Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Hệ thống lái đảm nhận nhiệm vụ chuyển đổi hướng chuyển động của xe theo sự điều khiển của tài xế. Sẽ rất nguy hiểm nếu như khi tài xế đánh lái mà xe không chuyển hướng theo ý muốn, điều này có thể dẫn đến tai nạn va chạm với xe khác hoặc không thể tránh được các chướng ngại vật trên đường. Do đó việc kiểm tra hệ thống lái rất được quan tâm trong công tác bảo dưỡng sửa chữa, giúp sớm nhận ra các hư hỏng khi nó bị rơ lỏng. Vì sự quan trọng này nên việc kiểm tra độ rơ vô lăng lái là một trong những hạng mục đăng kiểm bắt buộc trong quy trình đăng kiểm xe cơ giới.
Tuy nhiên hiện tại việc kiểm tra này còn thực hiện một cách thủ công chưa phản ánh chính xác kết quả của độ rơ. Vì vậy đề tài này trình bày kết quả nghiên cứu “Thiết kế, chế tạo mô hình đo độ rơ vô lăng tự động”. Với mục đích đưa các thiết bị tự động vào quá trình đăng kiểm thay thế cho việc thực hiện thủ công trước đây nhằm tăng độ chính xác, tiết kiệm thời gian, giảm thiểu yếu tố chủ quan của con người và tạo bước đệm trong toàn bộ quá trình tự động hóa đăng kiểm, góp phần giảm chi phí nhân lực, tăng sự chính xác trong quá trình đăng kiểm.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trên thế giới hiện đã có một số nghiên cứu về hệ thống lái trên xe ô tô. Như nghiên cứu của Dariusz Zardecki (2011) [1] đã chỉ ra ảnh hưởng của độ rơ vô lăng đối với hệ thống lái có trợ lực.
Đề tài của Johan Svensson (2015) [2] nghiên cứu về hệ thống xác định góc đánh lái của xe. Tuy nhiên vẫn chưa có nghiên cứa nào đề cập đến việc xác định độ rơ vô lăng bằng hệ thống tự động. 1 Hiện tại, ở Việt Nam vẫn chưa có nghiên cứu về các hệ thống kiểm tra độ rơ của vô lăng ô tô và quá trình xác định độ rơ vô lăng vẫn được thực hiện hoàn toàn bằng thủ công, độ chính xác chưa cao và phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố con người. Việc đo độ rơ này được thực hiện khi xe đứng yên, trên nền phẳng, coi bánh xe bị khóa cứng không di chuyển [3] Sử dụng vành dẻ quạt có thang chia độ (có thể kết hợp với lực kế) hay bằng cảm nhận trực tiếp của người kiểm tra để đo độ rơ vành lái Gá vành dẻ quạt lên ống bọc trục trụ lái.
Kẹp kim chỉ lên vành tay lái. Đổ xe ở nơi bằng phẳng và các bánh xe ở vị trí đi thẳng. Quay nhẹ vành tay lái hết mức về bên phải để khử hết độ rơ, xoay bảng chia độ để kim chỉ ở vị trí số 0. Sau đó xoay nhẹ vành tay lái hết mức bên trái để khử hết độ rơ tự do.
Hành trình tự do của những xe còn tốt khoảng (10÷15o) với những xe đã cũ <25o. Nếu giá trị đo được không đúng với những giá trị trên ta phải tiến hành kiểm tra và điều chỉnh từng bộ phận trong hệ thống lái. Lực kéo phải được đặt theo phương tiếp tuyến với vòng tròn vành lái.1: Kiểm tra độ rơ ngang của vô lăng 2 1-Vành tay lái. 2- Kim của dụng cụ đo.
3- Vành dẻ quạt có thang chia độ của dụng cụ đo. 4- Trục trụ lái Nếu hệ thống có trợ lực thì động cơ phải nổ máy ở số vòng quay nhỏ nhất. Giá trị lực kéo để đo độ rơ tùy thuộc vào loại xe 1.3 Mục tiêu nghiên cứu - Thiết kế và chế tạo phần cơ khí mô hình đo độ rơ vô lăng. - Thiết kế và lập trình cho hệ thống điều khiển.
- Tiến hành thực nghiệm, đo đạt giá trị độ rơ vô lăng thực tế trên một số mẫu xe trên thị trường và phân tích số liệu. - Biên soạn tập thuyết minh một cách có hệ thống, khoa học về cơ sở lý thuyết, nguyên tắc điều khiển, cấu tạo và hoạt động của mô hình hệ thống đo độ rơ vô lăng tự động.4 Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nhiều phương pháp, trong đó có các phương pháp chính như: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết. - Tham khảo tài liệu một cách chọn lọc các bài báo khoa học. - Phương pháp khảo sát đối tượng.
- Phương pháp lập trình vi xử lý. - Phương pháp thực nghiệm và xử lý số liệu.5 Phạm vi ứng dụng Ứng dụng việc tự động hóa đo độ rơ vô lăng ở trạm đăng kiểm, đề tài cũng là cơ sở cho các nghiên cứu về tự động hóa các quá trình khác trong đăng kiểm ô tô ở Việt Nam. 3 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Những nguy cơ tai nạn khi hệ thống lái bị rơ Hệ thống lái làm nhiệm vụ đổi hướng chuyển động theo sự điều khiển của tài xế. Nếu độ rơ của hệ thống lái quá lớn, thì mặc dù tài xế đã đánh lái nhưng bánh dẫn hướng vẫn không phản ứng, nên có thể dẫn đến va chạm với xe khác, không thể tránh chướng ngại vật,.
Đối với hệ thống lái còn tốt, góc rơ vô lăng khi xe đứng yên trong tư thế đi thẳng sẽ không quá 10 - 15 độ về mỗi phía. Ở trạng thái đó, chỉ cần lực nhẹ là có thể làm quay vô lăng. Để quay tiếp, bạn sẽ cần lực mạnh hơn và khi đó bánh dẫn hướng sẽ đổi hướng theo. Nhưng nếu góc quay tự do quá lớn, hệ thống lái đã bị rơ.
Điều khiển bánh dẫn hướng của xe không còn chính xác như trước, có thể dẫn đến mất lái gây tai nạn.2 Nguyên nhân dẫn đến độ rơ vô lăng Khớp trục trục lái bị mòn. Mòn thanh răng thước lái. Có khí lọt vào đường dầu của hệ thống trợ lực lái (đối với trợ lực thủy lực). Đầu rotyn bị mòn.3 Kiểm tra và khắc phục độ rơ vô lăng Sau khi kiểm tra nếu xe có độ rơ vô lăng lớn hơn tiêu chuẩn thì cần phải đưa xe đến hãng để bảo dưỡng như sau: Kiểm tra bên ngoài các bộ phận: Vành (vô lăng) lái, trục tay lái, hộp tay lái và dẫn động lái.
Kiểm tra sự rò rỉ dầu, tình trạng mỡ bôi trơn của các khớp cầu, tình trạng của các bu lông lắp ghép các chi tiết trong hệ thống. 4 Kiểm tra dầu trợ lực lái hoặc dầu bôi trơn cơ cấu lái. Làm sạch, vô dầu mỡ cho các chi tiết của thanh đòn dẫn động lái, các đăng lái. Kiểm tra, siết chặt các mối lắp ghép của hệ thống.
Kiểm tra và điều chỉnh độ rơ góc của vô lăng lái. Kiểm tra và điều chỉnh độ rơ hướng kính của vô lăng lái. Kiểm tra và điều chỉnh dây đai truyền động bơm trợ lực lái. Kiểm tra độ rơ của bạc và chốt chuyển hướng.
Kiểm tra và điều chỉnh độ rơ của cơ cấu lái. Sau khi bảo dưỡng xong có thể mang xe đến trạm đăng kiểm để đăng kiểm lại.4 Giới thiệu thực hiện đo độ rơ vô lăng trong đăng kiểm xe cơ giới [4] Kiểm tra độ rơ vô lăng nằm ở phần vô lăng lái, bước kiểm tra hệ thống lái, trong quy trình đăng kiểm xe ô tô do Bộ Giao thông vận tải ban hành kèm trong phụ lục I, theo Thông tư số 70/2015/TT-BGTVT ngày 09 tháng 11 năm 2015 của Bộ trưởng Bộ Giao thông vận tải. Nội dung kiểm tra như sau: Cho động cơ hoạt động nếu có trợ lực lái, để bánh xe dẫn hướng ở vị trí thẳng, quay vô lăng lái về hai phía với điều kiện không làm dịch chuyển bánh xe dẫn hướng, đo hành trình tự do. Nếu sự dịch chuyển của một điểm trên vô lăng lái vượt quá 1/5 đường kính vô lăng lái thì thuộc dạng khuyết điểm, hư hỏng quan trọng, xe cơ giới không được cấp Giấy chứng nhận kiểm định, phải sửa chữa các hư hỏng để kiểm định lại.5 Nguyên lý của việc đo độ rơ vô lăng Hình 2.1: Nguyên lý đo độ rơ vô lăng Nguyên lý đo dựa trên cơ sở phân tích sự dịch chuyển quay vòng của cặp bánh răng răng thẳng ăn khớp trong.
Theo hình trên, điểm B là tâm của bánh răng chủ động được giữ cố định. Khi bánh răng chủ động quay ngược chiều kim đồng hồ sẽ làm điểm A của bánh răng bị động dịch chuyển sang trái. Khi bánh răng chủ động dừng quay, điểm A trên bánh răng bị động sẽ có một vị trí mới là điểm A’. Tương ứng với điểm A’ này thì tâm B của bánh răng chủ động sẽ có một điểm tâm ảo mới là điểm B’.
Tiếp theo, khi bánh răng chủ động quay ngược lại (theo chiều kim đồng hồ), điểm A’ trên bánh răng bị động sẽ dịch chuyển sang phải, khi bánh răng chủ động dừng quay thì nó dừng ở điểm A’’. Ta cũng có điểm B’’ tương ứng là điểm tâm ảo của bánh răng chủ động. Từ các điểm A’ và A’’ trên, ta tính ra chiều dài M của vòng cung A’A’’, giá trị góc quay ϕ, chiều dài L của dây cung A’A’’. Trong đó L là khoảng dịch chuyển của tâm ảo bánh răng bị động.
Mặt khác, ta cũng có giá trị kích thước đường kính D đi qua tâm của bánh răng bị động trên cơ sở kết cấu của cặp bánh răng này. Tỷ số giữa L/D là giá trị để đánh giá độ rơ vô lăng lái. 6 Như vậy, với nguyên lý đo trên, giá trị mà ta đã tính được (L/D) để đánh giá độ rơ vô lăng lái hoàn toàn không phụ thuộc vào kích thước lớn hay nhỏ của đường kính vô lăng, bởi vì tỷ số giữa dây cung và đường kính là giá trị không đổi khi có cùng một góc quay 𝜑. Theo qui định của Bộ Giao thông vận tải sự dịch chuyển của một điểm trên vô lăng lái không được vượt quá 1/5 đường kính vô lăng lái, tức tỷ số giữa L/D < 1/5.
Giả sử ta có: Hình 2.2: Sự di chuyển của một điểm Áp dụng hệ thức lượng trong tam giác ta có: 𝜑 𝐿 sin ( ) = (2.1) 2 𝐷 Mặt khác theo quy định thì L/D < 1/5. Từ đó ta có: 𝜑 1 sin ( ) ≤ = 0.2 2 5 𝜑 < 23o 7 Như vậy để đánh giá độ rơ vô lăng thì chúng ta chỉ cần xác định được góc quay 𝜑 của vô lăng, sau khi đo xong nếu góc 𝜑 < 23° thì phù hợp với quy định của Bộ Giao thông vận tải.6 Giới thiêu về mạch điều khiển Arduino Nano, mạch cầu H, cảm biến gia tốc, cảm biến siêu âm, cảm biến laser, màn hình LCD và modul I2C, encoder 2.