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. Ông Bin Li và đồng nghiệp Fan Yu [5] đã nghiên cứu và mô phỏng hệ thống lái bằng 4 bánh xe và hệ thống lái bằng 2 bánh xe thì thấy được tính hiệu quả của hệ thống lái 4 bánh xe trong các điều kiện hoạt động ở tốc độ cao cũng như hoạt động ở tốc độ bình thường đều cho thấy tính cơ động khi vào những góc cua hẹp thì hiệu quả được tăng khá đáng kể. Theo ông Saket Bhishikar, Vatsal Gudhka và những đồng nghiệp của mình [6] đã nghiên cứu và nhận thấy rằng với điều kiện đổ xe và lái xe ở những nơi có mật độ giao thống đông đúc, không gian chật hẹp và những xe có kích thước lớn và với hệ thống lái xe bằng 2 bánh trước khi vào cua thì bán kính quay vòng sẽ lớn hơn sẽ gây ra tình trạng khó khăn cho người lái nhưng đối với hệ thống lái bằng 4 bánh xe thì bán kính quay vòng giảm đi rất nhiều và nâng cao được khả năng cơ động của xe khi vào cua hay những trường hợp cần bán kính quay vòng nhỏ hơn.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: ● Tính toán góc đánh lái của bánh sau theo các thông số khác nhau.
● Xây dựng mô hình hệ thống phục vụ nghiên cứu và giảng dạy. ● Thu thập số liệu và đánh giá tính hiệu quả hoạt động của mô hình hệ thống.4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu: 1.1 Cách tiếp cận: ● Tham khảo hoạt động của hệ thống thực tế. ● Xây dựng mô hình theo tỉ lệ phù hợp. 2 ● Viết chương trình hoạt động của hệ thống theo yêu cầu của hệ thống.
● Hoàn thiện hệ thống.2 Phương pháp nghiên cứu: ❖ Phương pháp quan sát: ● Thu thập thông tin từ mô hình xe thực tế, khung xe và các cơ cấu liên quan. ● Tiến hành quan sát tham khảo các đề tài tương tự về hệ thống lái tại trường. ❖ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: ● Tiến hành tìm đọc các tài liệu liên quan từ tài liệu tham khảo đến sách báo để chuẩn bị cho bước thiết kế, tính toán và mô phỏng. ● Thiết kế, tính toán và mô phỏng hệ thống lái 4 cầu theo các thông số, tỉ lệ tương đương với thực tế.
❖ Phương pháp thực nghiệm: ● Sau khi hoàn thiện mô hình, thực nghiệm để kiểm tra tính ổn định, vận hành của hệ thống vào thực tế. ● So sánh mức độ hoàn thiện cũng như tương quan giữa lý thuyết và thực tế. ❖ Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm: ● Phân tích ưu nhược điểm của mô hình đã hoàn thiện, hướng cải tiến và vận dụng vào thực tiễn. ● Tiếp thu, thay thế một số điểm chưa hoàn thiện và đưa ra giải pháp sửa đổi.
3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống lái Hệ thống lái trên ô tô đóng vai vô cùng quan trọng và cấp thiết nhất là trong việc điều khiển phương hướng di chuyển của xe. Không chỉ giúp duy trì ô tô di chuyển theo đường đi mong muốn mà còn cho phép thay đổi hướng di chuyển như quay vòng, di chuyển thẳng hay thay đổi hướng. Hệ thống lái là bộ phận trên xe cho phép người lái điều khiển hướng di chuyển của phương tiện bằng cách quay vô lăng thông qua trục lái, từ đó liên kết với chuyển động quay rồi đến cơ cấu lái làm cho các bánh xe thay đổi góc quay theo ý muốn của tài xế. Sự phức tạp của hệ thống này nằm ở việc kết hợp nhiều cơ cấu và bộ phận khác nhau để sự vận hành của chúng mượt mà và đúng đắn nhất khi xe hoạt động trên đường, nó là sự kết hợp của các bộ phận cấu thành nên và được đặt theo một trật tự nhất định để điều khiển hướng di chuyển của ôtô máy kéo theo một hướng cụ thể và điều chỉnh hướng di chuyển khi cần thiết, thích ứng với từng tình huống khi xe chạy trên đường.1 Cấu trúc chung hệ thống lái bao gồm: Vô lăng, trục lái và cơ cấu điều khiển, hệ thống trợ lực lái: ● Vô lăng và trục lái chúng có nhiệm vụ chính là chuyển đổi và truyền tải lực từ người lái qua vô lăng đến cơ cấu điều khiển.
● Cơ cấu điều khiển: truyền dẫn chuyển động từ bộ phận điều khiển ra đến bánh xe dẫn hướng và làm cho chúng xoay theo hướng mong muốn. ●Hệ thống trợ lực lái: giảm thiểu lực cần thiết để lái bằng cách sử dụng nguồn năng lượng khác giúp cho người lái đánh lái vô lăng được nhẹ nhàng hơn. Mục tiêu của hệ thống này là đảm bảo ôtô vận hành thuận tiện nhất và dễ dàng điều chỉnh trong quá trình vận hành.2 Hệ thống lái gồm nhiều loại như sau: Có 3 loại hệ thống lái chính được lắp đặt trên các xe ô tô: ❖ Hệ thống lái truyền thống (mechanical steering): là hệ thống lái có trục lái đi từ vô lăng qua vi sai rồi sang moay ơ sau đó sang hai bên sườn xe. Truyền động hoàn toàn bằng các liên kết cơ khí như thanh răng, trục vít, đa số được lắp đặt hầu hết trên các dòng 4 xe cổ điển, hầu như nhà sản xuất không được lắp đặt trợ lực lái trên các mẫu này nên khi vận hành người lái thường rất khó đánh lái do nặng lái, ít linh hoạt khi xử lí các tình huống khó khi tham gia giao thông.
❖ Hệ thống lái trợ lực bằng dầu thủy lực (hydraulic power steering): hệ thống sử dụng bơm dầu thủy lực cùng với các cảm biến áp suất dầu để tạo thành lực trợ lái. Hệ thống chủ yếu hoạt động bằng cách kết hợp giữa cơ khí và áp suất của dầu thủy lực. Vì vậy giúp người lái đánh lái nhẹ hơn, xử lí các tính huống khi tham gia giao thông linh hoạt hơn dạng truyền thống. ❖ Hệ thống lái trợ lực điện tử (electronic power steering): Hệ thống này hầu hết sử dụng motor điện cùng các cảm biến tốc độ của xe và cảm biến góc đánh lái.
Do được sử dụng hoàn toàn điện tử nên hệ thống sẽ linh hoạt hơn trong các tình huống tham gia giao thông và ở từng chế độ lái khác nhau như: Ở chế độ thể thao thì hệ thống lái sẽ cứng hơn để đảm bảo phương tiện hoạt động ổn định và đầm chất khi lái. Ở chế độ bình thường thì hệ thống lái sẽ mềm lại giúp người lái dể dàng điều khiển hơn. ❖ Nhưng ngày nay cùng với thời kì của công nghệ 4.0 nên các công nghệ mới cũng ngày càng được cập nhật liên tục, trong số đó phải kể đến là hệ thống đánh lái 4 bánh (four wheels steering) hay còn được gọi là hệ thống đánh lái cầu sau. ❖ Hệ thống lái đóng vai trò vô cùng quang trọng trong khi lái xe nhất là các tình huống giao thông khẩn cấp cần người lái xử lí linh hoạt và nhanh nhẹn nên vì vậy nó phải đáp ứng các điều kiện sau: ● Điều khiển dễ dàng, nhanh chóng, không gây dao động khi lái xe.
● Truyền tối thiểu các va đập nghịch đảo lên vô lăng. ● Lực lên vô lăng khi ra khỏi đường cong nhỏ hơn khi vào.