Tài liệu Nghiên cứu thiết kế bệ thử để khảo nghiệm đánh giá chất lượng làm việc của bộ điều khiển và đặc tính của động cơ điện trợ lực lái

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN ĐỨC HÀ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỆ THỬ ĐỂ KHẢO NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRỢ LỰC LÁI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN ĐỨC HÀ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỆ THỬ ĐỂ KHẢO NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRỢ LỰC LÁI Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG THĂNG BÌNH Hà Nội - 2018 MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................. 1 LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................. 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................. 6 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ............................................................... 9 1.1. Hệ thống lái trợ lực hiện nay ............................................................................... 9 1.1.1. Hệ thống lái trợ lực thủy lực ........................................................................ 9 1.1.2. Hệ thống lái trợ lực điện ............................................................................ 10 1.2. Đặt vấn đề nghiên cứu ....................................................................................... 13 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU QU Y LUẬT BIẾN ĐỔI CỦA MÔ MEN CẢN QUAY VÒNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH XE DẪN HƯỚNG VÀ CƠ SỞ CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN .................................................................................................... 15 2.1. Động lực học quay vòng xe tải ......................................................................... 15 2.1.1.Đặc điểm quay vòng của xe tải ................................................................... 15 2.1.2. Xây dựng các phương trình động lực học quay vòng xe tải ...................... 16 2.2. Ảnh hưởng của độ đàn hồi lốp tới tính năng quay vòng của ô tô tải ................ 22 2.3. Ảnh hưởng của các góc đặt của bánh xe dẫn hướng tới tính quay vòng ô tô tải ............................................................................................................................ 27 2.3.1. Góc nghiêng ngang bánh xe (Camber) ...................................................... 27 2.3.2. Góc nghiêng ngang của trụ đứng (Kingpin) .............................................. 31 2.3.3. Góc nghiêng dọc của trụ đứng bánh xe (Caster) ....................................... 35 2.3.4. Độ chụm bánh xe dẫn hướng (Toe) ........................................................... 38 2.4. Mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng ................................. 40 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN VÀ SỰ ĐIỀU KHIỂN SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ................................................................ 42 3.1. Các phần tử cơ bản của trợ lực lái điện ............................................................. 42 3.1.1. Mô tơ .......................................................................................................... 42 3.1.2. Bộ điều khiển trung tâm (ECU) ................................................................. 43 3.1.3. Các cảm biến .............................................................................................. 44 3.1.4. Hộp giảm tốc .............................................................................................. 44 3.2. Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống trợ lực lái điện .......................................... 44 1 3.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của eps ............................................................. 46 3.3.1. Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1 ............................................................ 46 3.3.2. Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2 ............................................................ 48 3.4. Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện .................................................... 51 3.4.1. Cảm biến tốc độ đánh lái loại máy phát điện ............................................ 51 3.4.2. Loại cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall ...................................... 52 3.4.3. Cảm biến mô men lái có 3 loại ................................................................. 52 3.4.3.1. Loại lõi thép trượt ........................................................................... 52 3.4.3.2. Loại lõi thép xoay ........................................................................... 53 3.4.3.3. Loại 4 vành dây ............................................................................... 54 3.4.4. Cảm biến vận tốc xe .................................................................................. 55 3.4.4.1. Loại công tắc lưỡi gà ....................................................................... 56 3.4.4.2. Loại từ - điện ................................................................................... 56 3.4.4.3. Loại quang điện ............................................................................... 57 3.4.4.4. Loại mạch từ trở MRE .................................................................... 57 CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỆ THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐẶC TÍNH MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN .......................................................................................... 59 4.1 Mục tiêu xây dựng mô hình ............................................................................... 59 4.2. Nội dung thực hiện ............................................................................................ 59 4.2.1. Mô men trên vành tay lái ........................................................................... 59 4.2.2. Mô men cản quay vòng .............................................................................. 59 4.2.3. Đo cường độ dòng điện cấp cho mô tơ trợ lực .......................................... 59 4.2.4. Đo tải trọng ................................................................................................ 60 4.3. Mô hình ............................................................................................................. 60 4.3.1. Đo mô men trợ lực và mô men cản quay vòng .......................................... 60 4.3.1.1. Dùng cảm biến mô men .................................................................. 60 4.3.1.2. Đo mô men trợ lực và mô men cản quay vòng. .............................. 61 4.3.2. Đo mô men đánh lái ................................................................................... 62 4.3.3 Đo cường độ dòng điện ............................................................................... 63 4.3.4 Đo tải trọng ................................................................................................. 64 4.3.4.1. Sử dụng Loadcell ............................................................................ 64 4.3.4.2. Vị trí lắp đặt .................................................................................... 64 4.3.5. Tín hiệu vận tốc ......................................................................................... 65 2 4.3.5.1. Sử dụng triết áp để thay đổi điện áp đưa vào modul điều khiển ..... 65 4.3.5.2. Vị trí lắp đặt: giả lập điện áp của cảm biến vận tốc đưa vào mô đul điều khiển ..................................................................................................... 65 4.4 Kết quả đo thí nghiệm ........................................................................................ 66 4.4.1. Các giá trị đo thực tế .................................................................................. 68 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................. 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 72 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những nội dung được trình bày trong luận văn do chính tôi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo TS. Hoàng Thăng Bình, cùng các thầy giáo Bộ môn ôtô – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Toàn bộ nội dung trong luận văn hoàn toàn phù hợp với nội dung đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực. Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2018 Tác giả Nguyễn Đức Hà 4 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu, viết tắt Đơn vị Ý nghĩa σ độ Góc Kingpin γ độ Góc Camber θ độ Góc quay bánh xe dẫn hướng τ độ Góc Caster ϕ' - δ độ Góc lệch bên bánh xe L m Chiều dài cơ sở B m Chiều ngang cơ sở a m Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu trước b m Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu sau v m/s Vận tốc chuyển dộng của ô tô nk mm KhoảngKingpin nτ mm Khoảng Caster N/độ Hệ số cản lệch bên của lốp na mm Khoảng dịch chuyển trụ đứng rbx mm Bán kính lăn bánh xe g m / s2 Gia tốc trọng trường G1 N Trọng lượng cầu trước G2 N Trọng lượng cầu sau R m Bán kính quay vòng Fx,Fy,Fz N k Mx,My,Mz N.m Mcqv N.m Hệ số bám ngang của lốp Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng theo phương x, y, z Các Mô men tác dụng vào bánh xe dẫn hướng theo phương x,y,z Mô men cản quay vòng 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực .......................................................... 9 Hình 1.2 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu bố trí trên trục lái ...................................... 11 Hình 1.3 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện ................................... 12 Hình 2.1 Quỹ đạo của ô tô khi quay vòng ............................................................... 15 Hình 2.2 Lực ngang và gia tốc ................................................................................. 16 Hình 2.3 Các lực và mô men tác dụng vào ô tô khi quay vòng ............................... 19 Hình 2.4 Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng ................................................. 21 Hình 2.5 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác động của lực ngang ...... 22 Hình 2.6 Đồ thị quan hệ giữa lực ngang và góc lệch bên của lốp ........................... 23 Hình 2.7 Quay vòng xe khi lốp có biến dạng ngang ................................................ 24 Hình 2.8 Mô hình quay vòng 1 dãy ......................................................................... 25 Hình 2.9 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác dụng của lực bên ......... 26 Hình 2.10 Góc nghiêng bánh xe dẫn hướng trong mặt phẳng ngang ...................... 27 Hình 2.11 Thay đổi cánh tay đòn nk và xác định thành ........................................... 28 phần Fzsinγ do góc Camber sinh ra .......................................................................... 28 Hình 2.12 Sự thay đổi của góc Camber ................................................................... 29 Hình 2.13 Mòn lốp xe do trị số góc Camber quá lớn ............................................... 30 Hình 2.14 Góc nghiêng ngang của trụ đứng ............................................................ 31 Hình 2.15. Cách xác định góc Kingpin .................................................................... 31 Hình 2.16 Sự lệch của góc Kingpin ......................................................................... 33 Hình 2.17 Xác định khoảng cách r2 ........................................................................ 33 Hình 2.18 Xác định r3 và các thành phần của phản lực thẳng đứng ........................ 34 Hình 2.19: Góc Caster và cánh tay đòn nτ ............................................................... 35 Hình 2.20 Tác dụng của gió bên khi góc Caster dương ........................................... 37 Hình 2.21 Độ chụm và góc chụm bánh xe dẫn hướng ............................................. 38 Hình 2.22 Mô men làm quay bánh xe dẫn hướng của các lực dọc .......................... 39 Hình 2.23 Sự ăn mòn lốp do độ chụm quá lớn ........................................................ 40 Hình 3.1: Sơ đồ khối nguyên lý trợ lực lái điện. ..................................................... 44 Hình 3.2: Bản đồ điều khiển ECU trong hệ thống trợ lực lái điện. ......................... 45 Hình 3.3: Trợ lực lái điện với moto trợ lực trên trục lái .......................................... 46 Hình 3.4: Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái kiểu 1 ................................................ 47 Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển trợ lực lái kiểu 1 ........................................................... 47 6 Hình 3.6: Bố trí các cụm và Taplô thể hiện đèn báo lỗi P/S .................................... 48 Hình 3.7: Mô tơ trợ lực lắp rời trên cơ cấu lái ......................................................... 49 Hình 3.8: Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái ........................................................ 49 Hình 3.9: Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay ....................... 50 Hình 3.10: Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay ..................... 51 Hình 3.11: Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái ................................... 51 Hình 3.12: Cảm biến tốc độ đánh lái (góc đánh lái) loại Hall ................................. 52 Hình 3.13: Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến ................................. 53 mô men lái loại lõi thép trượt ................................................................................... 53 Hình 3.14: Vị trí lắp, cấu trúc và đặc tính của cảm biến mô men ............................ 54 lái loại lõi thép xoay ................................................................................................. 54 Hình 3.15: Cấu tạo cảm biến mô men lái loại 4 vành dây ....................................... 55 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý và xung của cảm biến ................................................. 55 mô men lái loại 4 vành dây ...................................................................................... 55 Hình 3.17: Cảm biến loại công tắc lưỡi gà .............................................................. 56 Hình 3.18: Cảm biến loại từ điện ............................................................................. 56 Hình 3.19: Cảm biến loại quang điện ...................................................................... 57 Hình 3.20: Cảm biến tốc độ ô tô loại MRE ............................................................. 58 Hình 4.1: Mô hình bệ thử ......................................................................................... 60 Hình 4.2: Cảm biến mô men .................................................................................... 61 Hình 4.3: Vị trí đặt cảm biến mô men ...................................................................... 61 Hình 4.4: Cảm biến lực ............................................................................................ 62 Hình 4.5: Vị trí đặt mô men cảm biến lực................................................................ 62 Hình 4.6: Vị trí cảm biến đo mô men trên vô lăng .................................................. 63 Hình 4.7: Sơ đồ lắp đặt đo cường độ dòng điện ...................................................... 63 Hình 4.8: Cảm biến đo tải trọng ............................................................................... 64 Hình 4.9: Vị trí cảm biến đo tải trọng ...................................................................... 64 Hình 4.10: Triết áp ................................................................................................... 65 Hình 4.11: Sơ đồ giả lập điện áp .............................................................................. 65 Hình 4.12: Hình ảnh mô hình thực tế và quá trình triển khai đo đạc ....................... 66 Hình 4.13: Biểu đồ quan hệ vận tốc và các mô men đầu vào .................................. 67 Hình 4.14: Biểu đồ quan hệ vận tốc và mô men cản ............................................... 67 Hình 4.15: Sơ đồ quan hệ mô men cản và mô men trợ lực ...................................... 68 7 MỞ ĐẦU Ngày nay, nền kinh tế của Việt Nam đang trên đà tăng trưởng mạnh, đời sống của người dân tăng cao, nhu cầu đi lại, mua sắm các phương tiện cá nhân cũng tăng. Hệ thống giao thông nước ta ngày càng được hoàn thiện từ đó cho phép vận tốc tối đa của ô tô tăng lên nhằm rút ngắn thời gian di chuyển của con người và hàng hóa, mang nhiều lợi ích về kinh tế. Tuy nhiên cùng với sự phát triển đó thì tại nạn giao thông là vấn đề thách thức lớn mang tính thời sự nóng bỏng. Trong các vụ tai nạn giao thông thì hệ thống lái đóng một vai trò quan trọng. Người ta đã chứng minh được rằng khi vận tốc càng cao thì khả năng mất lái càng lớn do khi vận tốc lớn thì mô men trả lái giảm. Do đó để giữ được cảm giác lái của người lái thì yêu cầu đối với ô tô ngày nay phải có hệ thống lái trợ lực có tỷ số truyền lực thay đổi. Ở nước ta, số lượng xe tải tham gia giao thông chiếm một tý lệ tương đối lớn. Xuất phát từ yêu cầu thực tế, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của mình liên quan đến động lực học của hệ thống lái xe tải, với mong muốn đóng góp một phần công sức của mình vào vấn đề an toàn giao thông cũng như có được kiến thức về động lực học hệ thống lái xe tải là cơ sở dữ liệu cho việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống lái trợ lực sau này. Trong thời gian làm luận văn tôi luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn khoa học: T.S Hoàng Thăng Bình cùng các thầy giáo trong bộ môn ôtô và xe chuyên dụng trường đại học Bách Khoa Hà nội. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Thăng Bình và các thầy trong bộ môn cùng các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn của mình. 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Hệ thống lái giữ vai trò quyết định đến tính năng điều khiển và dẫn hướng ô tô. Trong hệ thống lái của nhiều ô tô hiện nay vẫn còn sử dụng hệ thống trợ lực thủy lực. Tuy nhiên, đặc tính mô men của hệ thống lái trợ lực thủy lực lại không phù hợp với quy luật biến đổi của mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng đặc biệt khi xe chuyển động với vận tốc cao (từ 50 km/h trở lên). Sử dụng hệ thống lái trợ lực điện có ưu điểm là dễ bố trí các mạch điều khiển điện tử thay đổi trị số mô men trợ lực của động cơ phù hợp với quy luật biến đổi của mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng khi chuyển động ở các tốc độ khác nhau. Ngoài ra, hệ thống lái trợ lực điện còn có tính kinh tế, an toàn và thân thiện với môi trường tốt hơn so với hệ thống lái trợ lực thủy lực. 1.1. Hệ thống lái trợ lực hiện nay 1.1.1. Hệ thống lái trợ lực thủy lực Hình 1.1. Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực Hệ thống lái trợ lực thủy lực (Hình 1.1) có bộ trợ lực lái sử dụng một phần công suất động cơ để tạo ra áp suất dầu thủy lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng để chuyển hướng chuyển động của ô tô. Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đường dầu tại van điều khiển. Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực có thể thấy hệ thống có các ưu điểm, nhược điểm như sau: 9 + Ưu điểm: với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực đã giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực tác động của piston-xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra. Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo được an toàn về hướng trong quá trình chuyển động . + Nhược điểm: trong hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, nguồn năng lượng trợ lực được tạo thành do sự làm việc bơm dầu mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ, sử dụng một phần công suất của động cơ. Trong quá trình chuyển động, ngay cả khi xe chuyển động thẳng thì bơm dầu vẫn làm việc, điều này gây lãng phí công suất động cơ trong khi hệ thống lái không cần nguồn trợ lực. Để đảm bảo được áp suất dầu trợ lực thì hệ thống cần yêu cầu về độ kín khít cao ở trên đường ống, van do đó thường xuyên phải kiểm tra sự rò rỉ dầu trong hệ thống lái. Hệ thống làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống, van. Ngoài ra, dầu trợ lực lái khi thải ra còn là nguồn chất thải gây ô nhiểm môi trường. - Đánh giá: đối với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì tỉ số truyền của cơ cấu lái không thay đổi. Do đó, không đáp ứng được yêu cầu rất quan trọng đối với hệ thống lái trên xe ô tô hiện đại ngày nay. Để cải thiện điều này, người ta đưa ra hệ thống lái trợ lực thuỷ lực hỗ trợ điện tử EHPS bằng cách đưa ra thêm các van điện từ vào sau van phân phối để điều khiển áp suất dầu trợ lực. Tuy nhiên, hệ thống EHPS tồn tại nhiều nhược điểm như: hệ thống phức tạp, về bản chất là hệ thống thuỷ lực nên tổn hao công suất do phải dùng bơm thuỷ lực, các yêu cầu về độ kín khít cao, khối lượng lớn và chiếm diện tích bố trí lớn. Cùng với các loại EHPS, trong thời gian gần đây đã xuất hiện các dạng hệ thống lái trợ lực khác hoàn hảo hơn đó là hệ thống lái trợ lực điện EPS. 1.1.2. Hệ thống lái trợ lực điện Hệ thống lái trợ lực điện có cấu tạo như trên Hình 1.2. - Đặc điểm của hệ thống: 10 + Cảm biến mô men: cảm biến mô men được gắn vào phía trong trục lái, dựa vào hiệu ứng Hall để đưa ra điện áp tùy thuộc vào mô men đánh lái và mô men cản. Điện áp ra của cảm biến sẽ được gửi vào ECU để điều khiển môtơ trợ lực. + ECU điều khiển: ECU tiếp nhận các thông số tín hiệu của cảm biến mô men, cảm biến tốc độ động cơ, tín hiệu IG, tín hiệu tốc độ xe sau đó tính toán và điều khiển môtơ trợ lực. 1- Cảm biến mô men 3- Trục vít - Bánh vít 2- Mô tơ trợ lực 4- ECU điều khiển Hình 1.2 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu bố trí trên trục lái + Mô tơ trợ lực: mô tơ trợ lực nối với trục lái bằng bộ giảm tốc trục vít - bánh vít và được điểu khiển bằng ECU, mô tơ có thể đảo chiều và quay ở các tốc độ khác nhau tùy theo mức độ đánh lái của người lái và mô men cản quay vòng. - Nguyên lý hoạt động: ECU tiếp nhận các thông số chính từ cảm biến mô men và từ tốc độ xe, ngoài ra có các thông số phụ như: tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu B+ , chế độ không tải… để tính toán điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái. Lực đánh lái càng lớn thì mô tơ trợ lực càng nhiều, nhưng mô men trợ lực sẽ giảm dần khi tốc độ xe tăng dần. + Trạng thái quay vòng: khi người điều khiển tác động quay vành lái, xuất hiện hiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men thay đổi điện áp tùy theo chiều quay và độ lệch tương đối giữa hai đầu thanh xoắn sau đó truyền tín hiệu về ECU, kết hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU tính toán ra dòng điện điều khiển và chiều quay của mô tơ trợ lực cho phù hợp. 11 Hình 1.3 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện + Trạng thái đi thẳng: trục lái không được tác động do đó không có hiện tượng xoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men không thay đổi điện áp, vì thế ECU không điều khiển môtơ trợ lực và trạng thái đi thẳng được giữ nguyên. - Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện: so sánh kết cấu với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực thì hệ thống lái trợ lực điện không sử dụng bơm dầu để tạo ra năng lượng trợ lực mà sử dụng một motor điện một chiều, do đó giảm tổn hao nhiên liệu từ 2-3%. Hệ thống không sử dụng các đường ống dẫn và van phức tạp như hệ thống lái trợ lực thuỷ lực. Với việc sử dụng motor điện một chiều, hệ thống lái trợ lực điện dễ dàng điều khiển được chiều quay của motor điện cũng như dễ dàng thay đổi mô men xoắn của motor bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cấp vào motor. - Đánh giá: ngoài những ưu điểm vượt trội khi so sánh với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì hệ thống lái trợ lực điện đã đáp ứng được yêu cầu về tỉ số truyền lái thay đổi. Đây là một yêu cầu rất quan trọng và đặc biệt là đối với các xe ô tô hiện đại ngày nay. Nhờ việc dễ dàng thay đổi tỉ số truyền lái mà hệ thống lái trợ lực điện giúp nâng cao tính năng an toàn chuyển động của xe khi xe đi ở tốc độ cao, ngoài ra hệ 12 thống còn giúp cho người lái dễ dàng điều khiển xe khi xe đi vào những đường hẹp, yêu cầu quay vòng với bán kính nhỏ. 1.2. Đặt vấn đề nghiên cứu Khi xe ôtô hoạt động hay chạy trên các mặt đường khác nhau. Qua thời gian bào món và quá trình sử dụng ô tô. Các thiết bị cơ học hay điện tử có thể bị bào mòn, nguy cơ hỏng hóc. Trong khi đó thiết bị trợ lực lái là vô cùng quan trọng.Vì vậy để có thể đưa ra cảnh báo cho người dung và đưa ra đo lường kịp thời về các thông số chuẩn. Hiện nay ở nước ta chưa có công trình nào nghiên cứu các thông số, dữ liệu để thiết kế hệ thống trợ lực lái này. Xuất phát từ đó tác giả đã chọn hướng xây dựng đề tài tốt nghiệp “ Thiết kế bệ thử để khảo nghiệm đánh giá chất lượng làm việc của bộ điều khiển và đặc tính của động cơ điện trợ lực” để làm cơ sở dữ liệu đo lường các thiết bị trợ lực lái sau này. Mục đích của đề tài: Thiết kế bệ thử để khảo nghiệm đánh giá chất lượng làm việc của bộ điều khiển và đặc tính của động cơ điện trợ lực.. Với mục đích trên thì nội dung của đề tài được thể hiện như sau: Chương I : Tổng quan về đề tài Chương II: Nghiên cứu quy luật biến đổi của mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng và cơ sở chọn động cơ điện. Chương III: Nghiên cứu thuật toán và sự điều khiển sự hoạt động của động cơ điện. - Các phần tử cơ bản của trợ lực lái điện - Các cảm biến Chương IV: Nghiên cứu, thiết kế bệ thử nghiệm đánh giá tính năng làm việc của bộ điều khiển và đặc tính mô men của động cơ điện. - Xây dựng bản thiết kế bệ thử. - Thí nghiệm đo lường lấy dữ liệu. - Đánh giá khả năng làm việc của bộ điều khiển và đặc tính của mô men của động cơ điện. 13 Nhận xét: Từ những phân tích ở trên tác giả thấy ưu điểm của hệ thống lái trợ lực điện là rất ưu việt mà cho đến nay các công trình nghiên cứu hệ thống lái trợ lực điện chỉ dừng lại ở lý thuyết. Nhưng trên thế giới đã thương mại hóa từ rất lâu. Theo xu hướng thế giới đang tiến tới nền công nghiệp 4.0, việc nghiên cứu phát triển hệ thống lái trợ lực điện hiện nay là cấp bách. 14 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU QU Y LUẬT BIẾN ĐỔI CỦA MÔ MEN CẢN QUAY VÒNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH XE DẪN HƯỚNG VÀ CƠ SỞ CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN. 2.1. Động lực học quay vòng xe tải 2.1.1.Đặc điểm quay vòng của xe tải Hình 2.1 Quỹ đạo của ô tô khi quay vòng Quá trình ô tô đi vào đường vòng được chia làm 3 giai đoạn như hình 2.1: -Giai đoạn 1: xe bắt đầu vào đường vòng (đoạn ab), ở giai đoạn này bán kính quay vòng thay đổi vì khi quay vòng để đạt ngay bán kính quay vòng bằng hằng số thì rất nguy hiểm cho xe. Chính vì vậy ở giai đoạn này người lái phải đánh lái từ từ. -Giai đoạn 2: Người lái giữ vành tay lái để xe quay vòng với bán kính không đổi hay còn gọi là giai đoạn quay vòng ổn định (đoạn bc). -Giai đoạn 3: Khi thực hiện quay vòng xong người lái trả vô lăng về, ở giai đoạn này bán kính quay vòng giảm dần (đoạn cd). 15 2.1.2. Xây dựng các phương trình động lực học quay vòng xe tải Khi xe vào đường vòng, để đảm bảo các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết hoặc trượt quay thì đường vuông góc với các véctơ vận tốc chuyển động của tất cả bánh xe phải gặp nhau ở một điểm, điểm đó chính là tâm quay tức thời của xe (điểm O trên hình 2.2). Xét mô hình một dãy với điểm 1,2 và điểm C có tâm quay tức thời là O. Hình 2.2 Lực ngang và gia tốc Từ hình vẽ có được: Gia tốc theo phương y của xe: a y = a1 + a4 = v2 dω +b R dt (2.1) Gia tốc theo phương x của xe: ax = a2 + a3 = dv − bω 2 dt (2.2) 16 a1 , a2 : Gia tốc hướng tâm và gia tốc tiếp tuyến đối với tâm quay tức thời O a3 , a4 : Gia tốc hướng tâm và gia tốc tiếp tuyến đối với tâm trục sau R: là bán kính quay vòng, v: là vận tốc ô tô theo phương x Lực ngang của ô tô khi đi vào đường vòng: Pyv =ma y =m( v2 bR d ω dω mv 2 +b ) = (1 + 2 ) R dt R v dt (2.3) Khi đó lực ngang của ô tô khi đi ra đường vòng: v2 dω mv 2 bR dω Pyr = m( − b )= (1 − 2 ) R dt R v dt Lực ngang của ô tô khi quay vòng ổn định: Theo hình trên do θ nhỏ nên : R = Pyo = m L L ≅ tgθ θ Vận tốc quay vòng ω= v v = tgθ R L Gia tốc quay vòng ε = dω tgθ dv v dθ = ⋅ + ⋅ 2 dt L dt L ⋅ cos θ dt (2.4) v2 R (2.5) (2.6) (2.7) (2.8) Thay (2.8) vào (2.3) và (2.4) được: mv 2 L mv 2 Pyr = L mv 2 Pyo = L Pyv = b  + 1  v2  b  − 1  v2  dv tgθ +v 2 dt sin θ dv tgθ ( +v 2 dt sin θ ( dθ  ) tgθ dt  dθ  ) tgθ dt  tgθ (2.9) (2.10) (2.11) Các công thức (2.9),(2.10),(2.11) cho thấy: - Lực ngang khi xe bắt đầu đi vào đường vòng là lớn nhất và lực ngang phụ thuộc vào phân bố trọng tâm của xe, gia tốc đánh lái, vận tốc của xe. 17 - Khi đi vào đường vòng thì thời điểm dễ làm cho xe lệch khỏi quỹ đạo nhất là thời điểm khi xe bắt đầu đi vào đường vòng. Vậy để an toàn người lái nên giảm tốc độ, đánh lái từ từ, khi bắt đầu đi vào đường vòng. Khi ô tô chịu lực ngang Py lúc đó xuất hiện lực ngang của mặt đường Ry1 , Ry 2 tác dụng lên lốp xe. Mô men cản lăn do lực quán tính được tính theo công thức: dω (2.12) M j = mρ 2 dt Trong đó: ρ là bán kính quán tính của ô tô Từ hình 2.2, viết phương trình cân bằng mô men tại điểm 1 và điểm 2: Tại điểm 1: Ry 2 .L + M j - aPy = 0 Ry 2 = aPy − M j (2.13) L Kết hợp (2.9), (2.12), (2.13) có được: amv 2  ab − ρ 2  dv vtgθ dθ   Ry 2 =2 1 +  +  tgθ L  av 2  dt sin 2 θ dt   Tương tự tại điểm 2: (2.14) Ry1 .L − bPy − M j = 0 R y1 = bPy + M j L bmv 2 Ry1 =2 L  b 2 + ρ 2  dv vtgθ dθ   1 + bv 2  dt + sin 2 θ dt   tgθ    (2.15) Nhận xét: phản lực từ mặt đường đến bánh xe dẫn hướng phụ thuộc vận tốc, gia tốc của ô tô và vận tốc, góc đánh lái. 18