Nghiên cứu, phân tích và đánh giá động lực học hệ thống lái ô tô

ng đứng, nhìn từ cạnh xe. Khi trục xoay đứng nghiêng về phía sau thì được gọi là “góc caster dương”, còn trục nghiêng về phía trước thì được gọi là “góc caster âm”. Hình 1 - 20: Góc caster và khoảng caster Khoảng cách từ giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng và mặt đường đến tâm điểm tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường được gọi là “khoảng caster” của trục quay đứng. Góc caster có ảnh hưởng đến độ ổn định khi xe chạy trên đường thẳng, còn khoảng caster thì ảnh hưởng đến tính năng hồi vị bánh xe sau khi chạy xe trên đường vòng. Với bánh xe có góc caster dương lớn thì độ ổn định trên đường thẳng tăng lên, nhưng lại khó chạy trên đường vòng. Hình 1 - 21: Góc caster dương và âm A- Góc nghiêng dọc caster dương B- Góc nghiêng dọc caster âm Ảnh hưởng của góc caster : + Ổn định chạy thẳng : Đối với những xe có góc caster dương, độ ổn định khi chạy trên đường thẳng sẽ tăng. Vì khi trục xoay đứng quay để xe chạy vào đường vòng, nếu các bánh xe có góc caster dương thì lốp sẽ bị nghiêng đi so với mặt đường và tạo ra mômen kích, có xu hướng nâng thân xe lên. Mômen kích này đóng vai trò như một lực hồi vị bánh xe, có xu hướng đưa thân xe trở về vị trí nằm ngang và duy trì độ ổn định trên đường thẳng của xe. Hình 1 - 22: Ổn định chạy trên đường thẳng nhờ có khoảng caster + Làm tăng khả năng quay trở lại của hai bánh xe dẫn hướng: bánh xe có góc caster dương thì giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng với mặt đường sẽ nằm phía trước tâm điển tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường. Vì lốp xe được kéo về phía trước nên lực kéo này sẽ lấn át các lực có xu hướng làm cho bánh xe mất ổn định, giữ cho bánh xe chạy ổn định theo đường thẳng. Hình 1 - 23: Hồi vị bánh xe nhờ khoảng caster Khi bánh xe được chuyển hướng sang một bên (do lái hoặc do trở ngại khi chạy trên đường thẳng) thì sẽ phát sinh các lực bên F2 và F’2. Những lực bên này có tác dụng làm quay trục xoay đứng (nhờ có khoảng caster) và có xu hướng hồi vị bánh xe về vị trí ban đầu của nó (lực hồi vị T và T’). Vào lúc này, với cùng một lực bên như nhau, nếu khoảng caster lớn, lực hồi vị bánh xe cũng lớn. Vì vậy, khoảng caster càng lớn thì độ ổn định trên đường thẳng và lực hồi vị càng lớn. + Góc caster dương đến bánh xe và thân xe: Với góc caster dương cho cả hai bánh xe trước, thân sẽ dạt ra ngoài khúc quanh. Đối với trường hợp caster dương, khi lái xe về bên phải, bên trái của xe xụm xuống trong lúc mé bên phải của xe lại nhấc lên cao làm cho xe dạt ra ngoài vòng quay. Đặc tính này không làm thoả mãn được sự an toàn của xe khi qua đoạn đường cong, vì nó cộng hưởng thêm lực ly tâm rất dễ lật xe . + Góc caster âm đến bánh xe và thân xe: Nếu cả hai bánh trước đều có góc caster âm thì thân xe sẽ dạt vào phía trong vòng quay. Đối với trường hợp nghiêng dọc âm, khi lái xe về bên phải, bên trái của xe được nâng lên trong lúc mé bên phải của xe xụm xuống. Có nghĩa là thân xe dạt vào phía trong của vòng quay, động tác này chống trả lại với lực ly tâm muốn đẩy xe ra ngoài của vòng quay. Kiểu thiết kế này tạo được an toàn cho xe khi vòng qua một khúc quanh với vận tốc lớn, nhất là với ôtô đua cao tốc. 1.4.3.3. Góc nghiêng ngang của chốt chuyển hướng (góc kingpin) Khái niệm : Hình 1 - 24: Góc kingpin Góc kingpin của chốt chuyển hướng, còn gọi là góc nghiêng ngang của chốt chuyển hướng, là góc đo giữa trục xoay và đường thẳng góc với mặt đường khi ta nhìn vào đầu xe. Tác dụng của góc kingpin : + Giảm lực đánh tay lái : Khi bánh xe quay sang phải và sang trái quanh trục xoay đứng với khoảng lệch là bán kính. Khoảng lệch lớn sẽ sinh ra momen lớn quanh trục xoay đứng do sự cản lăn của lốp, vì vậy làm tăng lực tay lái. Để giảm bớt lực lái, ta có thể giảm độ lệch bằng 2 cách. Tăng góc kingpin hoặc làm lốp có góc camber dương. Hình 1 - 25: Giảm lực đánh lái + Giảm sự phản hồi và kéo lệch sang một phía: Một tác dụng khác của góc kingpin là làm giảm lực phản hồi và lực kéo lệch sang một bên. Hình 1 - 26: Giảm phản hồi và kéo lệch sang một phía Nếu khoảng lệch quá lớn, lực dẫn động (lực đẩy xe) hoặc lực hãm sẽ tạo ra một mômen quay quanh trục xoay đứng lớn, tỷ lệ thuận với khoảng lệch. Mặt khác, mọi chấn động tác dụng lên bánh xe sẽ làm cho vô lăng bị dật lại hoặc phản hồi. Những hiện tượng này có thể được cải thiện bằng cách giảm khoảng lệch. 1.4.3.4. Độ chụm đầu. Khái niệm : Độ chụm là độ lệch của phần trước và phần sau bánh xe khi nhìn từ trên xuống. Góc lệch của bánh xe được gọi là góc chụm. Khi phần phía trước của các bánh xe gần nhau hơn so với phần phía sau thì được gọi là “độ chụm”, và nếu ngược lại thì được gọi là “độ choãi”. Hình 1 - 27: Độ chụm độ choãi Mục đích của góc chụm là đảm bảo độ ổn định chạy trên đường thẳng. Khi xe chạy trên đường nghiêng, thân xe nghiêng về một bên. Khi đó xe có khuynh hướng quay về phía nghiêng. Nếu phần phía trước của mỗi bánh xe chụm vào trong (Độ chụm), thì xe có khuynh hướng chạy theo hướng ngược lại hướng nghiêng. Vì vậy, độ ổn định khi chạy trên đường thẳng được duy trì.   Tuy nhiên nếu độ chụm vào quá lớn, độ trượt bên sẽ làm cho lốp xe mòn không đều. Nếu độ choãi ra quá lớn thì khó đảm bảo độ ổn định chạy đường thẳng. 1.4.3.5. Góc quay vòng. Khái niệm: Góc quay vòng là góc quay của bánh xe phía trước bên trái và bên phải khi chạy trên đường vòng. Với góc quay của bánh xe trước bên trái và bên phải giống nhau lốp xe bên trong hoặc ngoài sẽ bị trượt về một bên và không thể quay xe một cách nhẹ nhàng. Điều này cũng làm cho lốp xe mòn không đều. Với góc quay của các bánh xe bên phải và bên trái khác nhau, phù hợp với tâm quay của cả bốn bánh xe thì độ ổn định của xe chạy trên đường vòng sẽ tăng lên. Hình 1 - 28: Góc quay vòng Ví dụ, đối với loại hệ thống lái có góc quay bánh xe dẫn hướng giống nhau tức là góc lái của bánh xe bên phải và bên trái bằng nhau (α = β). Và mỗi bánh xe sẽ quay quanh một tâm quay khác nhau (O1 và O2), mặc dù chúng có bán kính quay bằng nhau (r1 = r2). Vì vậy, sẽ xuất hiện sự trượt bên ở một trong hai bánh xe. Với hệ thống lái có góc quay bánh xe dẫn hướng khác nhau, các bánh xe bên phải và bên trái sẽ có góc quay khác nhau (α ≠ β). Nên chúng có thể điều chỉnh để có bán kính quay khác nhau (r1 > r2) để quay quanh cùng một tâm (O), nhờ thế mà có được góc lái đúng. CHƯƠNG II: MỘT SỐ HỆ THỐNG LÁI THÔNG DỤNG 2.1. Hệ thống lái cơ khí thông thường không trợ lực. 2.1.1. Hệ thống lái loại trục vít – bánh vít Cấu tạo: Hình 2 - 1: Hệ thống lái cơ học loại trục vít – bánh vít 1-Vô lăng hay vành tay lái, 2-Trục lái, 3-Trục vít, 4-Bánh vít dạng hình quạt, 5-Đòn quay đứng, 6-Thanh kéo dọc, 7-Đòn quay ngang, 8-Mặt bích, 9-Thanh nối, 10-Thanh ngang 11-Cầu trước hay dầm đỡ, 12-Trục ( trụ ) đứng 13-Trục hay ngỗng trục của bánh xe dẫn hướng Hệ thống lái cơ học loại trục vít - bánh vít, dạng bánh răng hình quạt, gồm có vành tay lái hay vô lăng (1) cố định với trục lái (2). Trục lái được lồng hay đặt trong ống lái và nối với cơ cấu lái hay bộ truyền lực chính, loại trục vít (3) và bánh vít dạng bánh răng hình quạt (4). Trục của bánh răng hình quạt cố định với đòn quay đứng 5, thanh kéo dọc 6 nối bản lề với đòn quay đứng 5 và đòn quay ngang 7. Mặt bích 8 và trục hay ngỗng trục của bánh xe dẫn hướng 13 quay xung quanh trục đứng 12, đồng thời nối cố định với thanh nối 9. Thanh ngang 10 và dầm đỡ hay cầu trước 11. Nguyên lý làm việc : Khi thay đổi hướng chuyển động của ôtô, giả sử quay vòng sang bên phải, người lái phải quay vô lăng hay vành tay lái 1 theo chiều kim đồng hồ, qua cơ cấu lái (trục vít 3 và bánh răng hình quạt 4), đòn quay 5, thanh kéo dọc 6, đòn quay ngang 7, làm cho mặt bích 8 và trục của bánh xe 13 ở bên trái quay quanh trục đứng 12 theo chiều quay của vô lăng, đồng thời qua thanh nối 9 và thanh ngang hay đòn đẩy 10, làm cho mặt bích và trục của bánh xe dẫn hướng bên phải cũng theo chiều quay của vô lăng. 2.1.2. Hệ thống lái loại thanh răng – bánh răng Cấu tạo: Hình 2 - 2: Hệ thống lái cơ học loại thanh răng – bánh răng 1- Vô lăng, 2- Trục lái, 3- Cơ cấu lái, 4- Thanh kéo, 5- Tay đòn 6- Trục ( trụ ) đứng, 7- Trục hay ngỗng trục, 8- Bánh xe dẫn hướng Hệ thống lái cơ học loại thanh răng-bánh răng gồm có : Vành tay lái hay vô lăng 1 cố định với trục lái 2. Trục lái 2 lồng hay đặt trong ống lái và nối với trục bánh răng A của cơ cấu lái 3. Thanh kéo 4 cố định với thanh răng B của cơ cấu lái và nối bản lề với tay đòn 5. Tay đòn 5 cố định với trục hay ngỗng trục 7 của bánh xe dẫn hướng 8 và quay xung quanh trục đứng 6. Nguyên lý hoạt động: Khi thay đổi hướng chuyển động của ôtô, giả sử quay vòng sang bên trái, người lái phải quay vành tay lái hay vô lăng 1 theo chiều mũi tên hay ngược chiều kim đồng hồ, qua cơ cấu lái 3, thanh kéo 4 và tay đòn 5, làm cho trục 7 của bánh xe dẫn hướng 8 ở bên trái quay xung quanh trục đứng 6 theo chiều quay của vô lăng. Đồng thời qua thanh kéo 4’, tay đòn 5’ làm cho trục 7’ của bánh xe dẫn hướng bên phải 8’ cũng quay xung quanh trục đứng 6’ theo chiều quay của vô lăng hay bánh xe dẫn hướng bên trái 8. 2.1.3. Đánh giá về hệ thống lái cơ học loại thường ( không có trợ lực) Các hệ thống lái cơ học loại thường (không có trợ lực) đã đáp ứng được phần lớn các yêu cầu của hệ thống lái. Nhưng vẫn còn chưa được hoàn thiện lắm ở chỗ khi quay xe người lái phải sử dụng lực tương đối lớn tác dụng lên vành tay lái để làm quay bánh dẫn hướng gây ra mệt mỏi cho người lái. Chính vì thế mà hệ thống lái có trợ lực đã đáp ứng được các yêu cầu trên. 2.2. Hệ thống lái có trợ lực (không có điều khiển điện tử) 2.2.1. Khái quát hệ thống lái trợ lực Hình 2 - 3: Hệ thống lái có trợ lực Để tăng tính an toàn, các nhà chế tạo đã nghĩ ra cách tăng diện tích và giảm áp suất của lốp xe để tăng cường 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 bạn phải quay vô lăng nhiều hơn. Vậy có cách nào để vừa giảm được lực đánh lái mà không phải quay vô lăng quá nhiều. Các nhà chế tạo đã lắp thêm cho hệ thống lái các thiết bị phụ trợ gọi là hệ thống lái có trợ lực lái. Hiện có hai loại phổ biến là trợ lái thuỷ lực và trợ lái điện. Trong đó dòng xe có trợ lái thuỷ lực chiếm tỷ trọng lớn hơn. Ngoài ra chiếm một tỷ trọng nhỏ là một số loại xe trang bị hệ thống trợ lái thuỷ lực – điện EHPS (electro-hydraulic power steering). 2.2.2. Bộ trợ lực lái loại khí Cấu tạo : Hình 2 - 4: Bộ trợ lực lái loại khí 1- Xilanh; 2- Pittông; 3,7,15-Đường dẫn khí; 4-Bình chứa khí; 5-Máy nén khí; 6-Đồng hồ đo áp suất khí; 8,14-Lỗ thông với khí trời; 9,13-Van kép; 10-Đòn ngang đóng mở van kép; 11-Đòn quay dẫn động đòn ngang 10; 12,20-Thanh dẫn động; 16-Vô lăng; 17-Trục lái; 18-Cơ cấu lái (trục vít a - bánh vít b ); 19-Đòn quay đứng cố định với trục của bánh vít; 21-Cần đẩy của pittông; 22-Thanh(đòn) kéo dọc; 23-Đòn ngang; 24 Cam hay ngỗng trục; 25-Bánh xe dẫn hướng; 26-Trụ hay chốt đứng; 27-Thanh nối của hình thang lái. Nguyên lý hoạt động: Khi thay đổi hướng chuyển động của ôtô giả sử quay vòng sang bên trái, người lái xe phải xoay vành tay lái hay vô lăng 16 (theo chiều mũi tên), qua trục lái 17, cơ cấu lái 18, đòn quay đứng 19, thanh 20 dịch chuyển sang trái kéo thanh 12 và đòn 11, làm cho đòn ngang 10 đẩy van kép 9 đi xuống. Khí nén từ bình chứa 4, theo đường 7 vào buồng hay khoang A lên buồng B rồi theo đường 3 tới khoang D của xilanh 1, đẩy pittông 2 sang trái, qua cần 21, thanh 12, thanh kéo dọc 22, đòn quay ngang 23, cam hay ngỗng trục 24 làm cho bánh xe dẫn hướng 25 quay sang trái. Lúc này khoang E của xilanh1 vẫn được thông với khí trời nhờ đường 15, buồng B phẩy, buồng C phẩy và lỗ 14. Khi cần vòng xe sang phải, thì phải xoay vô lăng theo chiều ngược lại và trình tự quá trình xảy ra tương tự nhưng van kép 9 đóng đường dẫn khí từ buồng A sang buồng B, đồng thời nối thông khoang D, buồng B và buồng C với khí trời. Van kép 13 đi xuống khí từ buồng A và buồng B phẩy theo đuờng 15 vào khoang E đẩy pittông 2 sang bên phải, làm cho bánh xe dẫn hướng 25 lại quay sang bên phải . 2.2.3. Hệ thống lái trợ lực thủy lực loại bánh răng xoắn - thanh răng 2.2.3.1. Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực Hình 2 - 5: Hệ thống lái trợ lực thủy lực Hình 2 - 6: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực loại bánh răng xoắn - thanh răng 1. Bình dầu 5. Píttông trợ lực 2. Bơm cánh gạt 6. Vô lăng3. Van điều khiển 7. Động cơ4. Xi lanh trợ lực Các bộ phận chính của hệ thống lái có trợ lực thủy lực được chỉ ra trên hình vẽ. Hệ thống lái sử dụng công suất động cơ để dẫn động cho bơm trợ lực tạo ra áp suất. Khi xoay vô lăng sẽ chuyển mạch một đường dẫn dầu tại van điều khiển. Nhờ áp suất dầu này mà píttông trong xilanh trợ lực được đẩy đi và làm quay bánh xe dẫn hướng. Do vậy, nhờ áp suất dầu thuỷ lực mà lực đánh lái vô lăng sẽ giảm đi và không phải quay tay lái quá nhiều. 2.2.3.2. Bộ trợ lực thủy lực Cấu tạo: Ở hệ thống lái này, thanh răng được thiết kế hơi khác so với loại thường một chút. Một phần của thanh răng có chứa một xi lanh và một piston luôn ở vị trí giữa. Piston được nối với thanh răng. Hình 2 - 7: Cấu tạo bộ trợ lực Có hai đường ống dẫn chất lỏng ở hai bên của piston. Một dòng chất lỏng (thường là dầu thuỷ lực) có áp suất cao sẽ được bơm vào một đầu đường ống để đẩy piston dịch chuyển, hỗ trợ thanh răng chuyển dịch. Như vậy, khi bạn đánh lái sang bên nào thì cũng có sự hỗ trợ của hệ thống thuỷ lực sang bên đó. Nguyên lý làm việc: Hệ thống trợ lực lái sử dụng năng lượng của động cơ để dẫn động bơm cánh gạt, bơm này tạo ra áp suất thuỷ lực. Trục van điều khiển được nối với vô lăng. Khi vô lăng ở vị trí trung hoà (xe chạy thẳng) thì van điều khiển cũng ở vị trí trung hoà do đó dầu từ bơm trợ lực lái không vào khoang nào của xilanh trên thanh răng mà quay trở lại bình chứa. Tuy nhiên, khi vô lăng quay theo hướng nào đó thì van điều khiển thay đổi đường truyền do vậy dầu chảy vào một trong các buồng. Dầu trong buồng đối diện bị đẩy ra ngoài và chảy về bình chứa theo van điều khiển. Nhờ áp lực dầu làm dịch chuyển thanh răng mà lực đánh lái giảm đi. 2.2.3.3. Bơm trợ lực lái Cấu tạo: Hầu hết sử dụng loại bơm cánh gạt để làm bơm trợ lực vì loại này có ưu điểm kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, phù hợp với hệ thống thuỷ lực yêu cầu áp suất không lớn. Hình 2 - 8: Cấu tạo bơm trợ lực cánh gạt Bơm được dẫn động nhờ trục khuỷu của động cơ qua puly lắp ở đầu bơm để đưa dầu nén vào hộp cơ cấu lái. Lưu lượng của bơm tỷ lệ với tốc độ động cơ nhưng nhờ van điều chỉnh lưu lượng đưa dầu thừa trở lại đầu hút của động cơ mà dầu vào hộp cơ cấu không đổi, ổn định được lực đánh lái. Những loại bơm dẫn động nhờ trục khuỷu thường làm tăng phụ tải của động cơ do đó hao tốn nhiên liệu. Chính vì vậy, các nhà sản xuất đã chế tạo loại trợ lái thuỷ lực – điện EHPS (electro-hydraulic power steering) sử dụng mô tơ điện để tạo áp suất thuỷ lực, giảm lực cần thiết để điều khiển vô lăng, tiết kiệm nhiên liệu do giảm phụ tải động cơ. Một ECU kiểm soát tốc độ quay mô tơ (lượng xả của bơm) theo các thông số như tốc độ xe và góc quay của vô lăng nhờ đó hệ thống hoạt động hiệu quả hơn. Nguyên lý hoạt động: Khi roto quay, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh gạt này bị văng ra và tì sát vào một không gian kín hình ôvan. Dầu thủy lực bị kéo từ đường ống có áp suất thấp và bị nén tới một đầu ra có áp suất cao. Lượng dầu được cung cấp phụ thuộc vào tốc độ của động cơ. Hình 2 - 9: Sơ đồ nguyên lý bơm trợ lực cánh gạt Bơm luôn được thiết kế để cung cấp đủ lượng dầu ngay khi động cơ chạy không tải, và do vậy nó sẽ cung cấp quá nhiều dầu khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao. Để tránh quá tải cho hệ thống ở áp suất cao, người ta lắp đặt cho hệ thống một van giảm áp. Khi áp suất dầu quá lớn thì dầu sẽ mở van giảm áp và cho dầu chạy về khoang chứa dầu. 2.2.4. Đánh giá về hệ thống lái trợ lực không dùng điều khiển điện tử . Hệ thống lái trợ lực không dùng điện tử đã đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống lái. Giảm được lực tác dụng lên vành tay lái khi quay vòng xe, tạo cảm giác thoải mái cho người lái. Độ tin cậy cao, khi bộ trợ lực bị hỏng hóc thì hệ thống lái vẫn hoạt động bình thường như trường hợp không có trợ lực. 2.3. Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 2.3.1. Khái niệm Hệ thống lái trợ lực điều khiển bằng điện tử là hệ thống lái có khả năng tạo ra lực đẩy phụ hỗ trợ lái xe quay vành tay lái khi quay vòng. Việc điều khiển xe không hoàn toàn phải phụ thuộc vào người lái nữa, bộ trợ lực lái điều khiển bằng điện tử sẽ hỗ trợ một phần trong việc điều khiển xe, đặc biệt là lúc xe chạy với tốc độ cao thì việc điều khiển xe sẽ khó hơn, lúc này bộ trợ lực điện tử sẽ tự động điều chỉnh để cho xe có thể chạy được bình thường giảm căng thẳng cho người lái, và nâng cao độ an toàn cho người và xe. 2.3.2. Một số bộ phận của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử Hình 2 - 10: Một số bộ phận của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử Cảm biến; 2- Bộ sử lý trung tâm ECU; 3- Bơm dầu, 4- Bình dầu 2.3.3. Sơ đồ và cấu tạo bộ trợ lực lái điều khiển điện tử. Sơ đồ bộ trợ lực lái điều khiển điện tử Hình 2 - 11: Sơ đồ bộ trợ lực lái điều khiển điện tử 1,2- Các cảm biến; 3- Bộ điều khiển trung tâm ECU; 4- Môtơ trợ lực; 5- Ắc quy Cấu tạo của bộ trợ lực lái điều khiển điện tử Hình 2 - 12: Bộ trợ lực điện Bộ trợ lực lái điều kiển điện tử gồm có trục lái được chia làm hai phần. Phần trên nối với vành tay lái, phần dưới (đầu ra) được nối với thanh răng. Đầu ra là dạng bánh răng ăn khớp với thanh răng. Hai phần của trục lái không nối cứng với nhau mà có thể chuyển động tương đối với nhau. Và hai phần của trục lái được liên hệ với nhau nhờ bộ bánh răng hành tinh. Bộ bánh răng hành tinh bên ngoài có các răng được ăn khớp với bánh răng của động cơ điện. Còn bên trong là bốn bánh răng hành tinh quay quanh bánh răng trung tâm. Bánh răng trung tâm là phần cuối của trục lái. Chính nhờ có bộ bánh răng trung tâm mà tỉ số truyền của hộp số lái có thể thay đổi được. Ở thanh răng cũng được trợ lực bằng thủy lực giúp cho việc lái xe được nhẹ nhàng hơn. Bên dưới là các chi tiết của bộ trợ lực. Hình 2 - 13: Các chi tiết của bộ trợ lực lái 1 - Các bánh răng hành tinh 5 - Vòng răng ăn khớp với môtơ trợ lực 2 - Trục đầu ra nối với thanh răng 6 - Trục nối với vành tay lái 3 - Chốt 4 - Nắp 2.3.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử (hệ thống lái linh hoạt) hoạt động không như các hệ thống lái khác. Khi xe chạy với tốc độ chậm, bình thường thì việc điều khiển xe tương đối dễ dàng, lúc này bộ trợ lực điều khiển điện tử vẫn chưa hoạt động. Khi xe chạy với tốc độ cao, tình trạng mặt đường xấu và có sự thay đổi đột ngột trong khi lái như qua khúc cua với tốc độ cao, lạn lách để trách các xe khác thì lúc này bộ trợ lực điều khiển điện tử mới hoạt động để hỗ trợ cho người lái sử lý tình huống một cách dễ dàng hơn. Để biết được những sự thay đổi đó thì ở hệ thống lái này có các cảm biến để thu nhận những tín hiệu để truyền đến bộ xử lý trung tâm ECU. Có các cảm biến như cảm biến tốc độ của xe, cảm biến góc quay vành tay lái… Bộ xử lý trung tâm ECU sau khi nhận các tín hiệu từ các cảm biến sẽ xử lý các thông tin đó và đưa ra tín hiệu để điều khiển cho động cơ điện quay, làm cho bộ bánh răng hành tinh quay theo dẫn tới thanh răng sẽ được chuyển động và làm cho các bánh xe dẫn hướng quay. Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử hoạt động không phụ thuộc hoàn toàn vào sự điều khiển của người lái mà nó có thể tự điều khiển việc lái xe khi mà người lái chưa tác dụng một lực nào lên vành tay lái, tức là nó có thể xen vào tức thời để hỗ trợ cho người lái. Trên đa số các xe hơi hiện nay người ta thường phải xoay vành tay lái đến ba bốn vòng để chuyển hướng bánh xe từ cuối cùng bên trái sang tận cùng bên phải và ngược lại. Một tỷ số truyền cao nghĩa là bạn phải quay vành tay lái nhiều hơn để bánh xe đổi hướng theo một khoảng cách cho trước. Tuy nhiên một tỷ số truyền cao sẽ không hiệu quả bằng tỷ số truyền thấp. Tỷ số truyền thấp sẽ cho tay lái phản ứng nhanh hơn. Hình 2 - 14: Đồ thi thể hiện sự thay đổi tỷ số truyền Với hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử thì có thể thay đổi tỷ số truyền lái để phù hợp với từng trường hợp có thể xảy ra trong quá trình lái xe. Đặc biệt là khi xe qua chỗ cua gấp thì không cần xoay nhiều vành tay lái. (hình 2-14). Hình 2 - 15: Vết của các bánh xe ở hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử Với hệ thống lái trợ lực điều khiển bằng điện tử thì khi người lái thay đổi hướng chuyển động của xe như lúc quay vòng hay vượt lên trước xe khác thì vết của hai bánh trước và sau trùng nhau, chính điều này giúp cho lốp xe ít bị mòn và bám sát quỹ đạo quay vòng của xe. Hình 2 - 16: Vết của các bánh xe ở hệ thống lái không có điều khiển bằng điện tử Đối với các xe không dùng hệ thồng lái trợ lực điều khiển điện tử thì khi thay đổi hướng chuyển động của xe như lúc quay vòng hoặc vượt lên trước xe khác thì vết của hai bánh xe trước và hai bánh sau không trùng với nhau, nên lốp của các bánh xe mau mòn hơn và quay vòng cũng không chính xác bằng hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử và đặc biệt là lúc quay vòng ở tốc độ cao sẽ dễ bị lật xe. 2.3.5. Những ưu điểm của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử + Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử có thể thay đổi tỷ số truyền lái một cách linh hoạt tùy thuộc vào tốc độ của xe và góc quay vành tay lái. + Khi chuyển hướng xe đột ngột thì vết của hai bánh trước và sau trùng nhau tránh cho xe bị lật đổ, lốp xe bị mòn nhiều. + Không cần phải quay nhiều vòng vành tay lái khi qua khúc cua, chỉ cần một tác động nhỏ ở vành tay lái là đã tạo nên một góc xoay tương đối lớn ở bánh xe. Giúp cho người lái có cảm giác thoải mái và tự tin. + Quay vòng xe sát, giảm bớt lực tác dụng lên vành tay lái + Với hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử thì nó có thể xen vào trong một tức khắc để điều chỉnh nếu hệ thống lái có sự cố. Khi bộ trợ lực điều khiển điện tử có hỏng hóc thì hệ thống lái vẫn hoạt động bình thường. + Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử hoạt động êm dịu, độ tin cậy cao. CHƯƠNG III. ĐÁNH GIÁ ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG Ô TÔ 3.1. Phương trình quay vòng ô tô hai cầu 3.1.1. Mô hình phẳng của ô tô. Mô hình phẳng của ô tô được mô tả trên hình (3-1). Giả sử trọng tâm ô tô đặt tại mặt đường. Bỏ qua ảnh hưởng lật nghiêng thân xe dưới ảnh hưởng của lực ly tâm và hệ thống treo. jzε βt pω βt ℇ α mvε+α mv Hình 3 - 1: Mô hình tính toán động lực học cho ô tô Hệ tọa độ cố định (hệ tọa độ mặt đường) ký hiệu là Ox0y0z0. Hệ tọa độ di động (hệ tọa độ gắn với trọng tâm ô tô) ký hiệu là Txyz. Vận tốc tức thời của ô tô là v đặt tại trọng tâm T, α là góc lêch hướng chuyển động của ô tô, ℇ là góc quay tương đối của hai hệ tọa độ và cũng chính là góc quay của trục dọc ô tô khi chuyển động. Các lực tác dụng lên bánh xe bao gồm: X1,X2,X3,X4 : Là lực kéo ở các bánh xe. Pf1,Pf2,Pf3,Pf4 : Lực cản lăn. S1,S2,S3,S4 : Các phản lực bên. Ms1,Ms2,Ms3,Ms4 : Các mô men cản quay của bánh xe. Trọng tâm ô tô T đặt cách tâm trục cầu sau một đoạn là b, cách tâm trục cầu trước một đoạn là a. Chiều dài cơ sở l = a + b. Lực cản của không khí (kể cả của gió) đặt tại điểm c cách trọng tâm một đoạn e. Và chia làm hai thành phần, lực cản không khí theo phương dọc x là Pωvà lực gió bên N. Tại trọng tâm ô tô có lực: mv, mvα+ℇ: Lần lượt là lực quán tính, lực ly tâm (trong đó m là khối lượng của ô tô). Jzℇ: Là mô men quán tính xung quanh trục Tz Khi thân xe quay (Jz là mô men quán tính của ô tô đối với trục Tz đi qua trọng tâm T, ℇ là gia tốc góc quay thân xe). βt: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng. tt và ts: Lần lượt là kích thước chiều rộng vết lốp của cầu trước và cầu sau. Phương trình cân bằng các lực và mô men sẽ là: Đối với trục dọc ô tô: - mvcosα+ mvα +ℇsinα-S1+S2sinβt+X1+X2-Pf1-Pf2cosβt-Pω+X3+X4-Pf3-Pf4=0 (3.1) Đối với trục ngang ô tô: -mvsin(α) – mv(α+ℇ)Cos(α) – (S1 + S2)Cosβt + S3 + S4 + (X1 +X2 – Pf1 – Pf2 )sinβt + N = 0 (3.2) Phương trình cân bằng mô men đối với trọng tâm ô tô T: -Jzℇ + (S1 + S2)aCos(βt) – (S3 + S4) b + (S1 - S2).tt2 sinβt – (Ms1 +Ms2 + Ms3 + Ms4) + (X1 + X2 – Pf1 – Pf2)a sinβt – (X1 – X2 – Pf1 + Pf2).tt2Cosβt – (X3 – Pf3 – X4 + Pf4).ts2 + N.e = 0 (3.3) Các phương trình (3.1) (3.2) (3.3) được gọi là phương trình quay vòng của ô tô. Các phương trình này biểu thị sự chuyển động của ô tô khi bánh xe dẫn hướng lệch một góc βt. Nếu βt = 0 khi đó ô tô có thể chuyển động thẳng, ở đây coi chuyển động thẳng là một trường hợp đặc biệt của chuyển động quay vòng. Các phương trình này có dạng phương trình vi phân bậc hai đối với α,ℇ. Với các hàm kích động là các mô men, phản lực của mặt đường, của lực cản không khí, lực cản gió bên và góc đánh vành lái βt. 3.1.2. Mô hình của hệ thống lái. Mô hình được mô tả trên hình (3-2). Ta đi xác định mối quan hệ của góc quay vành lái βv và góc quay bánh xe dẫn hướng βt. Mối quan hệ này chịu ảnh hưởng của góc quay vành lái, cơ cấu lái, đòn dẫn động lái, trụ lái đứng và các bánh xe dẫn hướng. Đòn ngang Βv Cơ cấu lái Đòn quay bánh xe Vành lái Đòn quay phụ Đòn quay đứng +βt βv*=βvil Độ cứng Cl Trụ đứng Trụ đứng Hình 3 - 2: Mô hình hệ thống lái r0 : Bán kính quay vòng bánh xe quanh trụ đứng. nk: Khoảng dịch chuyển trước của đường tâm trụ đứng. ns1 ns2 : khoảng dịch chuyển sau của đường tâm phản lực bên. Cl : Độ cứng góc của hệ thống lái. Trong mô hình được biểu thị bằng phần tử đàn hồi đặt giữa đòn quay đứng và đòn ngang của dẫn động lái. il : Tỷ số truyền của hệ thống lái, coi toàn bộ tỷ số truyền il được đảm nhận trong cơ cấu lái. Trong thực tế tỷ số truyền của dẫn động lái thường bằng 0.9 đến 1.1. nx1, nx2 : Độ dịch ngang một đoạn của X1,X2 do tác dụng của lực bên S1,S2. Góc quay của đòn quay đứng (βv* được tính khi vành tay lái quay đi một góc βv). βv*=βvil (3.4) Mô men quay vành lái Mv tính chuyển về đòn quay đứng và bỏ qua hiệu suất: Mv*= Mv.il (3.5) Mv* là mômen đặt tại đòn quay đứng Nếu coi sự biến dạng của hệ thống tuân theo định luật Húc (tuyến tính) thì: Mv* = Cl(βv* - βt) (3.6) Mặt khác nếu coi C’l là độ cứng góc của hệ thống lái tính từ vành lái xuống tới bánh xe thì: Mv= C’l.( βv - il.βt ) (3.7) Qua (3.5) và (3.6) ta thừa nhận : Cl = Cl’.il2 Từ hình vẽ ta có thể xác định Mv* như sau: Mv* = (S1 + S2)nk + S1ns1 + S2ns2 + X1(r0 + nx1) - X2(r0 - nx2 ) (3.8) Ảnh hưởng của lực vòng X1,X2 đối với góc quay βt thông qua sự sai khác (X1 –X2) và (r0 + nx1), (r0 – nx2) Giả sử bỏ qua sự sai khác này của lực vòng và coi độ dịch chuyển sau ns1 = ns2 = ns thì: Mv* = (S1 + S2)(nk +ns) (3.9) Từ (3.6) và (3.9) ta viết: (S1+S2 )(nk +ns) = Cl(βv* - βt) Như vậy mối quan hệ của βt và βv* là: βt=βv*-S1+S2.nk+nsCl 3.10 Hay : βt=βvil-S1+S2.nk+nsCl 3.11 Nhờ hai mô hình ta có thể khảo sát động lực học chuyển hướng của ô tô bằng các phương trình (3.1) (3.2) (3.3) và (3.10). 3.2. Đánh giá động lực học quay vòng đều của ô tô hai cầu (Tính điều khiển tĩnh). 3.2.1 Động lực học mô hình một vệt bánh xe Khảo sát tính điều khiển và ổn định quĩ đạo chuyển động của ô tô đơn giản hơn cả là dùng mô hình phẳng một vệt bánh xe. ε α βt Vε+α mV mVα+ε Jzε V V Pω asdsad Hình 3 - 3: Mô hình phẳng một vệt của ô tô Ở mô hình này bỏ qua lực cản lăn và momen đàn hồi bánh xe. So với mô hình toàn xe hình (3-1) thì: St = S1 + S2 Ss = S3 + S4 Xt = X1 + X2 Xs = X3 + X4 Các phương trình quay vòng của ô tô cho mô hình một vệt bánh xe như sau: -mvCosα + mv(α+ε) sinα - St sinβt + XtCosβt + Xs - Pω = 0 (3.12) -mvsinα – mv((α+ε)Cosα + StCosβt + Ss + Xtsinβt + N = 0 (3.13) -Jzε + St.a.Cosβt – Ss.b + Xtsinβt.a +N.e = 0 (3.14) Trong quan hệ hình học tuyến tính giả sử α và βt nhỏ thì: sinα ≈ 0 ; Cosα ≈1 ; sinβt ≈0 ; Cos βt ≈1 ta có: -mv + Xt + Xs - Pω = 0 (3.15) -mv(α+ε) + St + Ss + N = 0 (3.16) -Jzε + St.a – Ss.b +N.e = 0 (3.17) Phản lực bên được tính : St = Cat.αt Ss = Cas.αs Trong đó : Cat,, Cas là các hệ số độ cứng góc lệch bên trung bình của bánh xe cầu trước và cầu sau. αt , αs lần lượt là góc lệch bên bánh xe cầu trước và cầu sau. αt vt βt aε α ε α bε bεv α aεv αs Tâm quay tức thời Hình 3 - 4: Quan hệ động học của mô hình một vết Từ hình vẽ ta có: αt = - α – avε + βt αs = - α + bvε Thay vào phương trình (3.15)(3.16)(3.17): Ta được -mv + Xt + Xs - Pω = 0 (3.18) -mv(α+ε) - Cat( α + avε - βt) - Cas(α - bvε) + N = 0 (3.19) -Jzε - Cat .a( α + avε - βt) + Casb(α - bvε) +N.e = 0 (3.20) Ta lại có góc quay bánh dẫn hướng được tính theo (3.10) cho mô hình một vệt như sau: βt=βv*-Stnk+nsCl 3.21 →St=-Cαtα + avε-βt =-Cαtα + avε-βv*+Stnk+nsCl →St=-Cat1+Catns+nkClα + avε-βv* Ta đặt: Cat'=Cat1+Catns+nkCl 3.22 →St=-Cat'α + avε-βv* 3.23 Ta xét trạng thái quay vòng đều nên v=0, do vậy hệ phương trình (3.18),(3.19),(3.20) chỉ còn hai phương trình chuyển động của ô tô. mvα+Cat'+Casα+mv2-Casb-Cat'aεv=Cat,βv*+N 3.24 Jzε+Cat'.a2+Cas.b2εv-Cas.b-Cat'aα=Cat'aβv* +Ne 3.25 Bỏ qua ảnh hưởng của gió thì phương trình lúc đó trở thành: mvα+Cat'+Casα+mv2-Casb-Cat'aεv=Cat,βv* 3.26 Jzε+Cat'.a2+Cas.b2εv-Cas.b-Cat'aα=Cat'aβv* 3.27 Trong quay vòng đều ở giới hạn tuyến tính thông số cần xác định là góc lệch bên của thân xe α, vận tốc góc quay thân xe ε . Phương trình (3.26) (3.27) có dạng: D1α + D2α + D3ε = D5βv* E2α + E3ε + E4ε = E5βv* Các thông số α, α, ε , ε chỉ là vi phân bậc nhất của hàm cần xác định, các hệ số trong quay vòng đều là hằng số. Hàm kích động là βv*. 3.2.2. Đánh giá tính điều khiển tĩnh của ô tô. Trong tính điều khiển tĩnh của ô tô (hay tính động lực học quay vòng đều), ở đây cần thiết xác lập mối quan hệ của các chuyển vị (α, ℇ hoặc ε) của ô tô khi quay vành lái với góc nhất định. Trong quay vòng đều, ô tô sẽ chuyển động trên quĩ đạo cong có R=const, v = const. Khi quay vòng đều trên đường có R= const, v= const, giá trị α và ε sẽ không thay đổi khi bánh xe chuyển động trước giới hạn trượt bên. βv*=const=βvt* α= const = αtm ε=const=εt Do vậy: ε=0, α=0 Phương trình (3.26) (3.27) sẽ thành: Cat'+Casαtm+1vmv2-Casb-Cat'aεt =Cat,βvt* (3.28) -Cas.b-Cat'aαtm+1vCat'.a2+Cas.b2εt =Cat'aβvt* 3.29 Từ phương trình (3.28) và (3.29) ta có thể thiết lập được mối quan hệ αtm và εt với góc quay vành lái. Ta dùng hàm truyền αβvt*; εβvt*; yβvt* để đánh giá, xác định các phản ứng của ô tô trước các giá trị góc quay vành lái. Ta quy ước viết gọn hàm truyền αβv*t; εβv*t; yβv*t. Trong đó chữ ‘t’ biểu thị tính điều khiển tĩnh của ô tô ở trạng thái quay vòng đều. 3.2.2.1. Vận tốc góc quay thân xe, hiện tượng quay vòng thừa, quay vòng thiếu. Giải phương trình (3.28) (3.29): Từ (3.28) ta có: αtm=Cat,βvt*-1vmv2-Casb-Cat'aεtCat'+Cas Thay vào (3.29) ta được: Cas.b-Cat'a1vmv2-Casb-Cat'aCat'+Cas+1vCat'.a2+Cas'.b2εt=Cat'a+Cat'Casb-Cat'aCat'+Casβvt* ⇔εtvmv2Casb-Cat'a-Casb-Cat'a2+Cat'+CasCat'.a2+Cas'.b2=Cat'aCat'+Cas+Cat'Casb-Cat'aβvt* ⇔mv2Casb-Cat'a+l2Cat'Casεt=vlCat'Casβvt* ⇔εβv*t=Cat'CaslvCat'Casl2+mCasb-Cat'av2=vl+mCasb-Cat'aCat'Caslv2 Ta đặt : k=mCasb-Cat'aCat'Casl 3.30 ⇔εβv*t=vl+kv2 3.31 (3.31) là hàm truyền của vận tốc góc quay thân xe. Nhận xét đánh giá: Ta thấy K là hệ số phụ thuộc vào các tham số kết cấu : m, a, b, l,Cat, ,Cas mà không phụ thuộc vào vận tốc và góc quay vành lái, bởi vậy nó đặc trưng cho trạng thái cấu trúc của ô tô khi quay vòng đều. K = 0 ô tô ở trạng thái quay vòng đúng. K > 0 ô tô ở trạng thái quay vòng thiếu. K < 0 ô tô ở trạng thái quay vòng thừa. K được coi là nhân tố quay vòng của ô tô. Sử dụng công thức (3.30) có thể đánh giá sơ bộ trạng thái quay vòng của ô tô khi thiết kế. Thông số k ảnh hưởng rất lớn đến tính điều khiển của ô tô. Có thể viết : εβv*t=vl11+kv2l 3.32 Đồ thị εβv*t=fv được coi là đường đặc tính tốc độ của vận tốc góc quay thân xe nhờ đồ thị này có thể đánh giá độ nhạy cảm góc quay thân xe trước góc quay vành lái ở các cấp tốc độ khác nhau. Đồ thị được biểu diễn ở hình vẽ dưới. + k = 0 sự tăng tốc độ kèm theo sự tăng tuyến tính của giá trị hàm truyền εβv*t εβv*t Hình 3 - 5: Đồ thị đặc tính tốc độ vận tốc góc quay thân xe Hình 3-5: + k > 0 Ở vận tốc v =lk thì εβv*t đạt cực trị, ô tô ở trạng thái quay vòng thiếu tại vận tốc này hàm truyền đạt cực đại. Vận tốc này được gọi là ‘vận tốc đặc trưng’ và được xác định bằng biểu thức dưới. v12=lk=Cat'Casl2mCasb-Cat'a 3.33 Tại góc quay vòng βv* nhất định, với vận tốc này ô tô ở trạng thái quay vòng thiếu có độ nhạy cảm lớn đối với góc quay thân xe. Ở trạng thái này người lái xe phải thận trọng điều khiển tốc độ của ô tô. + k < 0 Ở vận tốc v =-lk thì εβv*t có thể bằng ±∞ . Vận tốc này gọi là ‘vận tốc nguy hiểm’ được xác định bằng biểu thức dưới. v22=-lk=-Cat'Casl2mCasb-Cat'a 3.34 Chế độ làm việc của ô tô khi đó có độ nhạy cảm quá lớn đồng thời dẫn đến tăng lực ly tâm do ε tăng mạnh người lái có thể mất khả năng điều khiển. Ta thấy rằng chỉ có trường hợp ô tô có k > 0 (tức trường hợp quay vòng thiếu) giá trị hàm truyền của vận tốc góc quay thân xe mới không vượt quá một giá trị nhất định khi vận tốc tăng. Điều này đảm bảo cho ô tô ổn định khi quay vòng với tốc độ cao. 3.2.2.2. Góc lệch hướng chuyển động của ô tô (góc lệch bên). Giải phương trình (3.28) (3.29) ta được hàm truyền của góc lệch: αβv*t=Casbl-mav2Casll+kv2=εβv*tbv-mavCasl 3.35 Đồ thị biểu diễn αβv*t theo vận tốc được vẽ ở hình bên: Góc α biều thị góc lệch giữa vận tốc chuyển động tức thời của trọng tâm ô tô với trục dọc ô tô vì vậy khi giá trị của α quá lớn sẽ làm mất tính điều khiển của ô tô. Nhận xét đánh giá: + Tại v=0 thì αβv*t=bl αβv*t=0 thì v=Casblma Vượt quá tốc độ này αβv*t<0. αβv*t maCasl2v22 -maCaslk Hình 3 - 6: Đồ thị đặc tính tốc độ của góc lệch bên + Với ô tô có trạng thái quay vòng thiếu (k>0): Tại v = ∞ thì: αβv*t=-maCaslk Tại v = v1 (vận tốc đặc trưng) αβv*t=kCasb-ma2Caslk + Với ô tô có trạng thái quay vòng đúng (k = 0) thì tại v = v1 αβv*t=kCasb-maCaslk Như vậy tại vận tốc đặc trưng (v1) chuyển vị αβv*tcó giá trị gấp đôi so với ô tô ở trạng thái quay vòng thiếu + Với ô tô có trạng thái quay vòng thừa (k<0): Nếu v →v2v2=-lk thì αβv*t→±∞ khi đó ô tô chuyển động ở khu vực mất ổn định (hàm chuyển vị có xu hướng tăng lên rất lớn). 3.2.2.3. Gia tốc bên Hàm truyền gia tốc bên: Vì quỹ đạo chuyển động là tròn nên gia tốc bên của thân xe là gia tốc hướng tâm của trọng tâm. y=vεt nên: yβv*t=v2l+kv2=v2l11+kv2l 3.36 Đồ thị đặc tính tốc độ của hàm truyền gia tốc bên được biểu diễn ở đồ thị bên. yβv*t Hình 3 - 7: Đồ thị đặc tính tốc độ của gia tốc bên Nhận xét đánh giá: + Khi ô tô có trạng thái quay vòng thừa (k < 0): Tại vận tốc v2 giá trị hàm truyền có thể bằng ±∞. Ô tô lúc đó chuyển động ở khu vực mất ổn định do gia tốc bên tăng lên rất lớn. + Ở trạng thái quay vòng thiếu k > 0 thì ở v→∞ hàm yβv*t tiến tới tiệm cận có giá trị 1/k. Tức là khi ô tô chạy với tốc độ lớn thì gia tốc bên tăng không vượt quá giá trị nhất định, đảm bảo tính ổn định cho xe khi quay vòng với tốc độ cao. K > 0 → Casb – Cata > 0, nếu coi Cas = Cat thì b > a. Tức là trọng tâm đặt lên gần trục cầu trước hơn. 3.2.2.4. Đánh giá đặc tính tốc độ của xe cụ thể. Thông số xe (lấy trong tài liệu tham khảo [7]): m= 1573kg l=2.68m a=1.1m Cat'= 80000 N/rad Cas= 80000 N/rad b=1.58m Il=17 ns +nk =0.1m Ta thay βv*=βvil vào các biểu thức (3.31)(3.35)(3.36) được các hàm truyền theo góc quay vành lái βv. εβvt=Cat'CaslvCat'Casl2+mCasb-Cat'av21il=vl+kv21il αβvt=Casbl-mav2Casll+kv21il=εβvtbv-mavCasl yβvt=v2l+kv21il=v2l11+kv2l1il Sử dụng các hàm truyền đã tính toán ở trên để viết chương trình trên Matlab ta được các đường đặc tính tốc độ phía dưới. Chương trình được viết trong file dkt.m ở phần phụ lục. Hình 3 - 8: Đường Đặc tính tốc độ của εβvt(1/s)/rad Hình 3 - 9: Đường Đặc tính tốc độ của αβvtrad/rad Hình 3 - 10: Đường Đặc tính tốc độ của yβvt[(m/s2)/rad] Nhận xét đánh giá: Từ các đồ thị đặc tính tốc độ ở trên ta có giá trị hàm truyền của gia tốc bên, vận tốc quay thân xe, góc lệch hướng chuyển động ở các vị trí vận tốc bất kì của ô tô. + Tính toán ta được k = 0.0035 > 0, do vậy xe ở trạng thái quay vòng thiếu (xe đảm bảo khả năng quay vòng thiếu). + Tại v = 27.6m/s hàm truyền của vận tốc góc quay thân xe có giá trị lớn nhất bằng 0.3. Với vận tốc này ô tô có độ nhạy cảm lớn đối với góc quay thân xe. Do vậy người lái xe cần điều khiển vận tốc xe tránh vùng vận tốc này khi quay vòng để làm chủ quỹ đạo chuyển động. + Tại v = 0 giá trị hàm truyền góc lệch là 0.034 khi vận tốc tăng tới 14m/s thì giá trị hàm truyền bằng 0. Vận tốc tiếp tục tăng thì giá trị hàm truyền sẽ tiến tới -0.135. Giá trị góc lệch âm có nghĩa là nếu góc quay bánh xe theo chiều dương thì góc lệch sẽ quay theo chiều ngược lại. Khi quay vòng góc lệch không được phép quá lớn vì nó sẽ làm mất tính điều khiển của ô tô. + Giá trị hàm truyền gia tốc bên tăng theo vận tốc có xu hướng tiệm cận với giá trị lớn nhất 16.8. Khi gia tốc bên tăng làm cho lực bên tăng nếu tăng tới giới hạn nào đó ô tô sẽ bị trượt bên làm mất tính ổn định của ô tô. Do vậy khi quay vòng vận tốc ô tô phải nhỏ hơn một giá trị giới hạn để tránh trượt bên. Điều kiện để ô tô không trượt bên là: Flt < Fms (*) Trong đó: Flt = m.y = m. yβvt.βv ( lực ly tâm do gia tốc bên gây ra) Fms= f.m.g (lực ma sát giữa lốp xe và nền đường) f: Là hệ số ma sát trượt giữa lốp xe và nền đường (giả sử trong điều kiện tốt, xe chạy trên nền đường bê tông, khi đó f = 1.7 ). g: Gia tốc trọng trường (g = 9.8 (m/s2)) βv: Góc quay vành tay lái ( lấy βv = π) m: khối lượng xe ô tô. Thay hai biểu thức của Flt và Fms vào (*) ta được: yβvt<f.gβv ** Thay các giá trị của f, g, βv vào (**) ta tìm ra: yβvt<5.3 Dựa vào đường đặc tính tốc độ (3-10) khi yβvt<5.3 → v <18.8(m/s) Như vậy để ô tô không trượt bên, đảm bảo an toàn khi quay vòng với góc quay vành lái (βv = π) thì người lái xe cần điều khiển vận tốc ô tô nhỏ hơn 18.8m/s (tức 67.7 km/h ). 3.2. Đánh giá động lực học quay vòng động của xe ô tô hai cầu (Tính điều khiển động) 3.2.1. Tính điều khiển động Tính điều khiển động ô tô được khảo sát bằng các hàm chuyển vị động khi vận tốc chuyển động của ô tô không đổi. Hàm kích động là βv*t. Dạng hàm kích động là hàm bậc thang đơn vị. Trong bài toán dạng này có thể dùng hàm ngẫu nhiên. Nhưng với phạm vi lý thuyết để tìm được quy luật chuyển động ta sử dụng hàm tiền định như lý thuyết điều khiển đã chỉ ra. Bài toán tiến hành khảo sát trên mặt phẳng của đường, quá trình khảo sát sẽ thông qua bước khảo sát ổn định của hệ thống cơ học. Các hàm chuyển vị cơ bản là: α=αt,ε=εt,y=yt. Ta đi xác định quan hệ giữa các hàm mục tiêu này với hàm kích động βv*t dưới dạng hàm truyền bằng phương pháp biến đổi laplac. 3.2.1.1. Hàm truyền hệ thống Sử dụng các phương trình (3.26),(3.27) đã viết trong mô hình phẳng tuyến tính khi bỏ qua ảnh hưởng của gió ở phần trước. mvα+Cat'+Casα+mv2-Casb-Cat'aεv=Cat,βv* 3.37 Jzε+Cat'.a2+Cas'.b2εv-Cas.b-Cat'aα=Cat'aβv* 3.38 Ở phần trước ta coi βv* = const, còn ở đây coi βv* =βv*t . Do vậy tính chất bài toán là quá trình quá độ. Ta kí hiệu như sau: ε=εt ảnh là εp hàm truyền là Fεp α=αt ảnh là αp hàm truyền là Fap y=yt ảnh là yp hàm truyền là Fyp Biến đổi laplac hệ phương trình vi phân (3.37) (3.38): mvp+Cat'+Casαp+mv2-Casb-Cat'a1vεp=Cat,βv*p 3.39 Jzp+Cat'.a2+Cas.b21vεp+Cat'a-Casbαp=Cat'aβv*p 3.40 Từ phương trình (3.39) rút ra: αp=Cat,βv*p-mv2-Casb-Cat'a1vεpmvp+Cat'+Cas Thay vào (3.40) : Jzp+Cat'.a2+Cas.b21v-mv2-Casb-Cat'a1vCat'a-Casbmvp+Cat'+Casεp =Cat'a-Cat'Cat'a-Casbmvp+Cat'+Casβv*p ⟺mvJzP2+mCat'a2+Casb2+jzCat'+CasP+1vCat'+CasCat'a2+Casb2-mvCat'a-Casb-1vCat'a-Casb2εp=mvaCat'P+Cat'aCat'+Cas-Cat'Cat'a-Casbβv*p ⇔mv2JzP2+mCat'a2+Casb2+jzCat'+CasvP+Cat'Casl2+mCasb-Cat'av21v.εp=mvCat'aP+Cat'Caslβv*p ⇔εpβv*p=mv2Cat'aP+Cat'Caslvmv2JzP2+mCat'a2+Casb2+jzCat'+CasvP+Cat'Casl2+mCasb-Cat'av2 ⇔εpβv*p=mv2Cat'aP+Cat'CaslvCat'Casl2+mCasb-Cat'av2mv2JzCat'Casl2+mCasb-Cat'av2P2+mCat'a2+Casb2+jzCat'+CasvCat'Casl2+mCasb-Cat'av2P+1 ⇔εpβv*p=vl+kv2mvaPCasl+1mv2JzCat'Casl2+mCasb-Cat'av2P2+mCat'a2+Casb2+jzCat'+CasvCat'Casl2+mCasb-Cat'av2P+1 Ta đặt: δ=mCat'a2+Casb2+jzCat'+Casv2jzmv2 3.41 ω02=Cat'Casl2+mCasb-Cat'av2jzmv2 3.42 Tε=mavCasl T1=2δω02 T22=1ω02 Khi đó hàm truyền của vận tốc góc quay thân xe là: Fεp=εpβv*p=εβv*t1+Tεp1+T1p+T22p2 3.43 Tương tự tính được hàm truyền của góc lệch α : Fαp=αpβv*p=αβv*t1+Tαp1+T1p+T22p2 3.44 Sử dụng y=vα+ε hoặc yp=vεp+αp Hàm truyền của gia tốc bên : Fyp=ypβv*p=yβv*t1+T1yp+T2yp21+T1p+T22p2 3.45 Các hệ số trong biểu thức: Tα=jzvCasbl-ma2v T1y=bl T2y=jzCasl 3.2.1.2. Điều kiện ổn định của hệ thống Phương trình đặc trưng : 1+2δω02p+1ω02p2=0 →p2+2δp+ω02=0 Lập bảng Routh P2 1 ω02 P1 2δ P0 ω02 Để hệ ổn định thì tất cả các phân tử ở cột thứ nhất bảng Routh đều dương. → δ > 0 và ω02 > 0 Từ (3.41) Ta thấy δ luôn lớn hơn 0. ω02 > 0 →Cat'Casl2+mCasb-Cat'av2>0 hay: 1+kv2l>0 3.46 Nhận xét : + k > 0 biểu thức (3.46) luôn đúng, Do vậy hệ thống luôn ổn định khi cấu trúc của ô tô ở trang thái quay vòng thiếu. + k = 0 hệ thống ổn định + k < 0 thì hệ thống chỉ ổn định khi v2<-lk 3.2.2. Đánh giá chất lượng hệ thống trong điều khiển động. 3.2.2.1. Một số khái niệm Chất lượng của một hệ thống điều khiển được đánh giá qua 2 chế độ: + Quá trình quá độ: là quá trình chuyển trạng thái của hệ thống + Chế độ xác lập: là chế độ khi hệ thống có tác động đầu vào và sau khi hết quá trình quá độ thì hệ thống sẽ thiết lập một trạng thái ổn định mới. Ở đây ta đánh giá chất lượng hệ thống với hàm kích động dạng bậc thang (step), tại t = 0 hàm kích động βv(t) nhảy cóc lên giá trị βvt. Thông số xe (lấy trong tài liệu tham khảo [7]): m= 1573kg l=2.68m a = 1.1m Cat'= 80000 N/rad Cas= 80000 N/rad b = 1.58m Il =17 ns + nk =0.1m v = 15m/s Jz =2873 kg.m2 Với xe này ta có: k=mCasb-Cat'aCat'Casl=0.0035>0 Theo (3.46) hệ thống ổn định. Do vậy ta chỉ đánh giá quá trình quá độ của hệ thống. Một số tham số để đánh giá quá trình quá độ: + Thời gian lên (tr): là thời gian cần thiết để đáp ứng của hệ thống tăng từ 10% đến 90%. + Thời gian quá độ (tqđ): là thời gian cần thiết để sai lệch giữa đáp ứng của hệ thống và giá trị xác lập của nó không vượt quá 2%. Trong một hệ thống điều khiển tqđ phải nhỏ hơn (2 ÷3) chu kì dao động quanh giá trị xác lập. Hình 3 - 11: Thời gian quá độ và thời gian lên + Độ quá điều chỉnh (PO): là sai lệch cực đại trong quá trình quá độ so với giá trị xác lập, tính theo đơn vị phần trăm. Trong một hệ thống điều khiển độ quá điều chỉnh phải nhỏ hơn 25%. PO=ymax-yxlyxl.100% Hình 3 - 12: Độ quá điều chỉnh 3.2.2.2. Đánh giá quá trình quá độ của hệ thống. Thay βv*=βvil vào các biểu thức (3.43)(3.44)(3.45) ta được hàm truyền theo góc quay vành lái βv. Fεp=εpβvp=εβvt1+Tεp1+T1p+T22p 3.47 Fαp=αpβvp=αβvt1+Tαp1+T1p+T22p 3.48 Fyp=ypβvp=yβvt1+T1yp+T2yp21+T1p+T22p 3.49 Sử dụng các hàm truyền này để viết chương trình trên MATLAB. Chương trình được viết trong file dkd.m ở phần phụ lục. Sau khi chạy chương trình ta được các đặc tính quá độ. a.Đặc tính quá độ của vận tốc góc quay thân xe εβv Hình 3 - 13: Đặc tính quá độ của vận tốc góc quay thân xe Từ đồ thị ta thấy: + Giá trị xác lập là: 0.255 + Thời gian lên: tr = 0.242s + Thời gian quá độ: tqd = 0.37s. + Độ quá điều chỉnh: PO≈0 Kết luận: Quá trình quá độ hệ thống ổn định, thời gian lên và thời gian quá độ ngắn(tqd = 0.37s), độ quá điều chỉnh PO ≈0. Do vậy mà đáp ứng quá độ tốt, không cần xây dựng bộ điều khiển. b.Đặc tính quá độ của góc lệch hướng chuyển động αβv Hình 3 -14: Đặc tính quá độ của góc lệch hướng chuyển động Từ đồ thị ta thấy: + Thời gian lên: tr = 0.233 - 0.013= 0.22 (s) + Thời gian quá độ: tqđ = 0.313 (s) + Độ quá điều chỉnh: P.O. ≈0 Kết luận: Quá trình quá độ hệ thống ổn định, thời gian lên và thời gian quá độ ngắn (tqd = 0.313s), độ quá điều chỉnh PO ≈0. Do vậy mà tqd và PO nằm trong giới hạn cho phép. Vì vậy mà hệ thống không cần xây dựng bộ điều khiển. c.Đặc tính quá độ của gia tốc bên yβv Hình 3 - 15: Đặc tính quá độ của gia tốc bên Từ đồ thị ta thấy: Tại t = 0 yβv có bước nhảy với giá trị ≈3 + Thời gian lên: tr có giá trị rất nhỏ + Thời gian quá độ: tqd = 0.735s + Độ quá điều chỉnh: P.O = (ymax - yxl)/yxl = (7.9 – 3.83)/3.83 = 106% Kết luận: Quá trình quá độ hệ thống ổn định, thời gian quá độ ngắn (tqd = 0.735s), độ quá điều chỉnh PO = 106% quá lớn. Độ quá điều chỉnh lớn hơn 25%. Do vậy cần phải xây dựng bộ điều khiển để giảm độ quá điều chỉnh nằm trong phạm vi cho phép. KẾT LUẬN Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu đề tài thu được nhưng kết quả sau: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động, các bộ phận cơ bản của một hệ thống lái nói chung. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cơ cấu lái thường dùng (như cơ cấu lái: trục vít - con lăn, trục vít - ê cu - bi - cung răng, bánh răng - thanh răng). Phân tích được tác dụng của các tham số góc đặt bánh xe. Hệ thống lái cơ học loại thường và hệ thống lái có trợ lực (không có điều khiển ): Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trục vít - bánh vít, hệ thống lái bánh răng - thanh răng, hệ thống lái có bộ trợ lực loại khí nén, bộ trợ lực thủy lực, bộ trợ lực điện. Từ đó đưa ra những đánh giá về hệ thống lái đó. Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử: Tìm hiểu được các bộ phận chính, nguyên lý hoạt động, ưu điểm của một hệ thống lái có điều khiển điện tử so với hệ thống lái không có điều khiển. Xây dựng được phương trình động lực quay vòng cho mô hình toàn xe và mô hình một vệt bánh xe. Đưa ra được những hàm truyền của các tham số chuyển vị của ô tô (như góc lệch, vận tốc góc quay thân xe, gia tốc bên) ở các chế độ quay vòng đều (điều khiển tĩnh) và quay vòng động (điều khiển động). Từ đó xác định được các đường đặc tính tốc độ của xe. Trên cơ sở này đưa ra những nhận xét đánh giá phản ứng của ô tô tại các vận tốc khác nhau khi quay vòng, đưa ra những lời khuyên để đảm bảo quỹ đạo chuyển động và ổn định cho xe khi chuyển hướng. Đánh giá được độ ổn định, chất lượng quá độ của các tham số chuyển vị của xe khi quay vòng động (điều khiển động). Phương hướng phát triển đề tài: Sau quá trình thực hiện đề tài, do trình độ và thời gian có hạn nên em chỉ tập trung tìm hiểu và nghiên cứu được các vấn đề nêu trên. Vì vậy mà đề tài có thể phát triển theo phương hướng sau. Tiếp tục tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn về hệ thống lái có điều khiển điện tử. Nguyên lý cấu tạo của từng bộ phận trên hệ thống lái này. Xây dựng bộ điều khiển cho chuyển vị gia tốc bên để đảm bảo độ quá điều chỉnh cho hệ thống nằm trong phạm vi cho phép. Trong thực tế tác động của gió tới động lực học của xe khi chạy với tốc độ cao là rất lớn. Do vậy nên nghiên cứu đánh giá động lực học quay vòng có xét tới ảnh hưởng của lực cản gió bên. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lý thuyết ô tô máy kéo Nguyễn Hữu Cẩn, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê thị Vàng, Du quốc Thịnh. Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật 2005 [2]. Kết cấu và tính toán ô tô Ngô Hắc Hùng Nhà xuất bản giao thông vận tải Hà Nội – 2008 [3]. Lý thuyết ô tô Nguyễn Ngọc Lâm Nhà xuất bản giao thông vận tải Hà Nội – 1984 [4]. Tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô PTS.TS. Nguyễn khắc Trai Nhà xuất bản giao thông vận tải 1997 [5]. Bài giảng mô phỏng thiết kế hệ thống tự động ThS. An Tri Tân Trường đại học giao thông vận tải [6]. Cơ sở thiết kế ô tô PTS.TS. Nguyễn khắc Trai Nhà xuất bản giao thông vận tải [7]. Đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu ứng dụng cơ – điện tử trong hệ thống lái ô tô” SV. Trịnh Thanh Nga Lớp: Cơ - điện tử k45 Trường đại học giao thông vận tải [8]. Vehicle Dynamics and Control Rajesh Rajamani University of Minnesota, USA Website tham khảo: PHỤ LỤC File dkt.m % thong so ban dau cua xe v=0:0.2:150; % van toc xe thay doi tu 0 den 150 (m/s) m=1573; % khoi luong xe (kg) l=2.68; % khoang cach tu cau truoc toi cau sau cua xe (m) a=1.1; % chieu dai cau truoc (m) b=1.58; % chieu dai cau sau (m) il=17; % ti so truyen he thong lai nsk=0.1; % tong khoang dich chuyen truoc cua tam tru dung va khoang dich sau cua duong tam phan luc ben (m) cat=80000; % he so do cung goc lech ben cua banh xe cau truoc (N/rad) cas=80000; % he so do cung goc lech ben cua banh xe cau sau (N/rad) % tinh toan cac tham so k=m*(cas*b-cat*a)/(cat*cas*l); % cong thuc tinh k epsi=v./(il.*(l+k*(v.^2))); % ham truyen van toc goc quay than xe goclech=epsi.*((b./v)-(m*a.*v./(cas*l))); % ham truyen goc lech ben cua trong tam o to giatocben=(v.^2)./(il.*(l+k.*v.^2)); % ham truyen gia toc ben % ve do thi duong dac tinh toc do van toc goc quay than xe plot(v,epsi) title('do thi dac tinh toc do van toc goc quay than xe') xlabel('V(m/s)') ylabel('(1/s)/rad') grid % do thi dac tinh toc do goc lech ben cua trong tam o to figure plot(v,goclech) title('do thi dac tinh toc do goc lech ben cua trong tam o to') xlabel('V(m/s)') ylabel('(rad)/rad') grid % do thi dac tinh toc do gia toc ben figure plot(v,giatocben) title('do thi dac tinh toc do gia toc ben cua o to') xlabel('V(m/s)') ylabel('[(m/s2)/rad]') grid File dkd.m % thong so xe v=15; % van toc xe (m/s) m=1573; % khoi luong xe (kg) l=2.68; % khoang cach hai cau xe(m) a=1.1; % chieu dai cau truoc (m) b=1.58; % chieu dai cau sau (m) il=17; % ti so truyen he thong lai jz=2873; % mo men quan tinh cua xe (kg.m2) nsk=0.1; % tong khoang dich chuyen truoc cua tam tru dung va sau cua duong tam phan luc ben (m) cat=80000; % he so do cung goc lech ben cua banh xe cau truoc (N/rad) cas=80000; % he so do cung goc lech ben cua banh xe cau sau (N/rad) % tinh cac tham so tinh k=m*(cas*b-cat*a)/(cat*cas*l); epsi=v./(il.*(l+k*(v.^2))); goclech=epsi.*((b./v)-(m*a.*v./(cas*l))); giatocben=(v.^2)./(il.*(l+k.*v.^2)); cosi=v*(m*(cat*a^2+cas*b^2)+jz*(cat+cas))/(2*jz*m*v^2); w02=(cat*cas*l^2+m*(cas*b-cat*a)*v^2)/(jz*m*v^2); Tepsi=m*a*v/(cas*l); Tanpha=jz*v/(cas*b*l-m*a^2*v); T1y=b/l; T2y=jz/(cas*l); T1=(2*cosi)/w02; T22=1/w02; % ve do thi dac tinh qua do cua van toc goc quay than xe Fepsi=epsi*tf([Tepsi 1],[T22 T1 1]); step(Fepsi) % do thi dac tinh qua do goc lech ben Fanpha=goclech*tf([Tanpha 1],[T22 T1 1]); figure step(Fanpha) % dac tinh qua do gia toc ben Fy=giatocben*tf([T2y T1y 1],[T22 T1 1]) figure step(Fy)