BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

VÕ DUY MINH

NGHIÊN CỨU, LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN
Ô TÔ, THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU
KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HCM 09 - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

VÕ DUY MINH

NGHIÊN CỨU, LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN
Ô TÔ, THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU

KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
MÃ SỐ: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN VĂN TRUNG

TP. HCM 09 - 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22

tháng 09 năm 2017


ii

LỜI CẢM ƠN
Học viên xin chân thành cảm ơn sâu sắc TS. TRẦN VĂN TRUNG đã tận
tình hướng dẫn hết lịng và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng q giá định hướng
giúp học viên hoàn thành nội dung khoa học của luận văn.
Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô Khoa Kỹ Thuật

Động Lực (Cơ Khí Ơ Tơ) trường Đại học Giao Thơng Vận Tải Thành phố Hồ Chí
Minh đã tận tình giúp đỡ học viên, góp phần vào sự thành cơng của luận văn.
Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám đốc, q Trưởng
phịng hành chính Nhà Máy Đường An Khê chi nhánh Công Ty Cổ Phần Đường
Quảng Ngãi
Thành cơng của luận văn, học viên cịn biết ơn sâu sắc đến những người thân
trong gia đình, những bạn bè đồng nghiệp đã hỗ trợ động viên học viên trong suốt
thời gian thực hiện luận văn này.


iii

TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, sự phát triển của lĩnh vực điện tử được ứng dụng
rộng rãi trên ô tơ nhằm đáp ứng hầu hết các địi hỏi ở một ô tô hiện đại như: tăng
công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm khí thải độc haị, tăng tính an tồn
và tiện nghi của ơ tơ. Vì tính gọn nhẹ, thời gian đáp ứng nhanh, khả năng xử lý tốt
các tình huống là những đặc tính ưu việt của việc ứng dụng điện tử để tự động điều
khiển các hệ thống trên ô tô. Chúng đã từng bước thay thế những kỹ thuật điều
khiển tự động thuần cơ khí.
Hệ thống lái trên ơ tơ là một điển hình. Hiện nay việc sử dụng hệ thống lái trợ
lực điện để dẫn hướng bánh xe trên ô tô ngày càng được quan tâm. Bởi nó góp phần
vào việc sử dụng hiệu quả đảm bảo độ tin cậy cao và an tồn trong sử dụng.
Luận văn đã trình bày nghiên cứu cơ bản lý thuyết điều khiển lái có trợ lực
và chế tạo mơ hình HTL có trợ lực bằng điện. Ứng dụng bộ vi điều khiển Arduino
thay thế ECU trợ lực lái để điều khiển hệ thống trên nền tảng kết cấu của hệ thống
lái trợ lực điện có sẵn, ngồi ra luận văn cịn đánh giá thực nghiệm quá trình làm
việc của hệ thống với bộ điều khiển thiết kế mới thông qua việc so sánh với ECU
nguyên bản của xe.
Kết quả của luận văn có thể dùng để tham khảo trong việc lựa chọn phương

án tính tốn thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống lái trợ lực điện kiểu tích hợp bộ
điều khiển trên ơ tơ. Nội dung của luận văn cịn có thể dùng làm tài liệu giảng dạy
và nghiên cứu cho các đối tượng là sinh viên, học sinh chuyên ngành kỹ thuật cơ
khí động lực của các trường đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp và có thể
làm tài liệu tham khảo cho cán bộ, công nhân kỹ thuật chuyên ngành. Mơ hình được
chế tạo từ đề tài có thể dùng để giảng dạy về hệ thống lái trợ lực điện – điện tử và
có thể phục vụ cho việc nghiên cứu nâng cao về điều khiển lái tự động ( không
người lái).
Cấu trúc luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết


iv

Chương 3: Lập trình điều khiển hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô
Chương 4: Thiết kế,chế tạo bộ điều khiển mơ hình hệ thống lái trợ lực điện và kiểm
nghiệm
Chương 5: Kết luận
Tài liệu tham khảo


v

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. ii
TÓM TẮT ................................................................................................................... iii

MỤC LỤC .................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .................................................................................. viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................ ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH .......................................................................................... x
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 1
1.1 Lý do thực hiện và tính cấp thiết của đề tài ...................................................... 1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ...................................................... 2
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước ......................................................... 2
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 2
1.3 Mục tiêu và nhiêm vụ nghiên cứu ............................................................... …..4
1.4 Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................. 4
1.5 Hướng nghiên cứu .................................................................................................... 5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG LÁI.................................................. 6

2.1 Vai trò của ô tô đối với sự phát triển kinh tế - xã hội ........................................ 6
2.2 Vài nét về vấn đề giao thơng và vai trị của hệ thống lái .................................. 7
2.3 Khái quát về hệ thống lái ................................................................................... 9
2.3.1 Công dụng,yêu cầu,phân loại ................................................................ 9
2.3.2 Đặc điểm kết cấu hệ thống lái ............................................................. 10
2.3.2.1 Hệ thống lái khơng có trợ lực .................................................. 10
2.3.2.2 Hệ thống lái có trợ lực ............................................................. 11
2.3.2.3 Các phương pháp bố trí trợ lực lái ........................................... 13
2.4 Động lực học quay vịng của ơ tơ .................................................................. 14


vi

2.4.1 Phương trình động lực học .................................................................. 14
2.4.2 Các trạng thái quay vòng của xe ......................................................... 18
2.4.3 Các yếu tố kết cấu và sử dụng ảnh hưởng tới lực lái,tính năng ổn định

và tính năng dẫn hướng của hệ thống lái ..................................................... 21
2.4.3.1 Các góc đặt bánh xe ................................................................. 21
2.4.3.2 Góc Camber (góc nghiêng ngang của bánh xe) ....................... 23
2.4.3.3 Góc Caster và khoảng Caster ................................................... 26
2.4.3.4 Góc Kingpin (góc nghiêng ngang trụ đứng) ............................ 29
2.4.3.5 Độ chụm và độ mở (góc dỗng) .............................................. 32
CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN
TRÊN Ô TÔ ............................................................................................................... 33
3.1 Phân tích đặc điểm và kết cấu ......................................................................... 33
3.1.1 Trợ lực thủy lực điều khiển với van điện từ ........................................ 33
3.1.1.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực
thực hiện điều khiển lưu lượng. ........................................................... 33
3.1.1.2 Hệ thống trợ lực thủy lực với van điện từ trên mạch dầu van
trợ lực lái. ............................................................................................. 34
3.1.1.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ tại cửa vào ra của
van trợ lực. ........................................................................................... 37
3.1.1.4 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với cách thay đổi tốc độ bơm trợ
lực lái.................................................................................................... 37
3.1.2 Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử ...................................................... 40
3.1.2.1 Trợ lực trên trục lái .................................................................. 42
3.1.2.2 Trợ lực trên cơ cấu lái .............................................................. 49
3.1.3 Cảm biến trong hệ thống trợ lực lái điện – điện tử ............................. 52
3.2 Các phương pháp điều khiển ........................................................................... 59
3.2.1 Phương pháp điều khiển lưu lượng (Flow Control Method) .............. 59
3.2.2 Phương pháp điều khiển mạch tách qua xilanh trợ lực(Cylinder
Bypass Control Method) .............................................................................. 59


vii


3.2.3 Phương pháp điều khiển đặc tính van (Valve Characteristics Control
Method) ........................................................................................................ 59
3.2.4 Phương pháp điều khiển phản lực dầu (Hydraulic Reaction Force
Method) ........................................................................................................ 60
3.3 Giới thiệu giải thuật điều khiển PID ................................................................ 60
3.4 Bộ vi điều khiển ARDUINO - UNO ............................................................... 63
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ,CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ
LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ. THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC
ĐIỆN VÀ KIỂM NGHIỆM ....................................................................................... 66
4.1 Thiết kế,chế tạo bộ điều khiển hệ thống lái trợ lực điện ................................. 66
4.1.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................. 66
4.2 Thiết kế mơ hình hệ thống lái có trợ lực điện ................................................. 67
4.2.l Mục đích xây dựng mơ hình ................................................................ 67
4.2.2 Thiết kế khung mơ hình ...................................................................... 67
4.3 Kiểm nghiệm độ ổn định và tin cậy................................................................. 69
4.3.1 Mục đích thí nghiệm ........................................................................... 70
4.3.2 Kết quả thí nghiệm .............................................................................. 70
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ......................................................................................... 73
5.1 Kết quả nghiên cứu .......................................................................................... 73
5.2 Hướng phát triển đề tài .................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 75
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 76


viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
HTL

Hệ thống lái


4WS

Hệ thống lái 4 bánh

PPS

Bộ cường hóa tích cực

TS

Vơ lăng

PID

Giải thuật điều khiển

NNL

Nguồn năng lượng

VPP

Van phân phối

XLL

Xi lanh lực

CCL


Cơ cấu lái

PS ECU

Hộp điều khiển trợ lực lái

EPS

Trợ lực lái điện

EPS ECU

Hộp điều khiển lái

MRE

Mạch từ trở


ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 3.1: Chức năng của hộp EPS - ECU

58


Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật Card Arduino UNO

63


x

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Cấu tạo chung hệ thống lái khơng có trợ lực..............................................10
Hình 2.2: Cấu tạo chung hệ thống lái có trợ lực.....................................................11
Hình 2.3: Sơ đồ bố trí chung...................................................................................12
Hình 2.4: Bố trí CCL, VPP, XLL đặt chung...........................................................13
Hình 2.5: Bố trí CCL, VPP đặt chung, XLL đặt riêng............................................13
Hình 2.6: Bố trí CCL, VPP, XLL đặt riêng.............................................................14
Hình 2.7: Bố trí VPP, XLL đặt chung, CCL đặt riêng............................................14
Hình 2.8: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên hệ thống lái.................................................15
Hình 2.9: Mơ hình tốn học của hệ thống lái..........................................................18
Hình 2.10: Bán kính quay vịng bánh xe.................................................................19
Hình 2.11: Các trạng thái quay vịng của xe...........................................................20
Hình 2.12: Các góc đặt của bánh xe dẫn hướng......................................................22
Hình 2.13: Góc CAMBER......................................................................................23
Hình 2.14: Mơ tả ảnh hưởng lực đẩy ngang đối với góc camber âm......................24
Hình 2.15: Mơ tả góc camber khi xe quay vịng.....................................................25
Hình 2.16: Mơ tả camber bằng khơng và camber dương........................................26
Hình 2.17: Caster và khoảng caster.........................................................................26

Hình 2.18: Thể hiện độ ổn định và hồi vị trên đường nhờ góc caster.....................27
Hình 2.19: Dạng hình học Nachlauf và Vorlauf.....................................................28
Hình 2.20: Góc Kingpin..........................................................................................29
Hình 2.21: Tác dụng giảm lực đánh lái...................................................................30
Hình 2.22: Tác dụng giảm phản hồi........................................................................31
Hình 2.23: Độ chụm của bánh xe dẫn hướng..........................................................32
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở ổ bơm trợ lực..33
Hình 3.2: Bơm trợ lực lái và van điện - từ..............................................................34


xi

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống lái thay đổi hệ số trợ lực lái bằng van điện từ ở van trợ
lực.............................................................................................................................35
Hình 3.4: Sơ đồ mạch cầu thủy lực.........................................................................35
Hình 3.5: (a) : Vị trí bố trí van điện từ ;(b) : Sơ đồ mạch dầu; (c) : Mối quan hệ
giữa áp suất dầu và mơ men trợ lực lái....................................................................36
Hình 3.6: Sơ đồ thay đổi hệ số trợ lực bằng van điện từ tại cửa vào ra..................37
Hình 3.7: Hệ thống trợ lực lái thủy lực điều khiển tốc độ mô tơ dẫn động bơm....38
Hình 3.8: Bề mặt lập trình cho tốc độ bơm.............................................................39
Hình 3.9: Trợ lực lái điện – điện tử với mơ tơ trợ lực bố trí trên trục lái................41
Hình 3.10: Mơ tơ trợ lực lắp ở cơ cấu lái................................................................42
Hình 3.11: Trợ lực lái điện – điện tử với mô tơ trợ lực bố trí ở cơ cấu lái..............42
Hình 3.12: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Scion............................43
Hình 3.13: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Corolla.........................43
Hình 3.14: Sơ đồ khối hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Scion....................43
Hình 3.15: Sơ đồ bố trí hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Scion..................44
Hình 3.16: Sơ đồ mơ phỏng q trình điều khiển mô tơ trợ lực lái theo phương
pháp điều khiển điện áp...........................................................................................45
Hình 3.17: Sơ đồ mơ phỏng q trình điều khiển mô tơ trợ lực lái theo phương

pháp điều khiển dịng điện...................................................................................... 46
Hình 3.18: Mạch tương đương của mơ tơ..............................................................46
Hình 3.19: Sơ đồ điều khiển tổng quát...................................................................47
Hình 3.20: Điều khiển chế độ mơ tơ.......................................................................48
Hình 3.21: Đặc tính điều khiển...............................................................................48
Hình 3.22: Sơ đồ trợ lực lái điện – điện tử trên cơ cấu lái......................................49
Hình 3.23: Cụm mơ tơ và trục vít,thanh răng và cảm biến góc quay......................50
Hình 3.24: Hệ thống điều khiển tổng qt..............................................................51
Hình 3.25: Tín hiệu quan trọng để điều khiển mơ tơ trợ lực lái..............................51
Hình 3.26: Mơ phỏng mơ hình tốn học.................................................................52
Hình 3.27: Cấu tạo cảm biến mơ men trên xe Toyota Camry.................................53


xii

Hình 3.28: Cấu tạo cảm biến mơ men trên xe Toyota Corolla................................53
Hình 3.29: Đường đặc tính phát ra điện áp của cảm biến mơ men trên xe Toyota
Corolla......................................................................................................................54
Hình 3.30: Cảm biến góc xoay kiểu Resolve..........................................................54
Hình 3.31: Cảm biến góc xoay kiểu Resolve..........................................................55
Hình 3.32: Mối quan hệ giữa mơ men đánh lái, mơ men trợ lực và tốc độ ơ tơ.....55
Hình 3.33: Cảm biến tốc độ ơ tơ.............................................................................56
Hình 3.34: Cảm biến tốc độ ơ tơ loại mạch từ trở MRE.........................................57
Hình 3.35: Hộp EPS – ECU....................................................................................57
Hình 3.36: Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh PID..........................................................60
Hình 3.37: Card ARDUINO UNO..........................................................................63
Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật.....................................................................................66
Hình 4.2: Khung mơ hình sau khi thiết kế..............................................................68
Hình 4.3: Mơ hình sau khi hồn thiện.....................................................................69
Hình 4.4: Máy OSCILLOCOPE.............................................................................69

Hình 4.5: Tín hiệu cảm biến mơ men lái ................................................................70
Hình 4.6: Tín hiệu điều khiển motor trợ lực khí đánh lái sang phải ......................71
Hình 4.7: Tín hiệu điều khiển motor trợ lực khí đánh lái sang trái ........................72


1

Chương 1:

TỔNG QUAN
1.1.

LÝ DO THỰC HIỆN VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội nền kinh tế nước ta đang
phát triển mạnh mẽ về tất cả các lĩnh vực như cơng nghiệp, thương mại, du lịch,
xây dựng, dịch vụ…, thì phương tiện giao thông cũng phát triển không ngừng.
Đặc biệt là giao thơng đường bộ trong đó ơ tơ đóng vai trị chủ đạo, ngành cơng
nghiệp ơtơ được phát triển trên một quy mơ rộng lớn. Ơtơ đóng một vai trị rất
quan trọng trong giao thơng vận tải, nó thay thế cho rất nhiều các phương tiện
chuyên chở khác, nâng cao được hiệu quả cơng việc và tính kinh tế cũng như
đáp ứng những ngành công nghiệp khác. Cùng với sự phát triển vượt bậc của
khoa học kỹ thuật và nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng đòi hỏi những
nhà chế tạo, nhà sản xuất ô tô phải luôn cải tiến công nghệ và nghiên cứu để đáp
ứng nhu cầu ấy và lần lượt những dòng xe đã ra đời với đầy đủ tính năng tiện
nghi và mang tính chất chuyên dụng hơn, cũng từ những yêu cầu đó mà ơtơ
khơng ngừng được cải tiến để hồn thiện hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao
về phương tiện chuyên chở cũng như nhu cầu giao thông đi lại của con người.
Ngoài yêu cầu về các hệ thống như hệ thống treo, hệ thống phanh, kết cấu khung
vỏ…cần thiết kế đảm bảo tối ưu thì một hệ thống rất quan trọng khơng thể thiếu

được trên ơtơ đó là hệ thống lái.
Để nâng cao tính tiện nghi, đảm bảo về tốc độ tối đa cho ơtơ trong q trình
chuyển động trên mọi địa hình, độ tin cậy cao, đảm bảo sự an tồn cho hành
khách và hàng hóa trong suốt q trình vận hành ơ tơ. Đặc biệt ở Việt Nam hiện
nay, do nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa ngày càng nhiều bằng các loại xe ơ
tơ hiện đại vì vậy việc trang bị, bổ sung những tài liệu kỹ thuật về các loại xe
trên là rất cần thiết, góp phần sử dụng và khai thác phương tiện đạt hiệu quả tốt
nhất.
Hiện nay đa số các tài liệu dùng cho các ngành cơ khí ơ tơ cịn ít, nếu có
thường là những tài liệu hướng dẫn sử dụng hay lý thuyết chung, rất ít các tài


2

liệu về kết cấu xe cụ thể. Đặc biệt là các tài liệu riêng về hệ thống lái điều khiển
điện tử, việc này sẽ gây khó khăn trong việc cải tạo hoặc thiết kế mới hệ thống
lái điện tử trên ô tô tại thị trường Việt Nam. Việc bổ sung một tài liệu chuyên
ngành về ô tô cũng rất cần thiết.
Nhận định được tầm quan trọng ấy nên em đã quyết định thực hiện đề tài
này. Với đề tài này em hy vọng có thể đáp ứng được phần nào những nhu cầu
nói trên.
1.2.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC

Hệ thống lái điện tử là một hệ thống rất phức tạp, do bản chất các đặc điểm
kết cấu của hệ thống, ứng dụng khoa học công nghệ tiên tiến. Do đó việc nghiên
cứu hệ thống này phải dựa trên kết quả của các nghiên cứu cơ bản về hệ thống lái
nói chung. Có rất nhiều nhà khoa học trong và ngồi nước đã thực hiện q trình
nghiên cứu về hệ thống lái điện tử và đạt được những thành tựu đáng kể.

1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước.
Hiện nay, trên thế giới cùng với sự phát triển của các ngành khoa học công
nghệ khác như vô tuyến điện tử, chế tạo máy với các bộ phận điều khiển tinh vi, các
rô-bốt công nghiệp thế hệ thông minh, ngành tin học, ngành chế tạo ơtơ đang có
những bước tiến lớn với sự ứng dụng công nghệ tin học, điều khiển, khoa học mô
phỏng, vật liệu mới.
Trong những năm gần đây đã có hàng trăm các cơng trình khoa học được cơng
bố nhằm hồn thiện Hệ Thống Lái, các cơng trình chủ yếu tập trung trong lĩnh vực
động học và động lực học của Hệ Thống Lái bốn bánh- 4WS (Four Wheel Steering)
nhằm tăng tính cơ động và hồn thiện tính điều khiển của Hệ Thống Lái. Nhiều nhà
khoa học Đức cũng tập trung nghiên cứu về hệ thống điều khiển cho các loại xe có
Hệ Thống Lái 4WS. Những trung tâm khoa học công nghệ lớn như ở Mỹ, Tây Âu
và Nhật Bản hiện đang có nhiều nỗ lực nghiên cứu về vấn đề tự động điều khiển Hệ
Thống Lái, đó là những cơng trình nghiên cứu lớn với sự nỗ lực của hàng trăm nhà
khoa học hàng đầu thế giới. Hãng Mercedes cũng đang trình diễn loại xe với Hệ
Thống Lái tự động, trong tương lai sẽ được ứng dụng để sử dụng trên các loại


3

đường thơng minh. Để tăng tính điều khiển và tiện nghi cho việc hoàn thiện Hệ
Thống Lái, các nhà khoa học cũng đi sâu vào việc chế tạo các bộ cường hố tích
cực PPS (Progressive Power Steering) để đảm bảo cảm giác của người lái với mặt
đường, tăng tính điều khiển cuả Hệ Thống Lái khi xe chạy ở tốc độ cao, đặc biệt là
các xe thế hệ mới được sử dụng ở tốc độ cao hơn 100km/h.
Những nhà công nghệ cũng luôn tiến tới những kết cấu mới cho Hệ Thống Lái
như việc phát triển các cơ cấu điều khiển góc đặt trục lái và vơ lăng TS (Tilt
Steering), cùng với ghế ngồi người lái có thể điều chỉnh theo 3 chiều nhằm bố trí vị
trí người điều khiển một cách thuận tiện nhất. Xu thế chung của các trung tâm công
nghiệp ôtô lớn trên thế giới là nghiên cứu Hệ Thống Lái tích cực nhằm sử dụng các

thành tựu về điện, điện tử ứng dụng, các thành tựu về tin học để kiểm sốt được các
tính năng của Hệ Thống Lái và đảm bảo các chế độ hoạt động của chúng ở chế độ
tối ưu. Như vậy có thể thấy rằng Hệ Thống Lái với chức năng đảm bảo tính dẫn
hướng đang được các nhà khoa học hàng đầu thế giới tập trung nghiên cứu với
nhiều nỗ lực lớn. Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào các nội dung sau:
-

Nghiên cứu động học Hệ Thống Lái thông qua mối tương quan hình học
các khu độc lập từ đó xác định sự thay đổi động học các khâu, kết luận khả
năng sử dụng của các Hệ Thống Lái khác nhau trên xe.

-

Xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính tốn khả năng tác dụng các
hệ thống trợ lực để điều khiển lái

-

Xây dựng các mô hình động học Hệ Thống Lái trong những giả thiết cơ
học cho sát với điều kiện thực tế từ đó nghiên cứu tính năng điều khiển
ơtơ.

-

Nghiên cứu các hệ thống lái có điều khiển Điện – Thủy lực hoặc Điện Điện tử

-

Nghiên cứu các hệ thống lái tự động
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

Nhờ sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật, trên thế giới đã có nhiều cơng

trình nghiên cứu về Hệ Thống Lái trợ lực thuỷ lực và đưa vào ứng dụng có hiệu


4

quả, ngày càng được cải tiến và tối ưu hóa q trình điều khiển của hệ thống. Theo
đó, nội dụng chương trình và cơng nghệ chế tạo mơ hình phục vụ cho việc giảng
dạy và nghiên cứu cũng được làm tốt.
Trong công tác nghiên cứu những năm gần đây cũng đã có một số cán bộ khoa
học cơng nghệ đi sâu nghiên cứu các hệ thống ôtô đặc biệt là HTL và hệ thống
phanh. Nhóm các cán bộ nghiên cứu của các trường Đại học cũng đã có nhiều nỗ
lực ứng dụng các phần mềm chuyên dụng như Alaska 2.3, Sap 90, Simulik... trong
q trình nghiên cứu ơ tơ. Ở Việt Nam chúng ta đang ở trong giai đoạn xây dựng
nền công nghiệp ôtô ở giai đoạn lắp ráp CKD và tiến hành chương trình nội địa hóa
các cụm chi tiết và phụ tùng ôtô xe máy. GS.TSKH Đỗ Sanh cũng lãnh đạo một
nhóm nghiên cứu về động học, động lực học trong đó có một phần nghiên cứu về
động học quay vòng xe ở tốc độ cao.
TS Nguyễn Khắc Trai trong luận án của mình cũng nghiên cứu sâu về lý thuyết
quay vòng. Thạc sỹ Nguyễn Xuân Châu đã bảo vệ thành công luận văn Thạc sỹ với
đề tài cơ cấu lái đặc biệt cho người tàn tật tại Xemina 12/2000. TS Nguyễn Xuân
Thiện và TS Lê Hồng Quang trong khuôn khổ đề tài nhà nước KHCN-05-09 đã thử
nghiệm thành công bộ trợ lực lái thuỷ lực do Việt Nam chế tạo áp dụng cho xe xích
T55. TS Nguyễn Thanh Quang với đề tài nghiên cứu động học, động lực học và độ
bền HTL trên xe Mêkông Star. Thạc sỹ Vũ Cao Điền với đề tài tính tốn ổn định lật
cho xe tải nhỏ bằng đồ thị quỹ đạo pha của HTL. Thạc sỹ Nguyễn Hồng Vũ với đề
tài tính tốn động lực học quay vịng cho bánh xe dẫn hướng...
MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU.
Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hồn thành đề tài

như sau:
 Trình bày được cơ sở lý thuyết về hệ thống lái có điều khiển bằng điện, hiểu
được cấu tạo, nguyên lý hoạt động các chi tiết, bộ phận trong hệ thống.
 Phân tích động lực học quay vịng của ơ tơ từ đó đưa ra giải pháp điều khiển
trợ lực lái bằng điện
 Ứng dụng giải thuật điều khiển PID để thiết kế bộ điều khiển điện tử cũng
như mơ hình hệ thống lái có trợ lực bằng điện.


5

1.3.

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Do thời gian nghiên cứu có hạn, tài liệu tham khảo cịn hạn chế cũng như kinh
phí còn hạn hẹp nên đề tài này chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu sau:
-

Phần lý thuyết chỉ nghiên cứu hệ thống lái có trợ lực điện, khơng nghiên cứu
các hệ thống lái có trợ lực khác

-

Chỉ nghiên cứu động lực học quay vịng của ơ tơ nói chung, khơng nghiên
cứu động lực học quay vịng của đồn xe.

-

Ở phần tính tốn thiết kế chỉ tập trung vào việc tính tốn, thiết kế bộ điều

khiển điện tử trên kết cấu có sẵn của hệ thống lái trợ lực điện trên ơ tơ chứ
khơng tính tốn mới cả hệ thống.

-

Mơ hình hệ thống lái trợ lực bằng điện chỉ mang tính chất trực quan, mơ
phỏng các hoạt động của hệ thống chứ chưa được lắp đặt thực tế trên ô tơ,
chưa kiểm nghiệm vì thế chưa đánh giá được hiệu quả trong thực thế mà chỉ
đánh giá hiệu quả trên cơ sở lý thuyết bằng thiết bị đo kiểm.

1.4.

HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Để đạt được kết quả cũng như mục tiêu của đề tài đề ra, tác giả sẽ nghiên cứu
bằng phương pháp sau:
-

Tham khảo các tài liệu, các đề tài, dự án có liên quan được thực hiện trong
và ngồi nước.

-

Tham khảo các bài báo nghiên cứu khoa học có liên quan được cơng bố trên
các tạp chí uy tín trên thế giới, trên mạng Internet

-

Sử dụng các phần mềm tính tốn, thiết bị đo và phần mềm mơ phỏng để đánh
giá kết quả nghiên cứu.



6

Chương 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG LÁI
2.1. VAI TRỊ CỦA Ơ TƠ ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN KINH TẾ-XÃ HỘI
Kể từ khi con người phát minh được kỹ thuật biến đổi năng lượng từ dạng này
sang dạng khác, mà chủ yếu là biến đổi thành cơ năng thì sức lao động của con
người được giảm một cách đáng kể, năng suất lao động tăng vượt bậc và giá thành
sản phẩm ngày càng giảm. Ơ tơ là một trong những phương tiện vận chuyển đường
bộ nhanh nhất nó giúp cho việc vận chuyển hành khách, lưu thơng hàng hóa...được
nhanh chóng và tiện lợi, Chiếc ơtơ đầu tiên được chế tạo ra năm 1893, cho đến nay
(đã được 124 năm) trên thế giới có khoảng 1.143 triệu xe, tức là cứ 6 người có một
chiếc xe. Trong khi ở Mỹ cứ 1,2 người có một xe ơtơ. Mỗi năm thế giới sản xuất
khoảng 70 triệu xe, riêng Mỹ sản xuất trên 14 triệu xe. Tên tuổi các hãng ôtô hàng
đầu trên thế giới phải kể đến GM, FORD, TOYOTA, MERCEDES, HONDA,
NISSAN… Ở Nhật Bản có một loạt nhà máy sản xuất ôtô như: TOYOTA,
NISSAN, MITSUBISHI, MADAZ, ISUZU, HONDA, SUZUKI, DAIHATSU,
SUBARU… đang là đối thủ cạnh tranh lớn đối với các nhà sản xuất ôtô Mỹ và Tây
Âu. Riêng hãng TOYOTA có những thời kỳ tại nhà máy lắp ráp bán tự động với
qui mơ mỗi 1,5 phút có một xe ôtô được xuất xưởng. Tại Hàn Quốc có ba hãng lớn
là: HYUNDAI, DAEWOO, KIA. Mỗi năm các hãng ôtô của Hàn Quốc này sản xuất
hơn hai triệu xe các loại. Chính nhờ vào cơng nghiệp chế tạo ơtơ mà nước này đã
trở thành một trong các nước phát triển tại khu vực Châu Á Thái Bình Dương hiện
nay. Cơng nghiệp ôtô được coi là một ngành công nghiệp khổng lồ, giàu có nhất thế
giới. Đây là một ngành cơng nghiệp tổng hợp và cũng là nơi tập trung sự hoàn thiện
công nghệ và ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật cao, có tác động thúc đẩy sự
phát triển của các ngành cơng nghiệp khác như: cơ khí, điện, điện tử, vi điện tử,
điều khiển tự động, vật liệu kim loại và phi phi kim loại, vật liệu mới, hóa học, cao

su, sơn, chất dẻo, thủy tinh và xăng dầu…Trung bình một việc làm trong cơng
nghiệp chế tạo ơtơ tạo ra bảy việc làm trong các ngành công nghiệp hỗ trợ, dịch vụ


7

bán hàng, dịch vụ bảo dưỡng và sửa chữa. Chính vì vậy cơng nghiệp ơtơ là động lực
phát triển kinh tế xã hội một cách nhanh chóng nhất ở các nước phát triển. Và chính
vì vậy thước đo mức độ phát triển tiên tiến và hiện đại của một quốc gia trên thế
giới được người ta dựa vào ba ngành mũi nhọn sau:
- Công nghệ điện tử, tin học và viễn thông
- Công nghệ sinh học.
- Công nghiệp ôtô.
Hiện nay, số lượng ôtô các loại đang lưu hành trong cả nước ta khoảng trên 2,7
triệu chiếc, trong đó lượng xe tập trung tại Thành phố Hồ Chí Minh là nhiều nhất.
Điều này vừa đáp ứng được nhu cầu công nghiệp hóa của TP HCM. Tuy nhiên cũng
gây ra những khó khăn trong đó có nạn ơ nhiễm mơi trường khơng khí và ùn tắc
giao thơng.
Thực chất nước ta cho đến nay chưa có nền cơng nghiệp chế tạo xe ơ tơ, trước
đây chỉ có ngành sửa chữa và dịch vụ bảo dưỡng xe. Từ năm 1990 trở lại đây Việt
Nam bắt đầu có nền cơng nghiệp lắp ráp xe hơi và xe gắn máy, khi bắt đầu có các
liên doanh lắp ráp ôtô, xe gắn máy, máy động lực của các hãng nổi tiếng trên thế
giới vào Việt Nam. Tuy nhiên lắp ráp ơtơ địi hỏi phải có kỹ thuật và công nghệ cao,
đặc biệt là công nghệ hàn, sơn, kỹ thuật vật liệu cao cấp, kỹ thuật lắp ráp, thử
nghiệm… Vì vậy chúng ta thiếu vốn đầu tư, lại không nắm được công nghệ kỹ thuật
và phương pháp quản lý cơng nghiệp ơtơ nên bắt buộc phải tìm các đối tác liên
doanh lắp ráp và dần tiến tới chế tạo từng bước các chi tiết và cụm chi tiết của ơtơ
trong nước.
2.2. VÀI NÉT VỀ VẤN ĐỀ AN TỒN GIAO THƠNG VÀ VAI TRỊ CỦA
HỆ THỐNG LÁI

Nền sản xuất ô tô trên thế giới ngày nay tăng vượt bậc, ô tô trở thành phương
tiện vận chuyển quan trọng về hành khách và hàng hóa cho các ngành kinh tế, đồng
thời trở thành phương tiện giao thông tư nhân ở các nước có nền kinh tế phát triển.
Mỹ và Nhật Bản là hai quốc gia sản xuất ô tô nhiều nhất trên thế giới, hàng năm
mỗi nước sản xuất khoảng 15 đến 16 triệu chiếc. Sản xuất ô tô du lịch trên thế giới


8

chiếm tỷ lệ 78 – 80 %, ô tô tải chiếm 18 – 20 %, các loại ô tô khác chiếm từ 1 – 3
%. Sự tăng trưởng về số lượng ô tô, mật độ ô tô tham gia giao thông trên đường
ngày càng lớn, tốc độ chuyển động ngày càng cao do đường sá ngày một được cải
thiện tốt hơn cho nên vấn đề tai nạn giao thông là vấn đề cấp bách hàng đầu được
Đảng và Nhà Nước ta quan tâm.
Theo báo cáo của Văn phòng Ủy ban ATGT Quốc gia cho biết, 6 tháng đầu năm
2017 tình hình trật tự an tồn giao thơng tiếp tục có những chuyển biến tích cực,
trong 6 tháng qua cả nước xảy ra 9.593 vụ, làm chết 4.134 người, làm bị thương
7.935 người. So với cùng kỳ năm 2016 giảm 636 vụ (-6,22%), giảm 229 người chết
(-5,25%), giảm 1.004 người bị thương (-11,23%).
Trong đó, tai nạn giao thơng từ ít nghiêm trọng trở lên xảy ra 4.797 vụ, làm chết
4.134 người, bị thương 2.386 người. So với cùng kỳ năm 2016 giảm 244 vụ (4,84%), giảm 229 người chết (-5,25%), giảm 520 người bị thương (-17,9%). Va
chạm giao thông xảy ra 4.796 vụ, làm bị thương nhẹ 5.549 người. So với cùng kỳ
năm 2016 giảm 392 vụ (-7,56%), giảm 484 người bị thương (-8,02%).
Tai nạn giao thông không những gây thiệt hại lớn về tài sản của Nhà Nước, công
dân mà cịn gây thiệt hại lớn đến tính mạng con người. Theo thống kê của các nước
tình hình tai nạn giao thông chủ yếu xảy ra do nguyên nhân:
-

60 - 70% do yếu tố con người (như lái xe say rượu,mệt mỏi,buôn ngủ,không
tuân thủ luật giao thông …)


-

10 - 15% do hư hỏng máy móc, trục trặc về kỹ thuật

-

20 - 30% do tình trạng đường sá.

Trong nguyên nhân do hư hỏng máy móc, trục trặc về kỹ thuật qua phân tích cho
thấy các cụm của ơ tơ gây nên được thống kê như sau:
-

Hệ thống phanh:
 Phanh chân: 52.2 – 74.4%
 Phanh tay: 4.9 – 16.1%

-

Hệ thống lái: 4.9 – 19.2%

-

Hệ thống chiếu sáng, tín hiệu: 2.3 – 8.7%


9

-


Bánh xe: 2.5 – 10%

-

Hư hỏng khác: 2 – 18.2%

Từ các số liệu này ta thấy rằng, ngoài tai nạn giao thơng do hệ thống phanh
chiếm tỷ lệ cao thì tai nạn do hệ thống lái gây ra cũng chiếm tỷ lệ khơng nhỏ. Chính
vì thế mà hệ thống lái ngày nay càng được cải tiến, tiêu chuẩn hóa về kỹ thuật, thiết
kế chế tạo đảm bảo độ tin cậy cao và an toàn trong sử dụng.
2.3. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG LÁI
2.3.1. Công dụng, yêu cầu, phân loại
Công dụng.
Hệ thống lái của ô tô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ơ tơ và duy trì
chuyển động của ô tô theo một hướng nhất định nào đó.
Yêu cầu.
-

Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp nhất

-

Độ rơ vành lái nhỏ

-

Lực đánh lái nhỏ

-


Giảm va đập từ bánh xe lên vành lái

-

Có khả năng ổn định chuyển động thẳng
Phân loại.

+ Theo cách bố trí vành tay lái
-

Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đi đường là chiều
phải).

-

Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (khi chiều thuận đi đường là chiều
trái).

+ Theo kết cấu của cơ cấu lái
-

Trục vít - cung răng

-

Trục vít - con lăn

-

Bánh răng - thanh răng


-

Liên hợp (Trục vít êcu - địn quay hay trục vít êcu thanh răng - cung răng ).

+ Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ trợ lực


10

-

Trợ lực thuỷ lực.

-

Loại trợ lực khí (gồm cả cường hóa chân khơng).

-

Loại trợ lực điện.

+ Theo số lượng cầu dẫn hướng
-

Một cầu dẫn hướng.

-

Nhiều cầu dẫn hướng.


-

Tất cả các cầu dẫn hướng

2.3.2. Đặc điểm kết cấu hệ thống lái
2.3.2.1. Hệ thống lái khơng có trợ lực:
Trên một số ơ tơ tải có trọng tải nhỏ, ơ tơ du lịch có cơng suất nhỏ và trung bình
thường khơng bố trí trợ lực lái, cấu tạo hệ thống lái gồm: Cơ cấu lái, dẫn động lái

Hình 2.1 - Cấu tạo chung hệ thống lái khơng có trợ lực
1. Vành tay lái; 2. Trục lái; 3,4. Cơ cấu lái; 5. Đòn quay đứng; 6. Thanh kéo
dọc; 7. Đòn quay ngang; 8,10. Đòn bên ; 9. Đòn ngang; 11. Moay-ơ bánh
xe
Hệ thống lái khơng sử dụng trợ lực về mặt cấu tạo thì đơn giản hơn với hệ thống lái
có bố trí trợ lực, loại hệ thống lái này thường sử dụng cơ cấu lái loại trục vít- con
lăn, trục vít-cung răng hoặc loại liên hợp.


11

2.3.2.2. Hệ thống lái có trợ lực:
Đối với ơtơ tải có trọng tải lớn, xe khách loại vừa và lớn thì lực tác dụng lên vành
tay lái rất lớn, để làm giảm nhẹ lực tác dụng lên vành tay lái khi điều khiển hệ thống
lái bố trí thêm trợ lực lái, hiện nay để tăng tính an tồn cho ơtơ chuyển động ở tốc
độ cao thì cả trên các loại ơ tơ con cũng được bố trí trợ lực.

Hình 2.2 - Cấu tạo chung hệ thống lái có trợ lực
Bộ trợ lực có nhiều vị trí đặt tuỳ vào cấu tạo hệ thống lái, thông thường được đặt tại
cơ cấu lái, hoặc trên hình thang lái.

Cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:
-

Nguồn năng lượng (NNL): Là nơi cung cấp năng lượng cho cơ cấu chấp
hành trợ lực. Có thể phân loại NNL như sau:
 Trợ lực thuỷ lực: Trong trợ lực thuỷ lực nguồn cung cấp là bơm thuỷ lực
do động cơ dẫn động.