Tài liệu Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện trên ô tô con

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN VĂN LỢI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN TRÊN Ô TÔ CON Chuyên ngành: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO Mã số: 62. 52. 01. 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN VĂN LỢI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN TRÊN Ô TÔ CON Chuyên ngành: KỸ THUẬT Ô TÔ –MÁY KÉO Mã số: 62. 52. 01. 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẤN KHOA HỌC: 1- PGS. TS. Nguyễn Văn Bang 2- PGS. TS. Đỗ Văn Dũng HÀ NỘI – 2017 1 Chƣơng I. 1.1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hệ thống cơ điện tử trên ô tô Trong những năm gần đây, các hệ thống cơ điện tử được phổ biến trên tất cả các dòng xe nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, công nghệ điện điện tử, công nghệ chế tạo cảm biến và cơ cấu chấp hành. Xu hướng ứng dụng các hệ thống cơ điện tử trên ô tô giúp đảm bảo an toàn chuyển động, tiện nghi, thân thiện với môi trường đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe và thị hiếu của người sử dụng ngày càng phổ biến. Việc nghiên cứu phát triển các hệ thống cơ điện tử ứng dụng trên ô tô thường được tiến hành tại các phòng thí nghiệm của các hãng lớn phối hợp với các trường đại học lớn trên thế giới. Các nghiên cứu ứng dụng giúp các hãng ô tô tạo ra các sản phẩm chất lượng, chiếm lĩnh thị trường thế giới. Những ứng dụng cơ điện tử ban đầu tập trung cho các loại ô tô cao cấp với số lượng ít, giá thành cao sau đó dần phổ biến trên nhiều loại khác nhau. Các nghiên cứu về hệ thống cơ điện tử hình thành nên các bước phát triển công nghệ trong ngành công nghiệp ô tô một cách rõ nét. Có thể thấy sự thay đổi của công nghệ ô tô qua các phiên bản xe xuất hiện trên thị trường. Theo quá trình phát triển có thể chia ra thành các giai đoạn như sau [11]:  Thuần cơ khí (từ trước đến năm 1920): công nghệ chính của các phiên bản xe ban đầu tập trung vào các kết cấu cơ khí. Công nghệ chế tạo các hệ thống cơ khí và đặc tính làm việc của các hệ thống này trở thành nền tảng ngành công nghiệp ô tô.  Cơ điện (1920-1960): Trong giai đoạn này công nghệ chế tạo các hệ thống cơ khí tiếp tục được phát triển. Bên cạnh đó các phát minh về điện dần được áp dụng và phổ biến dẫn đến các hệ thống cơ khí được bổ sung các bộ phận điện làm cải thiện các đặc tính làm việc của hệ thống thuần cơ khí trước đây. Những ứng dụng này hình thành nên bước nhảy công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô.  Cơ điện tử dạng độc lập (1960-1985): Trong giai đoạn này công nghệ bán dẫn được nghiên cứu áp dụng bổ sung cho hệ thống cơ điện giúp cải thiện các đặc tính làm việc của hệ thống cơ điện lên một bước mới. Mặc dù công nghệ bán dẫn được nghiên cứu phát triển từ trước những năm 1950, tuy nhiên giai đoạn này mới được nghiên cứu 2 ứng dụng trên ô tô. Đặc biệt trong giai đoạn này việc ứng dụng các nghiên cứu về vi điều khiển và điều khiển tự động hình thành nên các tính năng tự động hóa các hệ thống cơ điện tử trên ô tô.  Cơ điện tử dạng phối hợp (1985-1995): Đặc điểm chính của công nghệ trong giai đoạn này là sự phối hợp của các hệ thống cơ điện tử cùng tham gia điều khiển trạng thái chuyển động ô tô. Nhờ vào việc phối hợp điều khiển này quỹ đạo chuyển động ô tô được kiểm soát.  Cơ điện tử dạng tích hợp (1995 đến nay): Quan điểm thiết kế đối với các ô tô trong giai đoạn này là tất cả các hệ thống trên ô tô được kiểm soát một cách thống nhất. Nhờ các công nghệ truyền dẫn tín hiệu sử dụng mạng CAN cho phép tất cả các hệ thống kết nối với nhau cùng tham gia quá trình điều khiển ô tô. Cho đến nay, các xe trang bị công nghệ này có giá thành tương đối cao, chủ yếu tập trung ở các dòng xe cao cấp [35].  Giai đoạn tương lai gần: Hiện nay, các nghiên cứu ứng dụng đang tập trung vào dạng cơ điện tử tích hợp tự động hóa từng phần và cơ điện tử dạng tích hợp tự động hoàn toàn. Các công nghệ này tập trung vào nghiên cứu việc kiểm soát hoàn toàn các hệ thống trên xe, phối hợp với hệ thống giao thông thông minh và cảm nhận môi trường lái xe. Một hệ thống cơ điện tử trên ô tô bao gồm kết cấu cơ khí, mạch điện điều khiển, cơ cấu chấp hành, các cảm biến và chương trình điều khiển (Hình 1.1). Trong năm thành phần của hệ thống cơ điện tử thì chương trình điều khiển đóng vai trò quan trọng nhất. Chương trình điều khiển có thể thay đổi một cách linh hoạt theo các thuật toán khác nhau. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của các hệ thống trên ô tô, các nhà thiết kế sẽ lựa chọn xây dựng chương trình điều khiển dựa trên các thuật toán. Thuật toán điều khiển được phát triển dựa trên lý thuyết điều khiển. Lý thuyết điều khiển hiện đại được áp dụng cho các hệ thống cơ điện tử ô tô làm cho các hệ thống này ngày càng trở nên thông minh. Việc áp dụng này làm cho ngành công nghiệp ô tô luôn có các bước nhảy công nghệ. Các hệ thống cơ điện tử được áp dụng để cải tiến các hệ thống nhằm mục đích chính đáp ứng các trạng thái mong muốn theo yêu cầu điều khiển chuyển động, tối ưu hóa các trạng thái chuyển động và điều khiển cho người lái. Đối với người ngồi trên xe, các hệ thống cơ 3 điện tử được phát triển theo hướng tạo cảm giác thoải mái và đảm bảo an toàn chủ động cũng như bị động [36]. Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống cơ điện tử ô tô Các hệ thống cơ điện tử ô tô được phát triển gồm ba hệ thống điều khiển chính: hệ thống cơ điện tử ô tô điều khiển độc lập, hệ thống cơ điện tử ô tô điều khiển kết hợp, hệ thống cơ điện tử ô tô điều khiển tích hợp. 1.1.1. Hệ thống điều khiển độc lập Hệ thống điều khiển độc lập là hệ thống được thiết kế dựa trên đặc tính bản thân hệ thống chưa xét đến mối liên hệ với các hệ thống điều khiển khác. Hệ thống điều khiển này được áp dụng trên các hệ thống cơ điện tử thế hệ đầu. Hệ thống điều khiển độc lập này có thể sử dụng hệ thống điều khiển kín hoặc hở. Trên ô tô đa phần các hệ thống cơ điện tử đều dùng hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín (Hình 1.2). Hình 1.2: Hệ thống điều khiển hệ thống lái phản hồi kiểu vòng kín Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín áp dụng trên các hệ thống điều khiển trên ô tô có khuynh hướng duy trì một mối quan hệ được định trước giữa các giá trị biến thiên của hệ thống. Phương thức điều khiển thông qua phép so sánh giữa các giá trị đáp ứng mong muốn và giá trị thực tế đạt được. Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín này ứng dụng trên ô tô cũng được chia thành nhiều dạng khác nhau như: điều khiển đơn biến, điều 4 khiển đa biến, điều khiển phản hồi trạng thái, điều khiển bền vững…Nghiên cứu ứng dụng cho hệ thống cơ điện tử độc lập hoàn thiện về mặt kết cấu công nghệ làm tiền đề cho việc phát triển các hệ thống cơ điện tử ô tô dạng phối hợp [25]. Các hệ thống phát triển dạng này có thể thấy như: điều khiển tiết chế loại bán dẫn, phun xăng đơn điểm, hệ thống phanh sử dụng ABS…Chúng hoạt động độc lập, song song nhau, nhận các tín hiệu đầu vào một cách độc lập hoặc tín hiệu chung. Tuy nhiên, các hệ thống không có sự liên kết. 1.1.2. Hệ thống điều khiển kết hợp Hệ thống điều khiển kết hợp được phát triển dựa trên hai hay nhiều hệ thống điều khiển phối hợp với nhau cùng điều khiển chuyển động của xe. Đặc điểm chính của hệ thống này là các chương trình điều khiển có tính toán đến sự ảnh hưởng của các hệ thống khác, kết quả của quá trình điều khiển là sự phối hợp của hai hay nhiều chương trình điều khiển khác nhau. Đặc tính động học của xe luôn được điều khiển bởi các tín hiệu được thực hiện qua thao tác điều khiển bướm ga khi tăng tốc, điều khiển vành tay lái khi đổi hướng và điều khiển phanh khi gặp chướng ngại vật. Đây là ba tín hiệu chính trong quá trình điều khiển ô tô. Sự thay đổi ba tín hiệu điều khiển này ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính động lực học của xe. Mối liên hệ giữa chúng có thể là tương hỗ hoặc xung đột. Có thể thấy rõ quan hệ giữa hệ thống phanh và hệ thống treo:  Khi tác dụng lực lên bàn đạp phanh, lực phanh tại các bánh xe giúp giảm vận tốc chuyển động của ô tô hay đảm bảo ổn định động lực học theo phương dọc, nhưng khi phanh tải trọng có xu hướng dồn về cầu trước ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống treo.  Khi điều khiển quay vòng, trọng lượng phân bố lại lên các bánh xe bên trái và bên phải. Hệ thống phanh và hệ thống lái cũng có mối quan hệ quan trọng. Quỹ đạo chuyển động của xe khi quay vòng có thể can thiệp bằng hệ thống phanh thông qua việc điều khiển lực phanh điều khiển các bánh xe để đảm bảo quỹ đạo mong muốn. Có thể hiểu rõ điều này thông qua ví dụ về hoạt động kết hợp giữa hệ thống lái chủ động AFS và hệ thống ổn định động lực học DSC (Hình 1.3). Trạng thái ô tô khi quay vòng có thể được 5 đáp ứng một cách tối ưu thông qua việc kết hợp quá trình điều khiển hệ thống lái tích cực và điều khiển tạo lực phanh phụ trên cầu xe. Hệ thống điều khiển kết hợp là tiền thân của hệ thống điều khiển tích hợp được bố trí trên các xe hiện đại [49]. Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển kết hợp AFS và DSC Hệ thống cơ điện tử phối hợp giúp việc điều khiển trở nên chính xác và hiệu quả hơn, không những thế nó còn tạo sự liên kết, phối hợp điều khiển giữa các hệ thống. Có thể chia xu hướng ứng dụng các hệ thống cơ điện tử cũng như phối hợp điều khiển trên những ô tô hiện đại thành ba vùng chính [29]:  Động cơ, hệ thống truyền lực: Công nghệ mới được áp dụng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ như hệ thống phun nhiên liệu điện tử, hệ thống phối khí điện tử, hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống kiểm soát khí xả. Các hệ thống này không những phát triển tối ưu mà còn phối hợp với nhau giúp kiểm soát hoạt động động cơ một cách hiệu quả.  Điều khiển động lực học xe: Hệ thống điều khiển động lực học xe là sự phối hợp của nhiều hệ thống. Các hệ thống này không những phát triển tối ưu mà còn phối hợp với nhau giúp kiểm soát động lực học toàn xe một cách hiệu quả. Các hệ thống như truyền lực phanh, treo, lái ngày càng được hoàn thiện đáp ứng các yêu cầu sử dụng xe cũng như điều khiển xe. 6  Thông tin, tiện nghi, giải trí: Các hệ thống thông tin trên xe ngày càng hoàn thiện đồng thời điều khiển kết hợp giữa thông tin tín hiệu giao thông trên đường làm cho xe trở nên thông minh hơn. Trong ba vùng trên, điều khiển động lực học xe được các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều nhất. Các nghiên cứu về kiểm soát động lực học chú trọng tới nhiều khía cạch khác nhau, tuy nhiên, có thể liệt kê thành ba hướng chính: Điều khiển kiểm soát theo phương dọc, điều khiển kiểm soát theo phương ngang và điều khiển kiểm soát theo phương thẳng đứng. Ba hướng trên có quan hệ mật thiết với nhau. Việc phối hợp này có thể thấy chất lượng điều khiển kiểm soát quỹ đạo, tình trạng động lực học theo mong muốn của người lái trong quá trình điều khiển xe được nâng cao so với các công nghệ trước. 1.1.3. Hệ thống điều khiển tích hợp Đối với thiết kế trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu, chính vì vậy quỹ đạo chuyển động của ô tô được khảo sát một cách chặt chẽ trong nhiều tình huống khẩn cấp và tình trạng đường thay đổi [42]. Quỹ đạo chuyển động của ô tô là tổng hợp kết quả tương tác giữa hệ thống lái, động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống treo, phanh, lốp xe và tình trạng mặt đường. Quỹ đạo chuyển động của ô tô được tổng hợp từ các trạng thái:  Trạng thái chuyển động thẳng: Được khảo sát thông qua khả năng ô tô chuyển động với vận tốc trung bình lớn nhất trong điều kiện đường cụ thể, được đánh giá thông qua gia tốc của xe, góc dốc lớn nhất có thể vượt, thời gian và quãng đường tăng tốc, vận tốc lớn nhất.  Trạng thái chuyển động quay vòng: Được thể hiện chính trong việc ổn định trạng thái cân bằng xe trước những tác động bên ngoài ngẫu nhiên.  Dao động theo phương thẳng đứng: Tình trạng thay đổi về không gian trạng thái của hành khách hay người sử dụng theo những ảnh hưởng ngẫu nhiên từ mặt đường. Để đáp ứng các tiêu chuẩn thiết kế theo quan điểm trên các hệ thống độc lập được thay thế dần bởi các hệ thống phối hợp. Khi số lượng các hệ thống cơ điện tử trên xe càng phát triển thì số lượng cảm biến và bộ chấp hành cũng tăng dần. Hệ thống cơ điện tử 7 tích hợp ra đời đáp ứng nhu cầu quản lý một cách thống nhất các thông số đầu vào và kiểm soát tổng thể các hệ thống phối hợp. Ở các hệ thống này, hệ thống cơ điện tử có nhiệm vụ kiểm soát động lực học chính của khung xe thông qua các tác động của bốn hệ thống chính phanh, treo, lái, truyền lực. Ngoài ra các hệ thống phụ trợ khác như chiếu sáng, hệ thống thông tin tín hiệu, cảnh báo…cũng làm việc dưới sự kiểm soát của hệ thống tích hợp (Hình 1.4) [17]. Điều khiển phanh Điều khiển chân ga, và số Ngƣời điều khiển xe Góc quay vô lăng Hình 1.4: Hệ thống điều khiển tích hợp trên xe 1.2. Các loại hệ thống lái Từ khi ô tô ra đời cho đến nay, hệ thống lái được cải tiến không ngừng để đáp ứng các tiêu chí về an toàn và tiện nghi, tính an toàn chủ động trong điều kiện chuyển động với vận tốc cao trong tình trạng mật độ các phương tiện tham gia giao thông lớn. Yêu cầu đối với thiết kế hệ thống lái cũng có sự phát triển. Trong các thiết kế đầu tiên, các yêu cầu chủ yếu tập trung đáp ứng các tiêu chuẩn về ổn định, đảm bảo động lực học, đảm bảo an toàn ở phù hợp với tiêu chuẩn về đường bộ, do đó các nghiên cứu tập trung vào mối quan hệ giữa vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng. Bước phát triển tiếp theo, các thiết kế hệ thống lái tập trung chủ yếu đảm bảo an toàn chuyển động thông qua việc cải tiến ổn định quỹ đạo chuyển động ở nhiều dải vận tốc khác nhau thích nghi với tình trạng đường. Đối với thiết kế trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu, chính vì vậy, quỹ đạo chuyển động của ô tô được khảo sát một cách chặt chẽ trong nhiều tình huống khẩn cấp và tình trạng mặt đường thay đổi. 8 Tổng hợp quá trình phát triển các hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê thành các hệ thống lái sau: hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái điện, hệ thống lái tự động. Mặc dù mặt kết cấu các hệ thống lái khác biệt, tuy nhiên có thể tổng hợp các thành phần kết cấu hệ thống lái một cách chung nhất như Hình 1.5. Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái 1.2.1. Hệ thống lái cơ khí Hệ thống lái thuần cơ khí được bố trí trên các xe thế hệ đầu tiên từ thập kỷ 50. Về cấu tạo chúng gồm hai thành phần dẫn động lái và cơ cấu lái. Các nghiên cứu phát triển hệ thống lái cơ khí chủ yếu tập trung vào khả năng quay vòng ô tô trong thời gian ngắn nhất trên một diện tích bé, giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng, lực tác dụng lên vành tay lái nhỏ trong giới hạn số vòng quay đánh lái cho phép, đảm bảo động lực quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt, sự tương thích động học giữa dẫn động lái và bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo, khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng lên vành tay lái thông qua hiệu suất truyền lực, quan hệ chuyển động giữa bánh xe bên phải và bên trái. Tỷ số truyền của hệ thống lái gồm tỷ số truyền góc và tỷ số truyền mô men. Về mặt trị số, chúng là tích của tỷ số truyền cơ cấu lái và tỷ số truyền dẫn động lái. Tùy thuộc vào ô tô, tỷ số truyền hệ thống lái có thể không đổi hoặc thay đổi theo các quy luật khác nhau theo góc quay vô lăng. Hiệu suất hệ thống lái gồm hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch. Hiệu suất nghịch phải có trị số nhất định đảm bảo giảm va đập truyền từ các bánh xe dẫn hướng lên vô lăng, tuy 9 nhiên vẫn đảm bảo các bánh xe dẫn hướng tự trả về vị trí chạy thẳng dưới tác dụng của các mô men ổn định. Ma sát, độ nhạy và cảm giác lái phụ thuộc nhiều vào khe hở giữa các bề mặt làm việc của hệ thống lái. Để đảm bảo độ nhạy và cảm giác lái tốt khi ô tô chuyển động ở vận tốc cao, khe hở làm việc phải nhỏ nhất khi ô tô chuyển động thẳng. Cảm giác lái là tổng hợp các cảm nhận của người lái về trạng thái quay vòng của ô tô như vận tốc, bán kính quay vòng, hành lang quay vòng, mô men cản quay bánh xe dẫn hướng, tình trạng kỹ thuật hệ thống lái…Các giá trị định lượng về mặt kỹ thuật cảm giác lái gồm mô men cản quay trên vô lăng, vận tốc và góc quay của vô lăng khi nó quay về vị trí chạy thẳng (Hình 1.6). Mô men cản quay τd (N.m)  Góc tự trả về của vô lăng 2 1 t Góc quay bánh xe dẫn hướng  (độ) a) b) Hình 1.6: Các giá trị định lượng của cảm giác lái a) Quan hệ giữa mô men cản quay theo góc quay bánh xe dẫn hướng  d ( ) ; b) Quan hệ giữa góc trả về của vô lăng theo thời gian  (t ) Nhìn chung hệ thống lái thuần cơ khí đáp ứng được yêu cầu ban đầu để xe chuyển động trên đường ứng với dải vận tốc hạn chế đảm bảo các điều kiện chuyển động quay vòng. Tuy nhiên, trong quá trình đánh lái, người lái phải sử dụng toàn bộ năng lượng để thực hiện việc điều khiển hướng chuyển động, đồng thời cũng tiếp nhận những phản hồi không mong muốn từ mặt đường điều này làm cho người lái cảm thấy mệt mỏi khi sử dụng. Các nghiên cứu hệ thống lái cơ khí chỉ tập trung vào bài toán góc quay bánh xe dẫn hướng chuyển động theo vô lăng, do vậy ảnh hưởng của dịch chuyển thân xe đến quá trình quay vòng khi đánh lái ở vận tốc cao là rõ nét và chưa kiểm soát được, chưa tối ưu khối 10 lượng, kích thước các chi tiết cơ khí nên cơ cấu chưa gọn nhẹ, chiếm nhiều không gian bố trí [3]. Trên thị trường Việt Nam vẫn còn một số ít các xe cũ đang lưu thông sử dụng loại hệ thống lái này. 1.2.2. Hệ thống lái trợ lực thủy lực Hệ thống lái trợ lực thủy lực là sự cải tiến của hệ thống lái thuần cơ khí nhằm giải quyết vấn đề chính là hỗ trợ một phần năng lượng của người lái trong quá trình điều khiển xe tạo cảm giác thoải mái khi điều khiển lái. Tùy theo thiết kế và chế độ chuyển động của xe, năng lượng hỗ trợ của bộ trợ lực do động cơ tạo ra có thể lên đến 80% năng lượng tổn hao cho việc đánh lái. Việc trang bị hệ thống lái trợ lực giúp cho người lái ít tổn hao năng lượng khi quay vòng xe đồng thời giảm được những va đập từ bánh xe lên vô lăng. Không những thế, nó còn nâng cao được tính năng an toàn nhờ vào việc trong một số trường hợp lốp gặp sự cố đột ngột. Đây là một trong những ưu điểm nổi bật hệ thống lái trợ lực thủy lực. Vấn đề chính cần giải quyết ở hệ thống lái này là tỷ lệ trợ lực phù hợp với điều kiện chạy xe và sự thay đổi góc đánh lái. Có thể thấy rõ khi di chuyển ở vận tốc thấp mô men cản quay vòng tương đối lớn do vậy cần trợ lực nhiều, ngược lại vận tốc cao cần hạn chế trợ lực, vị trí vô lăng vị trí trung hòa khi ô tô chạy thẳng cần ít trợ lực, đánh lái nhiều càng xa vị trí trung hòa, tỷ lệ trợ lực càng tăng. Hay nói cách khác, đặc tính trợ lực của hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn thay đổi tỷ lệ trợ lực theo điều kiện chuyển động dựa trên giá trị mô men cản quay vòng. Mô men cản này thay đổi theo vị trí góc đánh lái và vận tốc chạy xe [9]. Hệ thống lái trợ lực thủy lực ban đầu sử dụng thanh xoắn để điều khiển các chế độ trợ lực có sơ đồ nguyên lý như hình Hình 1.7. Xy lanh trợ lực Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trợ lực lái thủy lực 11 Điểm quan trọng nhất của hệ thống lái trợ lực thủy lực này chính là thanh xoắn bố trí trên trục lái. Thanh xoắn này đóng vai trò bộ phận cảm nhận sự thay đổi mô men cản quay vòng tại bánh xe dẫn hướng. Khi đánh lái, mô men cản bánh xe dẫn hướng càng lớn mô men xoắn càng lớn làm cho thanh xoắn biến dạng nhiều khi đó cửa van dầu trợ lực được mở rộng áp lực dầu trợ lực tăng theo. Vận tốc chạy xe tăng làm cho mô men cản tại bánh xe dẫn hướng giảm dẫn đến biến dạng thanh xoắn cũng giảm. Trong quá trình chạy xe, thanh xoắn điều khiển đặc tính trợ lực thay đổi theo góc đánh lái và vận tốc một cách tự nhiên. Bên cạnh các ưu điểm hệ thống trợ lực lái thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn thì vẫn còn một số nhược điểm cần cải tiến: - Việc điều khiển các van dầu trợ lực bằng thanh xoắn hoàn toàn bằng cơ khí nên các chế độ điều khiển trợ lực bị hạn chế do góc biến dạng thanh xoắn được giới hạn. - Khi chạy ở vận tốc cao công suất bơm dầu tăng dẫn đến áp lực dầu tăng theo, việc hạn chế trợ lực khó khăn có thể dẫn đến mất cảm giác lái. Trong một số thiết kế có thêm bộ phận van hạn chế áp suất dầu từ bơm khi chuyển động ở vận tốc cao. Tuy nhiên, do khoảng biến dạng thanh xoắn tương đối nhỏ trong khi các chế độ mô men cản, vận tốc xe và góc đánh lái thay đổi liên tục và dải làm việc tương đối lớn chính vì vậy việc điều khiển đặc tính trợ lực trở nên khó khăn. - Bơm dầu làm việc liên tục do kết nối trực tiếp với động cơ dẫn đến tổn hao năng lượng trong tình trạng không cần trợ lực gây lãng phí. Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất nhiều dòng xe trang bị hệ thống lái này do giá thành rẻ và phù hợp vận tốc chạy xe hạn chế nhỏ hơn 120 km/h. 1.2.3. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện là phiên bản cải tiến của hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn được phát triển từ thập kỷ 90. Đặc điểm quan trọng của hệ thống này là thanh xoắn cảm biến mô men đánh lái không trực tiếp điều khiển van trợ lực. Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử như Hình 1.8. Độ biến dạng của thanh xoắn được chuyển thành tín hiệu điện gửi đến hộp điều khiển điều khiển trợ lực. Hộp điều khiển trợ lực tổng hợp các tín hiệu chạy xe, tính toán và xác định phần tỷ lệ trợ lực từ đó quyết định đặc tính trợ lực thông qua việc điều khiển áp lực 12 dầu từ bơm trợ lực và lượng dầu đi vào xy lanh trợ lực. Thông qua việc điều khiển gián tiếp, các chế độ trợ lực và đặc tính trợ lực được thay đổi một các linh hoạt. Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện tử So với hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử có nhiều ưu điểm hơn như: Dải làm việc làm việc của trợ lực đa dạng đáp ứng các dải vận tốc khác nhau đặc biệt là đặc tính trợ lực, tạo cảm giác lái ở dải vận tốc cao [18]. Trên thị trường Việt Nam hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện thường được trang bị cho các dòng xe hạng trung và một số xe hạng sang. 1.2.4. Hệ thống lái trợ lực điện tử Hệ thống lái trợ lực điện tử được phát triển với mong muốn thay thế hệ thống trợ lực thủy lực truyền thống. Điểm chính của hệ thống trợ lực này là bộ phận trợ lực thủy lực truyền thống được thay thế bằng bộ điều khiển trợ lực sử dụng động cơ điện (Hình 1.9) [45]. Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực điện 13 Việc điều khiển trợ lực thông qua mô tơ điện được điều khiển bằng hộp điều khiển. Hệ thống trợ lực điện có thể xem là một trong những hệ thống cơ điện tử. Trong đó hộp điều khiển ECU của hệ thống trợ lực chứa chương trình điều khiển. Chương trình điều khiển được lập trình dựa trên thuật toán điều khiển trợ lực lái. Trong hệ thống này, cảm biến mô men cản sẽ xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hướng, ứng với từng điều kiện chuyển động cụ thể chương trình sẽ tính toán lựa chọn đặc tính trợ lực thích hợp để quyết định giá trị mô men bao nhiêu phần trăm thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ điện. Hệ thống lái trợ lực điện khắc phục hạn chế tổn hao công suất do bơm thủy lực hoạt động liên tục trong quá trình chạy xe. Thêm vào đó, dầu trợ lực lái là một nhân tố gây ô nhiễm môi trường cũng được khắc phục. Kết cấu của hệ thống lái trợ lực điện tử cũng gọn hơn. Bộ trợ lực điện này có thể được bố trí linh hoạt trên trục lái dạng EPASColumn, bố trí trên thước lái dạng EPAS-Rack, bố trí trên bộ phận giảm tốc dạng EPASPinion, đặt song hành cùng với thước lái dạng EPAS-Dual-Pinion (Hình 1.10). Hệ thống trợ lực điện có các chế độ điều khiển trợ lực tương đồng hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện, tuy nhiên, khả năng bố trí thay đổi một cách linh hoạt, dễ bố trí, giảm tiêu hao năng lượng và bảo vệ môi trường [19]. a) b) c) d) Hình 1.10: Các loại hệ thống lái trợ lực điện a) EPAS-Column b) EPAS-Pinion c) EPAS-Dual-Pinion d) EPAS-Rack Tùy theo chế độ chạy xe, đặc tính trợ lực được sử dụng có sự khác nhau thể hiện qua Hình 1.11 [22]. Ứng với dải vận tốc thấp từ 0 đến 15km/h đặc tính trợ lực biến thiên lớn, giá trị mô men trợ lực tăng nhanh. Đặc tính trợ lực giảm dần khi vận tốc chạy xe tăng lên. Các thiết kế bộ trợ lực sẽ có các dải đặc tính trợ lực khác nhau tùy vào tình trạng cản, tải trọng và dải vận tốc tối đa của xe. Hệ thống trợ lực điện có thể hiệu chỉnh và phân chia dải đặc tính trợ lực một cách linh hoạt. 14 Mô men trợ lực (N.m) Tải nặng (màu xanh), Tải nhẹ (màu đỏ) Mô men đánh lái (N.m) Hình 1.11: Đặc tính trợ lực hệ thống lái trợ lực điện ứng với chế độ tải khác nhau 1.2.5. Hệ thống lái chủ động Hệ thống lái sử dụng trợ lực giúp người lái xe điều khiển chuyển động một các linh hoạt và dễ dàng, giảm được mệt mỏi khi lái xe trong thời gian dài. Tuy nhiên, hệ thống lái này vẫn còn một số vấn đề cần cải tiến. Có thể thấy điều khiển hệ thống lái với mục đích chính là điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô. Quỹ đạo chuyển động ô tô khi quay vòng chịu ảnh hưởng của góc quay thân xe, biến dạng lốp và tình trạng đánh lái. Khi điều khiển ô tô ở vận tốc thấp, lốp xe được xem như không biến dạng. Khi đó, bán kính quay vòng thực tế của ô tô trùng với bán kính quay vòng lý thuyết R. Bán kính này được xác định theo góc quay của bánh xe dẫn hướng δ và chiều dài cơ sở L, góc quay bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong 1 ,  2 của ô tô theo công thức [7]:   B L L Cotg 1 - Cotg 2  , Rt  R   ,  1 2 L tan   2 (1.1) Trong trường hợp này, trạng thái quay vòng của ô tô được gọi là quay vòng đúng. Trong thực tế, do tính đàn hồi của lốp, các phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe khi ô tô quay vòng nên có các góc lệch bên trước αf và sau αr: f  Fyf C f ; r  Fyr C r (1.2) 15 Thành phần lực ngang Fyf, Fyr làm cho các bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau lăn lệch khỏi phương chuyển động ban đầu dưới các góc lệch bên αf và αr. Trong quá trình chuyển động quay vòng có thể xảy ra trạng thái quay vòng đúng, quay vòng thiếu, quay vòng thừa do lốp biến dạng. Vấn đề này được giải quyết khi nghiên cứu phát triển hệ thống lái chủ động AFS. Hệ thống lái chủ động được thiết kế dựa trên phân tích về hướng chuyển động thực tế của xe khi lưu thông ở các vận tốc khác nhau tại các điều kiện khác nhau. Khi ô tô chuyển động ở dải vận tốc thấp hướng chuyển động của ô tô được quyết định bởi góc đánh lái [27]. Tuy nhiên khi vận tốc chuyển động lớn hơn 60 km/h ảnh hưởng của lực quán tính tác động lên thân xe làm xoay thân xe do lốp biến dạng và ảnh hưởng hệ thống treo là rõ nét. Nói cách khác hướng chuyển động của ô tô phụ thuộc vào hai tín hiệu góc đánh lái (điều khiển góc quay bánh xe dẫn hướng từ vô lăng) và góc xoay thân xe (thay đổi điều kiện chạy xe tác động lên hệ thống treo). Hệ thống lái chủ động là bước phát triển của hệ thống lái cơ khí giải quyết bài toàn ảnh hưởng của tình trạng quay vòng thiếu, quay vòng thừa do ảnh hưởng của hệ thống treo và biến dạng của lốp (Hình 1.12). Đặc điểm chính của hệ thống này là sự thay đổi tỷ số truyền theo tình trạng biến dạng lốp cầu trước và cầu sau. Các thông tin góc xoay thân xe, góc đánh lái, vận tốc xe, áp suất lốp được chương trình máy tính phân tích, tính toán quyết định tỷ số truyền giữa góc quay vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng. Hình 1.12: Mô hình phân tích góc xoay thân xe do biến dạng lốp Trên các ô tô hiện đại, hệ thống lái tích cực được điều khiển kết hợp với các hệ thống điều khiển ổn định quỹ đạo thành hệ thống cơ điện tử ô tô dạng phối hợp đảm bảo tính điều khiển và tính ổn định của ô tô (Hình 1.13). 16 Cảm biến góc quay trục lái DSC DSC Hình 1.13: Sơ đồ hoạt động phối hợp của hệ thống AFS và DSC Nhờ vào sự phối hợp, động lực học xe được kiểm soát tương đối chặt chẽ, quỹ đạo chuyển động không bị lệch so với mong muốn, đảm bảo an toàn chủ động khi lưu thông ở vận tốc cao. Đa phần các xe trang bị hệ thống này được nhập khẩu từ các thị trường có tiêu chuẩn kiểm định cao như Châu Âu hay Bắc Mỹ. 1.2.6. Hệ thống lái điện Với các hệ thống lái đã trình bày ở trên, khi quay vòng ở các vận tốc khác nhau người lái chỉ kiểm soát được một số trạng thái động lực học của xe. Hệ thống lái điện có khả năng tích hợp tất cả các hệ thống khác trên xe thành một đối tượng thống nhất. Trong các năm gần đầy, hệ thống lái này đang được tập trung nghiên cứu. Khái niệm về hệ thống lái điện được hình thành dựa trên mong muốn xây dựng hệ thống lái đáp ứng được các tình trạng chuyển động theo mong muốn của người điều khiển xe khi quay vòng. Ưu điểm nổi bật của hệ thống lái này là:  Do bỏ bớt trục lái nên có nhiều khoảng trống để bố trí khoang lái một cách thuận tiện, giảm đáng kể khối lượng, quán tính của hệ thống.  Liên kết giữa bộ phận vô lăng và bộ phận chấp hành thông qua bộ điều khiển cho nên có thể điều khiển chuyển động bánh xe dẫn hướng theo tình trạng chuyển động ô tô một cách linh hoạt, có khả năng phối hợp với các hệ thống điều khiển khác. 17  Các tác động từ mặt đường không trực tiếp lên người sử dụng nên tạo cảm giác thoải mái cho người điều khiển, tránh ảnh hưởng tới sức khỏe.  Có thể được sử dụng trên các xe điều khiển từ xa, xe chuyên dùng.  Hệ thống lái điện dẫn động tích hợp với đặc điểm hai bánh dẫn hướng liên kết với nhau qua hình thang lái (Hình 1.12a). Trên hệ thống này trục lái liên kết giữa vô lăng và cơ cấu lái được thay thế bằng hệ cơ điện tử.  Đặc điểm hệ thống lái điện dẫn động độc lập với đặc điểm mỗi bánh xe dẫn hướng bố trí một động cơ điều khiển (Hình 1.12b). Việc điều khiển một cách độc lập tại các bánh xe có ưu điểm giúp tỉ lệ thay đổi góc dẫn hướng bánh xe một cách độc lập theo lý thuyết quay vòng. Hình 1.14: Các kiểu hệ thống lái điện a) Dẫn động tích hợp; b) Dẫn động độc lập Trong hệ thống lái điện dẫn động tích hợp, phía dưới vô lăng được bố trí một cảm biến vị trí góc quay. Khi người lái tác động vào vô lăng, tín hiệu được cảm biến thu nhận và truyền qua hộp điều khiển, hộp điều khiển phân tích và xuất tín hiệu điều khiển động cơ gắn trên cơ cấu lái để điều khiển cơ cấu lái đúng như tín hiệu mà người điều khiển mong muốn. Ở chiều ngược lại, trên cơ cấu lái cũng gắn một cảm biến thu thập tín hiệu phản hồi từ mặt đường, tín hiệu này được truyền ngược lên hộp điều khiển, hộp điều khiển phân tích và xuất tín hiệu điều khiển động cơ gắn dưới vô lăng để tạo cảm giác tác động phản hồi từ mặt đường đến người lái. Trên các hệ thống lái thông thường, mô men từ vành tay lái được truyền trực tiếp xuống cơ cấu lái thông qua trục lái. Tuy nhiên, ở hệ thống lái điện cơ cấu liên kết trung gian này đã được loại bỏ, chính vì vậy, việc đồng bộ 18 góc quay giữa vành tay lái và cơ cấu lái cũng như những tác động phản hồi từ mặt đường lên vô lăng được xem là một nhiệm vụ quan trọng. Bộ điều khiển hệ thống lái đóng vai trò then chốt trong quá trình điều khiển xe. Mọi thông tin sẽ được xử lý bằng điện tử nên khả năng phản ứng với những thông tin trong quá trình lái xe sẽ nhanh hơn, không những thế, nó còn có khả năng hạn chế phản hồi từ mặt đường, theo đó khi xe đi vào mặt đường xấu, gồ ghề những rung động từ mặt đường tác động lên vô lăng sẽ được loại bỏ, nhờ vậy người lái không bị mỏi tay mà thoải mái hơn đồng thời không gian bố trí cho hệ thống lái giảm, trọng lượng giảm. Trên thế giới, hệ thống lái này đã và đang nghiên cứu và ứng dụng trong các năm gần đây. Kết quả nghiên cứu đang được thử nghiệm trên ô tô thực tế. 1.2.7. Hệ thống lái trong tƣơng lai Các nghiên cứu về hệ thống lái điện là tiền đề phát triển công nghệ lái tự động. Công nghệ lái xe tự động đã được ứng dụng cho các dòng xe điện, xe lai điện (xe phối hợp giữa động cơ xăng và điện) trong giao thông tại một số nước phát triển (Mỹ, Đức, Nhật, Trung Quốc). Công nghệ này được dự báo sẽ được sử dụng trên nhiều phương tiện vận tải trong tương lai tại các thành phố lớn. Công nghệ lái tự động ứng dụng trên xe nhiều cấp độ khác nhau. Công nghệ này có thể chia thành bốn cấp độ khác nhau tùy vào khả năng công nghệ và kết cấu cơ sở hạ tầng giao thông: Cấp độ 1: Hỗ trợ ngƣời lái: Công nghệ lái tự động hỗ trợ một phần điều khiển kiểm soát hành trình, hướng dẫn làn chạy xe, tự động đỗ xe. Người lái điều khiển trực tiếp tác động, kiểm soát quá trình chạy xe [12]. Cấp độ 2: Kết hợp chức năng tự động với ngƣời lái: Trong công nghệ lái này, người lái kết hợp giữa tín hiệu điều khiển người lái với chức năng điều khiển tự động kiểm soát hành trình, ổn định bám làn. Người điều khiển chịu trách nhiệm giám sát các đường và dự kiến tình trạng chạy xe, lựa chọn chế độ chạy hợp lý, trong điều kiện chạy ổn định có thể chuyển sang chế độ tự động lái xe [43]. Cấp độ 3: Tự động lái mức độ giới hạn: Trong công nghệ lái này, nhiệm vụ người lái quyết định lựa chọn chế độ, hành trình chạy xe dựa trên kinh nghiệm hoặc quan sát điều kiện thực tế. Chương trình điều khiển lái tự động xác định quỹ đạo chuyển động