MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................................................................................................................................................i
MỞ ĐẦU..................................................................................................................................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LÁI 4WS................................................................................................................................................................2
1.1. Giới thiệu chung hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS)..............................................................................................................................................................2
1.1.1. Giới thiệu chung hệ thống lái 4WS................................................................................................................................................................................................2
1.1.2. Ưu, nhược điểm của hệ thống lái 4WS........................................................................................................................................................................................11
1.1.3. Một số phương án thiết kế hệ thống lái 4WS sử dụng trên ô tô điện...........................................................................................................................................13
1.2. Hệ thống lái điện tử Steer - by - wire (SBW)...................................................................................................................................................................................15
1.2.1. Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống lái SBW.....................................................................................................................................................................................16
1.2.2. Chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW...............................................................................................................................................17
1.3. Mục tiêu, nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu của đề tài...............................................................................................................................................................19
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu.....................................................................................................................................................................................................................19
1.3.2. Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu........................................................................................................................................................................................19
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ..........................................................................................................................20
2.1. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động quay vòng của ô tô có hệ thống lái kiểu 4WS........................................................................................................20
2.1.1. Giả thiết xây dựng mô hình...........................................................................................................................................................................................................21
2.1.2. Xây dựng mô hình toán.................................................................................................................................................................................................................24
2.2. Cơ sở xác định góc quay mặt phẳng lăn bánh xe dẫn hướng cầu sau trên ô tô 4WS ...................................................................................................................26
2.2.1. Xác định góc quay mặt phẳng lăn bánh xe dẫn hướng cầu sau theo góc quay mặt phẳng lăn bánh xe dẫn hướng cầu trước..................................................27
2.2.2. Xác định góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau theo góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước và tốc độ chuyển động của xe.................................................28
2.2.3. Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau theo tốc độ chuyển động của xe và vận tốc góc quay thân xe.......................................................................................28
2.2.4. Xác định góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau theo góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước, tốc độ chuyển động của xe và vận tốc góc quay thân xe.......28
2.2.5. Mô phỏng quỹ đạo và đánh giá tính ổn định chuyển động mô hình một vết bánh xe với các quy luật điều khiển góc lái cầu sau khác nhau.............................32
2.3. Xây dựng mô hình hệ thống lái SBW...............................................................................................................................................................................................40
2.3.1. Các giả thiết xây dựng mô hình....................................................................................................................................................................................................42
2.3.2. Bộ phận vành lái............................................................................................................................................................................................................................43
2.3.3. Bộ phận điện tử.............................................................................................................................................................................................................................44
2.3.4. Bộ phận chấp hành.......................................................................................................................................................................................................................46
2.4. Phân tích chọn phương án thiết kế..................................................................................................................................................................................................48
2.4.1. Chọn phương án cơ cấu lái cầu trước..........................................................................................................................................................................................49
2.4.2. Chọn phương án dẫn động lái cầu trước......................................................................................................................................................................................53
2.4.3. Chọn phương án bố trí hệ thống lái 4WS......................................................................................................................................................................................54
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI 4WS CỦA XE MÔ HÌNH..................................................................................................................................,56
3.1. Tính toán, thiết kế hệ thống lái cầu trước.........................................................................................................................................................................................56
3.1.1. Khảo sát động học quay vòng của hệ thống lái............................................................................................................................................................................56
3.1.2. Tính toán các thông số đầu vào ban đầu......................................................................................................................................................................................61
3.1.3. Tính toán thiết kế cơ cấu lái cầu trước..........................................................................................................................................................................................64
3.2. Tính toán, thiết kế hệ thống lái cầu sau...........................................................................................................................................................................................70
3.2.1. Xác định các yêu cầu thiết kế hệ thống cơ khí.............................................................................................................................................................................70
3.2.2. Tính toán, thiết kế chi tiết và tổng thể hệ thống lái cầu sau..........................................................................................................................................................70
3.2.3. Tính toán, lựa chọn các thiết bị.....................................................................................................................................................................................................75
3.3. Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống lái cầu trước........................................................................................................................................................................79
3.3.1. Giới thiệu chung về điều khiển.....................................................................................................................................................................................................79
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái cầu trước bằng giải thuật điều khiển trượt ....................................................................................................................83
3.2.3. Mô hình mô phỏng trên Matlab - Simulink....................................................................................................................................................................................83
CHƯƠNG 4: HƯỚNG DẪN KHAI THÁC MỘT SỐ CỤM CHÍNH CỦA HỆ THỐNG LÁI XE MÔ HÌNH................................................................................................83
4.1. Bảo dưỡng hệ thống lái....................................................................................................................................................................................................................83
4.1.1. Chế độ bảo dưỡng........................................................................................................................................................................................................................83
4.1.2. Yêu cầu kỹ thuật sau khi bảo dưỡng hệ thống lái của ô tô...........................................................................................................................................................83
4.2. Tháo, lắp cơ cấu lái..........................................................................................................................................................................................................................83
4.2.1. Tháo cơ cấu lái..............................................................................................................................................................................................................................83
4.2.2. Lắp cơ cấu lái................................................................................................................................................................................................................................83
4.3. Những hư hỏng thường gặp của hệ thống lái cơ khí.......................................................................................................................................................................83
KẾT LUẬN...............................................................................................................................................................................................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................................................................................................................................................83
PHỤ LỤC.................................................................................................................................................................................................................................................83
MỞ ĐẦU
Công nghiệp ô tô là một trong các nghành công nghiệp trọng điểm của các quốc gia có nền kinh tế và khoa học công nghệ phát triển. Ở nước ta sự phát triển ngành công nghiệp ô tô đang có những bước tiến vượt bậc, dần bắt nhịp với sự phát triển của nền công nghiệp ô tô thế giới. Đứng trước tình hình hiện nay, việc tự chủ sản xuất chế tạo xe trong quân đội vừa cấp thiết, vừa mang tính thử thách rất lớn.
Nghiên cứu tính toán thiết kế các phương tiện cơ giới chạy bằng động cơ điện (xe điện) đã và đang được nghiên cứu phát triển trên thế giới, đã có các sản phẩm thương mại trên thị trường. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng xe điện sẽ từng bước thay thế một phần các phương tiện cơ giới truyền thống.
Để có thể hoàn thành nhiệm vụ thiết kế, chế tạo mô hình xe điện dẫn động bốn bánh độc lập cỡ nhỏ tương đối đồng bộ và đầy đủ, góp phần tích cực trong việc từng bước làm chủ công nghệ, tiến tới nghiên cứu chế tạo các xe điện lưỡng dụng tự hành với tính năng thông qua cao, thay thế bộ đội thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra, tuần tiễu, làm nhiệm vụ vận chuyển trong các đơn vị kỹ thuật, tích hợp vũ khí,… việc nghiên cứu tính toán thiết kế một hệ thống lái thay đổi và ổn định hướng khi xe chuyển động, tăng tính an toàn chủ động và hiệu quả khai thác của xe điện là công việc rất quan trọng. Với mục tiêu hướng tới có thể sản xuất và lắp đặt trên xe, đồng thời nâng cao kiến thức phục vụ công tác sau khi ra trường và làm mô hình học tập cho học viên khóa sau, tôi quyết định chọn đề tài: “Thiết kế mô hình hệ thống lái 4WS cho xe mô hình chạy bằng điện kiểu dẫn động bốn bánh độc lập”.
Do thời gian hạn chế, nội dung nghiên cứu rộng nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cũng như các đồng chí để đề tài hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo.
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LÁI 4WS
1.1. Giới thiệu chung hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS)
1.1.1. Giới thiệu chung hệ thống lái 4WS
Hệ thống lái trên ô tô có nhiệm vụ thay đổi mặt phẳng lăn các bánh xe dẫn hướng của các cầu dẫn hướng theo ý muốn của người lái. Trên thực tế các ô tô có thể sử dụng một hoặc nhiều cầu dẫn hướng bố trí theo các phương án khác nhau. Hệ thống lái tất cả các bánh xe trước đây được dùng trên một số xe tải, xe nhiều cầu, với phương thức quay các bánh xe cầu trước và cầu sau ngược chiều. Phương thức này cho phép giảm nhỏ bán kính quay vòng, nâng cao khả năng cơ động cho ô tô.
Hai trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau cơ bản khi chuyển động:
- Khi góc quay vành lái lớn và xe chuyển động ở tốc độ thấp (dưới 40 km/h), mặt phẳng lăn các bánh xe trước và sau quay ngược chiều nhau, trạng thái này giúp xe dễ dàng quay đầu xe, ra vào chỗ đỗ hẹp, bán kính quay vòng xe nhỏ.
- Khi góc quay vành lái nhỏ và xe chuyển động ở tốc độ cao (trên 40 km/h), mặt phẳng lăn các bánh xe trước và sau quay cùng chiều, trạng thái này đảm bảo nâng cao khả năng quay vòng thiếu của xe, tạo điều kiện nâng cao tính ổn định chuyển động khi xe hoạt động ở tốc độ cao.
1.1.1.1. Hệ thống lái 4WS cơ khí thuần túy
Đây là hệ thống 4WS đầu tiên được sử dụng cho xe ôtô con được sử dụng trên xe Honda Prelude sản xuất năm 1987 và Honda Accord năm 1989. Cấu tạo hệ thống lái 4WS kết cấu cơ khí được trình bày ở Hình 1.2. Cơ cấu lái phía trước sử dụng loại bánh răng-thanh răng. Chuyển động của vành lái được truyền tới cơ cấu lái phía sau thông qua trục lái trung tâm. Cơ cấu lái phía sau gồm một trục nối lệch tâm, bộ bánh răng hành tinh và trục điều khiển bánh xe sau.
1.1.1.2. Hệ thống lái 4WS thủy lực
Hệ thống lái 4 bánh dẫn động thủy lực thể hiện trên Hình 1.6. Dẫn động lái từ trục trước đến trục sau thông qua hệ thống thủy lực gồm các phần tử chính như: xy lanh trợ lực lái trước; van điều khiển; xy lanh thủy lực lái sau và bơm thủy lực lái phía sau.
1.1.1.3. Hệ thống lái 4WS thủy lực – điện tử kết hợp
Hệ thống lái 4WS thủy lực – điện tử kết hợp thể hiện trên Hình 1.7.
Là hệ thống lái kết hợp thủy lực với điều khiển điện tử. Cơ cấu lái phía trước sử dụng hệ thống thủy lực. Cơ cấu lái phía sau sử dụng hệ thống thủy lực điện tử hoạt động thông qua điều khiển của ECU. Trong hệ thống này ECU hoạt động dựa trên thông tin từ các cảm biến tốc độ và cảm biến vị trí vành lái. Bằng cách xử lý thông tin nhận được ECU sẽ điều khiển mô tơ bước, van phân phối làm việc theo hai trạng thái đóng mở đường dầu vào xy lanh thủy lực, đẩy các đòn ngang liên kết làm quay các bánh xe sau. Góc quay của bánh xe phía sau có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với bánh xe phía trước tùy theo tốc độ chuyển động của xe.
1.1.1.4. Hệ thống lái 4WS cơ khí - điện- thủy lực
Trên xe MAZDA 626 4WS bố trí hệ thống điều khiển tất cả các bánh xe bằng cơ khí – điện – thủy lực. Các bánh xe trước và sau đặt trên hệ treo Mc. Pherson dùng cho bánh xe dẫn hướng.
Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái 4WS loại cơ khí – điện – thủy lực thể hiện trên Hình 1.8.
1.1.2. Ưu, nhược điểm của hệ thống lái 4WS
1.1.2.1. Ưu điểm của hệ thống lái 4WS
- Phản ứng lái tốt hơn: Hệ thống lái 4WS hỗ trợ người lái xe bằng cách tự động điều khiển nhanh góc lái các bánh sau theo tốc độ chuyển động, góc quay vành lái và vận tốc góc quay thân xe, giúp xe chuyển hướng nhanh và ổn định hơn, giảm thao tác của người lái. Điều này cho phép tay lái chính xác hơn và dễ kiểm soát chuyển hướng hơn trên đường.
- Hạn chế sự mài mòn lốp: Hệ thống lái 4WS điều khiển dẫn hướng bốn bánh xe sao cho giảm tối đa sự trượt dọc và trượt ngang của các bánh xe dẫn hướng, giúp giảm sự mài mòn của lốp xuống mặt đường.
- Bán kính quay vòng nhỏ hơn so với xe có hệ thống lái thông thường: Ở tốc độ xe thấp hoặc với một lượng quay vô lăng đáng kể, bánh dẫn hướng phía sau được đánh lái theo hướng ngược lại với bánh dẫn hướng phía trước. Điều này giúp cải thiện khả năng cơ động khi đỗ xe, khi quay vòng trên các loại đường đèo hẹp.
- Chuyển làn dễ dàng: Khi xe di chuyển với tốc độ nhanh trên đường cao tốc và cần chuyển làn nhanh chóng, xe có thể dễ dàng thực hiện chuyển làn mà không cần phải bẻ lái quá nhiều.
1.1.2.2. Nhược điểm của hệ thống lái 4WS
- Kết cấu và điều khiển phức tạp.
- Giá thành cao: Hệ thống lái 4WS yêu cầu nhiều thành phần hơn trong cấu tạo so với hệ thống lái 2WS thông thường, vì vậy thường những xe trang bị hệ thống lái 4WS thường đắt tiền hơn và chủ yếu trang bị hệ thống lái 4WS trên các dòng xe cao cấp. Đây là một phần lý do cho việc áp dụng hạn chế hệ thống lái 4WS cho các dòng xe trên thị trường ô tô.
- Hạn chế về thiết kế bố trí trên ô tô: Xe trang bị hệ thống lái 4WS yêu cầu một không gian không nhỏ để lắp đặt, làm thay đổi thiết kế của xe. Một số xe có thể không đủ không gian cần thiết để chứa hệ thống và có thể ảnh hưởng đến các tính năng khác để phát triển bố trí hệ thống lái 4WS.
1.1.3. Một số phương án thiết kế hệ thống lái 4WS sử dụng trên ô tô điện
1.1.3.1. Hệ thống lái bốn bánh chủ động (Dynamic All – wheel steering) của hãng Audi
Lần đầu tiên hệ thống lái 4WS được trang bị trên các dòng xe của Audi thực hiện trên Audi – Q7 (loại 4N), được điểu khiển điện tử. Khi vận tốc xe trên 80 km/h, bánh phía sau sẽ tự động xoay cùng chiều với bánh xe trước để làm tăng hiện tượng quay vòng thiếu của xe, giúp xe ổn định chuyển động. Khi vận tốc xe dưới 50 km/h, bánh sau sẽ quay ngược chiều với bánh trước để đảm bảo xe dễ vào cua. Theo xu hướng phát triển xe thuần điện, mẫu xe Audi e-Tron GT là một trong những mẫu xe điện dẫn động bốn bánh được trang bị hệ thống lái 4WS.
1.1.3.2. Hệ thống lái bánh sau chủ động (Rear – Axle Steering) trên xe thể thao điện của hãng Porsche
Với những dòng xe hiệu suất cao, để đáp ứng cả hai yêu cầu đảm bảo ổn định chuyển động và tăng cảm giác lái, Porsche đã nghiên cứu hợp tác phát triển hệ thống lái 4WS trang bị trên xe thể thao hạng sang với nhà sản xuất thiết bị ô tô ZF của Đức. Hệ thống lái 4WS trên xe điều khiển bánh sau sử dụng hệ thống “Kiểm soát chuyển động chủ động” (AKC – Active Kinematics Control).
1.2. Hệ thống lái điện tử Steer - by - wire (SBW)
Ngày nay, các công nghệ kỹ thuật số đã có mặt ở hầu hết mọi khía cạnh của cuộc sống, các chi tiết hệ thống cơ khí sẽ dần được thay thế bằng các công nghệ điện tử tiên tiến hơn, với hiệu quả làm việc cao hơn. Trước kia, có những hệ thống cơ khí trên mà người ta tưởng chừng sẽ không thể thay thế được trên mỗi chiếc xe ô tô như: hệ thống trợ lực lái, bộ vi sai, hệ thống đánh lái…
1.2.1. Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống lái SBW
Một số hệ thống lái SBW đã được nghiên cứu hiện nay biểu diễn từ Hình 1.19 đến Hình 1.21.
Trong Hình 1.19, hệ thống lái SBW sử dụng bộ chấp hành là 2 động cơ điện có nhiệm vụ làm quay bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải, mỗi động cơ sẽ có bộ điều khiển điện tử riêng để tạo ra các góc quay bánh dẫn hướng trái và phải khác nhau để đảm bảo động lực học quay vòng đúng của ô tô (không còn hình thang lái); Cụm ly hợp đảm bảo an toàn khi xảy ra hư hỏng trong hệ thống; 01 động cơ điện tạo cảm giác lái và bộ điều khiển.
1.2.2. Chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW
Hệ thống lái SBW: Thay vì sử dụng trục lái cơ khí (đối với hệ thống lái thông thường) để truyền động tới cơ cấu lái như Hình 1.22, hệ thống lái sử dụng một bộ chấp hành lái gồm 2 động cơ điện một chiều (trong đó 01 động cơ làm nhiệm vụ tạo cảm giác lái và 01 động cơ làm nhiệm vụ quay cơ cấu lái) và bộ điều khiển điện tử (có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến góc quay vành lái và cơ cấu lái để điều khiển các động cơ điện một chiều hoạt động).
1.3. Mục tiêu, nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu của đề tài
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái 4WS trên xe mô hình chạy bằng điện kiểu dẫn động bốn bánh độc lập. Trên cơ sở mô hình này tiến hành nghiên cứu lý thuyết về động lực học hệ thống lái điện và hệ thống lái 4WS, kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình.
1.3.2. Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Phân tích lựa chọn được phương án thiết kế.
- Xây dựng phương án thiết kế.
- Thiết kế tính toán hệ thống lái 4WS.
- Kiểm nghiệm, mô phỏng một số thông số làm việc của hệ thống lái.
Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng:
- Xây dựng mô hình động lực học chuyển động quay vòng của ô tô có hệ thống lái 4WS.
- Xây dựng mô hình động lực học hệ thống lái SBW.
- Xây dựng mô hình mô phỏng quỹ đạo chuyển động mô hình một vết với các quy luật điều khiển góc lái cầu sau khác nhau.
- Xây dựng luật điều khiển cho cơ cấu chấp hành lái cầu trước
- Đưa ra phương án thiết kế, thiết kế hệ thống lái cho xe mô hình.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động quay vòng của ô tô có hệ thống lái kiểu 4WS
Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là một tính chất quan trọng đánh giá an toàn chủ động của ô tô và tính tiện nghi lái xe. Trong điều khiển động lực học ô tô, điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động đánh giá tính ổn định chuyển động, nâng cao tính an toàn chủ động của ô tô. Hệ thống điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động giúp lái xe giữ ô tô chuyển động ổn định theo quỹ đạo chuyển động mong muốn.
2.1.1. Giả thiết xây dựng mô hình
Trong trường hợp tổng quát, mô hình chuyển động của ô tô trong không gian gồm 9 bậc tự do (tọa độ suy rộng). Đối với thân xe có 6 bậc tự do: dịch chuyển theo phương thẳng đứng (phương OZ), góc quay thân xe theo trục OZ, dịch chuyển theo phương dọc (OX), góc lắc ngang của thân xe, dịch chuyển theo phương ngang (OY), góc lắc dọc của thân xe. Đối với mỗi bánh xe dẫn hướng có 3 bậc tự do: dịch chuyển theo phương thẳng đứng do sự kích thích của mấp mô mặt đường, góc quay bánh xe theo trục của nó và góc quay của bánh xe dẫn hướng quanh trụ quay đứng của hệ thống treo.
Trên hình 2.1, Ox0y0z0 là hệ tọa độ cố định (hệ mặt đường), Cxyz là hệ tọa độ di động (hệ tọa độ gắn với trọng tâm ô tô), quỹ đạo chuyển động của ô tô là một đường cong và được xác định bởi các vị trí liên tiếp của trọng tâm ô tô C.
2.1.2. Xây dựng mô hình toán
Áp dụng nguyên lý d’Alembert xây dựng được hệ phương trình vi phân mô tả động lực học chuyển động của ô tô 4WS mô hình một vết bánh xe theo hệ trục tọa độ di động gắn tại trọng tâm của ô tô.
Coi mô hình ô tô là cứng tuyệt đối, suy ra vận tốc tại mọi điểm trên ô tô bằng nhau.
Theo phương x.
Theo phương y.
Để xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô cần phải chuyển từ hệ trục tọa độ xCy gắn tại trọng tâm của ô tô về hệ trục tọa độ cố định x0Oy0.
2.2. Cơ sở xác định góc quay mặt phẳng lăn bánh xe dẫn hướng cầu sau trên ô tô 4WS
Có nhiều quy luật điều khiển góc lái của bánh xe dẫn hướng cầu sau, có thể kể đến như:
- Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau là hàm của góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước.
- Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau là hàm của góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước và tốc độ chuyển động của xe.
- Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau là hàm của tốc độ chuyển động của xe và vận tốc góc quay thân xe.
2.2.1. Xác định góc quay mặt phẳng lăn bánh xe dẫn hướng cầu sau theo góc quay mặt phẳng lăn bánh xe dẫn hướng cầu trước
Đây là quy luật điều khiển của hệ thống lái cơ khí sử dụng trên ô tô Honda Prelude 1987.
Theo [15] có thể sử dụng hàm nội suy bậc 4 để mô tả quy luật này. Các hệ số được cho trên Hình 2.3.
2.2.2. Xác định góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau theo góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước và tốc độ chuyển động của xe
Hệ thống lái bánh sau chủ động có thể điều chỉnh góc lệch hướng chuyển động của ô tô, giúp giảm góc trượt ngang của xe và cải thiện độ ổn định chuyển động của xe.
2.2.4. Xác định góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau theo góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước, tốc độ chuyển động của xe và vận tốc góc quay thân xe
Để xác định được N1, N2 cần thiết phải xây dựng được 2 phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa 2 biến này.
2.2.5. Mô phỏng quỹ đạo và đánh giá tính ổn định chuyển động mô hình một vết bánh xe với các quy luật điều khiển góc lái cầu sau khác nhau
Xe được khảo sát với các thông số mô hình như trong bảng 2.1.
Mục tiêu khảo sát:
- Khảo sát đáp ứng quỹ đạo chuyển động của ô tô với các quy luật điều khiển góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau để nâng cao ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô.
- Các trường hợp khảo sát: khi quay vòng với bán kính không đổi; khi chuyển làn đường và khi vào cua.
Trên cơ sở mô hình toán xây dựng ở mục 2.1.2, mô hình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô có hệ thống lái 4WS được xây dựng trong Matlab/Simulink.
Chương trình sẽ giả lập các thông số mô hình xe mô phỏng, giả lập các tốc độ chuyển động của xe khác nhau. Quy luật thay đổi góc quay vành lái được giả định làm điều kiện đầu vào cho bài toán mô phỏng được thể hiện trên Hình 2.5, Hình 2.6 và Hình 2.7.
Trường hợp xe quay vòng với bán kính không đổi, người lái đánh lái và giữ nguyên tay lái để góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước luôn là 30 độ. Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước khi xe quay vòng với bán kính không đổi (R = const) được thể hiện trên Hình 2.6.
Trường hợp khi xe vào cua, lái xe giữ vành tay lái ở vị trí chuyển động thẳng từ thời điểm mô phỏng đến 2s, sau đó đánh lái về một phía, góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước đạt tốc độ 10
/s đến 10 thì trả lái ngược lại cũng với tốc độ đó. Quá trình vào cua kết thúc trong 2s. Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước khi xe vào cua thể hiện trên Hình 2.7.
Kết quả mô phỏng cho thấy:
- Khi xe chuyển làn: Ở tốc độ thấp (với các giá trị giả định là 18 km/h và 36 km/h), với cùng một góc quay vành lái thì dịch chuyển ngang của xe có hệ thống lái 4WS với các quy luật điều khiển 2, 3, 4 sẽ lớn hơn, giúp cho người lái điều khiển nhẹ nhàng, linh hoạt. Do đó, để đạt được cùng một mức chuyển làn thì người lái chỉ cần đánh lái với góc quay nhỏ hơn khi xe có hệ thống lái 4WS. Khi xe chuyển động ở tốc độ cao, với cùng một góc quay vành lái thì dịch chuyển ngang của xe có hệ thống lái 4WS nhỏ hơn để xe chuyển động đảm bảo ổn định, hạn chế tối đa hiện tượng trượt bên bánh xe dẫn hướng phía sau, hạn chế sự quay mạnh thân xe.
- Khi quay vòng với bán kính không đổi ở vận tốc thấp: Khi quay vòng với góc quay vành lái không đổi và góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước bằng 30 độ, ở tốc độ xe là 18 km/h thì xe có hệ thống lái 4WS với luật điều khiển 1 có bán kính quay vòng R = 3,9mm, xe có hệ thống lái 4WS với luật điều khiển 2, 3, 4 ..
- Trường hợp khi xe vào cua: Ở tốc độ thấp (với các giá trị giả định là 18 km/h và 36 km/h), xe có hệ thống lái 4WS với quy luật điều khiển 2, 3, 4 góc cua rộng hơn (góc tạo bởi hướng chuyển động với trục OX khoảng 43 ở tốc độ 18 km/h và 50 ứng với tốc độ 36 km/h) so với xe không có hệ thống lái 4WS (khoảng 30 ứng với tốc độ chuyển động là 18 km/h và 38 ứng với tốc độ chuyển động là 36 km/h), xe có hệ thống lái 4WS với quy luật điều khiển 1 góc cua hẹp hơn so với xe không có hệ thống lái 4WS.
2.3. Xây dựng mô hình hệ thống lái SBW
Hệ thống lái SBW là một hệ thống cơ học gồm nhiều bậc tự do và liên kết phức tạp, trong mô hình động lực học thường gồm có các phần tử khối lượng và các liên kết, để xây dựng mô hình toán có thể sử dụng nhiều phương pháp như phương trình Lagrange loại 2, nguyên lý d’Alembert, phương pháp họa đồ (bond graph), phương pháp hệ thống con…
Hoạt động của hệ thống lái SBW như ở sơ đồ khối Hình 2.11 như sau:
- Hoạt động dẫn hướng: Thay vì sử dụng trục lái để truyền lực và góc đánh lái từ người lái đến cơ cấu lái (hệ thống lái truyền thống), khi lái xe quay vành lái, hệ thống sẽ thiết lập góc đánh lái làm tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển chấp hành, bộ điều khiển sẽ tính toán cung cấp điện áp cho động cơ DC M2 và đầu ra là góc quay và mô men của động cơ DC M2, làm quay trục cơ cấu lái qua hình thang lái làm quay bánh xe dẫn hướng.
- Ở chiều ngược tạo cảm giác lái: Vì không có liên kết cơ khí giữa vành lái và cơ cấu lái, do đó người lái không cảm nhận được các lực, mô men cản trong hệ thống lái. Lúc này bộ điều khiển SBW sẽ nhận tín hiệu đo góc đánh lái, góc quay bánh xe dẫn hướng và vận tốc xe đến bộ điều khiển để tính toán và cung cấp điện áp điều khiển động cơ DC M1 giúp tạo cảm giác lái phù hợp với từng điều kiện hoạt động cụ thể.
2.3.1. Các giả thiết xây dựng mô hình
Mô hình động lực học hệ thống lái SBW được thể hiện như Hình 2.12. Mô hình gồm 03 mô hình con: bộ phận vành lái; bộ phận chấp hành; liên kết giữa hai mô hình bộ phận vành lái và bộ chấp hành dẫn hướng là bộ phận điện tử.
Trong mô hình bộ phận vành lái có mô hình cơ học vật rắn và mô hình động cơ một chiều.
Các giả thiết khi xây dựng mô hình:
- Các khâu của mô hình cơ học có khối lượng tập trung tại trọng tâm
- Trong hệ thống lái SBW luôn có một số các thành phần phi tuyến trong hệ thống như mô men ma sát giữa trục vành lái và giá đỡ, trong động cơ, giữa các cụm bánh răng trong cơ cấu lái, giữa bánh xe và mặt đường.
- Hệ thống điện có điện áp nguồn ổn định; từ thông của Stato không đổi; hệ số mô men và sức phản điện động của động cơ không đổi.
- Dẫn động lái giữa bánh xe bên trái và bên phải là cơ cấu 6 khâu – 6 khớp được đơn giản hóa thành cơ cấu 4 khâu – 4 khớp (hình thang lái).
2.3.3. Bộ phận điện tử
Bộ phận điện tử bố trí trên vành lái: gồm bộ phận tạo xung tín hiệu điều khiển (điều chế xung PWM), mạch công suất điều khiển động cơ một chiều (driver cầu H) và động cơ DC M1. Sơ đồ mạch điện cho bộ phận vành lái được thể hiện như Hình 2.13.
Trong cả hai sơ đồ trên, động cơ một chiều là bộ phận chính trực tiếp điều khiển bộ phận vành lái và bộ phận chấp hành hệ thống lái. Do vậy cần xây dựng mô hình khảo sát đặc tính làm việc của chúng. Mô hình hệ thống lái thiết kế trong đồ án sử dụng động cơ điện một chiều có chổi than nam châm vĩnh cửu (PMDC), mô hình động cơ điện một chiều có chổi than nam châm vĩnh cửu có thể biểu diễn bằng mô hình trên Hình 2.15.
Phương trình (2.46) là phương trình toán của động cơ được sử dụng trong tính toán động lực học cho hệ thống lái SBW.
2.3.4. Bộ phận chấp hành
Bộ phận chấp hành được phân tích như trên Hình 2.12. Trong mô hình, động cơ điện một chiều truyền động qua hộp giảm tốc có nhiệm vụ chính cung cấp mô men T2 thay thế cho mô men đánh lái.
Từ các phương trình vi phân hệ thống lái SBW phân tích như trên, ta có thể khảo sát các trạng thái điều khiển hệ thống, thử nghiệm các bộ điều khiển khác nhau, so sánh chất lượng điều khiển, mô phỏng tình trạng làm việc của hệ thống với các điều kiện khác nhau.
2.4. Phân tích chọn phương án thiết kế
Vì vậy ngoài các yêu cầu chung đối với kết cấu ô tô, hệ thống lái còn phải thỏa mãn các yêu cầu riêng sau:
- Bảo đảm bán kính quay vòng nhỏ nhất để nâng cao tính linh hoạt cho ô tô;
- Ô tô do người lái điều khiển phải giữ đúng hướng chuyển động và có thể thay đổi hướng chuyển động theo ý muốn của người lái;
- Đảm bảo động học quay vòng đúng, nghĩa là các bánh xe khi quay vòng không xảy ra trượt ngang;
- Điều khiển thuận tiện và nhẹ nhàng khi quay vòng tại chỗ và khi chuyển động.
- Giảm các lực va đập truyền từ bánh xe dẫn hướng lên vành lái khi ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng;
- Bảo đảm sự tỉ lệ giữa lực đặt lên vành lái và sức cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng (tác dụng tùy động về lực);
- Bảo đảm sự tỉ lệ giữa lực đặt lên vành lái và sức cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng (tác dụng tùy động về lực);
- Bảo đảm sự tương ứng giữa góc quay vành lái và góc quay của các bánh xe dẫn hướng (tác dụng tùy động về động học);
- Các bánh xe dẫn hướng không xảy ra dao động xung quanh trụ đứng trong vùng vận tốc sử dụng;
2.4.1. Chọn phương án cơ cấu lái cầu trước
Cơ cấu lái là bộ phận cơ bản trong hệ thống lái, là cơ cấu sử dụng các bộ truyền bánh răng, trục vít đai ốc… để chuyển đổi mô men lái và hướng quay từ vành lái thành sự chuyển dịch tịnh tiến của dẫn động lái, thông qua hệ thống thanh đòn dẫn động lái làm xe quay vòng. Một số kiểu cơ cấu lái được kể đến như:
- Cơ cấu lái bánh răng - thanh răng:
Cơ cấu lái loại bánh răng - thanh răng được sử dụng chủ yếu trên các ô tô con loại nhỏ và trung bình, kết cấu được thể hiện trên Hình 2.17. Bánh răng có thể là bánh răng trụ hoặc răng côn (hiện nay ít được sử dụng). Cơ cấu lái gồm bánh răng chế tạo liền với trục lái và ăn khớp với thanh răng. Trục lái được quay trên các ổ bi chặn nằm trên vỏ cơ cấu lái. Độ căng của các ổ bi này được điều chỉnh bằng đai ốc điều chỉnh.
- Cơ cấu lái trục vít lõm – con lăn:
Cơ cấu lái trục vít lõm – con lăn được sử dụng rộng rãi trên các xe con, xe tải và ô tô buýt. Trục vít có dạng lõm (globoit) – đường kính ở vị trí giữa nhỏ hơn so với ngoài rìa. Con lăn có thể là loại hai ren dùng trên xe con hoặc loại ba ren dùng trên xe tải và xe buýt.
- Cơ cấu lái loại trục vít cung răng:
Cơ cấu lái loại trục vít cung răng ít được sử dụng và thường ở trên ô tô tải. Cơ cấu lái gồm trục vít trụ và cung răng đặt cạnh trục vít với răng xoắn và được lắp với trục đòn quay đứng.
2.4.2. Chọn phương án dẫn động lái cầu trước
Dẫn động lái dùng để truyền lực từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng và quay các bánh xe dẫn hướng đi những góc nhất định, bảo đảm động học quay vòng đúng của bánh xe. Dẫn động lái là hệ thống các thanh đòn thực hiện liên kết các bánh xe dẫn hướng với cơ cấu lái. Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái, được tạo bởi cầu dẫn hướng, đòn kéo ngang và các đòn bên.
- Dẫn động lái bốn khâu (Hình thang lái Đantô): đơn giản, dễ chế tạo và đảm bảo được gần đúng động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng. Nhưng cơ cấu này chỉ sử dụng trên xe có hệ thống treo phụ thuộc (lắp với dầm cầu dẫn hướng). Do đó chỉ được áp dụng cho các dòng xe tải và những xe có hệ thống treo phụ thuộc, còn trên các dòng xe con ngày nay không áp dụng.
- Dẫn động lái 6 khâu được lắp trên hầu hết các xe con có hệ thống treo độc lập lắp trên cầu dẫn hướng. Ưu điểm của dẫn động lái 6 khâu là dễ lắp đặt cơ cấu lái, giảm được không gian làm việc, có thể bố trí trợ lực lái thuận tiện ngay trên dẫn động lái.
2.4.3. Chọn phương án bố trí hệ thống lái 4WS
Với các đặc điểm nêu trên và mục tiêu, nhiệm vụ của đồ án, ta chọn phương án thiết kế bộ truyền động bánh sau là độc lập cho mỗi bánh, cơ cấu truyền động sử dụng là động cơ vít me, điều khiển điện – điện tử với những ưu điểm chính là điều khiển dễ dàng, chính xác, bố trí cơ cấu gọn.
Như vậy, cấu tạo của hệ thống lái 4WS thiết kế trong đồ án gồm 2 phần:
Phần 1: Điều khiển bánh xe dẫn hướng cầu trước bằng hệ thống lái SBW.
Phần 2: Điều khiển độc lập bánh xe dẫn hướng phía sau thông qua cơ cấu truyền động động cơ vít me, các cảm biến và bộ điều khiển điện tử.
Bố trí chung hệ thống lái 4WS cho xe mô hình được thể hiện trên Hình 2.23.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI 4WS CỦA XE MÔ HÌNH
3.1. Tính toán, thiết kế hệ thống lái cầu trước
Các thông số tính toán hệ thống lái như bảng 3.1.
3.1.1. Khảo sát động học quay vòng của hệ thống lái
Để ô tô quay vòng không trượt bên thì đường tâm kéo dài của các trục bánh xe phải cắt nhau tại một điểm, điểm này gọi là tâm quay vòng. Điều kiện động học quay vòng giữa các góc quay bánh xe dẫn hướng bên trong và bên ngoài của xe 2WS theo lý thuyết động học Ackerman khi không kể đến sự đàn hồi của lốp được xác định theo công thức
cotgβ - cotgα = B/L
Trong đó:
β : là góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài
α : là góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên trong
L : là chiều dài cơ sở của xe
B : là khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng của cầu dẫn hướng
Với B = 930 mm, L = 1500 mm. Cho α các giá trị khác nhau từ 5-400, ta có các góc α tương ứng theo bảng
Động học của hệ thống lái 4WS trang bị trên xe khá phức tạp, cụ thể là khi quay vòng, các bánh xe dẫn hướng phía sau làm việc theo hai chế độ. Khi xe ở tốc độ chuyển động thấp, người lái đánh lái thì hai bánh xe dẫn hướng phía trước sẽ quay ngược chiều với 2 bánh xe dẫn hướng phía sau nhằm giảm bán kính quay vòng của xe và tăng khả năng cơ động cho xe.
- Khi xe đi thẳng
- Khi xe quay vòng
Biểu thức (3.12) cho ta mối quan hệ giữa các góc quay của các bánh xe dẫn hướng α và β với các thông số của hình thang lái m, p, y.
Theo kinh nghiệm, chọn m = 139,5 mm
Chọn góc nghiêng sơ bộ của thanh bên hình thang theo E.A.Chuđakốp là: 69 độ.
Sử dụng phương pháp mô phỏng động học 2D hình thang lái trên phần mềm Solidworks, ta chọn được tập giá trị p = 230mm, y = 140 mm thỏa mãn gần đúng đường đặc tính hình thang lái lý thuyết.
So sánh đường cong dựng được với đường cong lý thuyết, ta nhận thấy sai lệch lớn nhất giữa đường cong được chọn với đường cong lý thuyết tính theo góc không vượt quá 10.
3.1.2. Tính toán các thông số đầu vào ban đầu
3.1.2.1. Tính mô men cản quay vòng lớn nhất
Mô men cản quay vòng ở các bánh xe dẫn hướng được xác định ở trạng thái xe quay vòng tại chỗ và chở đủ tải. Lúc đó mô men cản quay vòng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng sẽ bằng tổng mô men cản lăn của bánh xe dẫn hướng M1, mô men ma sát giữa bánh xe và mặt đường M2 và mô men ổn định gây nên bởi các góc đặt bánh xe và trụ đứng M3
- Mô men ma sát giữa bánh xe và mặt đường M2:
Khi mô men quay vòng tác dụng lên bánh xe, tại khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường sẽ xuất hiện lực ngang Y. Do lốp có tính đàn hồi nên điểm đặt của lực Y sẽ nằm cách hình chiếu của trục bánh xe một đoạn x về phía sau (Hình 3.7).
Vậy mô men cản quay vòng của cầu trước là: Mt = 88,4 [N.m].
Mô men cản quay vòng trên một bánh xe dẫn hướng cầu sau là: Ms = 71,2 [N.m].
3.1.2.2. Tính toán tỷ số truyền
Tỷ số truyền của dẫn động lái phụ thuộc vào kích thước và quan hệ của các cánh tay đòn, id = 0,85 - 1,1. Chọn sơ bộ id = 1.
3.1.2.3. Xác định lực cực đại tác dụng lên vành lái
Khi đánh lái trong tình trạng xe đang đứng yên tại chỗ thì lực đặt lên vành tay lái để thắng được lực cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng là lớn nhất.
Thay số ta được: Pmax = 61,4 [N]
3.1.3. Tính toán thiết kế cơ cấu lái cầu trước
3.1.3.1. Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng
Đối với cơ cấu lái loại bánh răng – thanh răng thì số vòng quay của vành lái bằng số vòng quay của bánh răng.
Ta có công thức tính bán kính vòng lăn của bánh răng: rp = 8,13 [mm].
3.1.3.2. Xác định thông số của bánh răng
Mô đun ngang của bánh răng: mt = 2,03
Số răng tối thiểu: Zmin = 16,19
Từ đó ta tính được các thông số của bộ truyền bánh răng:
- Đường kính vòng đỉnh: Dd = 22,38 [mm]
- Đường kính chân răng: Df = 13,38 [mm]
- Góc ăn khớp của bánh răng được chọn theo chi tiết máy: 200
- Đường kính cơ sở của bánh răng: D0 = 15,28 [mm]
- Chiều cao răng: h = 4,5 [mm]
- Chiều dày của răng trên vòng chia: S = 3,91 [mm]
3.1.3.3. Xác định kích thước và thông số của thanh răng
Đường kính của thanh răng được cắt tại mặt cắt nguy hiểm nhất:
Suy ra: d = 0,014 [m]
Để đảm bảo độ bền, chọn d = 20 [mm]
Chiều dài đoạn làm việc của thanh răng: L1 = 128,7 [mm]
Ta chọn L1 = 130 [mm].
Số răng cần thiết trên thanh răng để khi quay vòng xe không bị va chạm: Z= 20,35 răng
Chọn số răng trên thanh răng Z= 21răng
Đường kính vòng đỉnh của thanh răng: D = Dd = 20 [mm]
3.1.3.4. Tính bền cơ cấu lái bánh răng – thanh răng
* Lực vòng tác dụng lên bánh răng: Pv = Pmax . i = 136,8 [N]
* Lực hướng tâm tác dụng lên bánh răng: Pr = 272,5 [N]
* Lực dọc tác dụng lên bánh răng: Pa = 133,4 [N]
* Kiểm tra bền:
Trong quá trình làm việc bánh răng, thanh răng chịu ứng suất uốn tiếp xúc và chịu tải trọng va đập từ mặt đường. Vì vậy thường gây ra hiện tượng rạn nứt chân răng. Do đó ảnh hưởng lớn tới độ tin cậy và tuổi thọ của cơ cấu lái. Để đảm bảo được những yêu cầu làm việc cuae cơ cấu lái thì vật liệu chế tạo bánh răng, thanh răng được dùng là thép 45X được tôi cải thiện thấm các-bon
Thay các thông số vào công thức (3.26) ta được: eH = 283,86 [MPa]
Vậy: eH = 283,86 [MPa] < [eH]= 560,5 [MPa]
Do đó thỏa mãn điều kiện bền tiếp xúc.
- Kiểm nghiệm răng và độ bền uốn
Thay các thông số vào công thức (3.28) và (3.29) ta được:
eF1 = 39,26 [MPa]
eF2 = 40,49 [MPa]
Vậy điều kiện được thỏa mãn, bộ truyền bánh răng – thanh răng đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc.
3.2. Tính toán, thiết kế hệ thống lái cầu sau
3.2.1. Xác định các yêu cầu thiết kế hệ thống cơ khí
Với mục tiêu thiết kế hệ thống lái cầu sau đáp ứng yêu cầu thắng mô men cản quay vòng lớn nhất trên mỗi bánh xe là 71,2 Nm và kích thước, hình dáng xe mô hình, ta đưa ra các thông số thiết kế cho hệ thống cơ khí như bảng 3.2.
3.2.2. Tính toán, thiết kế chi tiết và tổng thể hệ thống lái cầu sau
Trên cơ sở các yêu cầu thiết kế đã nêu, tiến hành xây dựng mô hình hệ thống lái cầu sau dạng 3D trong phần mềm Autodesk Inventor Professional.
3.2.2.1. Tổng thể hệ thống lái cầu sau
Toàn bộ hệ thống lái cầu sau được thiết kế trên phần mềm. Sau khi thiết kế, hệ thống lái cầu sau có kích thước khi ở trạng thái không làm việc là 958,5x142x295 mm, có khối lượng 5,8 kg.
3.2.2.2. Thiết kế các chi tiết cơ khí
a) Cụm khớp xoay
Khớp xoay liên kết cụm xy lanh điện với gá khớp xoay, giúp cho cơ cấu chấp hành dẫn động lái có thể di động tùy vào điều kiện mấp mô mặt đường và tải trọng xe khác nhau.
b) Cụm xy lanh điện
Cụm xy lanh điện là phần cơ cấu chấp hành của hệ thống lái cầu sau. Gồm một đầu là khớp rô tuyn cầu liên kết với đòn quay bánh xe dẫn hướng, một đầu có khớp xoay. Cụm xy lanh được dẫn động bằng động cơ và vít me.
d) Chụp vít me
- Chức năng: Liên kết vít me bi và thanh trượt chính, khớp trượt của thanh trượt phụ.
- Yêu cầu: Có độ cứng nhất định đảm bảo không bị uốn trong quá trình chuyển động, chế tạo đơn giản để giảm giá thành và dễ dàng sửa chữa thay thế sau này, có dung sai lắp ghép phù hợp với vít me, thanh trượt chính và con trượt có độ phẳng nhất định tại các bề mặt lắp ghép, có khối lượng nhẹ.
e) Gá động cơ
- Chức năng: Cố định chắc động cơ
- Yêu cầu: Có độ cứng nhất định đảm bảo không bị xê dịch trong quá trình hệ thống hoạt động, chế tạo đơn giản để giảm giá thành và dễ dàng sửa chữa thay thế sau này, có dung sai lắp ghép phù hợp với động cơ, có độ phẳng nhất định tại các bề mặt lắp ghép, có khối lượng nhẹ.
Từ yêu cầu làm việc và chức năng ta thiết kế gá động cơ bằng vật liệu thép C45 được phay giảm khối lượng và ta rô các vị trí liên kết.
h) Khớp nối
- Chức năng: Liên kết động cơ chấp hành với cụm khớp xoay.
- Yêu cầu: Có độ bền nhất định đảm bảo không bị phá hủy trong quá trình hoạt động của hệ thống lái cầu sau, chế tạo đơn giản để giảm giá thành và dễ dàng sửa chữa thay thế sau này, có dung sai lắp ghép phù hợp với chốt, có độ phẳng nhất định tại các bề mặt lắp ghép, có khối lượng nhẹ.
- Sử dụng vật liệu thép C45 để chế tạo.
3.2.3. Tính toán, lựa chọn các thiết bị
3.2.3.1. Lựa chọn động cơ
Động cơ là bộ phận chính dẫn động toàn bộ hệ thống lái cầu sau. Với yêu cầu đặt ra và mô hình hệ thống lái cầu sau đã chọn thì động cơ DC Servo sẽ là lựa chọn tối ưu nhất cho đồ án vì dễ điều khiển và hoạt động êm nhẹ. Tuy nhiên động cơ có giá thành cao nên đồ án lựa chọn động cơ bước có giá thành rẻ, kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển và mô men xoắn tương đối lớn, độ chính xác cao.
Ta chọn được động cơ bước PFDE 57BYG250D phù hợp với các thông số như bảng 3.3.
3.2.3.2. Lựa chọn vít me
Với yêu cầu hệ thống chạy êm nhẹ, độ chính xác cao, phương án được chọn truyền động là vít me bi. Đây là loại vít me có các viên bi hoạt động khớp với đai ốc trượt và các rãnh xoắn ốc trên vít me, nhờ vậy vít me hoạt động trơn tru và êm nhẹ hơn.
Với bước ren đã tính được, ta lựa chọn vít me bi loại SFU1204 với các thông số như bảng 3.4.
3.2.3.3. Lựa chọn gối đỡ vít me
Với vít me bi đã được chọn, ta chọn được gối đỡ vít me tương ứng với các thông số.
3.2.3.5. Lựa chọn gối trượt
Để hệ thống lái di chuyển được êm, nhẹ, không gây tiếng ồn lớn, ta lựa chọn gối trượt bi LMF25UU.
3.3. Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống lái cầu trước
3.3.1. Giới thiệu chung về điều khiển
Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái trước bao gồm: Thiết kế bộ điều khiển động cơ DC M1 tạo cảm giác lái và thiết kế bộ điều khiển động cơ DC M2 chấp hành dẫn hướng. Trong nội dung đồ án chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho bộ phận chấp hành.
3.3.1.1. Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển
Định nghĩa điều khiển: Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người.
* Điều khiển kinh điển (classical control)
Lý thuyết điều khiển kinh điển (trước 1960) mô tả hệ thống trong miền tần số (phép biến đổi Fourier) và mặt phẳng s (phép biến đổi Laplace). Do dựa trên các phép biến đổi này, lý thuyết điều khiển kinh điển chủ yếu áp dụng cho hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian, mặc dù có một vài mở rộng để áp dụng cho hệ phi tuyến, thí dụ phương pháp hàm mô tả. Lý thuyết điều khiển kinh điển thích hợp để thiết kế hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (SISO: single-input/single-output), rất khó áp dụng cho các hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO: multi-input/multi-output) và các hệ thống biến đổi theo thời gian.
* Điều khiển hiện đại (modern control)
Từ khoảng năm 1960 đến nay, kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại dựa trên miền thời gian. Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng thái. Mô hình không gian trạng thái có ưu điểm là mô tả được đặc tính động học bên trong hệ thống (các biến trạng thái) và có thể dễ dàng áp dụng cho hệ MIMO và hệ thống biến đổi theo thời gian, Lý thuyết điều khiển hiện đại ban đầu được phát triển chủ yếu cho hệ tuyến tính, sau đó được mở rộng cho hệ phi tuyến bằng cách sử dụng lý thuyết của Lyapunov.
* Điều khiển thông minh (intelligent control)
Điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại, gọi chung là điều khiển thông thường (conventional control) có khuyết điểm là để thiết kế được hệ thống điều khiển cần phải biết mô hình toán học của đối tượng. Trong khi đó thực tế có những đối tượng điều khiển rất phức tạp, rất khó hoặc không thể xác định được mô hình toán. Các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏng/bắt chước các hệ thống thông minh sinh học, về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống, do đó có khả năng ứng dụng thực tế rất lớn.
3.3.1.2. Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển. Hệ thống điều khiển trong thực tế rất đa dạng, sơ đồ khối trên là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp nhất.
3.3.1.3. Bộ điều khiển trượt (Sliding mode control)
Điều khiển trượt là bộ điều khiển hiệu quả sử dụng trong việc điều khiển bám và ổn định cho cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến với giới hạn nhiều đầu vào.
* Quỹ đạo pha của hệ thống điều khiển trượt:
Quỹ đạo pha của hệ bậc hai như hình 3.25.
* Đặc điểm của điều khiển trượt
- Để tính toán thành phần điều khiển tương đương của điều khiển trượt đòi hỏi phải biết đầy đủ các hàm danh định của đối tượng, và để tính toán thành phần điều khiển bền vững cần phải biết các chặn trên của hệ thống và nhiễu. Hàm dấu sign() trong thành phần điều khiển trượt cổ điển tạo nên hiện tượng đảo cực trong tín hiệu điều khiển, cộng với hiện tượng trễ vật lý của các đối tượng được điều khiển tạo nên hiện tượng chattering (dao động của các quỹ đạo pha xung quanh mặt trượt).
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái cầu trước bằng giải thuật điều khiển trượt
Trong nghiên cứu lý thuyết để xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống lái SBW cầu trước, nhận thấy phương pháp điều khiển trượt có thể sử dụng trong trường hợp có tính đến các thành phần bất định trong phương trình động lực học của hệ thống lái, cũng như các tác động phi tuyến không xác định của các lực ma sát kể đến trong hệ thống và mô men cản lăn của bánh xe dẫn hướng. Việc thiết kế bộ điều khiển trượt cho nhiệm vụ điều khiển bộ phận chấp hành được lựa chọn và phát triển trong nội dung đồ án.
Hình 3.26 biểu diễn sơ đồ điều khiển bộ phận chấp hành bao gồm: Bộ điều khiển động cơ DC M2, động cơ DC M2, mô hình bộ phận chấp hành. Đầu vào của bộ điều khiển gồm tín hiệu góc quay vành lái , điện áp V điều khiển động cơ DC M2; đầu ra là góc quay bánh xe dẫn hướng, góc quay động cơ DC M2.
3.2.3. Mô hình mô phỏng trên Matlab - Simulink
Thông số mô phỏng bộ chấp hành như bảng 3.9.
Mô hình mô phỏng hệ thống lái sử dụng Matlab/Simulink được biểu diễn trên Hình 3.27 với các thông số được trình bày trong Bảng 3.9.
Trong cụm chấp hành dẫn hướng hệ thống lái cơ khí, khi trục lái quay một góc bất kỳ thì bánh xe dẫn hướng quay một góc tương ứng, với tỉ lệ là tỉ số truyền của hệ thống lái, trong trường hợp xe mô phỏng có tỉ số truyền cơ cấu lái là 20.
Bộ phận chấp hành của hệ thống lái SBW được mô tả bởi hệ phương trình (2.43), với các tham số của hệ thống được trình bày trong Bảng 3.9 cũng cần đảm bảo một tỉ số truyền giống như hệ thống lái cơ khí. Tức là với góc quay của trục động cơ DC M2 bất kỳ thì góc quay của bánh xe dẫn hướng thu được thông qua việc giải các phương trình vi phân của hệ (2.43) cũng phải tương ứng tỉ lệ là tỉ số truyền của hệ thống lái.
Kết luận: Trên cơ sở mô hình đã xây dựng, cần xây dựng bộ điều khiển bộ phận chấp hành để đảm bảo cho bánh xe dẫn hướng quay bám theo góc quay mong muốn phụ thuộc vào góc quay vành lái. Mô hình động lực học bộ phận chấp hành hệ thống lái cầu trước là mô hình phi tuyến mạnh, đồ án lựa chọn bộ điều khiển trượt để xây dựng luật điều khiển, luật điều khiển được chứng minh dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov. Kết quả mô phỏng là cơ sở ban đầu để kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình hệ thống và đánh giá bộ điều khiển. Kết quả cho thấy sự sai lệch giữa góc quay mong muốn và góc quay thực tế của bánh xe dẫn hướng là nhỏ, điều đó khẳng định hiệu quả của luật điều khiển thiết kế.
Nhược điểm của phương pháp điều khiển thiết kế là cần một số lượng cảm biến lớn để xác định các thông số đầu vào cho bộ điêu khiển tính toán và phải biết chính xác mô hình động lực học hệ thống.
CHƯƠNG 4: HƯỚNG DẪN KHAI THÁC MỘT SỐ CỤM CHÍNH CỦA HỆ THỐNG LÁI XE MÔ HÌNH
4.1. Bảo dưỡng hệ thống lái
4.1.1. Chế độ bảo dưỡng
Mục đích của bảo dưỡng là giữ gìn bề ngoài của hệ thống, làm giảm sự hao mòn nhanh chóng của các chi tiết, phòng ngừa các hư hỏng có thể xảy ra do đó có thể kéo dài thời gian phục vụ của ô tô nói chung, hệ thống lái nói riêng. Các công việc bảo dưỡng được thực hiện theo định kỳ, theo một biểu đồ kế hoạch đã được lập trước.
Bảo dưỡng hệ thống lái cũng phải tuân thủ theo quy định đầy đủ các cấp bảo dưỡng kỹ thuật ô tô là:
- Bảo dưỡng rà trơn;
- Bảo dưỡng thường xuyên;
- Bảo dưỡng đặc biệt;
- Bảo dưỡng định kỳ:
+ Bảo dưỡng định kỳ cấp 1.
+ Bảo dưỡng định kỳ cấp 2.
* Bảo dưỡng rà trơn:
Là bảo dưỡng xe sau khi mới xuất xưởng, xe vừa sửa chữa lớn về.
* Bảo dưỡng định kỳ cấp 1 (sau 5000 km):
Làm đầy đủ các nội dung của bảo dưỡng thường xuyên và làm thêm một số công việc sau đây:
- Kiểm tra và xiết chặt lại các đai ốc, thanh lái dọc, thanh lái ngang và các khớp nối. Kiểm tra các chốt chẻ.
- Kiểm tra độ rơ vành tay lái và độ rơ của các khớp thanh lái dọc, thanh lái ngang và trợ lực lái.
- Kiểm tra việc lắp đặt cơ cấu lái trên khung xe.
- Kiểm tra sự lắp đặt đòn quay đứng với trục đòn quay đứng.
* Bảo dưỡng định kỳ cấp 2 (sau 20.000 km):
Làm đầy đủ các nội dung của bảo dưỡng định kỳ cấp 1 và làm thêm một số nội dung sau:
- Kiểm tra độ rơ trụ đứng, cam quay vòng.
- Kiểm tra dầu và nếu cần thiết thì thay dầu trong hệ thống trợ lực và cơ cấu lái.
- Kiểm tra và điều chỉnh độ rơ các khớp cầu của các thanh lái và bơm mỡ đầy đủ vào các khớp.
4.1.2. Yêu cầu kỹ thuật sau khi bảo dưỡng hệ thống lái của ô tô
Sau bảo dưỡng, tiến hành thử xe và kết hợp kiểm tra tình trạng kỹ thuật của hệ thống lái.
* Yêu cầu:
+ Toàn bộ hệ thống phải sạch sẽ, các bộ phận các cụm chi tiết phải đồng bộ, lắp ghép chắc chắn, phải có đủ ốc hãm, chốt hãm.
+ Đánh tay lái nhẹ nhàng, linh hoạt, vành tay lái phải tự động trả về vị trí xe đi thẳng sau khi không còn tác động lực trên vành tay lái.
4.2. Tháo, lắp cơ cấu lái
4.2.1. Tháo cơ cấu lái
1. Kẹp cơ cấu lái trên ê tô.
2. Tháo thanh dẫn động lái: nới lỏng đai ốc khóa, trước khi nới lỏng phải đánh dấu ghi nhớ vị trí lên thanh rô tuyn lái ngoài và thanh rô tuyn lái trong. Sau đó tháo thanh nối và đai ốc khóa.
3. Tháo cao su che bụi: trước tiên tháo các kẹp, sau đó tháo cao su che bụi đồng thời đánh dấu cao su bên trái và bên phải.
9. Tháo phanh hãm.
10. Tháo trục răng cùng ổ bi trên, dưới.
11. Tháo thanh răng.
4.2.2. Lắp cơ cấu lái
1. Bôi mỡ gốc molyden disunphua liti vào các vị trí: toàn bộ trục răng, thanh răng, ổ lăn, khớp rô tuyn lái, bạc, dẫn hướng thanh răng.
2. Lắp thanh răng vào trong vỏ hộp lái.
3. Lắp trục răng vào vỏ, cùng với ổ bi trên, dưới và các đệm.
9. Lắp đầu thanh răng và đệm vấu.
10. Lắp cao su che bụi, sau đó lắp kẹp cho chặt.
11. Lắp đầu thanh răng: xoay đai ốc hãm và thanh dẫn động lái vào đầu thanh răng đến khi khớp dấu được đánh ban đầu. Sau khi điều chỉnh độ chụm, xiết đai ốc khóa.
12. Kiểm tra sau khi lắp đặt.
4.3. Những hư hỏng thường gặp của hệ thống lái cơ khí
Một số hư hỏng thường gặp, nguyên nhân và cách khắc phục của hệ thống lái cơ khí có cơ cấu lái bánh răng – thanh răng như bảng 4.1.
KẾT LUẬN
Qua một thời gian thu thập số liệu, tài liệu, sự nỗ lực của bản thân cùng với sự chỉ bảo, giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn: TS. ……………….và các thầy giáo trong Bộ môn Xe Ô tô – Viện Cơ khí Động lực, sự giúp đỡ tạo điều kiện của chỉ huy đơn vị, bạn bè cùng lớp, đến nay đồ án đã hoàn thành với những nội dung chính sau:
Trong chương 1 đồ án đã giới thiệu chung về hệ thống lái 4WS, hệ thống lái SBW. Chương 2 tập trung đi sâu vào xây dựng cơ sở lý thuyết và phân tích chọn phương án thiết kế hệ thống lái 4WS làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế, xây dựng luật điều khiển cho hệ thống lái của xe mô hình. Trong chương 3 tiến hành tính toán thiết kế hệ thống lái cho xe mô hình chạy bằng điện kiểu dẫn động bốn bánh độc lập. Quá trình tính toán đã đưa ra các thông số và mô hình cơ bản hệ thống lái của xe mô hình đảm bảo yêu cầu điều kiện làm việc và đủ bền. Chương 4 tập trung giới thiệu về việc hướng dẫn khai thác hệ thống.
Tuy nhiên do điều kiện thời gian, điều kiện thực tế cũng như khả năng có hạn của bản thân nên đồ án không tránh khỏi những sai sót. Tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến, chỉ bảo của các thầy giáo cũng như bạn bè đồng đội để đồ án của tôi hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo: TS. ………………. cùng các thầy trong Bộ môn Xe Ô tô – Viện Cơ khí Động lực đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành nhiệm vụ trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn./.
Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 20...
Học viên thực hiện
..........................
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1]. Nguyễn Hữu Cần – Phan Đình Kiên, Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo (tập 2), Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1971.
[2]. Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (tập 1), Nhà xuất bản giáo dục 2006.
[3]. Nguyễn Phúc Hiểu – Vũ Đức Lập, Lý thuyết ô tô Quân sự, Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân, Hà Nội 2002.
[4]. Vũ Đức Lập, Kết cấu và tính toán ô tô (tập 2), Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội 2015.
[5]. Nguyễn Trường Sinh, Vẽ kỹ thuật cơ khí, Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân, Hà Nội 2014.
[6]. Nguyễn Khắc Trai, Tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Hà Nội 1997.
[7]. Nguyễn Khắc Trai – Nguyễn Trọng Hoan – Hồ Hữu Hải – Phạm Huy Hường – Nguyễn Văn Chưởng – Trịnh Minh Hoàng, Kết cấu Ô tô, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, Hà Nội 2020.
[8]. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thịnh, Nghiên cứu quy luật điều khiển góc lái bánh xe cầu sau của ô tô có 4WS, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội 2012.
[9]. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Thạo, Nghiên cứu động lực học quay vòng ô tô bốn bánh dẫn hướng, Trường Đại học Giao thông vận tải, Hà Nội 2016.
[10]. Luận án Tiến sĩ Trần Văn Lợi, Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện trên ô tô con, Trường Đại học Giao thông vận tải, Hà Nội 2017.
Tiếng Anh:
[1]. P. Brabec, M. Maly, R. Vozenilek, Controls System of Vehicle Model with Four Wheel Steering (4WS), applied sciences, 10/6/2004.
[2]. M. Harrer and P. Pfeffer (eds.), Steering Handbook, Springer International Switzerland 2017.
[3]. Andrew Sparrow, Phil Rowsell and Theo Wisniewski, Four – Wheel Steering, Washington University Open Scholarship, Fall 2016.
[4]. Pengcheng Zhou, Chuanbo Ren *, Lingju Meng, Yajie Chen and Yang Nan, Study on the Multi – Mode Optimal Control of Four – Wheel Steering Vehicle, applied sciences, 12/7/2022
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"