Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay ngành công nghiệp ô tô phát triển một cách nhanh chóng. Do đó ô tô đã và đang trở thành phương tiện thiết yếu của đời sống. Vì thế nhu cầu sử dụng ô tô ngày càng cao kéo theo đó là nhu cầu về sự tiện nghi, sự an toàn đặt lên hàng đầu và dễ dàng sử dụng. Đặt mình vào tâm lí của khách hàng, ngoài mẫu mã và giá thành của chiếc xe, khách hàng còn quan tâm đến những tiện ích của xe.
Vì vậy việc nghiên cứu và cải thiện trên ô tô là mục tiêu, là hoạt động đang diễn ra liên tục không ngừng nghỉ của tất cả các nhà sản xuất ô tô trên thế giới. Hệ thống lái trên ô tô là hệ thống quan trọng đảm bảo an toàn chuyển động của xe. Việc nghiên cứu phát triển hệ thống lái sẽ giúp nâng cao hiệu quả lái xe an toàn và tiện nghi. Điển hình là phát triển hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô giúp người lái giảm được sức khi đánh lái, từ đó giảm mệt mỏi cho người lái và tăng tính an toàn khi tham gia giao thông.
Cùng với nhu cầu áp dụng hệ thống lái trợ lực điện tăng cao vì nó có thiết kế gọn nhẹ (giảm bớt một số bộ phận), hoạt động chính xác đáp ứng với điều kiện vận hành cụ thể, dựa trên những tín hiệu thu thập từ cảm biến. Trên cơ sở những kiến thức đã được học ở trường, cộng với sự tìm tòi, học hỏi những kiến thức mới. Nhóm chúng em đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái trợ lực điện nhằm làm rõ về vai trò cũng như ưu nhược điểm của hệ thống. Giúp mọi người nắm được những lợi ích hệ thống lái trợ lực điện mang lại, cũng như mang đề tài này phục vụ cho quá trình học tập.
Vì những lý do trên em chọn đề tài “Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios. Xây dựng, thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện ô tô ” để làm đề tài tốt nghiệp.2 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới - Vào năm 1876 hệ thống trợ lực tay lái đầu tiên được lắp đặt trên ô tô bởi một người thợ máy được biết đến với tên Fitts, nhưng có khá ít người biết đến ông ấy. Thế hệ tiếp theo đã được bố trí trên một chiếc xe tải hiệu Colombia tải trọng 5 tấn. Twyford, một cư dân ở thành phố Pittsburgh, bang Pennsylvania Hoa Kì đã đăng kí bằng sáng chế cho cơ cấu trợ lực cơ khí vào tháng 4 năm 1900 (bằng sáng chế số 646.S) và sử dụng nó trên chiếc xe đầu tiên có hệ thống dẫn động toàn phần.
1 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Quốc Việt - Chrysler giới thiệu hệ thống trợ lực tay lái đầu tiên dành cho một mẫu xe khách thương mại vào năm 1951 - chiếc Chrysler Imperial, nó được đặt tên “Hydraguide”. Hệ thống của Chrysler dựa trên một vài bằng sáng chế hết hạn của Davis. Cho đến năm 1952, General Motors mới trình làng mẫu Cadillac có hệ thống trợ lực tay lái tạo nên từ những gì mà Davis đã hoàn thành tại công ty từ trước đó gần 20 năm. Hammond làm việc ở hãng Detroit đã đăng kí một vài bằng sáng chế cho việc cải tiến hệ thống trợ lực lái với Văn phòng sở hữu trí tuệ Canada.
- 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).3 Tình hình nghiên cứu trong vùng ASEAN và trong nước Trong công tác nghiên cứu, những năm gần đây cũng đã có một số cán bộ khoa học công nghệ đi sâu nghiên cứu các hệ thống ô tô đặc biệt là hệ thống lái và hệ thống phanh. Nhóm các cán bộ nghiên cứu của các trường Đại học cũng đã có nhiều nỗ lực ứng dụng các phần mềm chuyên dụng như Alaska 2. trong quá trình nghiên cứu ô tô. Ở Việt Nam chúng ta đang ở trong giai đoạn xây dựng nền công nghiệp ô tô ở giai đoạn lắp ráp và tiến hành chương trình nội địa hóa các cụm chi tiết và phụ tùng ô tô xe máy.
Trong đó cũng có một số công trình nghiên cứu đã được công bố như: Thạc sĩ Lê Thanh Nhàn [9] nghiên cứu thiết kế chế tạo ECU điều khiển trợ lực lái điện (tháng 10 năm 2008) Nội dung nghiên cứu chủ yếu của đề tài: + Đề tài đã giới thiệu một cách khái quát các hệ thống lái điều khiển trợ lực, đặc tính và các trường hợp khi hệ thống hoạt động thực tế, qua đó người thực hiện đã lập trình và xử lý các tình huống để có được hệ thống lái an toàn và tiện lợi. + Giới thiệu tổng quan về vi điều khiển và ngôn ngữ lập trình Assembly, các ứng dụng vi điều khiển trong việc hiển thị thông tin trên LCD, các mạch chuyển đổi tín hiệu và các mạch điều khiển, trên cơ sở đó lựa chọn các linh kiện điện tử thông dụng trên thị trường Việt Nam để thiết kế mạch điều khiển trợ lực lái điện. Đồng thời đề tài 2 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Quốc Việt đã xây dựng được sơ đồ khối điều khiển, lưu đồ thuật toán điều khiển, lập trình phần mềm nạp vào vi điều khiển và chế tạo thành công mạch điều khiển trợ lực lái điện. + Sau khi chế tạo hoàn thiện đã tiến hành thử nghiệm trên mô hình, tuy nhiên do hạn chế về thời gian và là hệ thống mới hiện nay rất ít xe có nên việc thử nghiệm thực tế vẫn chưa thực hiện được.
Tuy nhiên, đề tài chỉ tập trung ứng dụng vi điều khiển và các đặc tính làm việc của hệ thống lái trợ lực điện để thiết kế hộp ECU điều khiển. Do đó, đề tài còn hạn chế trong việc ứng dụng vào giảng dạy chuyên ngành hay điều khiển thay đổi các thông số làm việc của hệ thống. Ngoài ra, đề tài chỉ ứng dụng cho một loại ô tô cụ thể là Suzuki, chưa ứng dụng được nhiều cho các hãng xe khác. Thạc sĩ Trần Văn Lợi [10] nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lái không trục lái (tháng 10 năm 2010) : Nội dung nghiên cứu của đề tài: + Ứng dụng phần mềm LabVIEW để điều khiển cơ cấu lái không thông qua trục lái.
+ Tạo cảm giác lái của mô hình xác thực với cảm giác lái của hệ thống lái thực tế trên ô tô. + Thiết kế mô hình với bánh xe dẫn hướng không tiếp xúc với mặt đường. Đề tài có nhiều tính năng mới nổi bật về ứng dụng phần mềm LabVIEW điều khiển, tạo cảm giác lái dựa trên sức cản mặt đường. Tuy nhiên, đề tài cũng còn một số hạn chế về kỹ thuật, an toàn như: Truyền động không thông qua trục lái nên tính năng về độ tin cậy của hệ thống chưa cao, đề tài chỉ dừng lại ở mức độ mô hình và thực nghiệm chưa ứng dụng được vào thực tế.4 Phương pháp thực hiện đề tài - Tìm kiếm thông tin.
- Tiếp cận các thông tin. - Tham khảo các tài liệu, mô hình.5 Phạm vi nghiên cứu - Đề tài là mô hình nên phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu lý thuyết về hệ thống lái ô tô trợ lực điện, bố trí mô hình, mạch điều khiển. 3 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Quốc Việt 1.6 Sản phẩm của đề tài Hình 1.1: Mô hình trợ lực lái điện hoàn thiện 4 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Quốc Việt Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các thông số đánh giá hệ thống lái 2.1 Tỷ số truyền động học và tỷ số truyền lực của dẫn động a. Tỷ số truyền động học của dẫn động là tỉ số giữa vi phân góc quay của đòn lái đứng (d dl) với vi phân nửa tổng góc quay ( và ) của các bánh xe dẫn hướng phía ngoài và phía trong.
Tỷ số truyền lực của dẫn động lái là tỉ số giữa mô men cản quay vòng trên trục đòn lái đứng (Mctdl) phụ thuộc vào sơ đồ dẫn động lái và vị trí các thanh lái c. Tỷ số truyền động học cơ cấu lái là tỉ số giữa vi phân góc quay vành lái (d vl) và vi phân góc quay đòn lái đứng (d dl) Tỷ số truyền động học của hệ thống lái ( ) ( ) Với cơ cấu lái kiểu hiện đại, thường bằng: - Với ô tô du lịch: 13 – 22 - Với ô tô vận tải: 20 – 25 2.2 Hiệu suất của hệ thống lái Hiệu suất ( ) của hệ thống lái được đánh giá bằng tích: = 0,67 0,82 khi truyền lực từ vành lái đến bánh xe dẫn hướng ( thuận) = 0,58 0,63 khi truyền lực từ bánh xe dẫn hướng đến vành lái ( nghịch) được đánh giá bằng tổn thất do ma sát trong các khớp quay ở các thanh lái và bánh xe dẫn hướng. 5 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Quốc Việt Nếu bỏ qua ma sát trong các khâu (ổ bi, khớp, cầu,…), và coi tổn thất của hệ thống chính là tổn thất trong cơ cấu lái, thì + Hiệu suất thuận: + Hiệu suất nghịch: Trong đó: Mr1 – momen ma sát trong cơ cấu lái quy dẫn về trục vành lái Mr2 – momen ma sát trong cơ cấu lái quy dẫn về trục đòn quay đứng Mvl – momen xoắn tác dụng trên vành lái M – momnen đặt vào trục đòn quay đứng được truyền từ bánh xe dẫn hướng Nhận xét: - Để lái xe điều khiển nhẹ nhàng, t càng lớn càng tốt - Mặt khác, khi n lớn tính chất tự hãm cơ cấu lái giảm, lực va đập truyền lên vành lái lớn Ngược lại, nếu n nhỏ giảm được va đập truyền từ mặt đường không bằng phẳng lên vành lái. Nhưng lại làm giảm khả năng chuyển động ổn định (do Mc của bánh xe dẫn hướng tăng, bánh xe dẫn hướng khó tự trở về vị trí trung gian).
- Để tăng tính ổn định của bánh xe dẫn hướng và cảm giác của lái xe với mặt đường cần tăng n - Đẻ giảm va đập từ đường lên vành lái cần giảm n Kết luận: + Trong thiết kế giải quyết mâu thuẫn này bằng cách chọn n thích hợp + Khi trong hệ thống lái có trợ lực, những yêu cầu đặt ra về n không đòi hỏi khắt khe nữa vì trợ lực có tác dụng giảm lực va đập truyền đến vành lái và có khả năng tự động đảm bảo tính ổn định cho bánh xe dẫn hướng.