Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện có kết nối máy tính để phục vụ đào tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG --------o0o------ MẠC TIẾN HƯNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH ĐỂ PHỤC VỤ ĐÀO TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ Khánh Hòa - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG --------o0o------ MẠC TIẾN HƯNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH ĐỂ PHỤC VỤ ĐÀO TẠO Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số : 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHÙNG MINH LỘC CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG KHOA SAU ĐẠI HỌC Khánh Hòa - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Khánh Hòa, ngày …… tháng …… năm 2014 Người nghiên cứu Mạc Tiến Hưng ii LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn:  TS Phùng Minh Lộc – Giảng viên khoa Kỹ thuật giao thông Trường Đại học Nha Trang, người hướng dẫn luận văn.  Quý Thầy, Cô khoa Kỹ thuật giao thông Trường Đại học Nha Trang.  Các bạn học viên lớp cao học Cơ khí động lực khóa 2012-2014, Trường Đại học Nha Trang – Khánh Hòa. Đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt khóa học cũng như thực hiện đề tài này. Khánh Hòa, ngày …. tháng ….. năm 2014 Người nghiên cứu Mạc Tiến Hưng iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................vi DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................vii DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................x PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 1 . Giới thiệu về vấn đề nghiên cứu: ........................................................................ 1 2. Lý do chọn đề tài:................................................................................................ 1 3. Mục tiêu nghiên cứu:........................................................................................... 2 4. Đối tượng nghiên cứu:......................................................................................... 2 5. Phạm vi nghiên cứu:............................................................................................ 2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: ............................................................ 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .........................................4 1.1. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái ô tô trợ lực trên thế giới:...................... 4 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước:.................................................................. 5 1.3. Mục tiêu của đề tài: ....................................................................................... 7 1.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu: .......................................................... 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................................9 2.1. Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống lái.......................................................... 9 2.2. Tính năng dẫn hướng của hệ thống lái.......................................................... 9 2.3. Công dụng và phân loại hệ thống lái trợ lực ............................................... 13 2.3.1. Công dụng hệ thống lái trợ lực:............................................................13 2.3.2. Phân loại hệ thống lái trợ lực: ..............................................................13 2.4. Hệ thống lái trợ lực thủy lực:..................................................................... 14 2.4.1. Cấu trúc tổng quát HTL trợ lực thuỷ lực: ............................................14 2.4.2. Mô hình toán học HTL trợ lực thuỷ lực:..............................................14 2.4.3. Đặc tính trợ lực lái: .............................................................................15 2.4.4. Giải pháp điều khiển thay đổi hệ số trợ lực lái: ...................................16 2.4.5. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện :.....................................16 iv 2.5. Hệ thống lái trợ lực điện :.............................................................................. 16 2.5.1. Trợ lực trên trục lái: ...............................................................................18 2.5.2. Trợ lực trên cơ cấu lái ô tô: ....................................................................26 2.5.3. Cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện : ..............................................29 2.5.3.1. Cảm biến tốc độ đánh lái: có 2 loại..................................................30 2.5.3.2. Cảm biến mô men lái: có 3 loại .......................................................31 2.5.3.3. Cảm biến tốc độ ô tô: Gồm 4 loại ....................................................33 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CÁC BÀI THỰC HÀNH TRÊN MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN ......................................................................................36 3.1. Bài 1: Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động hệ thống lái trợ lực điện................... 36 3.1.1. Cấu tạo của hệ thống lái trợ lực điện:......................................................36 3.1.2. Vận hành thiết bị để tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống :...........36 3.2. Bài 2: Các hư hỏng thường gặp và biện pháp khắc phục. ............................. 37 3.2.1. Một số nguyên nhân gây hư hỏng: .........................................................37 3.2.2. Tạo các Pan hư hỏng trên mô hình:........................................................39 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ TRỢ LỰC ĐIỆN CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH. .............................................................................40 4.1. Lựa chọn phương án:................................................................................... 40 4.1.1. Lựa chọn hệ thống lái trợ lực điện trên mô hình:...................................41 4.1.2. Lựa chọn phương án tạo mô men cản của mặt đường: ..........................48 4.2. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí của mô hình: ................................................. 50 4.3.Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển của mô hình: .......................................... 53 4.3.1. Mạch tạo tín hiệu cảm biến tốc độ xe: ..................................................53 4.3.2. Thiết kế mạch giao tiếp máy tính: ........................................................54 4.3.3. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển trung tâm: .......................................58 4.3.4. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển động cơ điện trợ lực:.......................64 4.4. Viết chương trình cho vi điều khiển:............................................................ 66 4.4.1. Xây dựng quy luật điều khiển:................................................................66 4.4.2. Lưu đồ giải thuật điều khiển chính .........................................................69 4.5. Xây dựng phần mềm kết nối máy tính: ....................................................... 71 4.5.1. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình:..................................................................71 4.5.2. Khái quát về Visual Basic 6.0 [10]:........................................................72 v 4.5.3. Truyền thông nối tiếp với Visual Basic: .................................................72 4.5.4. Thiết kế giao diện: .................................................................................74 4.5.5. Viết lệnh cho các đối tượng:...................................................................76 4.5.6. Viết chương trình với ngôn ngữ Visual Basic [10]: ................................77 CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN.........................................................83 5.1. Hướng dẫn sử dụng mô hình....................................................................... 83 5.1.1. Mô tả các chức năng trên bảng điều khiển Panel:..................................83 5.1.1.1. Màn hình hiển thị LCD: ..................................................................83 5.1.1.2. Các lựa chọn trên Panel điều khiển: ................................................84 5.1.2. Thử nghiệm vận hành mô hình: ............................................................87 5.1.2.1. Công tác chuẩn bị: ...........................................................................87 5.1.2.2. Vận hành thiết bị: ............................................................................87 5.2. Kết quả thử nghiệm mô hình: ..................................................................... 88 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 95 6.1. Kết luận: .................................................................................................... 95 6.2. Kiến nghị hướng phát triển của đề tài:........................................................ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................97 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT  ABS (Anti-lock Brake System): Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe.  CAN (Controller Area Network): Vùng mạng điều khiển  ECU (Electronic Control Unit): Bộ điều khiển điện tử.  EPS (Electronic Power Steering): Hệ thống lái trợ lực điện  HPS (Hydraulic Power Steering) : Hệ thống lái trợ lực thủy lực  EHPS (Electronic Hydraulic Power Steering) : Hệ thống lái trợ lực thủy lực – điện  HTL: Hệ thống lái  HTP: Hệ thống phanh  4WD (Four Wheel Driver): Bốn bánh xe chủ động.  4WS (Four Wheel Steering): Hệ thống lái 4 bánh xe.  DTC (Diagnostic trouble code): Mã chẩn đoán hư hỏng.  DLC (Data link connector): Giắc cắm kết nối dữ liệu.  VI (Virtual Instrument): Thiết bị ảo  PPS (Progressive Power Steering): Bộ cường hoá tích cực vii DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Mô hình thiết kế hộp ECU điều khiển hệ thống lái trợ lực điện ...................6 Hình 2.1. Ô tô quay vòng ............................................................................................9 Hình 2.2. Thông số kích thước ô tô hai trục, có hai bánh xe phía trước dẫn hướng ........10 Hình 2.3. Kết cấu và phản lực ở một bánh xe dẫn hướng ..........................................11 Hình 2.4. Góc nghiêng trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc của ô tô .........................12 Hình 2.5. Sơ đồ độ chụm của bánh xe dẫn hướng .....................................................13 Hình 2.6. Sơ đồ tổng quát hệ thống lái ô tô trợ lực thủy lực ......................................14 Hình 2.7. Sơ đồ khối mô hình toán học HTL ô tô có trợ lực ......................................14 Hình 2.8. Đồ thị đặc tính trợ lực ...............................................................................15 Hình 2.9. Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên trục lái ..........17 Hình 2.10. Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết rời .........................................................................................18 Hình 2.11. Hệ thống lái ô tô trợ lực điện với động cơ trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết kế liền ..................................................................................18 Hình 2.12. Cơ cấu trợ lực lái điện trợ lực trên trục lái ...............................................19 Hình 2.13. Sơ đồ tổng quát của hệ thống lái ô tô trợ lực trên trục lái ........................20 Hình 2.14. Bố trí các cụm và Tablô thể hiện đèn báo lỗi P/S ....................................21 Hình 2.15. Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển động cơ điện trợ lực lái theo phương pháp điều khiển điện áp .........................................................................22 Hình 2.16. Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển động cơ điện trợ lực lái theo phương pháp điều khiển dòng điện .....................................................................23 Hình 2.17. Mạch tương đương của động cơ điện .......................................................23 Hình 2.18. Sơ đồ điều khiển tổng quát của ECU trợ lực lái điện ...............................24 Hình 2.19. Điều khiển chế độ động cơ điện ..............................................................25 Hình 2.20. Đặc tính điều khiển .................................................................................25 Hình 2.21. Mô hình toán học của hệ thống trợ lực trên trục lái của ô tô.....................26 Hình 2.22. Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái ........................................................27 Hình 2.23. Các bộ phận của động cơ điện và cảm biến góc quay ..............................27 Hình 2.24. Cụm động cơ điện và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay .............28 Hình 2.25. Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống trợ lực trên cơ cấu lái ...............28 Hình 2.26. Tín hiệu quan trọng để điều khiển motor trợ lực lái .................................29 Hình 2.27. Mô phỏng mô hình toán học của hệ thống lái trợ lực trên cơ cấu lái.........29 viii Hình 2.28. Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái .....................................30 Hình 2.29. Cảm biến tốc độ đánh lái (góc đánh lái) loại Hall.....................................30 Hình 2.30. Đặc tính, vị trí làm việc của cảm biến mô men lái loại lõi thép trượt .......31 Hình 2.31. Cấu trúc và đặc tính của cảm biến mô men lái loại lõi thép xoay ............32 Hình 2.32. Cảm biến mô men lái loại 4 vành dây .....................................................32 Hình 2.33. Sơ đồ nguyên lý và xung của cảm biến mô men lái loại 4 vành dây ........33 Hình 2.34. Ba loại cảm biến tốc độ ô tô ....................................................................34 Hình 2.35. Cảm biến tốc độ ô tô loại MRE ...............................................................35 Hình 4.1. Sơ đồ khối mô hình hệ thống ...................................................................40 Hình 4.2. Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Ford focus 2012 .....................................41 Hình 4.3. Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios ...........................................42 Hình 4.4 . Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Kia morning ..........................................44 Hình 4.5 . Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Lexus ....................................................45 Hình 4.6 . Các bộ phận cơ bản của Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios 2007 ...46 Hình 4.7. Sơ đồ đấu dây của cảm biến mô men xoắn................................................46 Hình 4.8 . Sơ đồ đấu dây của động cơ điện trợ lực ..................................................47 Hình 4.9 . Cơ cấu tạo mô men cản.............................................................................49 Hình 4.10. Mạch điều xung cho li hợp điện từ..........................................................49 Hình 4.11 . Thiết kế Khung mô hình .........................................................................50 Hình 4.12. Thiết kế Dẫn động lái ..............................................................................50 Hình 4.13. Mô phỏng lắp ráp các chi tiết..................................................................51 Hình 4.14. Bản vẽ lắp được xây dựng trên Solid Work.............................................51 Hình 4.15. Mô hình thực tế nhìn từ phía sau..............................................................52 Hình 4.16. Mô hình thực tế nhìn từ phía trước...........................................................52 Hình 4.17. Tín hiệu tốc độ xe hồi về ECU trợ lực lái ................................................53 Hình 4.18. Mạch giả lập tín hiệu tốc độ xe ................................................................54 Hình 4.19. Sơ đồ chân của các đầu cắm DB 9 và DB 25 ..........................................56 Hình 4.20. Sơ đồ chân của vi mạch MAX 232 .........................................................57 Hình 4.21. Sơ đồ khối của vi mạch MAX 232 ..........................................................57 Hình 4.22. Mạch giao tiếp máy tính ..........................................................................58 Hình 4.23. Sơ đồ chân và sơ đồ đóng gói của vi điều khiển Atmega16 ....................59 Hình 4.24. Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển Atmega16 ...........................................60 Hình 4.25. Sơ đồ nối dây mạch điều khiển ...............................................................63 Hình 4.26. Board mạch in mạch điều khiển ..............................................................64 Hình 4.27. Board mạch điều khiển sau khi chế tạo ...................................................64 ix Hình 4.28. Sơ đồ nối dây mạch công suất động cơ ...................................................65 Hình 4.29. Board mạch in mạch công suất động cơ ..................................................66 Hình 4.30. Board mạch công suất động cơ sau khi chế tạo .......................................66 Hình 4.31. Mối quan hệ giữa mô men đánh lái và điện áp ra của cảm biến mô men xoắn ......................................................................................................67 Hình 4.32. Mối quan hệ giữa mô men đánh lái và dòng điện trợ lực khi xe đứng yên ......... 68 Hình 4.33. Bản đồ điều khiển của ECU-EPS trong hệ thống lái trợ lực điện ............68 Hình 4.34. Lưu đồ giải thuật chương trình chính .......................................................69 Hình 4.35. Lưu đồ giải thuật chương trình cập nhật dữ liệu.......................................70 Hình 4.36. Lưu đồ giải thuật chương trình gửi dữ liệu vào máy tính..........................71 Hình 4.37. Biểu tượng thành phần comm trong VB 6................................................73 Hình 4.38. Giao diện chính của Visual Basic.............................................................75 Hình 4.39. Cửa sổ viết lệnh của Visual Basic ............................................................77 Hình 4.40. Biểu đồ phân bố các chức năng của chương trình ....................................77 Hình 5.1. Hiển thị của màn hình LCD khi hệ thống không quay lái...........................83 Hình 5.2. Hiển thị của màn hình LCD khi hệ thống làm việc có trợ lực lái................84 Hình 5.3. Các lựa chọn trên Panel điều khiển ............................................................84 Hình 5.4. Jack cho phép kiểm tra tình trạng cảm biến mô men trên Panel điều khiển 86 Hình 5.5. Dữ liệu đồ thị trường hợp 1 .......................................................................88 Hình 5.6. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 1....................................89 Hình 5.7. Dữ liệu đồ thị trường hợp 2 .......................................................................89 Hình 5.8. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 2....................................90 Hình 5.9. Dữ liệu đồ thị trường hợp 3 .......................................................................90 Hình 5.10. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 3..................................91 Hình 5.11. Dữ liệu đồ thị trường hợp 4......................................................................91 Hình 5.12. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 4..................................92 Hình 5.13. Dữ liệu đồ thị trường hợp 5: tải = 0, V xe = 199 Km/h ..............................92 Hình 5.14. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 5 tải = 0, V xe = 199 Km/h ...93 Hình 5.15. Dữ liệu đồ thị trường hợp 5 tải = max, V xe = 200 Km/h...........................93 Hình 5.16. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 6 tải = max, V xe = 200 Km/h ......................................................................................................94 x DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1. Một số nguyên nhân hư hỏng của hệ thống lái ô tô trợ lực điện .................37 Bảng 4.1. Bảng chỉ dẫn kỹ thuật ................................................................................47 Bảng 4.2. Tên và các đường chức năng của các đường tín hiệu..................................56 Bảng 4.3. Mô tả các đặc tính quan trọng cho việc lập trình ........................................74 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1 . Giới thiệu về vấn đề nghiên cứu: Trong những năm gần đây, ngành công nghệ ô tô phát triển rất nhanh đặc biệt là các hệ thống điều khiển cơ khí, thủy lực, khí nén… được thay thế điều khiển bằng điện. Trong đó, hệ thống lái ô tô trợ lực bằng điện (Electric Power Steering – EPS) là một trong những hệ thống đang được ứng dụng rất mạnh mẽ trên hầu hết các hãng xe trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Hiện nay, tất cả những dòng xe của các hãng như: Toyota, Kia, Honda, Ford, Mitsubishi, BMW, Lexus … đều đã sử dụng hệ thống EPS”. Hệ thống lái ô tô trợ lực bằng điện (EPS) làm việc trên cơ sở phụ thuộc năng lượng của ắc quy, thực hiện các chức năng trợ lực thông thường nhưng có nhiều ưu điểm nổi bật so với các hệ thống lái trợ lực truyền thống trước đây: - Hệ thống EPS có kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo dưỡng. - Giảm tiêu tốn nhiên liệu, một số nghiên cứu cho thấy rằng nhiên liệu tiêu tốn tiết kiệm (5% – 8%) so với cùng một xe trang bị hệ thống lái trợ lực thủy lực (Hydraulic Power Steering - HPS) - Không phụ thuộc vào tốc độ vòng quay của động cơ. - Cho phép góp phần hạn chế lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ nhiệt bằng cách thu hồi năng lượng của động cơ nhiệt khi dư thừa cấp cho bình tích năng lượng (ắc quy) và sau đó sử dụng với mục đích hỗ trợ lực điều khiển của người lái. - Tạo điều kiện kiểm soát chặt chẽ quá trình làm việc của hệ thống lái thông qua các đèn báo, giúp nâng cao khả năng đảm bảo an toàn trong chuyển động của ô tô. Tuy nhiên, áp dụng các công nghệ điện tử sẽ làm phức tạp thêm hệ thống, đồng thời người sử dụng cần chăm sóc hệ thống cung cấp điện (máy phát điện, ắc quy…) phải thật tốt hơn. 2. Lý do chọn đề tài: Giúp cho giáo viên và học viên trong quá trình dạy và học có thể: - Trực tiếp quan sát cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái ô tô trợ lực điện trên mô hình; - Biết được các pan thường gặp của hệ thống lái trợ lực điện, cách khắc phục; 2 - Thấy rõ sự hoạt động hệ thống lái ô tô trợ lực điện thông qua dữ liệu hiển thị trên máy tính, đồng thời từ máy tính có thể điều khiển các chế độ hoạt động của hệ thống lái. 3. Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện có thể tự vận hành ở các chế độ hoạt động tương đồng với thực tế; mô hình có tự tạo được các pan thông dụng để giúp dễ dàng trong công tác đào tạo nghề; - Vận dụng các kiến thức lý thuyết về hệ thống lái trên ô tô trợ lực điện, lý thuyết về vi điều khiển, thiết kế mạch giao tiếp, mạch điều khiển, viết chương trình giao tiếp giữa mô hình và máy vi tính, nhằm giúp cho quá trình dạy và học được tốt hơn, giúp cho giáo viên và học viên có thể trực tiếp quan sát sự hoạt động của hệ thống qua dữ liệu hiển thị trên máy tính. 4. Đối tượng nghiên cứu: - Hệ thống lái ô tô trợ lực điện; - Mô hình giảng dạy hệ thống lái trợ lực điện có giao tiếp máy tính thông qua ngôn ngữ lập trình Visual Basic; - Nghiên cứu ứng dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic. 5. Phạm vi nghiên cứu: Đề tài là mô hình dạy học nên phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu lý thuyết về hệ thống lái ô tô trợ lực điện, mạch giao tiếp giữa máy tính với mô hình thông qua ngôn ngữ lập trình Visual Basic, thiết kế giao diện mô phỏng trên máy tính và thiết kế bố trí mô hình. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Việc nghiên cứu đề tài này sẽ góp phần cho phép tiếp cận các kiến thức điều khiển hiện đại đang được áp dụng vào kỹ thuật ô tô, đây cũng là cơ sở để hình thành các định hướng nghiên cứu trong ngành; các tiếp cận còn cho phép mở rộng các nghiên cứu theo hướng nâng cao độ tin cậy hoặc cải thiện các hệ thống điều khiển hiện đại áp dụng cho ngành kỹ thuật ô tô ở Việt Nam trong tương lai. Nền công nghiệp ô tô hiện nay không ngừng phát triển, các thành tựu nghiên cứu cơ - điện tử từng bước được ứng dụng vào các sản phẩm trong ngành và luôn đưa ra hướng cải thiện các hệ thống trên ô tô do nhiều yếu tố khác nhau, trong đó quá trình điện hóa trên xe đang hình thành và phát triển ở thị trường Việt Nam. Điều đó có 3 nghĩa sẽ cần nguồn nhân lực có trình độ kỹ thuật cao. Tuy nhiên, thực trạng của quá trình đào tạo tại các trường đại học, cao đẳng và trung cấp trong điều kiện hiện nay, khó có thể trang bị đủ các trang thiết bị hiện đại phục vụ quá trình đào tạo. Sản phẩm nghiên cứu về mô hình này là cơ hội để sinh viên phần nào tiếp cận được kiến thức cần thiết và nâng cao khả năng tư duy lí luận trong chuyên môn nhằm đáp ứng được nhu cầu công việc sau này. Góp phần hiện đại hóa phương tiện và phương pháp dạy thực hành trong Giáo dục và Đào tạo, từng bước nâng cao trình độ của sinh viên trước khi ra trường. 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái ô tô trợ lực trên thế giới: Trên thế giới, hệ thống lái ô tô trợ lực ra đời là một phát minh lớn trong sự phát triển của ngành ô tô. Năm 1876, một người tên Fitts đã chế tạo hệ thống lái trợ lực đầu tiên trên một chiếc ô tô. Hệ thống lái trợ lực tiếp theo được đặt trên một xe tải Columbia 5 tấn vào năm 1903. Có thể kể đến một phát minh khác được đăng ký ngày 03 tháng 04 năm 1900 của Robert E. Twyford, một cư dân của Pittsburgh, Pennsylvania, Hoa Kỳ, về hệ thống lái trợ lực cơ khí như một phần của bằng sáng chế của mình cho các hệ thống truyền động bốn bánh đầu tiên. Sau đó Francis W. Davis, một kỹ sư của bộ phận xe tải Pierce Arrow bắt đầu khám phá cách lái có thể được thực hiện dễ dàng hơn, và vào năm 1926 đã chế tạo hệ thống lái trợ lực thực tế đầu tiên. Davis chuyển đến General Motors và tinh chế các hệ thống lái trợ lực thủy lực hỗ trợ, nhưng hãng tính toán nó sẽ là quá đắt để sản xuất. Davis sau đó đăng ký với tổng công ty Bendix , một nhà sản xuất phụ tùng ô tô. Năm 1951, Tổng công ty Chrysler giới thiệu thương mại đầu tiên hệ thống trợ lực lái trên xe khách Chrysler Imperial dưới cái tên "Hydraguide". Hệ thống Chrysler được dựa trên một số bằng sáng chế đã hết hạn của Davis. Năm 1952, General Motors giới thiệu xe Cadillac với một tay lái trợ lực hệ thống bằng cách sử dụng công Davis đã làm cho công ty gần hai mươi năm trước đó. Trong cuối những năm 1960, General Motors cung cấp một hệ thống lái trợ lực biến tỷ lệ như một lựa chọn trên xe Pontiac và các loại xe khác. Năm 1965, Ford đã thử nghiệm với "wrist-twist instant steering" được trang bị Mercury Park Lanes thay thế cho tay lái lớn thông thường. Năm 1990, Toyota giới thiệu thế hệ thứ hai đó là loại xe Toyota MR2 với trợ lực lái điện - thủy lực. Năm 1994, Volkswagen sản xuất Mark 3 Golf Ecomatic, với một máy bơm điện. Kết cấu này cho phép hệ thống lái trợ lực sẽ vẫn hoạt động trong khi động cơ đã được ngừng lại bởi máy tính để tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống điện thủy lực có thể được tìm thấy trong một số xe: Ford, Volkswagen, Audi, Peugeot, Citroen, Seat, Suzuki, Opel, Mini, Toyota, Honda và Mazda. 5 Hệ thống lái ô tô trợ lực điện đầu tiên xuất hiện trên xe Suzuki Cervo trong năm 1988. Năm 2000, Honda tung ra S2000 Loại V được trang bị đầu tiên trên thế giới hệ thống lái trợ lực điện thay đổi tỉ số truyền (VGS). Năm 2003, Toyota giới thiệu hệ thống lái trợ lực điện trên xe Lexus LX 470 và Landcruiser Cygnus, và cũng kết hợp hệ thống kiểm soát ổn định điện tử để thay đổi tỷ lệ bánh lái và lái hỗ trợ các cấp. Năm 2003, BMW trang bị hệ thống thống lái trợ lực điện trên dòng xe V. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước: Nhờ sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về HTL ô tô nói chung và HTL ô tô trợ lực điện nói riêng và đã đưa vào ứng dụng có hiệu quả, ngày càng được cải tiến và tối ưu hóa quá trình điều khiển của hệ thống. Theo đó, nội dung chương trình và công nghệ chế tạo mô hình phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu cũng được thực hiện hoàn thành và đánh giá tốt. Trong công tác nghiên cứu, ở Việt Nam 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 HTL 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 2.3, Sap 90, Simulink... trong quá trình nghiên cứu ô tô. Việt Nam chúng ta đang 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 [4], Nghiên cứu thiết kế chế tạo ECU điều khiển trợ lực lái điện (xem hình 1.1). 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. 6 - 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 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, việc thử nghiệm thực tế vẫn chưa thực hiện được. Tuy nhiên, đề tài chỉ tập trung ứng dụng vi Hình 1.1. Mô hình thiết kế hộp ECU điều khiển hệ thống lái trợ lực điện [4] điều khiển và các đặc tính làm việc của hệ thống lái trợ lực điện để thiết kế hộp ECU điều khiển. Do đó, 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, mô hình chỉ giới hạn cho một loại ô tô cụ thể là Suzuki, chưa đáp ứng cho các hãng xe khác. * Thạc sĩ Trần Văn Lợi [3], Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lái không trục lái . 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. 7 Ngoài ra, còn một số công trình nghiên cứu khác như: GS.TSKH Đỗ Sanh cũng lãnh đạo một nhóm nghiên cứu về động học, động lực học trong đó có một phần nghiên cứu về động học quay vòng xe ở tốc độ cao. Thạc sĩ Nguyễn Hồng Vũ với đề tài tính toán động lực học quay vòng cho bánh xe dẫn hướng... Trong thời gian qua, việc giảng dạy về HTL ô tô có trợ lực điện ở nước ta còn gặp nhiều khó khăn là do mảng thiết bị và mô hình dạy học của hệ thống chưa nhiều, giá thành của các thiết bị ngoại nhập khá cao, nhiều trường khó có thể trang bị. Việc nghiên cứu và chế tạo các mô hình phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu vẫn còn ở quy mô nhỏ, phần lớn là do nhu cầu cấp thiết của công tác giảng dạy nên tự thiết kế và thi công trên các thiết bị sẵn có. Một số công ty sản xuất đồ dùng dạy học ở nước ta cũng đã nghiên cứu chế tạo nhiều thiết bị, mô hình dạy học về HTL ô tô có trợ lực điện trên cơ sở các chi tiết và thiết bị nhập từ nước ngoài về, nhưng rất đơn giản, phần lớn là chỉ dùng để dạy về cấu tạo và giới thiệu về nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống. Các mô hình này thiếu một số chức năng cần thiết để học tập và nghiên cứu trên mô hình, như không quan sát được các chế độ hoạt động của hệ thống, không đo kiểm được một số thông số cơ bản … Nhìn chung, với các thiết bị và mô hình đã có, chưa thể đáp ứng được nhu cầu giảng dạy và nghiên cứu ở nước ta hiện nay về hệ thống lái ô tô có trợ lực điện. 1.3. Mục tiêu của đề tài: Trong lĩnh vực dạy học và nhất là trong lĩnh vực đào tạo nghề, mô hình dạy học đóng vai trò quan trọng. Việc giao tiếp giữa máy tính và mô hình giảng dạy giúp giáo viên chủ động trong quá trình lên lớp và việc truyền thụ kiến thức cũng như rèn luyện kỹ năng nghề cho các học viên được thuận tiện hơn. Giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị máy móc dùng trong sản xuất công nghiệp đã được ứng dụng khá phổ biến nhưng dùng trong dạy học thì còn hạn chế. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện có kết nối máy tính để phục vụ đào tạo ” đã được chọn làm đề tài nghiên cứu nhằm có thể áp dụng những thành tựu mà phần mềm này mang lại, giúp cho các giáo viên và các học viên có thêm một phương tiện mới để học tập và nghiên cứu. 1.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu: * Tìm hiểu lý thuyết về nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ thống lái ô tô trợ lực thủy lực (Hydraulic Power Steering – HPS), trợ lực thủy lực - 8 điện (Electric Hydraulic Power Steering – EHPS) đang được ứng dụng trên ô tô hiện nay. Từ đó rút ra các nhược điểm của các hệ thống. * Tìm hiểu lý thuyết về nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái ô tô trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS). * Nghiên cứu một số sơ đồ mạch điện điều khiển hệ thống lái ô tô trợ lực điện của một số hãng xe. * Nghiên cứu lý thuyết động học quay vòng và động học của hệ thống lái ô tô để tìm ra mô men quay của vành tay lái và mô men cản do mặt đường tác dụng lên hệ thống lái. Từ đó tìm ra phương pháp lập trình điều khiển hệ thống từ ngôn ngữ lập trình Visual Basic * Tìm hiểu và ứng dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic điều khiển hệ thống và thay đổi một số thông số cần thiết như: tốc độ ô tô, tốc độ động cơ và mô men cản quay vòng… * Nghiên cứu lý thuyết vi điều khiển để thiết kế các card giao tiếp từ máy tính với mô hình thông qua ngôn ngữ lập trình Visual Basic để truyền và nhận tín hiệu. * Nghiên cứu thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống lái ô tô trợ lực điện có kế nối máy tính theo ngôn ngữ lập trình Visual Basic.