Đồ án: Thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện ngành công nghệ ô tô

Tài liệu thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện (EPS). Bao gồm cơ sở lý thuyết, tính toán, thi công mô hình phục vụ giảng dạy công nghệ ô tô.

• Tác giả: Lê Quốc Đạt
• 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 Trợ Lực Điện Phục Vụ Giảng Dạy
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Lái Trợ lực Điện

Hệ thống lái trợ lực điện (EPS) là một công nghệ hiện đại trong ngành công nghệ ô tô, thay thế hoàn toàn các hệ thống lái trợ lực thủy lực truyền thống. Mô hình hệ thống lái trợ lực điện được thiết kế nhằm phục vụ giảng dạy cho sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô, giúp họ hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống này. Với động cơ điện một chiều (DC) được lắp trên trục lái, mô hình này có khả năng mô phỏng chính xác quá trình trợ lực lái trên các xe hơi thực tế như Hyundai Grand i10. Hệ thống này không chỉ giúp giảm sức lực lái mà còn cải thiện hiệu suất nhiên liệu và độ an toàn khi lái xe.

1.1. Khái niệm và Vai trò của Hệ thống Lái Trợ lực Điện

Hệ thống lái trợ lực điện là một công nghệ tiên tiến giúp hỗ trợ tài xế trong quá trình điều khiển xe. Vai trò chính của hệ thống này là giảm lực lái cần thiết, cải thiện khả năng điều khiển xe trong các tình huống phức tạp. Mô hình giảng dạy được thiết kế dựa trên cấu tạo thực tế của xe Hyundai Grand i10, giúp sinh viên nắm vững nguyên lý hoạt động từ cảm biến mô men lái đến hộp điều khiển EPS và động cơ điện.

1.2. Ứng dụng trong Giáo dục và Đào tạo

Mô hình hệ thống lái trợ lực điện được xây dựng với mục đích hỗ trợ giảng dạy chuyên sâu cho sinh viên ngành công nghệ ô tô. Thông qua mô hình này, học viên có thể quan sát trực tiếp cấu tạo cơ khí và mạch điện điều khiển, hiểu rõ cách thức hoạt động của từng bộ phận. Đây là công cụ giáo dục hiệu quả giúp kết nối lý thuyết với thực hành, nâng cao kỹ năng kỹ thuật của sinh viên.

II. Cấu tạo và Các Bộ phận Chính của Mô hình

Mô hình hệ thống lái trợ lực điện được thiết kế bao gồm nhiều bộ phận quan trọng, mỗi bộ phận đều đóng vai trò thiết yếu trong quá trình hoạt động. Khung giá đỡ được chế tạo từ các thanh sắt, đảm bảo độ cứng vững và an toàn khi vận hành. Cơ cấu lái thanh răng - bánh răng là bộ phận trung tâm dùng để biến đổi chuyển động quay từ vô lăng thành chuyển động tịnh tiến của bánh xe. Động cơ điện một chiều (DC) cung cấp lực trợ lực, được điều khiển bởi cảm biến mô men lái và hộp điều khiển EPS. Màn hình LCD 16x2 hiển thị các thông số hoạt động, trong khi Arduino Nano xử lý tín hiệu và điều khiển hệ thống.

2.1. Phần Cơ khí Khung Cơ cấu Lái và Sa bàn

Khung giá đỡ được thiết kế vững chắc từ các thanh sắt được hàn kỹ lưỡng theo bản vẽ 2D, đảm bảo độ chính xác cao. Cơ cấu sa bàn giúp chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, mô phỏng chính xác hành động lái xe thực tế. Cơ cấu lái thanh răng - bánh răng được lắp ráp và điều chỉnh để đảm bảo hoạt động mượt mà và chính xác.

2.2. Phần Điện Động cơ Cảm biến và Bộ điều khiển

Động cơ điện một chiều (DC) là trái tim của hệ thống, cung cấp lực trợ lực theo tín hiệu từ cảm biến mô men lái. Hộp điều khiển EPS nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển mô tơ điện thông qua các mạch điện phức tạp. Arduino Nano và màn hình LCD 16x2 giúp giám sát và hiển thị các thông số hoạt động của hệ thống.

III. Quá trình Thiết kế và Thi công Mô hình

Thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện được thực hiện theo phương pháp khoa học, kết hợp tính toán kỹ thuật và mô phỏng thực tế. Quá trình bắt đầu từ phân tích yêu cầu kỹ thuật dựa trên xe Hyundai Grand i10, sau đó tiến hành thiết kế chi tiết bằng các công cụ CAD. Tính toán thiết kế phần cơ khí bao gồm việc xác định kích thước, vật liệu và độ bền của các bộ phận. Thiết kế mạch điện được thực hiện dựa trên sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống thực tế. Quá trình thi công lắp ráp diễn ra một cách cẩn thận, từ cắt, hàn khung cho đến lắp ráp các bộ phận điện tử.

3.1. Phương pháp Thiết kế và Công cụ Sử dụng

Phương pháp thiết kế sử dụng các công cụ CAD hiện đại để tạo bản vẽ 2D và mô hình 3D chính xác. Tính toán kỹ thuật được thực hiện để xác định lực, mô men và các thông số hoạt động của mô hình. Các công cụ mô phỏng giúp kiểm chứng độ chính xác của thiết kế trước khi tiến hành thi công.

3.2. Thi công Lắp ráp và Hoàn thiện Mô hình

Quá trình thi công lắp ráp bao gồm cắt, hàn, mài các bộ phận cơ khí theo bản vẽ kỹ thuật. Mô hình hoàn chỉnh được kiểm tra chi tiết, hiệu chỉnh và vận hành thử nghiệm. Quy trình vận hành được thiết lập rõ ràng để đảm bảo an toàn và hiệu quả khi sử dụng mô hình trong giảng dạy.

IV. Kết luận và Hướng Phát triển Đề tài

Đồ án thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện đã hoàn thành thành công, với mô hình hoàn chỉnh có thể sử dụng để giảng dạy hiệu quả cho sinh viên ngành công nghệ ô tô. Mô hình này không chỉ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật mà còn cung cấp công cụ giáo dục thực hành quý báu. Tuy nhiên, đồ án còn một số hạn chế cần cải thiện trong tương lai, bao gồm việc nâng cao độ chính xác của các cảm biến và tối ưu hóa mạch điều khiển. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc tích hợp công nghệ AI để mô phỏng các tình huống lái phức tạp, hoặc kết hợp thực tế ảo (VR) để tạo trải nghiệm học tập tổng hợp.

4.1. Những Thành tựu và Ưu điểm của Mô hình

Mô hình hệ thống lái trợ lực điện đã thành công trong việc mô phỏng chính xác hoạt động của hệ thống thực tế trên xe Hyundai Grand i10. Mô hình này cung cấp công cụ giảng dạy hiệu quả, giúp sinh viên hiểu sâu sắc về nguyên lý hoạt động của hệ thống EPS. Các bộ phận cơ khí và điện tử được thiết kế khoa học và chính xác, đảm bảo độ tin cậy cao khi sử dụng.

4.2. Hạn chế và Hướng Phát triển Tương lai

Những hạn chế hiện tại bao gồm độ chính xác của cảm biến cần nâng cao và mạch điều khiển cần tối ưu hóa thêm. Hướng phát triển có thể bao gồm tích hợp công nghệ thông minh, phát triển ứng dụng phần mềm nâng cao, hoặc kết hợp với nền tảng VR để nâng cao hiệu quả giảng dạy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1.6 Kết quả dự kiến - Quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp. - Poster trình bày đồ án tốt nghiệp. - Mô hình hệ thống lái trợ lực điện. - Bản vẽ, sơ đồ mạch điện, sơ đồ cấu tạo.

3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại của hệ thống lái 2.1 Nhiệm vụ của hệ thống lái Hệ thống lái có công dụng duy trì, hoặc thay đổi hướng chuyển động của ô tô, giúp cho ô tô có thể giữ nguyên hướng chuyển động thẳng hoặc quay vòng sang trái, sang phải một cách dể dàng thông qua vành tay lái.2 Yêu cầu của hệ thống lái Hệ thống lái trên ô tô phải đảm bảo những yêu cầu chính sau: - Đảm bảo được chuyển động thẳng ổn định của ô tô: + Hành trình tự do của vô lăng tức là khe hở trong hệ thống lái khi vô lăng ở vị trí trung gian tương ứng với chuyển động thẳng phải nhỏ (không lớn hơn 15° khi có trợ lực và không lớn hơn 5° khi không có trợ lực). + Các bánh dẫn hướng phải có tính ổn định tốt. + Không có hiện tượng tự dao động các bánh dẫn hướng trong mọi điều kiện làm việc và mọi chế độ chuyển động. - Đảm bảo tính cơ động cao: tức xe có thể quay vòng thật ngoặt, trong một khoảng thời gian ngắn, trên một diện tích bé.

- Đảm bảo động học quay vòng đúng: để các bánh xe không bị trượt lê gây mòn lốp, tiêu hao công suất vô ích và giảm tính ổn định của xe. - Giảm được các va đập từ đường lên vô lăng khi chạy trên đường xấu hoặc gặp chướng ngại vật. - Điều khiển nhẹ nhàng, thuận tiện: Lực điều khiển lớn nhất cần tác dụng lên vô lăng (Plmax ) được qui định theo tiêu chuẩn quốc gia hay tiêu chuẩn ngành: + Đối với xe du lịch và tải trọng nhỏ: Plmax không được lớn hơn 150¸ 200 N; + Đối với xe tải và khách không được lớn hơn 500 N. - Đảm bảo sự tỷ lệ giữa lực tác dụng lên vô lăng và mô men quay các bánh xe dẫn hướng (để đảm bảo cảm giác đường) cũng như sự tương ứng động học giữa góc quay của vô lăng và của bánh xe dẫn hướng.3 Phân loại hệ thống lái  Theo cách bố trí vô lăng: - Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái được dùng trên ô tô của các nước có luật đi đường bên phải như Việt Nam và một số nước khác - Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải được dùng trên ô tô của các nươc có luật đi đường bên trái như ở Anh, Nhật, Thụy Điển,…  Theo số lượng bánh dẫn hướng: - Loại hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước, cầu sau.

- Loại hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng hai cầu. - Loại hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở tất cả các cầu.  Theo kết cấu của cơ cấu lái: - Cơ cấu lái loại thanh răng – bánh răng; - Cơ cấu lái loại trục vít – cung răng; - Cơ cấu lái loại trục vít – con lăn; - Cơ cấu lái loại trục vít – chốt quay; - Cơ cấu loại liên hợp (gồm trục vít, êcu, cung răng).  Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ cường hóa: - Loại trợ lực bằng khí nén; - Loại trợ lực thủy lực; - Loại trợ lực điện; - Loại trợ lực liên hợp.2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo chung các bộ phận của hệ thống lái Hệ thống lái cơ bản gồm các bộ phận chính: - Vô lăng: là cơ cấu điều khiển nằm trong cabin, chịu tác động trực tiếp của người điều khiển.

- Trục lái: kết nối vô lăng và cơ cấu lái. - Cơ cấu lái: được bố trí trên khung hoặc vỏ của ô tô đảm nhận chuyển đổi mô men lái và góc quay từ vô lăng truyền đến các bánh xe dẫn hướng thống qua thanh dẫn động lái và làm xe quay vòng. 5 - Dẫn động lái: là hệ dẫn động lái bao gồm sự kết hợp giữa các thanh truyền với các tay đòn truyền chuyển động của cơ cấu lái tới các bánh xe dẫn hướng trái phải. - Trợ lực lái: trợ lực lái có thể có hoặc không, dùng để giảm nhẹ lực quay vòng của người lái bằng nguồn năng lượng từ bên ngoài.

Nó thường được sử dụng trong các xe có tải trọng vừa và lớn.1: Kết cấu hệ thống lái cơ bản (Nguồn:[5]) 2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái Khi vô lăng tiếp nhận lực tác động của tài xế, khi đó vô lăng sẽ truyền tới trục lái mô men và chiều mà tài xế tác động và trục lái truyền tới cơ cấu lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng và kết quả là di chuyển theo hướng mà tài xế điều khiển. Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của xe và từng chủng loại xe. Để quay vòng được thì người lái cần phải tác động vào vô lăng một lực. Đồng thời cần phải có một phản lực sinh ra từ mặt đường lên mặt vuông góc với bánh xe.

6 Để quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng phải quy quanh một tâm quay tức thời khi quay vòng.2 Vô lăng lái Kết cấu cơ bản của vô lăng bao gồm vành tay lái, vỏ bọc thân xốp (foam), bộ phận chức năng còi và túi khí. Vô lăng là một bộ phận an toàn, trong một vụ va chạm trực diện, khi túi khí được kích hoạt, người lái xe sẽ tiếp xúc vô lăng ở tại trọng lớn. Ngoài ra, khi lái xe điều khiển tác động vào vô lăng nó sẽ chịu lực lái liên tục. Thiết kế của cấu trúc cơ bản (xương vô lăng) yêu cầu vô lăng phải được làm từ kim loại nhẹ, như nhôm hoặc magie (công nghệ đúc).2: Cấu trúc vô lăng tay lái ô tô (Toyota Innova 2016) (Nguồn:[5]) 1.

Vành vô lăng 2. Túi khí và công tắc còi 3. Cụm điều khiển vô lăng 4. Nắp che dưới 5.

Điều khiển hành trình 7 Trong trường hợp va chạm, vô lăng lái phải có khả năng hấp thụ một lượng năng lượng cao, nhưng không gây phá vỡ. Các năng lượng được hấp thụ chủ yếu bằng cách làm biến dạng vùng vành dưới vô lăng, điều này được thực hiện bởi một thiết kế phù hợp của các nan hoa và kết nối với vòng khung xương trung tâm của vô lăng.3 Trục tay lái Chức năng cơ bản của trục tay lái là thiết lập liên kết cơ khí giữa vô lăng và cơ cấu lái. Vô lăng của xe và bánh răng của cơ cấu lái được liên kết sao cho bất kỳ chuyển động quay nào bắt đầu từ vô lăng sẽ được chuyển đổi hoàn toàn về động học và động lực học. Từ vô lăng lái đến cầu dẫn hướng trước, trục tay lái chủ yếu đảm nhận vai trò đỡ hệ thống lái phía trên, bao gồm một trục giao diện với vô lăng, gồm một hoặc nhiều bộ phận, và trục lái trung gian.

Trục tay lái cũng cho phép định vị tay lái so với người lái xe. Người ta phân biệt độ nghiêng tay lái và điều chỉnh theo phương thẳng đứng/ phương dọc, có thể điều chỉnh bằng tay hoặc bằng điện được dẫn động bởi một hoặc hai động cơ và sử dụng cơ chế độc lập để tạo ra cả hai chuyển động. Khi người lái xe đã được ngồi vị trí thuận tiện nhất, các bộ phận có thể di chuyển của điều chỉnh phải được khóa một cách đáng tin cậy. Điều quan trọng là cơ chế khóa phải khóa và mở khóa trơn tru trong khi tạo ra lực kẹp cao.

Trục tay lái cũng đóng góp đáng kể vào việc lái xe an toàn, nếu bị va chạm và người lái xe đang va vào túi khí, một cơ chế được kích hoạt cho phép di chuyển những phần của trục và vô lăng đi vào khu vực hành khách về phía đầu xe. Cùng với dây đai an toàn và túi khí, hệ thống trục tay lái có thể tạo ra không gian an toàn quan trọng cho lái xe. Các chức năng khác của trục tay lái là: - Cho phép ổ khóa cơ hoặc khóa điện để chống trộm. - Dùng để gắn công tắc trục lái (đèn báo, công tắc gạt nước, công tắc đa chức năng).

- Dùng để định vị các dây đồng hồ (túi khí) và/hoặc cảm biến góc quay. - Dùng để tích hợp bộ giảm chấn xoắn hoặc ổ trục ma sát để giảm rung. 8 Trục tay lái và trục lái trung gian được cấu hình làm một mô đun chung hoặc các bộ phận riêng biệt. Trục lái trung gian được liên kết với trục tay lái và kết nối với cơ cấu lái.3: Cấu tạo trục tay lái (Toyota Innova 2016) (Nguồn: [5]) 2.4 Cơ cấu lái (hộp số lái) Một hệ thống lái thiết kế cần đáp ứng các yêu cầu sau: có tính thuận nghịch để bánh xe dẫn hướng có khả năng quay lại vị trí trung gian sau khi quay vòng, có hiệu suất cao, đảm bảo lái nhẹ, có nghĩa là hiệu suất thuận (từ vô lăng xuống bánh xe dẫn hướng) lớn hơn nhiều so với hiệu suất nghịch (từ bánh xe dẫn hướng lên vô lăng), để cho các va đập mặt đường bị dập tắt không truyền lên vô lăng.

Do đó, đa số các 9 cơ cấu lái đều có tính thuận nghịch, có ma sát bên trong có khả năng hấp thu chấn động, ở vị trí trung gian tương ứng với khi xe chạy thẳng, khe hở trong các cơ cấu lái phải là nhỏ nhất vì ở vị trí này cơ cấu lái sẽ bị mài mòn nhiều nhất và khe hở cơ cấu lái ở các vị trí hai bên sẽ có thể lớn hơn. Có nhiều loại cơ cấu lái dùng trên ô tô bao gồm: cho các loại xe tải, bus là cơ cấu lái trục vít – cung răng (hình 2.4 a), Cơ cấu lái trục vít – chốt quay (hình 2.4 b), Cơ cấu lái trục vít – con lăn (hình 2.4 c), Cơ cấu lái trục vít – bi thanh răng – cung răng (hình 2.4 d), và cho xe du lịch hiện nay chủ yếu dùng cơ cấu lái bánh răng – thanh răng (hình 2.4: Các loại cơ cấu lái điển hình của xe (Nguồn: [3]) 2.1 Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng là loại cơ cấu lái thường dùng nhất cho xe du lịch và xe thương mại nhẹ.