CHU ĐỨC HÙNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

CHU ĐỨC HÙNG

CHUYÊN NGÀNH ÔTO VÀ
XE HUYÊN DỤNG

XÂY DỰNG MƠ HÌNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA
HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN XE ÔTÔ DU LỊCH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH ÔTÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

KHOÁ 2010-2012

Hà Nội – 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------CHU ĐỨC HÙNG

XÂY DỰNG MƠ HÌNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA HỆ
THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN XE ÔTÔ DU LỊCH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH ÔTÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS PHẠM HỮU NAM
TS NGUYỄN HOÀNG TRI

Hà Nội – Năm 2012


MỤC LỤC

Trang

Mục lục

1

Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu

4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

6

LỜI NĨI ĐẦU

7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN


11

1.1 Các yêu cầu đặt ra đối với hệ thống lái

11

1.1.1. Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

15

1.1.2. Yêu cầu về tỷ số truyền thay đổi

17

1.1.2.1.

Tỷ số truyền động học

18

1.1.2.2.

Tỷ số truyền lực

19
20

1.1.3. Hệ thống lái trợ lực điện
1.1.3.1.


Đặc điểm của hệ thống

20

1.1.3.2.

Nguyên lý hoạt động

21

1.1.3.3.

Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện

22

1.2 Một số kết quả nghiên cứu hệ thống lái trong nước

22

1.3 Đề xuất đề tài luận văn

24

CHƯƠNG 2. YÊU CẦU THAY ĐỔI TỶ SỐ TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG

26

LÁI NHẰM TĂNG TÍNH ỔN ĐỊNH HƯỚNG VÀ AN TỒN CHUYỂN
ĐỘNG Ở TỐC ĐỘ CAO

26

2.1 Mơ hình tính tốn lốp xe
2.1.1 Phân tích các lực và mơmen tác dụng lên bánh xe ơtơ

26

2.1.2 Mơ hình tính tốn lốp xe ôtô

27

2.1.2.1 Quan hệ lực dọc và độ trượt dọc

28

2.1.2.2 Quan hệ giữa lực ngang và góc lệch bên

28

2.1.2.3 Quan hệ giữa góc đặt bánh xe, biến dạng lốp và mômen trả lái

29

về
2.2 Các khái niệm tỷ số truyền trong hệ thống lái

30
30

2.2.1 Tỷ số truyền động học


1


30

2.2.2 Tỷ số truyền động lực

31

2.3 Mơ hình một vết
2.3.1. Đặc điểm của mơ hình

31

2.3.2. Quan hệ động học

32

2.3.3. Hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động của xe

34
37

2.4 Phương trình tỷ số truyền thay đổi
2.4.1. Phương trình tỷ số truyền động học

37

2.4.2. Phương trình tỷ số truyền động lực


39

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN

41

3.1 Các dạng bố trí trợ lực điện

41

3.1.1. Bộ trợ lực nằm trên trục lái

41

3.1.2. Bộ trợ lực nằm trên cơ cấu lái

42

3.1.3. Bộ trợ lực nằm trên cơ cấu lái thứ hai

42

3.1.4. Bộ trợ lực nằm trên thanh răng

43

3.2 Đặc điểm của hê thống lái trợ lực điện

43


3.3 Mơ hình hệ thống lái trợ lực điện trên xe Kia

46

3.3.1 Sơ đồ hệ thống

46

3.3.2 Cấu tạo các phần tử trong hệ thống

47

3.3.3 Ngun lý hoạt động

52

3.4 Mơ hình tính tốn hệ thống lái trợ lực điện

53

CHƯƠNG 4. MƠ PHỎNG SỐ

55

4.1 Mục đích mơ phỏng số

55

4.2 Cơng cụ Matlab – Simulink


55

4.3 Bảng số liệu tính tốn

56

4.4 Xây dựng chương trình mơ phỏng

57

4.4.1 Chương trình mơ phỏng quy luật góc quay trục lái

57

4.4.2 Chương trình mơ phỏng quy luật góc quay trục mơtor

58

4.4.3 Chương trình tính tốn góc quay của bánh xe dẫn hướng

59

4.4.4 Chương trình tính tốn lực dọc Fx, lực ngang Fy

59

2



4.4.5 Chương trình tính tốn góc xoay thân xe

61

4.4.6 Chương trình tính tốn góc lệch bên thân xe

62

4.4.7 Chương trình tính tốn góc lệch bên bánh xe

64

4.4.8 Chương trình tính tốn mơmen trả lái về

64

4.4.9 Chương trình tính tốn mơmen trợ lực

65
65

4.5 Các trường hợp khảo sát
4.5.1 Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của mômen trả lái Msat

66

4.5.2 Khảo sát sự thay đổi của góc quay bánh xe dẫn hướng

68


4.6 Kết luận

72

Kết luận chung

73

Tài liệu tham khảo

75
76

Phụ lục

3


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT Chữ viết tắt

Tên đầy đủ

Ý nghĩa

1

EPS

Electric Power Steering


Hệ thống lái trợ lực điện

2

HPS

Hydraulic Power Steering

Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

Electric Hydraulic Power Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực có hỗ
3

EHPS

Steering

trợ điện tử

4

ECU

Electronic Control Unit

Bộ điều khiển điện tử
Hệ thống điều khiển ổn định hướng

5


VSC

Vehicle Stability Control

chuyển động của xe

6

HPS

Hydraulic Power Steering

Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

7

DC

Direct current

Dòng điện một chiều

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký

Đơn vị


TT

hiệu Giải thích

1



Độ trượt

%

2

Pf

Lực cản lăn

N

3

β

Góc lệch bánh xe dẫn hướng

rad

4


α

Góc lệch thân xe so với phương chuyển động

rad

5

ε

Góc quay thân xe

rad

6

L

Chiều dài cơ sở

m

7

a

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu trước

m


8

b

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu sau

m

9

h

Chiều cao trọng tâm

m

10

v

Vận tốc chuyển động của ô tô

m/s

11

Fi

Lực dọc tại các bánh xe


N

12

Si

Lực bên tại các bánh xe

N

13

Pfi

Lực cản lăn tại các bánh xe

N

14

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

15

Msat


Mô men trả lái về

N.m

16

θc

Góc quay của trục lái

rad

17

Jc

Mơmen qn tính của trục lái

Kg.m2

18

N

tỷ số truyền giảm tốc

19

ir


tỷ số cơ cấu lái

20

Jm

Mômen quán tính của motor

Kg.m2

21

Km

Hệ số mơmen của motor

N.m/A

22

xr

Chuyển vị của thanh răng

m

23

Ms


Mômen tác động lên vành tay lái

N.m

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hệ thống lái
Hình 1.2: Biến dạng lốp
Hình 1.3 Góc Caster và khoảng Caster
Hình 1.4: Đường đặc tính cường hố
Hình 1.5: Cấu tạo hệ thống lái thuỷ lực
Hình 1.6: Quan hệ giữa áp suất trợ lực và mơmen vành tay lái
Hình 1.7: Quan hệ giữa Ms và Ma ở các v khác nhau
Hình 1.8: Hệ thống lái điện kiểu trợ lực bố trí trên trục lái
Hình 1.9: Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện
Hình 1.10: Hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động của ơtơ
Hình 2.1: Lực và mơmen tác dụng lên bánh xe ơtơ
Hình 2.2: Lực và góc lệch bên của bánh xe dẫn hướng
Hình 2.3: Khoảng Caster và biến dạng của lốp
Hình 2.4: Quan hệ của góc quay vơ lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng
Hình 2.5: Mơ hình một vết của ơtơ
Hình 2.6: Quan hệ động lực học của mơ hình một vết
Hình 2.7: Các vị trí của tâm quay vịng tức thời
Hình 2.8: Sơ đồ khối tính tốn lốp
Hình 2.9: Quan hệ hình học của hệ thống lái Ackerman
Hình 2.10: Quan hệ giữa góc lệch bên và tp
Hình 2.11: Quan hệ giữa mơmen trả lái về và vận tốc

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý trợ lực điện kiểu column- type
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý trợ lực điện kiểu pinion- type
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý trợ lực điện kiểu dual pinion- type
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý trợ lực điện kiểu rack- type
Hình 3.5: Đặc tính của động cơ điện một chiều
Hình 3.6: Sơ đồ mạch điện động cơ điện một chiều

6


Hình 3.7:Sơ đồ khối điều khiển motor
Hình 3.8: Mạch điều khiển motor
Hình 3.9: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện trên xe Kia
Hình 3.10: Kết cấu cụm trợ lực điện
Hình 3.11: Kết cấu trục vít - bánh vít
Hình 3.12: Cấu tạo khớp nối
Hình 3.13: Cấu tạo bánh vít
Hình 3.14: Cấu tạo của cảm biến mơmen
Hình 3.15: Cấu tạo rơto
Hình 3.16: Bộ phận cảm ứng và mạch điện
Hình 3.17: Tín hiệu ra của cảm biến
Hình 3.18: Mơ hình tính tốn hệ thống lái điện
Hình 4.1: Chương trình tính góc quay của trục lái
Hình 4.2: Chương trình tính tốn Jeq và Beq
Hình 4.3: Chương trình mơ phỏng tính góc quay của trục motor
Hình 4.4: Chương trình tính tốn góc quay của bánh xe dẫn hướng
Hình 4.5: Chương trình tính tốn độ giảm hệ số bám của bánh xe cầu trước
Hình 4.6: Chương trình tính tốn độ giảm hệ số bám của bánh xe cầu sau
Hình 4.7: Chương trình tính tốn lực dọc Fx1 và lực ngang Fy1
Hình 4.8: Chương trình tính tốn lực dọc Fx2 và lực ngang Fy2

Hình 4.9: Chương trình tính tốn góc xoay thân xe
Hình 4.10: Chương trình tính tốn góc lệch bên thân xe
Hình 4.11: Chương trình tính tốn góc lệch bên bánh xe
Hình 4.12: Chương trình tính mơmen trả lái về
Hình 4.13: Chương trình tính mơmen trợ lực
Hình 4.14: Quan hệ phụ thuộc của Msat với góc quay dẫn hướng
Hình 4.15: Quan hệ phụ thuộc của Msat với vận tốc
Hình 4.16: Quan hệ của Msat với vận tốc và góc quay bánh xe dẫn hướng

7


Hình 4.17: Sự thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc ôtô trong
trường hợp hệ thống lái có tỷ số truyền cố định
Hình 4.18: Sự thay đổi của góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc với hệ
thống lái có tỷ số truyền thay đổi
Hình 4.19: Sự thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc với hệ thống
lái có tỷ số truyền cố định
Hình 4.20: Sự thay đổi của góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc của ôtô
trong trường hợp hệ thống lái có tỷ số truyền cố định

8


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế của Việt Nam đang trên đà tăng trưởng mạnh, đời
sống của người dân tăng cao, nhu cầu đi lại, mua sắm các phương tiện cá nhân
cũng tăng. Tuy nhiên, trong điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông đã từng bước được
cải thiện do đó tốc độ của các phương tiện tham gia giao thông từng bước được
nâng lên làm cho thời gian tham gia giao thông ngắn lại, mang lại nhiều lợi ích về

kinh tê. Song khi tăng vận tốc của phương tiện tham gia giao thông lên cao lại liên
quan đến vấn đề an tồn giao thơng, đây là vấn đề nổi cộm mang tính thời sự nóng
bỏng. Để cải thiện vấn đề giao thông cần phải nâng cao ý thức của người tham gia
giao thông, người điều khiển các loại phương tiện cơ giới đường bộ như ôtô, xe
máy. Về mặt kỹ thuật các loại phương tiện tham gia giao thơng phải đảm bảo được
tính điều khiển ở mức độ tốt nhất, tức là phải đảm bảo được quỹ đạo chuyển động
của ơtơ.
Việc nghiên cứu cải thiện tính năng quay vịng của ơtơ là rất cần thiết, nó là
cơ sở để đánh giá chất lượng của các loại ôtô khi nhập vào Việt Nam, khai thác các
phương tiện hiện có, đồng thời là cơ sở để đánh giá chất lượng của các loại ơtơ khi
cải tiến, lắp rắp, hốn cải mục đích sử dụng và nâng cao an tồn chuyển động của
xe, từ đó góp phần đẩy nhanh nền kinh tế và thực hiện được các nghị định của
Chính phủ về an tồn giao thơng.
Xuất phát từ các u cầu thực tế, tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình
liên quan đến quỹ đạo chuyển động của ơtơ, với mong muốn đóng góp một phần
cơng sức của mình vào vấn đề an tồn giao thơng cũng như có được kiến thức về
tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ôtô phục vụ cho công việc của tôi sau
này.
Trong thời gian làm luận văn tôi luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận
tình của thầy giáo hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Hữu Nam và thầy T.S
Nguyễn Hồng Tri cùng các thầy giáo trong bộ mơn ơtơ trường ĐHBK Hà nội. Tôi
xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Phạm Hữu Nam, thầy Nguyễn Hoàng Tri và

9


các thầy trong bộ môn cùng các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ để tơi hồn
thành luận văn của mình.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học – Đại học Bách
khoa Hà nội, Khoa CN ôtô – Trường Đại học Công nghiệp Hà nội đã tạo điều kiện

thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn này.
Hà nội, ngày 10 tháng 8 năm 2012
Học viên thực hiện

Chu Đức Hùng

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Các yêu cầu đặt ra với hệ thống lái.
Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô tuân theo

tỷ lệ với lực tác dụng lên vô lăng của người lái hoặc giữ ôtô chuyển động thẳng khi
không tác động lực vào vô lăng.

1- Bình dầu

2- Vành tay lái

3- Bơm dầu 4- Xi lanh thuỷ lực

5- Đòn kéo

6- Bánh xe dẫn hướng

7- Bơm dầu


Hình 1.1: Hệ thống lái
Hệ thống lái có nhiều loại, thơng thường bao gồm các bộ phận chính như
trên hình 1.1.
-

Vành lái : là cơ cấu điều khiển nằm trên buồng lái, chịu tác động trực tiếp
của người điều khiển.

-

Cơ cấu lái : là một hộp giảm tốc được bố trí trên khung hoặc vỏ của ơtơ đảm
nhận phần lớn tỉ số truyền của hệ thống lái

-

Dẫn động lái : bao gồm địn quay đứng, địn kéo dọc, hình thang lái, địn
quay ngang, có nhiệm vụ liên kết cơ cấu lái với bánh xe và dẫn động cho
bánh xe dẫn hướng

11


Khi thực hiện quay vịng thì u cầu đặt ra đối với hệ thống lái là phải đảm
bảo động lực chuyển động và quay vòng xe, người lái quay vành tay lái thông qua
dẫn động lái và cơ cấu lái làm bánh xe dẫn hướng quay đi một góc. Quỹ đạo chuyển
động của ơ tơ liên quan đến tính dẫn hướng của xe. Tính dẫn hướng của ơ tơ là khả
năng giữ được hướng chuyển động của ô tô theo góc quay vành lái khi chịu tác
dụng của các lực và mômen ngoại cảnh. Sự chuyển động của ô tô trên đường đòi
hỏi phải thực hiện theo quỹ đạo phức tạp, người lái ln ln điều chỉnh góc quay
vành lái. Khi nâng cao tốc độ chuyển động, cần thiết phải đảm bảo mối tương quan

giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái theo một yêu cầu khắt khe. Trong
nhiều trường hợp, sai lầm nhỏ trong điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ đạo chuyển động
và gây mất an tồn giao thơng. Điều đó là do khi ơ tơ chuyển động với vận tốc cao
khi đi vào đường vòng, gia tốc hướng tâm tăng lên đột ngột dẫn đến hiện tượng
trượt bên của bánh xe gây nên hiện tượng lật đổ. Sự chuyển động của ôtô trên
đường phụ thuộc vào rất nhiều mối quan hệ của bánh xe với nền đường. Khi chuyển
động trên các đường xá khác nhau cùng với việc sử dụng lốp đàn hồi đã ảnh hưởng
không nhỏ tới khả năng điều khiển cũng như độ ổn định của ơ tơ. Khi đó, tại bánh
xe ln xuất hiện góc lăn lệch do chịu đồng thời lực kéo và lực bên. Đặc biệt là khi
xe chuyển động vào đưịng vịng với sự góp mặt của các lực khác nhau như: lực ly
tâm, lực quán tính, ảnh hưởng của gió bên…khi tăng tốc hoặc giảm tốc đột ngột, tốc
độ đánh lái khác nhau, vào đường vòng với vận tốc khác nhau thì tính ổn định của
xe sẽ có những thay đổi..

Hình 1.2: Biến dạng của lốp
12


Sau khi thực hiện quay vịng, người lái khơng tác động lực lên vô lăng các
bánh xe dẫn hướng cần có khả năng tự động quay về trạng thái chuyển động thẳng.
Điều này được thực hiện nhờ mômen trả lái về Msat, mômen này xuất hiện đầu tiên
là do các quan hệ hình học trong hệ thống lái, đặc biệt là góc Caster, sau đó là do
khi quay vịng xuất hiện lực ngang, lực ngang này làm biến dạng lốp cao su, sự biến
dạng đàn hồi này làm cho xuất hiện mơmen để lốp trở về trạng thái ổn định.

Hình 1.3: Góc Caster và khoảng Caster
Để tăng tính an tồn chuyển động, người ta tăng diện tích tiếp xúc của lốp
với mặt đường, đồng thời giảm áp suất lốp. Nhưng như vậy cũng đồng nghĩa với
việc cần phải đánh lái với một lực lớn hơn. Đề giảm nhẹ cường độ lao động cho
người lái và tăng tính an tồn cho hệ thống điều khiển lái hầu hết các xe ô tô đều

được trang bị trợ lực lái. Yêu cầu đặt ra đối với trợ lực là:
+ Khi bộ trợ lực hỏng thì hệ thống lái vẫn phải làm việc được.
+ Trợ lực lái phải giữ cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường khi quay
vòng. Điều này đồng nghĩa với khả năng trợ lực cần tăng cao khi mơ men cản quay
vịng lớn và ngược lại khả năng trợ lực cần giảm khi xe chuyển động với tốc độ cao.
Mối quan hệ giữa lực mà người lái đặt lên vành tay lái Pl và mơmen cản quay
vịng của các bánh dẫn hướng Mc:
Pl 

Mc
.
Ricidth

13

(1.2)


Trong đó:
Mc - mơmen cản quay vịng

(N.m)

R -bán kính vành lái

(m)

ic -tỷ số truyền cơ cấu lái
th -hiệu suất thuận của cơ cấu lái, đối với cơ cấu lái thanh răng - trục
răng hiệu suất thuận

id - tỷ số truyền của dẫn động lái
Qua đây ta thấy khi khơng có cường hố thì lực đặt lên vành tay lái chỉ phụ
thuộc vào mơmen cản quay vịng của các bánh xe dẫn hướng (vì R, ic, id, th là
những hằng số). Do đó đường đặc tính là những đường bậc nhất đi qua gốc toạ độ.
Khi hệ thống lái được lắp cường hố đường đặc tính của của nó cũng biểu thị
mối quan hệ giữa lực tác dụng lên vành tay lái và mơmen cản quay vịng của các
bánh xe dẫn hướng Mc. Đây cũng là mối quan hệ bậc nhất.
Để bộ cường hố làm việc thì lực đặt lên vành tay lái phải lớn hơn 14 (N), ở
giai đoạn này đặc tính biểu thị sẽ trùng với đặc tính khi chưa có bộ cường hố.Tại
điểm A [38 ; 14] thì bộ cường hoá bắt đầu làm việc.
Đồ thị các đường đặc tính khi chưa cường hố Pvl = f(Mc) và được lắp bộ
cường hoá Pc = f(Mc) được thể hiện ở hình vẽ dưới đây

.
Hình 1.4: Đường đặc tính cường hoá

14


Khi lực đặt lên vành tay lái lớn hơn 14 (N) đường đặc tính đặc trưng cho
hoạt động của cường hoá ở giai đoạn này cũng là đường bậc nhất nhưng có độ dốc
thấp hơn so với đường đặc tính khi chưa có cường hố (độ dốc này cần thiết phải có
để đảm bảo cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường tác dụng lên vành tay
lái). Khi mơmen cản quay vịng lớn hơn Mc = 243 (Nm) thì hệ thống lái làm việc
như hệ thống lái cơ khí ban đầu (cường hố đã làm việc hết khả năng). Cụ thể là
người lái muốn quay vịng ơtơ thì phải tác dụng lên vành tay lái một lực Pvl > Pc.
Đoạn OA: Lực do người lái hoàn toàn đảm nhận.
Đoạn AC: Biểu thị lực mà người lái cảm nhận về chất lượng mặt đường.
Hiệu số các toạ độ của hai đường Pc và Pvl chính là lực tạo nên bởi bộ cường hố.
Nếu Pc lớn thì quay riêng các bánh xe dẫn hướng tại chỗ sẽ nặng hơn, cịn nếu Pc

q nhỏ thì người lái sẽ khơng đủ cảm giác về chất lượng mặt đường.
Hệ thống lái trợ lực trên xe du lịch có các kiểu sau: trợ lực khí nén, trợ lực
thủy lực, trợ lực điện.
1.1.1. Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

1- Van giảm áp 2- Bình chứa dầu

3- Bộ lọc dầu

4 - Bơm trợ lực

6- Van điều khiển

5- Xilanh lực

Hình 1.4: Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thủy lực là bộ trợ lực sử dụng một phần công suất động cơ
để tạo ra áp suất dầu thủy lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng để

15


chuyển hướng chuyển động của ô tô. Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đường
dầu tại van điều khiển.
Hệ thống gồm 3 phần chính: bơm trợ lực (bơm cánh gạt), van điều khiển, xy lanh
lực.
Ưu nhược điểm của hệ thống
Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực ta thấy hệ thống
có các ưu điểm, nhược điểm là như sau:
+ Ưu điểm:

- Giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống lái khơng có trợ lực vì
có thêm trợ lực tác động của xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ
lực gây ra.
- Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo được an tồn về
hướng trong q trình chuyển động
- Kết cấu đơn giản so với hệ thống trợ lực khác: trợ lực khí nén và trợ lực điện
- Làm việc tin cậy có độ bền cao, chịu được va đập nhẹ.
+ Nhược điểm:
- Áp suất dầu được tạo ra từ bơm dầu mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu
của động cơ và bơm dầu luôn ln hoạt động trong suốt q trình xe chạy nên gây
lãng phí cơng suất động cơ trong những khi khơng cần trợ lực.
- Hệ thống cần độ kín khít cao, nên thường xuyên phải kiểm tra sự rò rỉ dầu của hệ
thống lái.
- Kết cấu đơn giản nhưng hệ thống cồng kềnh dẫn đến tăng khối lượng của hệ thống
lái trên xe.
- Làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống, van. Dầu
là chất thải ơ nhiểm mơi trường.
- Ơ tơ ra vào chỗ đỗ, động cơ sử dụng số vòng quay thấp, dẫn tới áp suất thủy lực
làm việc nhỏ, lực vành lái gia tăng.
- Khi động cơ làm việc ở chế độ chạy chậm, việc gia tăng tải cho động cơ có thể
gây chết máy;

16


- Khi ô tô đi ở tốc độ cao, động cơ làm việc ở chế độ vòng quay lớn, khả năng trợ
lực lớn và có thể gây mất cảm giác trên vành lái.
- Hệ thống làm việc theo 1 thông số là góc quay trục lái do người điều khiển tác
dụng nên chỉ đáp ứng được mặt trợ lực mà chưa đáp ứng được tỷ số truyền lực thay
đổi theo tốc độ xe.


Hình 1.5: Quan hệ giữa áp suất dầu trợ lực và mô men vành tay lái
Một trong những nhược điểm của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực là áp suất và lưu
lượng của bơm phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Trong trường hợp xe chuyển động ở
tốc độ thấp, quay vòng ngoặt, lúc này cần trợ lực lớn, tuy nhiên do tốc độ động cơ
thấp áp suất trong hệ thống thuỷ lực nhỏ ảnh hưởng đến chất lượng trợ lưc. Khi xe
ôtô chuyển động ở tốc đô cao, lưu lượng và áp suất của bơm trợ lực lớn, trong khi
điều khiển lái ở tình trạng này lại chỉ cần yêu cầu trợ lực nhỏ.
- Về mặt tỷ số truyền động học bị hạn chế rất lớn đó là ở tốc độ thấp cần tỷ số
truyền thấp để người lái quay vòng hiệu quả và ở tốc độ cao cần có tỷ số truyền
động học cao vì lúc này mức phản ứng của xe rất nhạy nhưng hệ thống chưa đáp
ứng được.
- Khi quay vòng ngoặt người điều khiển vẫn phải đánh tay lái khá nhiều vòng.
- Khi hệ thống trợ lực bị hỏng lực điều khiển nặng hơn hệ thống khơng có trợ lực.

17


1.1.2. Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi
Các xe ô tô hiện đại ngày nay có vận tốc ngày càng lớn và địi hỏi độ an tồn
cao cũng như tính tiện nghi khi sử dụng. Vì vậy khi thiết kế một hệ thống dẫn
hướng phải đảm bảo được các yêu cầu nghiêm ngặt trên, ngoài ra hệ thống phải có
tính thân thiện với mơi trường. Giải quyết vấn đề về độ an tồn khi quay vịng ở tốc
độ cao và tính tiện nghi khi sử dụng ta xét đến tỉ số truyền của hệ thống bao gồm tỉ
số truyền động học và tỉ số truyền về lực.
1.1.2.1. Tỷ số truyền động học.
Tỷ số truyền động học biểu hiện quan hệ giữa góc quay trên vành lái với góc quay
của bánh xe dẫn hướng
i=
Trong đó:


(1.2)
 ST - là góc quay của vơ lăng

(rad)

 - là góc quay của bánh xe dẫn hướng

(rad)

Khi người lái tác động một lực vào vô lăng, làm vơ lăng xoay đi một góc.
Thơng qua cơ cấu lái và dẫn động lái sẽ làm cho bánh xe dẫn hướng quay một góc
tương ứng. Thơng thường cơ cấu lái của xe đảm nhiệm tỷ số truyền động học của hệ
thống lái.
Khi ôtô dừng, đỗ xe hoặc khi ôtô quay vòng trong điều kiện ngoặt, người lái
bao giờ cũng mong muốn quay vơ lăng một góc nhỏ cịn bánh xe dẫn hướng quay
với một góc lớn. Lúc đó tỷ số truyền động học đặt ra cần phải nhỏ.
Ngược lại, khi ôtô chuyển động ở tốc độ cao, căn cứ vào u cầu chuyển
động địi hỏi góc quay vịng nhỏ của bánh xe dẫn hướng chính xác thì lúc này tỷ số
truyền động học bé sẽ gây ra khó khăn cho người lái. Mặt khác, khi ơtơ quay vịng ở
tốc độ cao, lúc này lực ly tâm ( hay là lực ngang) lớn sẽ làm cho các bánh xe dẫn
hướng bị biến dạng dẫn đến tiếp xúc của lốp với mặt đường thay đổi, hay nói một
cách khác là góc quay của bánh xe dẫn hướng bị thay đổi, khơng cịn đảm bảo quan
hệ hình học của hệ thống lái ban đầu. Điều đó sẽ làm cho xe rơi vào hiện tượng
quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa.

18


Do đó, cần phải có một tỷ số truyền động học có khả năng thay đổi để đáp

ứng nhu cầu chuyển động của xe. Để chế tạo cơ cấu lái có khả năng thay đổi tỷ số
truyền địi hỏi rất phức tạp, dẫn đến giá thành đắt như một số hệ thống lái cơ khí
trước đây. Ngày nay, người ta có xu hướng giữ nguyên tỷ số truyền cố định ở cơ
cấu lái. Thêm vào đó là người ta sử dụng bộ truyền hành tinh, kết hợp với motor
điện, để đơn giản về mặt chế tạo mà vẫn đáp ứng được yêu cầu thay đổi tỷ số
truyền.
1.1.2.2. Tỷ số truyền lực.
Tỷ số truyền lực là tỷ số giữa mômen làm quay bánh xe dẫn hướng và ( mơmen cản
quay vịng tác dụng từ mặt đường đến bánh xe dẫn hướng) mômen tác động lên
vành tay lái. Trong trường hợp hệ thống lái có trợ lực, tỷ số truyền động lực được
tính theo cơng thức
if =

ả



=

(1.3)



Trong đó: M ST - là mô men người lái tác động lên vô lăng (N.m)
M a - mô men trợ lực

(N.m)

MSat – Mô men trả lái


(N.m)

Mcản - Mơmen cản quay vịng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe dẫn
hướng (N.m)
Trong hệ thống lái có trợ lực, mơmen của người lái trên vành lái đóng vai trị là
mơmen điều khiển mức độ trợ lực. Ví dụ, mômen trên vành lái là mômen làm xoay
thanh xoắn trong cơ cấu điều khiển van phân phối của bộ trợ lực (vai trò thanh xoắn
được thể hiện trong kết cấu ở hình 3.10). Khi ở vận tốc thấp, mơmen cản lớn,
mong muốn của người lái là lực tác động lên vành tay lái nhỏ, muốn thắng được
mơmen cản thì mơmen trợ lực phải lớn. Trong khi đó, khi quay vịng ở tốc độ cao,
mơmen trả lái giảm đáng kể, để tạo cảm giác cho người lái tức là ta phải giữ ngun
lực đánh lái, do đó phải giảm mơmen trợ lực. Từ đó tỷ số truyền lực cũng thay đổi.
Hình 1.7 biểu diễn mối quan hệ giữa mơmen trợ lực phụ thuộc vào mômen vành
lái ở các tốc độ khác nhau
19


Hình 1.7: Quan hệ giữa Ms và Ma ở các v khác nhau
Đánh giá :
Đối với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì tỉ số truyền lái khơng thay đổi. Do
đó, khơng đáp ứng được u cầu rất quan trọng đối với hệ thống lái trên xe ôtô hiện
đại ngày nay. Để cải thiện điều này, người ta đưa ra hệ thống lái trợ lực thuỷ lực hỗ
trợ điện tử EHPS bằng cách đưa ra thêm các van điện từ vào sau van phân phối để
điều khiển áp suất dầu trợ lực. Tuy nhiên, hệ thống EHPS tồn tại nhiều nhược điểm
như: hệ thống phức tạp, về bản chất là hệ thống thuỷ lực nên tổn hao công suất do
phải dùng bơm thuỷ lực, các yêu cầu về độ kín khít cao, khối lượng lớn và chiếm
diện tích bố trí lớn. Cùng với các loại EHPS, trong thời gian gần đây đã xuất hiện
các dạng hệ thống lái trợ lực khác hồn hảo hơn đó là hệ thống lái trợ lực điện EPS.
`1.1.3. Hệ thống lái trợ lực điện
1.1.3.1 Đặc điểm của hệ thống

Hệ thống trợ lực điện bao gồm các bộ phận trên hình:

20


1- Cảm biến mơ men

3- Trục vít - Bánh vít

2- Mơ tơ trợ lực

4- ECU điều khiển

Hình 1.8: Hệ thống lái điện kiểu trợ lực bố trí trên trục lái
+ Cảm biến mô men: cảm biến mô men được gắn vào phía trong trục lái, dựa vào
hiệu ứng Hall để đưa ra điện áp tùy thuộc vào mô men đánh lái và mô men cản.
Điện áp ra của cảm biến sẽ được gửi vào ECU để điều khiển mô tơ trợ lực
+ ECU điều khiển: ECU tiếp nhận các thông số tín hiệu của cảm biến mơ men, cảm
biến tốc độ động cơ, tín hiệu IG, tín hiệu tốc độ xe sau đó tính tốn và điều khiển
mơ tơ trợ lực
+ Mô tơ trợ lực: Mô tơ trợ lực nối với trục lái bằng bộ giảm tốc trục vít – bánh vít
và được điểu khiển bằng ECU , mơ tơ có thể đảo chiều và quay ở các tốc độ khác
nhau tùy theo mức độ đánh lái của người lái và mơ men cản quay vịng.
1.1.3.2. Ngun lý hoạt động

21


Hình 1.9: Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện
ECU tiếp nhận các thơng số chính từ cảm biến mô men và từ tốc độ xe, ngồi

ra có các thơng số phụ như tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu B+ , chế độ khơng tải để
tính tốn điều khiển mơ tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái. Lực đánh lái càng lớn
thì mô tơ trợ lực càng nhiều, nhưng mô men trợ lực sẽ giảm dần khi tốc độ xe tăng
dần.
+ Trạng thái quay vòng: khi người điều khiển tác động quay vành lái, xuất hiện
hiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men thay đổi điện
áp tùy theo chiều quay và độ lệch tương đối giữa hai đầu thanh xoắn sau đó truyền
tín hiệu về ECU, kết hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU tính
tốn ra dịng điện điều khiển và chiều quay của mô tơ trợ lực cho phù hợp.
+ Trạng thái đi thẳng: trục lái không được tác động do đó khơng có hiện tượng
xoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men khơng thay đổi điện áp, vì
thế ECU khơng điều khiển mô tơ trợ lực và trạng thái đi thẳng được giữ nguyên.
1.1.3.3. Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện
+ Ưu điểm : Hệ thống trợ lực điện và điều khiển điện tử có nhiều ưu điểm hơn so
với các hệ thống trợ lực thủy lực:

22


-

Giảm tổn hao nhiên liệu 2-3% do không phải lai dẫn bơm trợ lực giống
như hệ thống trợ lực thủy lực

-

Khơng xảy ra hiện tượng rị rỉ dầu

-


Trọng lượng giảm so với hệ thống trợ lực thủy lực

-

Dễ dàng điều khiển

-

Việc lắp đặt hệ thống đơn giản và thuận tiện

-

Giảm thiểu chi tiết trong toàn bộ hệ thống

+ Nhược điểm:
-

Kết cấu và chế tạo phức tạp

-

Chịu va đập kém

- Giá thành cao
Đánh giá :
Ngoài những ưu điểm vượt trội khi so sánh với hệ thống lái trợ lực thủy lực
thì hệ thống lái trợ lực điện đã giải quyết được yêu cầu về tỉ số truyền lái thay đổi.
Đây là một yêu cầu rất quan trọng và đặc biệt là đối với các xe ôtô hiện đại ngày
nay. Nhờ việc dễ dàng thay đổi tỉ số truyền lái mà hệ thống lái trợ lực điện giúp
nâng cao tính năng an toàn chuyển động của xe khi xe đi ở tốc độ cao, ngồi ra hệ

thống cịn giúp cho người lái dễ dàng điều khiển xe khi xe đi vào những đường hẹp,
u cầu quay vịng với bán kính nhỏ.
1.2. Một số kết quả nghiên cứu hệ thống lái trong nước
Nghiên cứu “Đặc tính quay vịng của xe du lịch” của tác giả Lê Đức Hiếu
cơng bố năm 2007 đã tính tốn các thơng số kết cấu, những nhân tố ảnh hưởng đến
tính chất quay vịng của xe du lịch, sự biến dạng của bánh xe đàn hồi làm cho quan
hệ động học của mơ hình thay đổi.

23