiên cứu xác định động học HTL : Các ông đã sử dụng các thông số hình học chọn lựa của HTL và hệ thống treo phía trước cần phải phù hợp trong quan hệ với sự biến đổi của góc nghiêng dọc của trục đứng, của góc nghiêng ngoài của bánh xe, của góc chụm bánh xe, và độ chuyển dịch ngang của tiếp điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường khỏi vị trí thiết kế tùy theo vị trí bánh xe trên chiều cao đối với phần treo của ô tô, cũng như trong quan hệ phụ thuộc HVTH: Trịnh Thái Luân Trang 20 MSHV: 010085246011 Luận văn cao học GVHD:PGS-TS. Đỗ Văn Dũng vào góc quay bánh xe ngoài đối với góc quay bánh xe trong.
Ngoài ra, còn phải tính đến cả góc nghiêng ngang của trục đứng, nó có ý nghĩa đáng kể đối với độ ổn định chuyển động của ô tô, vì sự thay đổi của nó tương ứng gần chính xác với sự thay đổi góc nghiêng ngoài của bánh xe. Những sự phụ thuộc này được xác định bằng phương pháp đồ thị hoặc phương pháp giải tích. Phương pháp đồ thị rõ ràng, trực quan, nhưng rất tốn công sức và do đó độ chính xác của kết quả thu được phụ thuộc vào sự cẩn thận khi thực hiện và các thiết bị vẽ hiện có. Vì vậy, phương pháp đồ thị chỉ dùng trong các sơ đồ động học đơn giản và xác định những phụ thuộc đơn lẻ.
Phương pháp giải tích được sử dụng đặc biệt hợp lý khi có khả năng dùng máy tính. Cả trong những trường hợp phức tạp nhất sau khi đã đưa ra được những sự phụ thuộc giải tích cần thiết, phương pháp này cho ta khả năng lập chương trình cho máy tính và sẽ thu được lời giải điển hình cho một vị trí và dễ dàng thực hiện các tính toán như vậy cho các vị trí tiếp theo của bánh xe, cho một hoặc một số giá trị của các thông số hình học.