Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Kế Mô Hình Đánh Lái 4 Bánh (4WS)

Thiết kế mô hình đánh lái 4 bánh (4WS) là một trong những xu hướng công nghệ mới… 128 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2024.

• Tác giả: Nguyễn Trung Kiên
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Nguyễn Hắc Lân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Mô Hình Đánh Lái 4 Bánh (4WS)
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Cách tiếp cận
• 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về hệ thống lái
• 2.1.1. Cấu trúc chung hệ thống lái bao gồm
• 2.1.2. Hệ thống lái gồm nhiều loại như sau
• 2.1.3. Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử
• 2.1.3.1. Trục lái chính
• 2.1.3.2. Góc nghiêng dọc trục
• 2.2. Tổng quan về hệ thống lái 4 bánh
• 2.2.1. Lịch sử hình thành hệ thống lái 4 bánh
• 2.2.2. Cấu tạo chung
• 2.2.3. Hệ thống đánh lái 4 bánh trên ô tô
• 2.2.3.1. Hệ thống đánh lái thụ động
• 2.2.3.2. Hệ thống đánh lái chủ động
• 2.2.3.2.1. Hệ thống lái bốn bánh điều khiển bằng thủy lực
• 2.2.3.3. Hệ thống đánh lái Quadrastee
• 2.2.4. Các chi tiết của hệ thống đánh lái 4 bánh
• 2.2.4.1. Mô-đun điều khiển lái phía sau và công tắc điều khiển
• 2.2.4.2. Cảm biến vị trí của vô lăng (Steering Wheel Position Sensor - SWPS)
• 2.2.5. Nguyên lý hoạt động sẽ bao gồm
• 2.2.6. Các bộ phận khác được trang bị trên xe
• 2.3. Tổng quan hệ thống điều khiển
• 2.3.1. Bộ mã hóa Encoder E6B2-CWZ6C 1000 xung
• 2.3.2. Động cơ 3 pha không chổi than 1KW
• 2.3.3. IC điều tốc
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG
• 3.1. Tổng quan về mô hình thiết kế
• 3.1.1. Đường truyền công suất
• 3.1.1.1. Hệ thống truyền động
• 3.1.1.2. Hệ thống lái sau
• 3.1.2. Sơ lược thiết kế trên Solidworks
• 3.1.2.1. Thiết kế ban đầu
• 3.1.2.2. Mô hình thiết kế sau chỉnh sửa trên Solidworks
• 3.2. Hệ thống truyền lực
• 3.2.1. Phân phối tỉ số truyền
• 3.2.2. Hệ thống lái sau
• 3.2.2.1. Động học và động lực học lái sau
• 3.2.2.2. Động lực học
• 3.3. Chọn động cơ hệ thống lái sau
• 3.3.1. Khả năng đáp ứng
• 3.3.2. Động lực học chọn động cơ
• 3.4. Thiết kế khung gầm trước
• 3.5. Thiết kế hệ thống treo cầu sau
• 3.6. Thiết kế hệ thống điện điều khiển truyền động xe
• 3.6.1. Đặc điểm hệ thống truyền lực
• 3.6.2. Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ 3 pha và Stepper Motor
• 3.7. Hệ thống điều khiển đánh lái cầu sau
• 3.7.1. Đặc điểm hệ thống thiết kế
• 3.7.2. Ý tưởng lập trình điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG MÔ HÌNH
• 4.1. Mô tả mô hình
• 4.2. Phần khung mô hình
• 4.3. Chế tạo phần cơ khí
• 4.3.1. Chế tạo phần cầu sau
• 4.3.2. Kết nối các bộ phận và các thiết bị vào xe
• 4.5. Mô hình hoàn chỉnh
• 5. CHƯƠNG 5: VẬN HÀNH MÔ HÌNH
• 5.1. Điều khiển chung
• 5.3. Điều khiển thủ công cho góc đánh lái sau
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thiết Kế Mô Hình Đánh Lái 4 Bánh 4WS

Thiết kế mô hình đánh lái 4 bánh (4WS) là một trong những xu hướng công nghệ mới trong ngành công nghiệp ô tô. Hệ thống này cho phép cả bốn bánh xe của xe ô tô có thể điều khiển, giúp tăng cường khả năng cơ động và ổn định khi di chuyển. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình 4WS không chỉ giúp cải thiện hiệu suất lái xe mà còn nâng cao tính an toàn cho người sử dụng. Mô hình này có thể được áp dụng trong nhiều tình huống giao thông khác nhau, đặc biệt là trong các đô thị đông đúc.

1.1. Ứng dụng của Hệ Thống Lái 4 Bánh trong Ô Tô

Hệ thống lái 4 bánh (4WS) được ứng dụng rộng rãi trong các dòng xe cao cấp, giúp cải thiện khả năng điều khiển và giảm bán kính quay vòng. Điều này đặc biệt hữu ích trong các tình huống như đỗ xe trong không gian chật hẹp hoặc khi vào cua gấp.

1.2. Lợi ích của Mô Hình Đánh Lái 4 Bánh

Mô hình đánh lái 4 bánh mang lại nhiều lợi ích như tăng cường khả năng ổn định, cải thiện hiệu suất lái xe và giảm thiểu rủi ro trong các tình huống khẩn cấp. Hệ thống này giúp người lái dễ dàng điều khiển xe hơn, đặc biệt trong các điều kiện giao thông phức tạp.

II. Thách Thức trong Thiết Kế Hệ Thống Lái 4 Bánh

Mặc dù hệ thống lái 4 bánh mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế và chế tạo mô hình này cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ phức tạp trong cơ cấu điều khiển, chi phí sản xuất cao và yêu cầu kỹ thuật cao là những yếu tố cần được xem xét. Ngoài ra, việc tích hợp hệ thống này vào các dòng xe hiện có cũng là một thách thức lớn.

2.1. Độ Phức Tạp trong Cơ Cấu Điều Khiển

Cơ cấu điều khiển của hệ thống lái 4 bánh yêu cầu sự chính xác cao trong thiết kế và chế tạo. Việc điều khiển đồng thời cả bốn bánh xe đòi hỏi các cảm biến và bộ điều khiển phải hoạt động một cách đồng bộ.

2.2. Chi Phí Sản Xuất Cao

Chi phí sản xuất cho hệ thống lái 4 bánh thường cao hơn so với hệ thống lái truyền thống. Điều này có thể làm tăng giá thành của xe, ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh trên thị trường.

III. Phương Pháp Thiết Kế Mô Hình Đánh Lái 4 Bánh

Để thiết kế mô hình đánh lái 4 bánh hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và tính toán chính xác. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng và các công cụ thiết kế hiện đại sẽ giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế. Các bước thiết kế bao gồm xác định thông số kỹ thuật, tính toán góc đánh lái và xây dựng mô hình 3D.

3.1. Xác Định Thông Số Kỹ Thuật

Xác định các thông số kỹ thuật như kích thước, trọng lượng và góc đánh lái là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế. Những thông số này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của mô hình.

3.2. Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng

Phần mềm mô phỏng giúp kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo mô hình thực tế. Việc mô phỏng giúp phát hiện sớm các vấn đề có thể xảy ra trong quá trình vận hành.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu về mô hình đánh lái 4 bánh đã cho thấy những cải tiến rõ rệt trong khả năng điều khiển và an toàn khi lái xe. Mô hình này không chỉ được sử dụng trong nghiên cứu mà còn có thể áp dụng trong thực tiễn, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm ô tô. Các kết quả thử nghiệm cho thấy mô hình 4WS hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau.

4.1. Kết Quả Thử Nghiệm Mô Hình

Các thử nghiệm cho thấy mô hình đánh lái 4 bánh có khả năng cải thiện độ ổn định và khả năng cơ động của xe. Kết quả này đã được xác nhận qua nhiều bài kiểm tra thực tế.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp Ô Tô

Mô hình 4WS có thể được áp dụng trong sản xuất ô tô, đặc biệt là cho các dòng xe cao cấp. Việc áp dụng công nghệ này sẽ giúp nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai

Mô hình đánh lái 4 bánh là một bước tiến quan trọng trong công nghệ ô tô. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất lái xe mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp ô tô. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện hơn nữa hệ thống này, đồng thời tìm kiếm các giải pháp tối ưu hóa chi phí sản xuất.

5.1. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Liên Tục

Nghiên cứu liên tục về hệ thống lái 4 bánh sẽ giúp phát hiện và khắc phục các vấn đề còn tồn tại, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của mô hình.

5.2. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Ô Tô

Công nghệ ô tô đang phát triển nhanh chóng, và hệ thống lái 4 bánh sẽ tiếp tục là một trong những xu hướng chính trong tương lai. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nâng cao tính năng và an toàn cho người sử dụng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của mật độ phương tiện giao thông tại các đô thị lớn đặt ra yêu cầu ngày càng cao về tính cơ động, độ an toàn và sự linh hoạt của ô tô trong các tình huống vận hành thực tế như quay đầu trong không gian hẹp, lùi đỗ xe vào bãi đỗ chung cư, hoặc chuyển làn ở tốc độ cao. Hệ thống lái truyền thống dẫn hướng bằng hai bánh trước (Two Wheel Steering - 2WS) tồn tại những giới hạn cố hữu về bán kính quay vòng lớn và phản ứng trễ của thân xe khi vào cua. Để khắc phục các nhược điểm này, hệ thống lái bốn bánh (Four Wheel Steering - 4WS, Rear Wheel Steering - RWS hoặc Rear Axle Steering - RAS) đã được phát triển nhằm cho phép hai bánh sau cùng tham gia vào quá trình chuyển hướng, giúp giảm bán kính quay vòng ở tốc độ thấp và nâng cao tính ổn định thân xe ở tốc độ cao.

Mặc dù công nghệ 4WS đã và đang được trang bị trên nhiều dòng xe hiện đại, các tài liệu kỹ thuật chuyên sâu và mô hình thực hành phục vụ công tác đào tạo thực nghiệm tại các cơ sở giáo dục đại học chuyên ngành kỹ thuật ô tô vẫn còn hạn chế. Đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo mô hình đánh lái 4 bánh (4WS)" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Trung Kiên và Huỳnh Nguyễn Nhật Khương, dưới sự hướng dẫn của ThS. Dương Nguyễn Hắc Lân tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 05/2024, mã số lưu trữ SKL012888).

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua 3 mục tiêu:

1. Tính toán góc đánh lái của bánh sau theo các thông số động học và động lực học khác nhau.
2. Thiết kế, chế tạo hoàn thiện mô hình vật lý hệ thống lái 4 bánh phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.
3. Thu thập số liệu thực nghiệm và đánh giá tính hiệu quả hoạt động của mô hình hệ thống trong các chế độ vận hành.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát cơ sở lý thuyết hệ thống lái 4 bánh (cơ khí, thủy lực và trợ lực điện tử), tính toán thiết kế cơ cấu chấp hành lái cầu sau và hệ thống truyền động, mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu khung gầm trên phần mềm kỹ thuật, thi công hoàn thiện mô hình sa bàn thực nghiệm và xây dựng bài học thực hành chuyên ngành tại xưởng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về mặt lý thuyết, đề tài tổng hợp hệ thống kiến thức nền tảng về kết cấu và động học lái trên ô tô:

• Hình học hệ thống lái và góc đặt bánh xe: Phân tích chi tiết vai trò của hình thang lái trong việc đảm bảo động học quay vòng chính xác, hạn chế trượt lết bánh xe và mòn lốp; ảnh hưởng của góc nghiêng ngoài bánh xe (Camber dương/âm/zero), góc nghiêng dọc trục xoay đứng (Caster), góc nghiêng ngang của chốt chuyển hướng (Kingpin Inclination) và độ chụm bánh xe (Toe-in) đến khả năng tự hồi vị của vô lăng và giảm mô-men cản quay vòng.
• Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái 4 bánh (4WS): Phân loại theo 3 pha hoạt động đặc trưng:
  • Pha âm (ngược pha): Bánh trước và bánh sau quay ngược chiều nhau, áp dụng ở vận tốc thấp để thu hẹp bán kính quay vòng, tăng độ linh hoạt khi đỗ xe.
  • Pha trung tính: Bánh sau duy trì vị trí thẳng (0 độ), chỉ có bánh trước thực hiện chuyển hướng.
  • Pha dương (cùng pha): Bánh trước và bánh sau quay cùng chiều nhau, áp dụng ở dải tốc độ cao để giảm góc lệch hướng thân xe, hỗ trợ chuyển làn êm dịu và tăng tính ổn định động học.
• Tiến trình phát triển công nghệ 4WS: Khảo sát từ hệ thống điều khiển cơ khí thụ động (như trên Honda Prelude 1987 với cơ cấu bánh răng hành tinh và trục lệch tâm liên kết giữa trục trước và sau), hệ thống điều khiển bằng thủy lực (giới hạn góc đánh lái bánh sau ở 5,5 độ với xi lanh thủy lực hai chiều) đến các hệ thống đánh lái cầu sau điều khiển điện tử tích hợp ECU hiện đại (như trên Audi Q7, Audi A8, Porsche 918 Spyder, Porsche G2 Panamera).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp 4 nhóm phương pháp:

• Phương pháp quan sát: Thu thập số liệu, khảo sát các cụm cơ cấu lái thực tế và các mô hình thí nghiệm liên quan tại trường đại học.
• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết & mô phỏng: Ứng dụng các công thức động học, động lực học tính toán mô-men cản quay vòng, tính toán chọn công suất động cơ; sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế kết cấu 3D, tính toán mô-men quán tính khối lượng và mô phỏng ứng suất/chuyển vị (Displacement Simulation) khung xe.
• Phương pháp thực nghiệm: Gia công cơ khí khung gầm, chế tạo hệ thống treo cầu sau, đấu nối hệ thống mạch điện điều khiển, lập trình vi điều khiển và chạy thử nghiệm kiểm tra tính ổn định trên mô hình thực tế.
• Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm: Đánh giá sự sai lệch giữa tính toán lý thuyết và vận hành thực nghiệm để tối ưu hóa kết cấu và hoàn thiện tài liệu hướng dẫn thực hành.

Thiết kế và triển khai mô hình kỹ thuật

Mô hình hệ thống lái 4 bánh được thiết kế và chế tạo dưới dạng khung xe sa bàn thực nghiệm hoàn chỉnh, tích hợp hệ thống truyền động điện và hệ thống đánh lái cầu sau điều khiển điện tử độc lập.

Nhóm hệ thống	Thành phần / Thiết bị	Thông số kỹ thuật & Đặc tính triển khai
Phần mềm thiết kế	Solidworks	Thiết kế 3D chi tiết khung gầm, cầu sau; mô phỏng chuyển vị và tính toán mô-men quán tính
Động cơ truyền động	Động cơ 3 pha không chổi than (BLDC)	Công suất 1000W, điện áp hoạt động 48V
Động cơ đánh lái sau	Động cơ bước (Stepper Motor) Nema 34	Mô-men xoắn giữ 12 N.m, bước góc chính xác
Cảm biến thu thập	Encoder E6B2-CWZ6C & IR Sensor	Encoder quang 1000 xung/vòng gắn trên trục lái vô lăng để đo góc và hướng quay
Nguồn cấp điện	Cụm ắc quy GS MF 46B24L	Gồm 4 bình ắc quy chì-axit kín khí (12V - 45Ah) mắc nối tiếp tạo nguồn 48V
Bộ điều khiển	IC điều tốc & Bo mạch điều khiển Stepper	Điều khiển tốc độ quay bánh xe và điều khiển góc quay trục động cơ bước cầu sau
Cơ cấu truyền lực	Bộ truyền xích, trục láp, bộ vi sai	Truyền công suất từ động cơ BLDC 1kW đến hai bánh xe cầu sau
Cơ cấu lái sau	Trục ren/thanh giằng moay-ơ cầu sau	Chuyển chuyển động quay từ Nema 34 thành góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau

Quy trình triển khai cơ khí bao gồm gia công khung đỡ trước, chế tạo hệ thống treo chịu lực cầu sau, lắp ghép cụm vi sai và trục láp dẫn động, bố trí cụm vô lăng, bàn đạp chân ga, bảng công tắc điều khiển và hộp bảo vệ mạch điện. Hệ thống điều khiển cho phép vận hành theo hai chế độ: chế độ tự động (góc lái cầu sau bám theo góc quay vô lăng thông qua tín hiệu giải mã từ Encoder) và chế độ can thiệp thủ công (điều chỉnh trực tiếp góc lái cầu sau bằng hệ thống nút bấm trên bảng điều khiển).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh giao thông hiện đại; tổng quan lịch sử và tình hình nghiên cứu hệ thống lái 4 bánh trong nước và quốc tế. Tác giả tổng hợp các nghiên cứu trong nước tiêu biểu như nghiên cứu ổn định lật xe của TS. Nguyễn Khắc Trai (1997), phân tích quay vòng thiếu/thừa của Lê Anh Tuấn, và nghiên cứu hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng của Phạm Quang Hưng (2006). Trên thế giới, chương 1 điểm lại các mốc ứng dụng 4WS của các hãng xe (Honda Prelude 1987, Nissan Skyline 1985, Mazda, Mitsubishi Galant VR-4 1987, Toyota Celica 1989, Audi, Porsche) và các công trình mô phỏng so sánh tính ổn định giữa 2WS và 4WS của Bin Li, Fan Yu, Saket Bhishikar, Vatsal Gudhka. Từ đó, chương xác định mục tiêu nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và phạm vi đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung phân tích cấu trúc, phân loại và nguyên lý hoạt động của các hệ thống lái trên ô tô (lái cơ khí thuần túy, trợ lực thủy lực, trợ lực điện EPS với cảm biến mô-men xoắn dạng thanh xoắn). Đi sâu vào hệ thống lái 4 bánh, chương làm rõ cấu tạo cơ cấu lái cơ khí thụ động trên Honda Prelude (quy luật chuyển pha theo góc quay vô lăng: góc vô lăng nhỏ đến 10 độ cho bánh sau quay cùng pha 1,5 độ; góc vô lăng 230 độ đưa bánh sau về 0 độ; góc vô lăng trên 230 độ đến 450 độ cho bánh sau quay ngược pha tối đa 5,3 độ, giúp giảm bán kính quay vòng từ 5,3m xuống 4,8m). Đồng thời, chương trình bày nguyên lý hệ thống lái 4 bánh thủy lực (giới hạn góc quay 5,5 độ) và hệ thống lái 4 bánh điện tử chủ động sử dụng cảm biến vị trí vô lăng (SWPS), cảm biến vị trí bánh sau và ECU. Cuối chương giới thiệu thông số các thiết bị điều khiển sử dụng trong mô hình gồm Encoder Omron E6B2-CWZ6C (1000 xung), động cơ BLDC 1kW, IC điều tốc và ắc quy GS 12V-45Ah.

Chương 3: Tính toán, thiết kế, mô phỏng

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tính toán cơ học và thiết kế 3D của mô hình trên Solidworks:

• Thiết lập sơ đồ đường truyền công suất và phân phối tỉ số truyền hệ thống dẫn động xích.
• Thiết lập mô hình động học và động lực học hệ thống lái sau (RWS), bỏ qua và xét đến biến dạng lốp tiếp xúc mặt đường; tính toán diện tích tiếp xúc $IJKL$ và xác định các mô-men cản quay bánh xe $M_{fi}$, mô-men quán tính của bánh xe và moay-ơ qua công cụ đo quán tính trên Solidworks.
• Tính toán lựa chọn động cơ bước điều khiển góc lái cầu sau, đi đến quyết định sử dụng động cơ bước Nema 34 với mô-men xoắn giữ 12 N.m.
• Thiết kế kết cấu khung xe cầu trước và hệ thống treo cầu sau; tiến hành mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) kiểm tra áp lực chịu tải pháp tuyến, lực quán tính khi xe gia tốc $1 \text{ m/s}^2$, ứng suất và chuyển vị biến dạng (Displacement Simulation).
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển tích hợp động cơ kéo 3 pha BLDC, động cơ bước Nema 34 và ý tưởng lập trình điều khiển góc lái cầu sau theo góc xoay vô lăng.

Chương 4: Thi công mô hình

Chương 4 ghi nhận chi tiết các bước chế tạo cơ khí và lắp ráp thực tế:

• Gia công phần khung mô hình từ thép định hình, đảm bảo độ cứng vững cho hệ thống gá đặt thiết bị.
• Chế tạo và lắp ráp cụm cầu sau: gia công cơ cấu treo, kết nối trục láp dẫn động vào bộ vi sai cầu sau, gá đặt moay-ơ và liên kết với đòn dẫn hướng góc lái.
• Gá lắp động cơ 1000W, cơ cấu truyền động xích, cụm động cơ bước Nema 34, cụm vô lăng gắn Encoder, bàn đạp ga và bảng điều khiển.
• Thi công hệ thống dây dẫn điện, hàn mạch, lắp đặt bộ điều tốc IC, công tắc ngắt an toàn và khối 4 bình ắc quy 12V.
• Hoàn thiện tổng thể sa bàn mô hình phục vụ chạy thử nghiệm.

Chương 5: Vận hành mô hình

Chương 5 mô tả quy trình vận hành kiểm tra mô hình:

• Trình tự đóng ngắt nguồn điện qua cọc bình và khóa nguồn trung tâm.
• Vận hành chế độ điều khiển chung: người lái tác động chân ga để điều khiển tốc độ quay bánh xe qua IC điều tốc động cơ 1kW; xoay vô lăng để phát xung từ Encoder E6B2-CWZ6C về mạch điều khiển, từ đó điều khiển động cơ bước Nema 34 bẻ lái bánh sau tương ứng với góc đánh lái bánh trước.
• Vận hành chế độ điều khiển thủ công: sử dụng các nút nhấn độc lập trên bảng điều khiển để điều chỉnh trực tiếp góc quay bánh sau theo các giá trị cài đặt sẵn nhằm phục vụ mục đích quan sát thực nghiệm hình học quay vòng.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả đạt được của đồ án tốt nghiệp, khẳng định mô hình đã vận hành đúng theo nguyên lý thiết kế, đáp ứng các tiêu chuẩn trực quan phục vụ công tác giảng dạy. Đồng thời, chương đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cấp hệ thống điều khiển và mở rộng các bài học thực hành chuyên sâu.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra với những kết quả cụ thể:

1. Chế tạo thành công mô hình vật lý 4WS: Xây dựng hoàn chỉnh sa bàn xe thử nghiệm hệ thống lái bốn bánh tích hợp cơ cấu truyền động điện 48V (động cơ BLDC 1000W) và cơ cấu lái sau độc lập sử dụng động cơ bước Nema 34 (mô-men xoắn 12 N.m).
2. Kiểm chứng tính toán và mô phỏng: Thực hiện thành công việc tính toán động học, động lực học cản quay vòng và mô phỏng ứng suất/chuyển vị kết cấu khung treo cầu sau trên phần mềm Solidworks, đảm bảo độ bền cơ học dưới các điều kiện tải trọng tĩnh và lực gia tốc $1 \text{ m/s}^2$.
3. Hiện thực hóa giải pháp điều khiển linh hoạt: Tích hợp bộ giải mã xung Encoder quang học 1000 xung trên trục vô lăng, xây dựng thành công 2 chế độ vận hành (tự động theo vô lăng và điều khiển thủ công bằng nút bấm), cho phép khảo sát trực quan sự thay đổi góc lái bánh sau theo các pha chuyển hướng.
4. Đóng góp cho đào tạo: Xây dựng hệ thống bài tập thực hành trực tiếp trên mô hình sa bàn, cung cấp công cụ giảng dạy trực quan cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô về kết cấu, góc đặt bánh xe và nguyên lý làm việc của hệ thống lái 4 bánh điện tử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Từ kết quả thực nghiệm chế tạo và vận hành mô hình, tác giả nêu ra một số hạn chế và hướng mở phát triển:

• Hạn chế: Do giới hạn về thời gian và điều kiện gia công trong xưởng thực nghiệm, mô hình tập trung chủ yếu vào mục tiêu mô phỏng nguyên lý trên sa bàn với tải trọng thu nhỏ; độ rơ cơ khí tại các khớp rotuyn và thanh giằng dẫn hướng sau vẫn còn tồn tại; hệ thống chưa tích hợp đầy đủ cảm biến đo vận tốc góc xoay thân xe (Yaw rate sensor) hay cảm biến gia tốc ngang để điều khiển tự động biến thiên liên tục theo tốc độ thực tế của xe trên đường.
• Hướng phát triển:
  • Nâng cấp thuật toán điều khiển trên vi điều khiển/ECU, bổ sung cảm biến tốc độ xe và cảm biến góc quay thân xe để tự động chuyển đổi linh hoạt giữa pha âm (tốc độ thấp) và pha dương (tốc độ cao) theo thời gian thực.
  • Tối ưu hóa kết cấu cơ khí, giảm độ rơ tại các khớp cầu và cơ cấu thanh răng/trục vít dẫn hướng lái sau.
  • Mở rộng thêm các bài thí nghiệm, tích hợp cổng chẩn đoán dữ liệu để phục vụ đào tạo chuyên sâu về hệ thống điều khiển điện tử ô tô.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ kỹ thuật và Cơ điện tử:

• Chương 2 và Chương 3 cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về hình học lái (Camber, Caster, Kingpin, Toe-in), động học lái 4WS, cùng phương pháp thiết lập bài toán tính toán động lực học cản quay vòng và quy trình mô phỏng ứng suất khung xe trên Solidworks.
• Chương 4 và Chương 5 là tài liệu thực hành có giá trị về mặt ứng dụng cho các đề tài nghiên cứu chế tạo mô hình dạy học, từ khâu lựa chọn động cơ bước, động cơ BLDC, cảm biến Encoder, đến thiết kế mạch điều khiển và quy trình thử nghiệm cơ - điện tử kết hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Mục tiêu cốt lõi của đề tài thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái 4 bánh (4WS) này là gì?
Đề tài nhằm nghiên cứu lý thuyết động học, động lực học của hệ thống 4WS, tính toán lựa chọn động cơ dẫn động góc lái cầu sau, thiết kế - chế tạo hoàn chỉnh mô hình sa bàn vật lý hoạt động được và xây dựng các bài học thực hành phục vụ công tác giảng dạy chuyên ngành kỹ thuật ô tô.

2. Động cơ nào được lựa chọn để điều khiển cơ cấu đánh lái bánh sau trên mô hình và thông số kỹ thuật chính là bao nhiêu?
Cơ cấu đánh lái bánh sau sử dụng động cơ bước Nema 34 (Stepper Motor) với thông số mô-men xoắn giữ đạt 12 N.m, được lựa chọn dựa trên các tính toán động lực học về mô-men cản quay vòng của bánh xe và moay-ơ tiếp xúc mặt đường.

3. Trên hệ thống 4WS cơ khí thuần túy của xe Honda Prelude, quy luật quay của bánh sau theo góc đánh lái vô lăng diễn ra như thế nào?
Khi vô lăng quay góc nhỏ đến 10 độ, bánh sau quay cùng pha với bánh trước đạt góc 1,5 độ. Khi góc quay vô lăng tăng lên đến 230 độ, góc bánh sau giảm dần về 0 độ (pha trung tính). Khi vô lăng quay vượt quá 230 độ đến cực đại 450 độ, bánh sau chuyển sang quay ngược pha với bánh trước và đạt góc quay tối đa 5,3 độ, giúp giảm bán kính quay vòng tối thiểu từ 5,3m xuống 4,8m.

4. Hệ thống điện điều khiển trên mô hình tiếp nhận tín hiệu góc quay vô lăng bằng cảm biến nào và hỗ trợ những chế độ vận hành nào?
Hệ thống sử dụng bộ mã hóa xung Encoder quang học Omron E6B2-CWZ6C với độ phân giải 1000 xung/vòng gắn trên trục vô lăng để đo góc lái phía trước. Mô hình hỗ trợ 2 chế độ: điều khiển tự động theo góc quay vô lăng và điều khiển thủ công bằng các nút bấm trên bảng điều khiển.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế, chế tạo mô hình đánh lái 4 bánh (4WS)" đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về động học và động lực học hệ thống lái đa bánh dẫn hướng trên ô tô hiện đại. Thông qua việc ứng dụng phần mềm Solidworks trong thiết kế, mô phỏng kết cấu và tính toán cơ học, nhóm tác giả đã chế tạo thành công mô hình sa bàn thực nghiệm tích hợp động cơ điện 3 pha BLDC 1000W và cơ cấu lái sau sử dụng động cơ bước Nema 34 12 N.m. Kết quả nghiên cứu đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành thử nghiệm ở cả hai chế độ tự động và thủ công, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng mô hình vào công tác giảng dạy và phát triển các thuật toán điều khiển động lực học ô tô chuyên sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài: Ngày nay, mật độ giao thông ngày càng tăng đặc biệt là trong các đô thị và thành phố lớn. Đòi hỏi xe phải linh hoạt trong các tình huống giao thông như việc đậu đỗ xe, chuyển làn đường phải nhanh gọn và chính xác. Với các hệ thống lái trên 2 bánh trước hiện nay chưa tối ưu được tính linh hoạt của xe đặc biệt trong các vị trí đỗ xe chật hẹp hoặc tại các bãi đỗ xe ở các chung cư. Do đó hệ thống lái bằng cả 4 bánh xe sẽ khách phục được các nhược điểm của hệ thống lái dẫn động bằng 2 bánh trước.

Tuy nhiên hệ thống này chủ yếu được trang bị trên các dòng xe sang và là xu hướng phát triển của các công nghệ trên ô tô chính vì thế việc nghiên cứu và xây dựng mô hình để phục vụ cho việc nghiên cứu phát triển và phục vụ mục đích đào tạo về hệ thống đánh lái bằng 4 bánh xe là rất cần thiết.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước: Việc nghiên cứu hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng trên xe ô tô con (xe du lịch) là một trong những vấn đề được các nhà thiết kế hết sức quan tâm. Hệ thống lái của ô tô có ảnh hưởng lớn tới chất lượng vận hành, tính an toàn chuyển động của ô tô. Ngoài ra nó còn ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng ổn định chuyển động và khả năng phanh của ô tô. Trong thời gian vừa qua đã có nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã đề cập tới vấn đề chuyển động bốn bánh xe dẫn hướng dùng cho xe ô tô con như của các hãng: Honda Prelude từ những năm 1987; Honda Accord năm 1989; Nissan Skyline năm 1988; Toyota Soarer năm 1992; gần đây nhất là Nissan Laurel năm 1993 [1], đây là các dòng xe đã đưa vào sản xuất nhưng tính năng của nó cũng rất hạn chế, phức tạp cho người điều khiển, vào những năm gần đây cón có một số tác giả trong nước đã nghiên cứu về vấn đề về hệ thống lái.TS Nguyễn Khắc Trai năm 1997 [2] đã nghiên cứu về quỹ đạo chuyển động chuyển động của ô tô nhưng chỉ nghiên cứu vấn đề tính ổn định lật xe bằng đồ thị pha và quỹ đạo pha.

Tác giả Lê Anh Tuấn đã nghiên cứu về hệ thống lái nhưng chỉ đề cập vấn đề góc quay vòng thiếu và thừa [3]. Tác giả Phạm Quang Hưng [4] năm 2006 đã nghiên cứu hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng nhưng chỉ đề cập ở một vết của bánh xe. Tính ổn định quỹ đạo chuyển động là khả năng giữ được hướng chuyển động của ô tô theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động. Việc sử dụng hệ thống lái bốn bánh 4WS 1 cho phép cải thiện các khả năng hoạt động của xe như tính ổn định, tính năng cơ động.

Bài báo đã phân tích về động học của hệ thống lái bốn bánh 4WS trên xe Honda Prelude. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để nghiên cứu giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô bằng hệ thống lái 4WS.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước: Các nhà nghiên cứu của hãng xe Audi đã phát triển và trang bị hệ thống lái trên 4 bánh trên các loại xe như: Audi (Q7 (2014), A8 2018) và cho thấy tính hiệu quả vượt trội hơn so với các dòng xe chỉ trang bị hệ thống lái bằng 2 bánh xe.