Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế thi công mô hình cấu tạo tổng thể hệ thống lái điện trên ô tô phục vụ giảng dạy (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế thi công mô hình cấu tạo tổng thể hệ thống lái điện trên ô tô phục vụ giảng dạy (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH CẤU TẠO TỔNG THỂ HỆ THỐNG LÁI ÐIỆN TRÊN Ô TÔ PHỤC VỤ GIẢNG DẠY. MÃ SỐ: T 2014 - 154 S KC 0 0 5 4 9 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH CẤU TẠO TỔNG THỂ HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN TRÊN Ô TÔ PHỤC VỤ GIẢNG DẠY. MÃ SỐ: T 2014 - 154 Chủ nhiệm đề tài: GVC.ThS. NGUYỄN NGỌC BÍCH TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 /2014
3. BM 08T. Thông tin kết quả nghiên cứu TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Tp. HCM, ngày 05 tháng 11 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế thi công mô hình tổng thể hệ thống lái điện trên ô tô phục vụ giảng dạy. - Mã số: T 2014 - 154 - Chủ nhiệm: GVC.ThS. NGUYỄN NGỌC BÍCH - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: Tháng 01/2014 đến 15/11/2014 2. Mục tiêu: Nghiên cứu, thiết kế thi công mô hình tổng thể hệ thống lái điện trên ôtô phục vụ giảng dạy chuyên ngành công nghệ ô tô tại trường học hoặc các công ty. 3. Tính mới và sáng tạo: Hệ thống lái điện trên ô tô là một cụm chi tiết phức tạp và tiên tiến trên ô tô hiện đại ngày nay, nó đảm bảo tính an toàn cao trong quá trình dẫn hướng và chuyển động của ôtô. Đề tài này nhằm cung cấp thông tin về cấu tạo, hoạt động hệ thống và thông qua đó tiến hành kiểm tra, sửa chữa hệ thống một cách chuẩn xác và nhanh chóng ở các đại lý, các trường đào tạo chuyên ngành công nghệ ô tô. Ngoài ra, sẽ làm cơ sở tiến hành nghiên cứu thi công mô hình hệ thống lái điện nhằm đáp ứng cho kỹ thuật viên, người học được tường minh hơn trong việc đánh giá tình trạng kỹ thuật, nghiên cứu hoạt động chuyên sâu theo yêu cầu qui định của từng mỗi nhà chế tạo. 4. Kết quả nghiên cứu: Đã thực hiện việc nghiên cứu khảo sát cụ thể hệ thống lái điện trên ô tô ngày nay, lựa chọn phương pháp thiết kế và chọn phương án phù hợp, tiến hành thi công mô hình, lắp đặt và thiết lập qui trình kiểm tra, chẩn đoán, bảo dưỡng, sửa chữa và đề xuất những bài tập ứng dụng cho mô hình trên. 5. Sản phẩm: Mô hình hệ thống được thể hiện dễ hiểu, sinh động quá trình nghiên cứu cấu tạo, hoạt động hệ thống lái điện ô tô. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Mô hình được ứng dụng rộng rãi trong công tác giảng dạy, huấn luyện nghề nghiệp trong chương trình đào tạo chuyên ngành công nghệ ô tô. Mô hình này được thể hiện dễ hiểu, sinh động quá trình kiểm tra đánh giá tình trạng kỹ thuật hệ thống lái ô tô và phạm vi phổ biến trong các công ty ô tô, các trường đại học kỹ thuật, cao đẳng kỹ thuật, trung cấp kỹ thuật, trung cấp nghề chuyên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên)
4. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Research, design and manufacture an experiment simulator of automotive electric power steering for educational purpose. Code number: T2014 – 154 Coordinator: NGUYỄN NGỌC BÍCH Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education (HCMUTE) Duration: From January to November 2014 2. Objective(s): Research, design and manufacture a simulator of automotive electric power steering apply to education in university or automotive companies 3. Creativeness and innovativeness: The electric power steering system is a very complicated system in modern cars. It ensures safety and stability abilities for vehicle while cornering. This project is researched to support for learners information about construction and principle of electric power steering. By using this simulator students can practice for testing and diagnosis skills to find out troubles in steering. Besides that, it also helps technicians to understand more accurately and more effectively diagnosis in electric power steering repair which they are working on in the body shop. 4. Research results: Researched, suggested the optimal design method for electric power steering and manufactured a simulator that can be applied to education in universities and body shops. 5. Products: A simulator of electric power steering which has lively and accurately components 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: The simulator can apply to education in universities and training for technicians in automotive companies with low cost.
5. MỤC LỤC Phần 1: Mở đầu 1 Phần 2: Nội dung 5 1. Khái quát chung về hệ thống lái trợ lực điện 5 2. Hệ thống lái trợ lực điện EPS 10 3. Thi công mô hình 14 4. Ứng dụng mô hình 21 5. Chẩn đoán, bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống lái trợ lực điện 27 Phần 3: Kết luận và kiến nghị 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 === Chủ trì đề tài: GVC.ThS. NGUYỄN NGỌC BÍCH Thực hiện tại: KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
6. Phần 1. MỞ ĐẦU Đổi mới phương pháp dạy học trong những năm gần đây được xem là vấn đề thời sự, đứng trước xu thế phát triển KHKT-KHCN, trước những đòi hỏi ngày càng cao về công nghiệp hóa, hiện đại hóa trên nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, giáo dục - đào tạo . nhằm mục tiêu dân giàu, nước mạnh, xã hội công bằng, dân chủ, văn minh, vững bước đi lên chủ nghĩa xã hội. Muốn đạt đến những thắng lợi to lớn này phải phát triển mạnh giáo dục - đào tạo, phát huy nguồn lực con người, đó là yếu tố cơ bản của sự phát triển nhanh và bền vững. 1) Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước: Qua buổi hội thảo khoa học về “Sử dụng đồ dùng dạy học ngành Cơ khí Động lực” tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật. Các trường đại học, cao đẳng, THCN . hiện chỉ giảng dạy bằng phương tiện đèn chiếu, máy chiếu thông dụng, qua hội nghị này những nhà giảng dạy chuyên môn rất thiết tha được vận dụng những phương pháp giảng dạy mới, sinh động hơn, cụ thể hơn, hiệu quả hơn. Những công ty cung cấp và giới thiệu thiết bị đồ dùng giảng dạy kỹ thuật tại Việt Nam cũng chỉ mới liên hệ với những công ty chuyên ngành nước ngoài mô phỏng được một vài nội dung trong lĩnh vực ôtô, chưa thấy xuất hiện các hệ thống lái trợ lực điện trên các ô tô hiện đại. Đây là một lĩnh vực được xem là đang bỏ ngõ, đứng trước yêu cầu như trên chúng tôi mạnh dạn đi vào đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế thi công mô hình tổng thể hệ thống lái điện trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy” Những yếu tố cơ bản trực tiếp tác động đến chất lượng đào tạo là: 1. Con người: Tác động trực tiếp nhất và cũng là tiền đề để các yếu tố khác hình thành và phát triển, bao gồm đội ngũ cán bộ quản lý, cán bộ giảng dạy. 2. Chương trình đào tạo: Là đường lối dẫn dắt đến kết quả, cần có tính khoa học, hiện đại và thực tiễn. 3. Cơ sở vật chất: Là phương tiện trợ giúp, là cầu nối giữa lý thuyết và thực tập nhằm nâng cao hiệu quả dạy và học. 4. Phương pháp dạy và học: Là yếu tố trí tuệ giúp khai thác các yếu tố khác một cách tối ưu. 1
7. 2) Tính cấp thiết: Sinh viên cần có một phương tiện phục vụ cho việc học tập nhất là việc nâng cao trình độ tay nghề đáp ứng xu thế đào tạo theo hướng công nghệ hiện nay. Nhằm tạo điều kiện dễ dàng cho sinh viên tham khảo các tài liệu khác có liên quan, việc nghiên cứu ứng dụng mô hình giảng dạy đa phương tiện trong lĩnh vực kỹ thuật sửa chữa ôtô là rất hữu ích. Kết quả nghiên cứu chính là sự tổng hợp của nhiều nguồn tài liệu trong và ngoài nước thông qua những kinh nghiệm đã được đúc kết qua quá trình giảng dạy thực tế. Đề tài này không những giải quyết vấn đề đào tạo tại các trường CĐ, ĐH, mà có ý nghĩa rất hữu ích cho công tác huấn luyện đội ngũ kỹ thuật viên lành nghề tại các công ty ô tô tại Việt Nam, nhằm bồi dưỡng tốt hơn trong công tác chẩn đoán và sửa chữa ô tô. Đặc biệt ngay trong buổi Hội thảo Khoa học về “Công nghệ ôtô – Hướng phát triển và hợp tác” được tổ chức vào ngày 17 tháng 11 năm 2011 diễn ra tại Trường ĐHSPKT TPHCM hầu như đã quan tâm đến vấn đề việc giảng dạy thực hành cần phải mang tính ứng dụng cao và thực tiễn trong cuộc sống. Trong Hội nghị đã phân tích thực trạng chuẩn đầu ra của SV hiện nay vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu xã hội, SV sau tốt nghiệp tìm việc làm có khó khăn, vẫn còn phải đào tạo lại trong các cơ quan xí nghiệp do chưa thích nghi nhanh chóng với những trang thiết bị hiện đại của xã hội do trang thiết bị trong đào tạo còn lạc hậu, cũ kỹ chưa cập nhật kịp thời. Dựa vào những thông tin trên, thế nên việc nghiên cứu ứng dụng để triển khai các mô hình thực tập là điều cần thiết được triển khai tại các trường đào tạo chuyên ngành công nghệ ôtô tại Việt Nam hiện nay. 3) Mục tiêu: Trong xã hội thông tin, khi lượng kiến thức tăng lên rất nhanh thì giáo dục trực quan được coi như là một trong những giải pháp của giáo dục đào tạo. Bằng việc kết hợp các phương tiện thông tin khác nhau. Giáo dục trực quan có thể tối ưu hóa quá trình dạy học và nâng cao hiệu quả thu nhận kiến thức của người học. Các hệ thống giáo dục trực quan có thể làm cho người học phát triển tư duy sáng tạo trong các chương trình đào tạo, nâng cao quá trình được đào tạo thành quá trình tự đào tạo một cách dễ dàng, đồng thời kích thích sự say mê sáng tạo để tìm tòi phát triển những nguồn tri thức mới. Thông qua quá trình giảng dạy cũng như nhằm nâng cao chất lượng đào tạo tay nghề trong sinh viên, mục tiêu của đề tài là “Nghiên cứu, thiết kế thi công mô hình tổng thể hệ thống lái điện trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy” phục vụ giảng 2
8. dạy thực hành trong môn học thực tập ôtô. Đây chính là điều kiện thuận lợi để đổi mới phương pháp dạy và học, cải tiến phương pháp dạy và học không chỉ tập trung vào việc cải tiến phương pháp truyền thụ và tiếp nhận mà còn mở rộng ra cả ở quá trình biến đổi người học. 4) Cách tiếp cận: Cách tiếp cận đề tài tham khảo nhiều tài liệu kỹ thuật liên quan, phối hợp với trang thiết bị hiện đại nhằm từ đó so sánh, nghiên cứu, tìm hiểu chuyên sâu hoạt động các hệ thống tương ứng, nâng cao quá trình được đào tạo thành quá trình tự đào tạo một cách dễ dàng, đồng thời kích thích sự say mê sáng tạo để tìm tòi phát triển những nguồn tri thức mới. 5) Phương pháp nghiên cứu: Như đã trình bày ở trên, trang thiết bị, mô hình chuyên ngành công nghệ ôtô vẫn đang bỏ ngõ, thế nên việc nghiên cứu để thực thi công việc trên chúng tôi đã tiến hành tham quan tình hình giảng dạy và sử dụng đồ dùng dạy học tại những trường điển hình như: CĐN Sóc Trăng, CĐSPKT Vĩnh Long, CĐKT Cao Thắng, CĐKT Lý Tự Trọng, CĐN Phú Lâm, CĐKT GTVT 3, và nhiều trường kỹ thuật ở các tỉnh miền Tây Nam bộ, miền Trung, . Chính những hoạt động dạy và học của những đơn vị trên cùng với những hoạt động đổi mới phương pháp đang diễn ra tại Trường ĐHSPKT thông qua Hội nghị chuyên đề “Đổi mới phương pháp dạy và học 08/2002” là cơ sở vững chắc nhất để tiến hành nghiên cứu những đề tài được nêu ở trên. Dạy học trong các khối trường kỹ thuật, là dạy học để tạo thói quen, tạo sinh viên tự nghiên cứu, niềm say mê và khả năng học suốt đời. Mọi phương pháp học, nội dung cần dạy, cần học đều được nghiên cứu và xuất phát từ đó. Ngày 30/7/2001, Bộ GD-ĐT đã có chỉ thị về việc tăng cường giảng dạy, đào tạo và ứng dụng công nghệ thông tin trong ngành giáo dục. Theo chỉ thị này, ngoài việc đào tạo về công nghệ thông tin thì toàn ngành phải đẩy mạnh ứng dụng công nghệ thông tin như là công cụ hổ trợ đắc lực cho việc đổi mới phương pháp dạy và học ở tất cả các cấp học, ngành học. Đề tài này chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: kiểm định trên cơ sở chọn lựa các hệ thống đã có, qua đó so sánh và tìm ra một hệ thống tối ưu để ứng dụng mô hình cho phù hợp với điều kiện kinh tế. Từ việc thiết kế mô hình trên, sẽ nghiên cứu và triển khai các bài tập ứng dụng theo quá trình đào tạo công nhệ ô tô. 3
9. Dựa vào những thông tin trên, thế nên việc nghiên cứu ứng dụng để triển khai các mô hình thực tập là điều cần thiết được triển khai tại các trường đào tạo chuyên ngành công nghệ ôtô tại Việt Nam hiện nay. 6) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Trên ôtô, những hệ thống nằm phía sau động cơ có thể chia làm 3 phần riêng biệt như: hệ thống truyền lực trên ôtô, hệ thống chuyển động trên ôtô và hệ thống điều khiển trên ôtô. Ngày nay nhiều công trình nghiên cứu của các công ty ôtô đều nhắm đến việc nâng cao tốc độ ôtô thông qua việc cải thiện đặc tính bám, đặc tính kéo, ổn định chuyển động Những tiến bộ KHKT trên ôtô phần khung gầm hầu như được cải tiến nhiều trong hệ thống điều khiển như lái, phanh, treo ôtô. Cụ thể hệ thống lái trợ lực bằng điện tử, hệ thống treo điện tử, hệ thống phanh chống hãm cứng . được ứng dụng nhiều trên các loại ôtô hiện đại. Một hệ thống không thể thiếu được trong ôtô đó là hệ thống truyền lực, điều khiển nhằm đảm bảo truyền hết công suất, moment đến các bánh xe chủ động và qua đó ôtô có thể chuyên chở những tấn hàng hoá thiết bị, con người đến phục vụ những vùng sâu vùng xa một cách dễ dàng và thuận lợi. Chính vì thế đối tượng nghiên cứu chính là chiếc ô tô, việc nghiên cứu các hệ thống mới trên những ôtô này cũng nhằm mục đích đáp ứng cho việc đào tạo chuyên sâu cho sinh viên chuyên ngành nhằm bảo dưỡng, sửa chữa những hệ thống truyền lực, điều khiển một cách chính xác và hiệu quả nhất. 7) Nội dung nghiên cứu: Trước những yêu cầu của xã hội và đà tiến bộ của khoa học – công nghệ, giảng viên và sinh viên đã nghiên cứu những ứng dụng cho những môn học được sử dụng bằng những phương pháp ứng dụng khác nhau. Cụ thể trong chương trình đào tạo công nghệ cần nâng cao khả năng tay nghề chuyên môn ngoài việc trang bị thêm nhiều trang thiết bị cũng rất cần thiết tạo điều kiện cho sinh viên nhanh chóng tiếp cận với thông tin khoa học thông qua các trợ huấn cụ trong xưởng trường. Đây là hình thức học tập tác động trực tiếp bằng giác quan. Nội dung nghiên cứu bao gồm các bước sau: • Xác định vấn đề: đảm bảo được yêu cầu của nghiên cứu • Lập kế hoạch: Xây dựng chiến lược, đọc tài liệu liên quan • Nghiên cứu và khảo sát các hệ thống trên ô tô • Thi công và chỉnh sửa mô hình • Viết và phân tích các bài giảng cần thiết • Viết báo cáo 4
10. Phần 2. NỘI DUNG Chương 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ HIỆN NAY. Ngày nay, ô tô được sản xuất và sử dụng ở tốc độ cao, vấn đề an toàn chuyển động quay vòng ngày càng được quan tâm nhiều hơn. Trong lý thuyết ô tô, hai hệ thống được coi là quan trọng để đảm bảo an toàn và ổn định ô tô là hệ thống phanh và hệ thống lái. Và để tăng thêm khả năng an toàn và tối ưu trong hệ thống lái, người ta phát triển thêm là ra đời hệ thống lái có trợ lực. Hình 1: Hệ thống trợ lực lái điện trên ô tô. 1.1 Giới thiệu về hệ thống lái có trợ lực. 1.1.1 Vai trò của hệ thống lái có trợ lực. Hệ thống lái có trợ lực có tác dụng giảm nhẹ cường độ đánh người của tài xế, giảm nhẹ sự mệt mỏi khi lái xe. Đặc biệt để tăng tính năng an toàn, cần tăng diện tích tiếp xúc và giảm áp suất của lốp xe nhằm tăng khả năng bám đường khi xe di chuyển với tốc độ cao, nhưng như vậy cần nhiều lực đánh lái hơn do tăng diện tích tiếp xúc lốp. Nếu tăng tỷ số truyền thì rõ ràng sẽ giảm được lực đánh lái nhưng khi lái xe phải quay vô lăng nhiều hơn. Thế nên, để vừa giảm được lực đánh lái mà không phải quay vô lăng quá nhiều, hệ thống lái trên ô tô ngày nay cần trang bị thêm phần trợ lực lái. Yêu cầu cơ bản của trợ lực lái: ● Điều khiển được hướng chuyển động của xe. ● Đảm bảo động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt. ● Không xảy ra hiện tượng tự trợ lực khi xe đang chạy trên đường xốc. ● Bộ trợ lực phải cho người lái cảm giác được có sức cản trên mặt đường khi quay vòng. 5
11. ● Khả năng trợ lực cần tăng cao khi moment cản quay vòng lớn. ● Khi bộ trợ lực hỏng, hệ thống lái cơ khí vẫn làm việc an toàn. ● Kết cấu hệ thống trợ lực phải đơn giản, dễ chăm sóc bảo dưỡng, sửa chữa. 1.1.2 Hệ thống trợ lực lái điều khiển bằng điện. Với hệ thống Hydraulic Power Steering- HPS, ngoài các bình chứa dầu, bơm trợ lực dẫn động đai thường được bố trí chung với các phụ tải khác như máy nén, xy lanh lực nên dễ dẫn đến các triệu chứng thường gặp như là thiếu dầu ở trợ lực lái hoặc hỏng van phân phối dầu. Để thiết kế một hệ thống HPS cần phải có sự tỉ mỉ, chính xác cao về mặt chế tạo và rất cồng kềnh nên khi lắp đặt trên xe sẽ chiếm nhiều không gian đồng nghĩa nếu lắp trên xe nhỏ gọn thì rất khó khăn. Khi thay thế hay sửa chữa HPS thì lượng dầu thải ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường, đó là một vấn đề mà các nhà chế tạo ô tô đang quan tâm trên thế giới. Hệ thống lái trợ lực điện EPS được cấu tạo bởi một động cơ điện đặt trên hệ thống lái, và một ECU. Do đó hệ thống tương đối nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng với khối lượng chủ yếu là động cơ điện, hoạt động với hiệu quả cao, cho kết quả tốt hơn khi ô tô chạy ở mọi tốc độ. Bên cạnh nhỏ gọn, nhẹ hơn, EPS là một hệ thống với năng lượng sạch không gây ảnh hưởng đến môi trường, tiết kiệm được nhiên liệu và dễ dàng bảo trì hơn HPS. Đề tài NCKH này chỉ quan tâm đến “Hệ thống lái trợ lực điện”. 1.2 Khái quát hệ thống lái trợ lực điện. 1.2.1 Các bộ phận cơ bản của hệ thống lái trợ lực điện. Do đòi hỏi tốc độ ngày một cao hơn, chất lượng tốt hơn và yêu cầu giảm năng lượng tiêu thụ ở phương tiện ngày một gia tăng. Để đáp ứng cho các đòi hỏi này, việc nghiên cứu và phát triển theo xu hướng cải thiện hệ thống điều khiển điện, điện tử nhằm mục đích nâng cao hơn nữa các chức năng và đặc tính của nó. Điểm đặc biệt là hệ thống lái này phù hợp với môi trường xe chạy bằng cách thay đổi các trợ lực cho phù hợp với điều kiện giao thông hoặc điều kiện bề mặt đường để tạo cảm giác nhạy bén khi lái xe. Vấn đề quan trọng nhất là khả năng phản ứng tức thời của trợ lực lái, gây cảm giác cho người lái làm họ phải chú ý đến sự biến đổi do phản lực lái gây ra. Như vậy, hệ thống đã cung cấp cho người lái xe các thông tin cần lưu ý trong điều kiện vận hành của phương tiện, ví dụ: Sự biến đổi vận tốc và gia tốc, phản lực lái, không chỉ cải thiện mối quan hệ giữa người lái và phương tiện mà còn có thể tạo ra sự phù hợp giữa cảm giác của người lái và hệ thống lái, nhưng chức năng tự động bù khi phương tiện có những biến đổi không đồng đều mà nguyên nhân do sự xáo trộn gây ra cũng có thể được giải quyết. Trợ lực lái điện (EPS - Electric Power Steering) là một hệ thống lái điện hoàn chỉnh làm giảm đáng kể sức cản hệ thống lái bằng cách cung cấp dòng điện trực tiếp từ động cơ điện tới hệ thống lái. Thiết bị này bao gồm cảm biến tốc độ xe, 6
12. cảm biến lái (moment, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và một động cơ. Tín hiệu đầu ra từ mỗi cảm biến được đưa tới ECU có chức năng tính toán chế độ điều khiển lái để điều khiển hoạt động của động cơ trợ lực. Hình 1.2.1: Cấu tạo chung của hệ thống. Các phần tử chính của trợ lực lái điện gồm có: động cơ điện một chiều; các cảm biến; bộ điều khiển trung tâm (ECU). a) Động cơ: Động cơ điện của trợ lực lái là động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, gắn với bộ truyền động của trợ lực lái. Hình 1.2.2: Động cơ điện 1 chiều. Động cơ chấp hành của trợ lực lái điện có nhiệm vụ tạo ra moment trợ lực dưới điều khiển của ECU và phải đáp ứng các yêu cầu: 7
13. - Động cơ phải đưa ra được moment xoắn và lực xoắn mà không làm quay vô lăng. - Động cơ phải có cơ cấu đảo chiều quay khi có sự cố xảy ra. - Những dao động của động cơ và moment xoắn, lực xoắn phải trực tiếp chuyển đổi thông qua vành lái tới tay người lái phải được cân nhắc. Do vậy động cơ điện có các đặc điểm: - Nhỏ, nhẹ, và có kết cấu đơn giản. - Lực, moment xoắn biến thiên nhỏ thông qua điều khiển. - Dao động và tiếng ồn nhỏ. - Lực quán tính và ma sát nhỏ. - Độ an toàn và độ bền cao. b) Bộ điều khiển trung tâm (ECU): Bộ điều khiển trung tâm (ECU) nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin để điều khiển động cơ. Hình 1.2.3: ECU EPS. Yêu cầu đối với ECU gồm có: - Đảm bảo tính tiện nghi khi lái (chức năng điều khiển dòng điện động cơ). Các chức năng này gồm có: (1) Điều khiển được dòng điện cấp cho động cơ theo qui luật xác định. Tạo ra lực trợ lực (tương ứng với dòng điện cấp cho động cơ) theo tốc độ xe và moment đặt lên vành lái để đảm bảo lực lái thích hợp trong toàn dãi tốc độ xe. (2) Điều khiển bù. Giảm thiểu sự biến động của lực lái bằng cách bù dòng điện cấp cho động cơ tương ứng với sự biến động moment xoắn đầu vào. (3) Bù ma sát. Khi ô tô chuyển động với vận tốc thấp, trợ lực lái điện giúp cho vành tay lái trở lại vị trí chuyển động thẳng sau khi đã quay vòng bằng cách bù dòng điện động cơ. (4) Điều khiển tăng. 8
14. Khi ô tô chuyển động với vận tốc cao, trợ lực lái giữ ổn định lực tác động lên vành lái ở vị trí đang quay vòng (ví dụ, trong khi chuyển làn đường) bằng cách bù dòng điện cấp cho động cơ làm cho vành lái có thể dễ dàng trở về vị trí thẳng . (5) Tối đa dòng điện cấp cho động cơ. Giới hạn dòng điện của động cơ tối đa đến mức tối ưu để bảo vệ ECU và động cơ không bị hư hỏng do quá tải. - Đảm bảo độ tin cậy (Chức năng tự chẩn đoán và sửa lỗi). Để đảm bảo độ tin cậy trong ECU sẽ có mạch tự chẩn đoán và sửa lỗi). Nó sẽ theo dõi sự sai lệch của các phần tử trong hệ thống và khi phát hiện bất kỳ sai lệch nào, nó sẽ điều khiển các chức năng EPS phụ thuộc vào ảnh hưởng của sự sai lệch và cảnh báo cho người lái xe. Ngoài ra, nó còn lưu trữ các vị trí các sai lệch trong ECU. Hình 1.2.4: Thông báo lỗi sẽ được hiện trên taplo. - Đảm bảo tính đối thoại với các hệ thống khác (Chức năng truyền tin và kiểm tra hệ thống EPS). Tín hiệu sẽ được truyền thông qua mạng CAN để gửi về ECU điều khiển trung tâm, xác định và lưu lại những thông tin cần thiết và cùng với EPS, hệ thống cùng với các hệ thống như ABS, TRC để tạo ổn định và cân bằng của xe. Hình 1.2.5: Kết hợp EPS, ABS và TRC để tăng sự ổn định. c) Cảm biến moment: Cảm biến moment là cảm biến để xác định lực quay vô lăng của người lái, dựa vào lực này mà cảm biến xuất tín hiệu gửi về ECU EPS điều khiển trung tâm để xác định. 9
15. Hình 1.2.6: Cảm biến moment. Cảm biến phải thoả mãn nhưng yêu cầu sau: - Thiết kế nhỏ gọn, nhẹ, đơn giản. - Khả năng nhận tín hiệu nhanh, chính xác. - Đảm bảo độ tin cậy cao. - Độ an toàn và độ bền cao. - Phải xác định lực chính xác ở mỗi tốc độ của xe cũng như chạy trên mỗi loại đường khác nhau. Chương 2: HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN EPS Hệ thống trợ lực lái kiểu bánh răng -Pinion type. 2.1 Giới thiệu. Hệ thống trợ lực lái điện kiểu bánh răng (Pinion type) này tức là động cơ điện được sử dụng để trợ lực giúp người lái. Với hệ thống trợ lực này, không cần dầu trợ lực để hỗ trợ cho việc lái, nên không gây hại cho môi trường, góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Loại này chỉ dùng 1 bánh răng để trợ lực lái. Hình 2.1: Hệ thống lái trợ lực điện bằng bánh răng. Cấu tạo của hệ thống trợ lực điện này bao gồm các bộ phận như: vô lăng lái, trục lái, động cơ điện 1 chiều, cảm biến tốc độ xe, cảm biến moment lái, cảm biến góc lái và hộp ECU điều khiển. a) Cảm biến tốc độ xe. 10
16. Tùy theo cách điều khiển khác nhau, các cảm biến tốc độ bánh xe thường được gắn ở mỗi bánh xe để đo riêng rẽ từng bánh hoặc được gắn ở vỏ bọc của cầu chủ động, đo tốc độ trung bình của hai bánh xe dựa vào tốc độ của bánh răng vành chậu. Ở bánh xe, cảm biến tốc độ được gắn cố định trên các bợ trục của các bánh xe, vành răng cảm biến được gắn trên đầu ngoài của bán trục, hay trên cụm moayơ bánh xe, đối diện và cách cảm biến tốc độ một khe hở nhỏ, gọi là khe hở từ. Cảm biến tốc độ bánh xe có hai loại: cảm biến điện từ và cảm biến Hall. Trong đó loại cảm biến điện từ được sử dụng phổ biến hơn. Cảm biến tốc độ bánh xe loại điện từ trước và sau bao gồm một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây và lõi từ. Vị trí lắp cảm biến tốc độ hay rôto cảm biến cũng như số răng của rôto cảm biến thay đổi theo kiểu xe. Hình 2.2: Cấu tạo cảm biến tốc độ. Hoạt động: Hình 2.3: Hoạt động của cảm biến tốc độ bánh xe. Khi bánh xe quay, vành răng quay theo, khe hở giữa đầu lõi từ và vành răng thay đổi, từ thông biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động xoay chiều dạng hình sin có biên độ và tần số thay đổi tỉ lệ theo tốc độ góc của bánh xe. Tín hiệu này liên tục được gởi về ECU. Tùy theo cấu tạo của cảm biến, vành răng và khe hở giữa chúng, các xung điện áp tạo ra có thể nhỏ dưới 100mV ở tốc độ rất thấp của xe, hoặc cao hơn 100V ở tốc độ cao. 11
17. Khe hở không khí giữa lõi từ và đỉnh răng của vành răng cảm biến chỉ khoảng 1mm và độ sai lệch phải nằm trong giới hạn cho phép. Hệ thống sẽ không làm việc tốt nếu khe hở nằm ngoài giá trị tiêu chuẩn. Ví dụ: Hình 2.4: Tín hiệu tốc độ. b) Cảm biến moment lái. Gồm 1 lõi thép được lắp lỏng trượt trên trục lái, trên đó có 1 rãnh chéo, rãnh này sẽ được lắp với 1 chốt trên trục lái. Phía ngoài lõi thép là 3 cuộn dây quấn: 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp. Cuộn sơ cấp được cấp 1 nguồn điện xoay chiều tần số cao. Tùy thuộc vào vị trí của lõi thép mà suất điện động cảm ứng ra trong hai cuộn dây thứ cấp khác nhau. Tín hiệu của 2 cuộn thứ cấp được chỉnh lưu và đưa về mạch so sánh để biến đổi thành điện áp tuyến tính tỉ lệ với góc xoắn của 1 thanh xoắn đặt giữa trục lái và cơ cấu lái. Ba trạng thái của rãnh chéo và chốt và lõi thép tương ứng với các trường hợp quay vòng phải, vị trí trung gian và quay vòng trái cũng được thể hiện trên hình. Hình 2.5: Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến mômen lái. 1- Lái phải; 2- Trung gian; 3- Lái trái; 4- Cuộn sơ cấp; 5,7- Cuộn thứ cấp; 6- Lõi thép trượt; 12
18. 2.2 Nguyên lý hoạt động. Hoạt động của loại bánh răng này cũng phụ thuộc vào sự dẫn động của động cơ điện một chiều cùng với sự điều khiển ECU EPS với các tín hiệu đầu vào như cảm biến tốc độ xe, cảm biến moment lái, cảm biến góc lái. Hình 2.6: Tín hiệu điều khiển của ECU EPS. Khi tài xế đánh vô lăng sang 1 bên, cảm biến góc lái sẽ ghi nhận tín hiệu từ thanh xoắn để xác định tài xế đánh vô lăng, cùng với đó, cảm biến moment lái sẽ gửi tín hiệu về ECU điều khiển để xác định lực moment tại thời điểm đó. Thông qua các tín hiệu đầu vào, ECU điều khiển sẽ xác định tốc độ xe hiện thời và dựa vào lưu đồ thuật toán được nhà chế tạo lập trình sẵn lưu vào bộ nhớ của ECU. ECU EPS sẽ xuất tín hiệu điều khiển động cơ điện để trợ lực thêm cho tài xế. Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động Ở đây ta thấy, người tài xế đánh vô lăng thì trục lái sẽ quay vòng theo hướng của tài xế. Động cơ trợ lực sẽ hỗ trợ cho trục lái theo sự quay vòng của tài xế. Ta sẽ thấy rõ hơn ở hình sau: Hình 2.8: Động cơ trợ lực cho trục lái. 13
19. Chương 3: THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN 3.1 Giới thiệu chung về mô hình hệ thống lái điện. Mô hình hệ thống trợ lực lái điện nhóm thi công dùng trên xe Honda Civic, hãng sản xuất ra hệ thống này là hãng Showa ( Mô hình hệ thống bao gồm các bộ phận sau như cảm biến moment, cảm biến góc mô tơ, mô tơ DC, hộp giảm tốc, thanh răng và vỏ ngoài của thước lái. Hệ thống trợ lực lái điện này thuộc loại Pinion Type (P-EPS) đã được giới thiệu ở phần trên. Hình 3.1 Hệ thống trợ lực lái điện của hãng Showa dùng trên Honda Civic. 3.2 Phương án bố trí mô hình. Tùy theo mục đích và yêu cầu của đề tài mà có các phương án bố trí mô hình khác nhau. Một mô hình hệ thống lái trợ lực đầy đủ khi có bộ thước lái, trợ lực, cụm bánh xe, cụm vô lăng, trục lái, . Chiều cao sa bàn bố trí cao hay thấp cũng phụ thuộc vào mô hình có trục lái hay không. Với mô hình được xây dựng nhằm tìm hiểu các bộ phận hệ thống lái trợ lực điện, nguyên lý làm việc tổng quát của hệ thống dựa trên mô hình cắt cụm thước lái sẵn có. Chính vì vậy, để dễ dàng cho việc quan sát và tìm hiểu hệ thống thì nhóm thực hiện bố trí các bộ phận của hệ thống như vô lăng (không bố trí trục lái), cụm thước lái và bộ trợ lực, cụm bánh xe trên sa bàn có chiều cao 1m vừa với tầm quan sát của sinh viên. Thêm vào đó nhóm còn bố trí bảng hướng dẫn hệ thống theo mô hình thực tế và sơ đồ mạch điện hệ thống lái trợ lực điện của Honda Civic. Từ mô hình có thể quan sát tổng thể các bộ phận của hệ thống, tín hiệu ra vào và nguyên lý điều khiển của hệ thống lái trợ lực điện. 3.3 Thi công mô hình. 14
20. 34 80° 30 160 130 20 8 400 40 600 30 1000 40 Đơn vị: mm 600 R17 50 300 300 Hình 3.2 Bản vẽ sa bàn của mô hình. 15 Hình 3.3 Hình ảnh thực tế của sa bàn.
21. Sa bàn mô hình gá lắp hệ thống lái được làm bằng hộp thép vuông và hàn với nhau chắc chắn, sa bàn có gắn thêm bốn bánh xe có thể di chuyển dễ dàng tiện lợi cho việc học tập nghiên cứu. Trên sa bàn bố trí cụm thước lái và mô tơ trợ lực. Vô lăng được gắn vào thanh xoắn nhằm thể hiện cụm vô lăng trục lái như trên xe. Hình 3.4 Bố trí cụm thước lái và vô lăng trên sa bàn. Để thể hiện cụm bánh xe thì trên mô hình có lắp hai cụm đĩa hai bên. Trên sa bàn có hai trụ được đặt nghiêng ở hai bên theo chiều nghiêng của trụ đứng. Để cụm bánh xe có thể quay được trên trụ đứng của sa bàn thì nhóm lắp thêm hai bạc đạn như hình dưới. 16
22. S K L 0 0 2 1 5 4