Đồ án: Thiết kế mô hình hệ thống lái phục vụ giảng dạy ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

Đồ án chi tiết thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện Toyota Vios, là tài liệu trực quan phục vụ giảng dạy ngành công nghệ kỹ thuật ô tô.

• Tác giả: Lê Đình Tuấn Anh
• 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: Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống Lái Phục Vụ Giảng Dạy Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống lái trợ lực điện

Hệ thống lái trợ lực điện là một trong những công nghệ quan trọng nhất trong ngành ô tô hiện đại. Hệ thống này được thiết kế để giảm bớt sức lực cần thiết khi tài xế điều khiển vô lăng, đặc biệt ở tốc độ thấp hoặc khi dừng xe. Mô hình hệ thống lái trợ lực điện dùng cho giảng dạy ngành ô tô giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống này. Xe Toyota Vios được sử dụng làm mô phỏng tiêu biểu vì nó là mẫu xe phổ biến tại Việt Nam. Trợ lực lái điện không chỉ nâng cao sự thoải mái cho người lái mà còn cải thiện độ an toàn khi chuyển động, đặc biệt ở tốc độ cao. Sự phát triển công nghệ này đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trên hầu hết các loại xe hiện nay.

1.1. Định nghĩa và vai trò của trợ lực lái điện

Trợ lực lái điện là hệ thống sử dụng động cơ điện để hỗ trợ lực tay lái của người lái xe. Vai trò chính của hệ thống này là giảm lực tác động cần thiết để quay vô lăng, đặc biệt khi xe dừng hoặc chạy chậm. Hệ thống này được điều khiển bởi các cảm biến thông minh và bộ điều khiển điện tử (ECU), giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của mô hình hệ thống lái. Động cơ điện cung cấp mô men xoắn trực tiếp trên trục lái, giảm đáng kể mức độ mệt mỏi cho tài xế.

1.2. Ứng dụng trong giảng dạy và đào tạo

Mô hình hệ thống lái được sử dụng rộng rãi trong các chương trình giảng dạy ngành công nghệ ô tô tại các trường đại học. Sinh viên có thể quan sát trực tiếp cách thức hoạt động của các thành phần như cảm biến mô men, cảm biến góc lái, và bộ điều khiển. Thông qua mô hình hệ thống lái trợ lực điện, học sinh nắm bắt được nguyên lý hoạt động và có thể thực hành sửa chữa, bảo dưỡng thực tế. Đây là công cụ giáo dục hiệu quả giúp nâng cao chất lượng đào tạo kỹ sư ô tô.

II. Cấu trúc và các thành phần chính

Cấu tạo hệ thống lái trợ lực điện bao gồm nhiều thành phần phức tạp hoạt động điều hòa với nhau. Các thành phần chính gồm vô lăng, trục lái, động cơ điện trợ lực, hộp giảm tốc, các cảm biến khác nhau, và bộ điều khiển điện tử (ECU). Mô hình hệ thống lái được thiết kế sao cho tái hiện chính xác các thành phần này. Động cơ điện được đặt ngay trên trục lái hoặc được kết nối thông qua hộp giảm tốc để cung cấp mô men trợ lực cần thiết. Hộp ECU đóng vai trò như "bộ não" của hệ thống, nhận tín hiệu từ các cảm biến và phát lệnh điều khiển cho động cơ. Sơ đồ mạch điện phức tạp kết nối tất cả các thành phần này lại với nhau.

2.1. Các cảm biến trong hệ thống

Hệ thống lái trợ lực điện sử dụng ba loại cảm biến chính: cảm biến tốc độ đánh lái (loại Hall hoặc biến áp), cảm biến mô men lái (lõi thép trượt, lõi thép xoay, hoặc vành dây), và cảm biến tốc độ ô tô (loại MRE). Cảm biến tốc độ đánh lái giúp xác định góc quay vô lăng, trong khi cảm biến mô men lái đo lực tác động của tài xế. Cảm biến tốc độ ô tô cung cấp thông tin về vận tốc xe để ECU điều chỉnh mức độ trợ lực phù hợp.

2.2. Bộ điều khiển điện tử ECU và động cơ

Bộ ECU là trung tâm xử lý thông tin của hệ thống lái trợ lực điện. Nó nhận dữ liệu từ tất cả các cảm biến và tính toán lượng trợ lực cần thiết. Động cơ điện trợ lực nhận lệnh từ ECU thông qua các chân kết nối riêng biệt, cung cấp mô men xoắn để hỗ trợ tài xế quay lái. Hộp giảm tốc được sử dụng để tăng mô men và giảm tốc độ quay, giúp trợ lực hoạt động hiệu quả hơn trên các điều kiện lái khác nhau.

III. Quy trình thiết kế mô hình giảng dạy

Thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện cho giảng dạy đòi hỏi tuân theo quy trình khoa học chặt chẽ. Bước đầu tiên là xác định thông số kỹ thuật cần thiết dựa trên xe Toyota Vios thực tế. Tiếp theo, lựa chọn phương án thiết kế phù hợp với mục tiêu giáo dục, đảm bảo rằng mô hình vừa chính xác về mặt kỹ thuật vừa dễ hiểu cho sinh viên. Tính toán giá đỡ mô hình để đảm bảo độ cứng vững và an toàn. Lựa chọn các bộ phận cấu thành như vô lăng, trục lái, động cơ điện, cảm biến phải phù hợp với thông số thiết kế. Sau đó tiến hành thi công lắp ráp mô hình theo sơ đồ thiết kế, kết nối các mạch điện, và cuối cùng là kiểm tra, thực nghiệm để đảm bảo hoạt động của hệ thống đúng như dự tính.

3.1. Lựa chọn phương án và tính toán thiết kế

Việc lựa chọn phương án thiết kế phụ thuộc vào mục tiêu giảng dạy và điều kiện kinh tế. Phương án được chọn phải đảm bảo thể hiện đầy đủ hoạt động của hệ thống trợ lực lái mà không quá phức tạp. Tính toán giá đỡ được thực hiện dựa trên các nguyên lý cơ học để đảm bảo độ bền và ổn định. Các thông số kỹ thuật như kích thước, trọng lượng, và khả năng chịu tải được tính toán chi tiết trước khi tiến hành sản xuất.

3.2. Lắp ráp kiểm tra và thực nghiệm

Quá trình lắp ráp mô hình bao gồm lắp khung giá đỡ, gắn các chi tiết cơ khí, lắp cụm trục lái và động cơ điện, rồi chạy các đường dây điện. Mỗi bước phải được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chất lượng. Sau đó, tiến hành kiểm tra và thực nghiệm bằng cách cấp điện cho hệ thống và quan sát hoạt động. Chuẩn bị thiết bị đo dạng sóng để kiểm tra các tín hiệu từ cảm biến và bộ ECU, đảm bảo rằng hệ thống lái trợ lực điện hoạt động chính xác theo thiết kế.

IV. Ứng dụng và hướng phát triển trong tương lai

Mô hình hệ thống lái trợ lực điện được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở đào tạo, từ các trường cao đẳng đến đại học, giúp sinh viên nắm vững kiến thức thực tiễn. Hệ thống này không chỉ là công cụ giảng dạy mà còn là cơ sở cho các nghiên cứu khoa học liên quan đến công nghệ ô tô. Trong tương lai, công nghệ trợ lực lái điện sẽ tiếp tục phát triển với các tính năng thông minh hơn như điều khiển lái tự động, tích hợp trí tuệ nhân tạo, và kết nối với hệ thống xe tự hành. Mô hình giảng dạy sẽ cần cập nhật liên tục để theo kịp sự phát triển công nghệ. Các trường đại học cần đầu tư vào giáo dục ngành công nghệ ô tô bằng cách nâng cấp thiết bị, mô hình, và chương trình đào tạo để chuẩn bị kỹ sư cho tương lai.

4.1. Ứng dụng hiện tại trong giáo dục

Hiện nay, mô hình hệ thống lái trợ lực điện được sử dụng tại các trường đại học công nghệ, trung tâm đào tạo, và xưởng thực hành để giảng dạy kỹ thuật ô tô. Sinh viên có cơ hội thực hành trực tiếp, tháo lắp các thành phần, và kiểm tra hoạt động của hệ thống. Điều này giúp nâng cao kỹ năng thực hành và hiểu biết sâu sắc về công nghệ ô tô. Các nhà sáng lập các trung tâm bảo dưỡng ô tô cũng sử dụng mô hình này để đào tạo kỹ thuật viên.

4.2. Hướng phát triển trong công nghệ tương lai

Công nghệ trợ lực lái điện sẽ phát triển theo hướng tích hợp các hệ thống thông minh và tự động. Các mô hình giảng dạy trong tương lai cần có khả năng mô phỏng những công nghệ mới này. Xe tự lái và lái tự động sẽ đòi hỏi hiểu biết sâu hơn về các hệ thống điều khiển, do đó giáo dục ngành ô tô phải liên tục cập nhật nội dung. Hướng phát triển cũng bao gồm việc sử dụng công nghệ thực tế ảo (VR) và tăng cộng (AR) trong giảng dạy để tạo trải nghiệm học tập tốt hơn cho sinh viên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết về đề tài. - Chương 3: Thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện. - Chương 4: Kết luận và hướng phát triển.

- Tài liệu tham khảo. 3 1 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỀ TÀI 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 ô tô, 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.

Giới thiệu hệ thống lái trợ lực điện trên xe toyota Vios Trợ lực tay lái điện tử Electric power assisted steering (EPS/EPAS) hay Motor driven power steering (MDPS). Cấu tạo trợ lực lái điện Toyota Vios Hình 2. Cấu tạo trợ lực lái điện Toyota Vios (1) Cơ cấu lái, (2) Motor điện DC, (3) Bộ cảm biến lái, (4) Cảm biến tốc độ, (5) Bộ kiểm soát tốc độ, (6) Đèn báo EPS, (7) Đường dẫn điện. (Nguồn: Internet) 4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện xe Toyota Vios được dựa trên tín hiệu về cảm biến mô men nằm trong cụm trợ lực lái.

Khi người lái tác dụng lên vô lăng thực hiện việc chuyển hướng, dưới tác dụng của phản lực từ mặt đường qua bánh xe, thước lái tác dụng lên thanh xoắn nằm trong cụm trợ lực điện. Cảm biến mô men có tác dụng đo mô men đánh lái (độ biến dạng của thanh xoắn) từ đó gửi tín hiệu về hộp điều khiển. Căn cứ vào tín hiệu của cảm biến mô men hộp điều khiển đưa ra dòng điện điều khiển mô tơ trợ lực đủ lớn để hỗ trợ việc xoay trục tay lái theo chiều của người lái điều khiển, vì vậy lực đánh lái sẽ được hỗ trợ và trở lên nhẹ hơn rất nhiều. Phân tích các thông số trong hệ thống lái Hình 2.

Hộp điều khiển trợ lực lái (Nguồn: Internet) 5 Bảng 2. Bảng đo thông số của hộp điều khiển Điều kiện cụ Giá trị thực Kí hiệu Mô tả thiết bị Điều kiện thể đo PIG (A19-1) - Cầu chì EPS Luôn luôn 11 to 14 V 13V PGND (A19-2) PGND (A19-2) - Nối mass Luôn luôn Dưới 1 Ω 0.12 Ω Body ground Khi bật công tắc, xoay vô lăng Motor trợ lực sang trái 1. 11 to 14 V lái Khi bật công tắc, 2. Dưới 1 V xoay vô lăng sang phải Khi bật công tắc, xoay vô lăng Motor trợ lực sang trái 1.94 V M2 (b1-2) - lái Khi bật công tắc, 2.9 V PGND (A19-2) xoay vô lăng sang phải CANH (D31-1) - CAN BUS Tắt công tắc 108 to 132 Ω CANL (D31-7) Giao tiếp được thiết lập bằng Tạo xung SIL (D31-2) - cách kết nối máy DLC3 (Xem dạng PGND (A19-2) kiểm tra thông minh với DLC3 sóng 1) 6 IG (D31-6) - Cầu chì bật công tắc 11 to 14 V 12.7 V PGND (A19-2) ECU-IG TS (D31-11) - DLC3 bật công tắc 11 to 14 V PGND (A19-2) Tạo xung Tín hiệu tốc SPD* (D31-5) - bật công tắc (Xem dạng độ PGND (A19-2) sóng 2) Bộ cảm biến Bật công tắc, TRQ1 (c1 -5) - mô-men đánh vô lăng 2.7 V PGND (A19-2) xoắn sang trái và phải Bộ cảm biến TRQV (c1-6) - mô-men Bật công tắc 7.5 V 8V PGND (A19-2) xoắn Bộ cảm biến Bật công tắc, TRQ2 (c1-7) - mô-men đánh vô lăng 2.7 V PGND (A19-2) xoắn sang trái và phải Bộ cảm biến TRQG (c1-8) - mô-men Luôn luôn Dưới 1 Ω 0.1 Ω PGND (A19-2) xoắn 7 Dạng sóng 1 Hình 2.

Hình dạng sóng 1 (Nguồn: Internet) Bảng 2. Hướng dẫn cài đặt thiết bị đo dạng sóng 1 Thiết bị đầu cuối SIL - Body ground Cài đặt công cụ 5 V/DIV, 1 ms/DIV Giao tiếp được thiết lập bằng cách kết nối Điều kiện máy kiểm tra thông minh với DLC3 8 Dạng sóng 2 Hình 2. Hình dạng sóng 2 (Nguồn: Internet) Bảng 2. Hướng dẫn cài đặt thiết đo dạng sóng 2 Thiết bị đầu cuối SPD - Body ground Cài đặt công cụ 5 V/DIV, 20 ms/DIV Tốc độ xe khoảng 12,4 dặm / giờ Điều kiện (20 km / giờ) 2.

Kết cấu và hoạt động của hệ thống Trong hệ thống trợ lực lái của Toyota Vios 2008 có một motor 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 2. Tại đây cũng bố trí cảm biến mô men lái. Cạnh đó là bộ điều khiển điện tử của trợ lực lái điện (EPS ECU).6) là cấu tạo hộp giảm tốc. Trợ lực lái điện với motor trợ lực trên trục lái 1- motor; 2- cảm biến mô men; 3- trục lái; 4- trục vít - bánh vít; 5- cơ cấu lái trục răng - thanh răng; 6- ly hợp điện từ.

Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái 1-vòng bi; 2- trục vít; 3- vỏ trục lái; 4- khớp nối; 5- roto; 6- stator; 7- trục motor; 8- trục lái chính; 9- bánh vít. (Nguồn: Internet) 10 Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát (hình 2.7) trên đó có thể nhận thấy các tín hiệu đầu vào của EPS ECU gồm 4 nhóm tín hiệu chính: Hình 2. Sơ đồ trợ lực lái có hộp giảm tốc đặt ngay trên trục lái Tín hiệu cảm biến mô men số 1; B- Tín hiệu cảm biến mô men số 2; 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 Motor ; 7- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 8- Đèn báo; 9- Motor trợ lực; 10- EPS ECU; 11- Giắc kết nối dữ liệu số 1; 12- Giắc kết nối dữ liệu số 2. (Nguồn: Internet) 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.

Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện Trong trợ lực lái điện, có một phần tử rất quan trọng không thể thiếu đó là các cảm biến. Các cảm biến này có nhiệm vụ truyền thông tin đến ECU để ECU xử lý thông tin và quyết định vòng quay của motor trợ lực. Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện – điện tử gồm: Cảm biến mô men lái, cảm biến tốc độ đánh lái (tốc độ quay vành lái), cảm biến tốc độ ô tô. Cảm biến tốc độ đánh lái có 2 loại a.

Loại máy phát điện( Hình 2.8): Được dẫn động từ trục lái thông qua các cặp bánh răng tăng tốc làm tăng tốc độ quay và phát ra điện áp một chiều tuyến tính tỉ lệ với tốc độ quay của trục lái. Tín hiệu của máy phát, phát ra được hiệu chỉnh và khuyếch đại thông qua một bộ khuyếch đại. Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái 1- Trục răng; 2- Biến thế vi sai; 3- Mạch giao diện; 4- Trục vào; 5- Thanh xoắn; 6- Bánh răng trung gian; 7- Motor; 8- Cơ cấu cam; 9- Lõi thép trượt; 10- Cánh. Loại cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall (Hình 2.): Có cấu tạo đơn giản hơn, dễ lắp đặt và đặc tính ra là dạng xung số.

Vì vậy các xe ngày nay thường sử dụng loại cảm biến này. Cấu tạo của cảm biến gồm một rôto nam châm nhiều cực gắn với trục lái. Một IC Hall được đặt đối diện với vành nam châm (Cách 1 khe hở nhỏ: 0,2 ÷ 0,4 mm). Cảm biến được cấp nguồn điện 12V một chiều.

Khi đánh tay lái, vành nam châm sẽ quay và từ trường của nam châm tác động vào IC Hall tạo ra chuỗi xung vuông 0V ÷ 5V. Số xung tăng dần theo góc quay trục lái. Tín hiệu này sẽ được gửi về EPS ECU và phân tích thành góc quay trục lái và tốc độ đánh lái (nếu đặt vào mạch đếm thời gian). Cảm biến tốc độ đánh lái (góc đánh lái) loại Hall a- Cấu tạo; b- Xung của cảm biến 1- Vỏ; 2- Rô to nam châm; 3- Ổ bi; 4- IC Hall; 5- Giắc điện; 6- Nhựa từ tính.

Cảm biến mô men lái có 3 loại a. Loại lõi thép trượt (Hình 2.10): Gồm một lõi thép được lắp lỏng trượt trên trục lái, trên đó có một rãnh chéo, rãnh này sẽ được lắp với một chốt trên trục lái. Phía ngoài lõi thép là 3 cuộn dây quấn: 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp. Cuộn sơ cấp được cấp một nguồn điện xoay chiều tần số 13 cao.

Tùy thuộc vào vị trí của lõi thép mà suất điện động cảm ứng ra trong hai cuộn dây thứ cấp khác nhau. Tín hiệu của 2 cuộn thứ cấp được chỉnh lưu và đưa về mạch so sánh để biến đổi thành điện áp tuyến tính tỉ lệ với góc xoắn của một thanh xoắn đặt giữa trục lái và cơ cấu lái (Như trong van trợ lực thủy lực loại van xoay). Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến mômen lái loại lõi thép trượt 1- Lái phải; 2- Trung gian; 3- Lái trái; 4- Cuộn sơ cấp; 5,7- Cuộn thứ cấp; 6- Lõi thép trượt. Loại lõi thép xoay (hình 2.11): Gồm trục vào (gắn với phần trên trục lái), trục ra (gắn với phần nối tiếp của trục lái tới cơ cấu lái), giữa trục vào và trục ra được liên kết bằng một thanh xoắn.

Trên trục vào lắp một vành cảm ứng số 1 có các rãnh để cài với các răng của vành cảm ứng số 2. Còn vành cảm ứng số 3 cũng có các răng và rãnh được lắp trên trục ra. Phía ngoài các vòng cảm ứng là các cuộn dây được chia ra các cuộn dây cảm ứng và cuộn dây bù. Vị trí lắp, cấu trúc và đặc tính của cảm biến mô men lái loại lõi thép xoay 1- Cảm biến mô men; 2- Trục lái chính; 3- Bộ giảm tốc; 4- Vô lăng; 5- Vành phát hiện 1; 6- Trục sơ cấp; 7- Cuộn dây bù; 8- Vành cảm ứng 1; 9- Vành cảm ứng 3; 10- Trục thứ cấp; 11- Từ trục lái; 12- Từ cơ cấu lái; 13-Vành cảm ứng 2.

Loại 4 vành dây (Hình 2.