Các nghiên cứu về hệ thống lái không được nhiều nhà nghiên cứu xem xét đúng mức. Với mong muốn nắm bắt các công nghệ điều khiển hiện đại trên thế giới một cách sâu sắc, tiến tới làm chủ công nghệ và phát triển các công nghệ mới tại Việt Nam. Vì vậy, nhóm em chọn đề tài “ Nghiên cứu hệ thống lái điều khiển điện tử trên xe Infiniti Q50” là đề tài làm bài tập lớn vì nó đem lại ý nghĩa thực tiễn cao.
Tổng quan về hệ thống lái trên ô tô
Nhiệm vụ
Hệ thống lái của ô tô có vai trò quan trọng trong việc thay đổi hướng di chuyển hoặc duy trì hướng đi của xe bằng cách điều khiển vành lái, tác động đến bánh xe dẫn hướng Quá trình điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe được gọi là quay vòng xe, và hiện nay có nhiều phương pháp để thực hiện việc này.
+ Xoay các bánh dẫn hướng.
+ Truyền các moment quay có trị số khác nhau đến các bánh xe chủ động ở bên trái và bên phải.
+ Kết hợp đồng thời cả hai phương pháp trên.
- Hệ thống lái giúp cho ô tô có thể:
+ Quay vòng bánh xe mà ít bị trượt bên.
+ Lực trên vành lái hợp lý và tạo cảm giác đánh lái phù hợp.
+ Đảm bảo ô tô có khả năng tự trở về trạng thái chuyển động thẳng.
+ Giảm các va đập từ mặt đường lên vành lái tạo thuận lợi cho việc điều khiển chính xác hướng chuyển động.
Cầu dẫn hướng là bộ phận chịu toàn bộ trọng lượng phía trước của ô tô, bao gồm động cơ, hộp số và khung xe Nó kết nối các bánh dẫn hướng với khung, đồng thời chịu các lực tác động từ mặt đường lên khung xe.
Hình 1 1: Cơ cấu dẫn động lái trên ô tô
Yêu cầu
- Khi bộ trợ lực lái hỏng, hệ thống lái vẫn phải làm việc được.
Bộ trợ lực lái cung cấp cảm giác về sức cản cho người lái khi thực hiện các thao tác quay vòng Chức năng này chỉ hoạt động khi sức cản quay vòng vượt quá mức giới hạn đã định.
Bộ trợ lực lái có tác động nhanh chóng và cần đảm bảo tỷ lệ hợp lý giữa lực tác dụng và góc quay của trục vô lăng cùng với bánh xe dẫn hướng.
Hiệu suất làm việc cao giúp xe duy trì ổn định trên đường xóc mà không gặp hiện tượng tự trợ lực Tuy nhiên, khi bánh xe dẫn hướng bị hỏng, bộ trợ lực lái sẽ phải hoạt động để giữ cho xe di chuyển đúng hướng.
Yêu cầu đối với cầu dẫn hướng:
+ Truyền lực tốt giữ khung xe và bánh xe dẫn hướng.
+ Các bánh xe dẫn hướng có động học đúng khi dịch chuyển theo mặt đường nganh.
+ Góc đặt trục đứng và bánh xe phải đúng.
+ Trọng lượng phần không được treo phải nhỏ, độ cứng và độ bền cao.
+ Đảm bảo khả năng xoay các bánh xe dẫn hướng theo tỷ lệ.
+ Khả năng truyền các momen quay có trị số khác nhau đến các bánh xe chủ động bên trái và bên phải.
Cấu tạo và Phân loại hệ thống lái ô tô
1.1.3.1 Cấu tạo chung của hệ thống lái
Hình 1 2: Cấu tạo cơ bản của hệ thống lái trên ô tô a.Vô lăng:
Hình 1 3: Cấu tạo vô lăng
Vô lăng, hay còn gọi là bánh lái, thường có hình dạng vòng tròn với các nan hoa hoặc chấu, được thiết kế để tạo và truyền momen quay từ người lái đến trục lái Các nan hoa có thể được bố trí đối xứng hoặc không, và có thể đều hoặc không đều, tùy thuộc vào sự thuận tiện trong quá trình lái xe.
Bán kính vô lăng được lựa chọn phù hợp với từng loại xe và cách bố trí chỗ ngồi của người lái, dao động từ 190 mm cho xe du lịch cỡ nhỏ đến 275 mm cho xe tải và xe khách lớn Trục lái cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
Hình 1 4: Bản vẽ trục lái
Trục lái là một thành phần quan trọng trong hệ thống lái của xe, có dạng đòn dài, có thể là đặc hoặc rỗng Chức năng chính của trục lái là truyền momen từ vô lăng xuống cơ cấu lái, và độ nghiêng của nó sẽ quyết định góc nghiêng của vô lăng, từ đó ảnh hưởng đến sự thoải mái của người lái khi điều khiển phương tiện.
Trục lái có hai loại chính: loại cố định không thay đổi được góc nghiêng và loại có thể thay đổi được góc nghiêng Loại cố định bao gồm một thanh thép hình trụ rỗng, với đầu trên gắn bằng then hoa vào moayơ của vành lái và đầu dưới gắn vào khớp các đăng Trục chính được hỗ trợ trong ống trụ lái bằng các ổ bi, trong khi ống trụ lái được cố định trên vỏ cabin bằng các giá đỡ Vành lái có dạng thanh thép hình tròn với hai hoặc ba nan hoa nối với moayơ bằng kim loại Đối với loại có thể thay đổi góc nghiêng, trục chính được chia thành hai phần có thể chuyển động tương đối với nhau nhờ kết cấu đặc biệt của khớp nối, cho phép vành lái được điều chỉnh theo tư thế của người lái.
Cơ cấu lái là một hộp giảm tốc, có chức năng chuyển đổi chuyển động quay tròn của vô lăng thành chuyển động góc (lắc) của đòn quay đứng, đồng thời đảm bảo tăng momen theo tỷ số truyền yêu cầu.
Cơ cấu lái trục vít – con lăn
Con lăn loại này có ba răng quay trên hai vòng bi kim và khớp răng với trục vít, trong đó trục của con lăn được siết chặt vào đầu của đòn quay đứng Cụm con lăn và đòn quay đứng sẽ khớp với răng thẳng đứng của trục vít Khi xoay vô lăng theo các hướng khác nhau, trục vít lõm sẽ khiến cụm con lăn và đòn quay đứng xoay tiến hoặc lùi, từ đó điều khiển các cần kéo.
Hình 1 5: Cơ cấu lái trục vít – con lăn
Cơ cấu lái trục vít – cung răng
Cơ cấu lái trục vít – cung răng bao gồm hai phần chính: một khối kim loại với đường kính ren rỗng và một vành răng bên ngoài có răng ăn khớp Vành tay lái được kết nối với trục có ren và các viên bi tròn giúp truyền động Khi xoay vành tay lái, êcu quay theo, nhưng do bị giữ lại, khối kim loại sẽ di chuyển ngược lại Quá trình này làm cho bánh răng gắn với khối kim loại quay, từ đó di chuyển các cánh tay đòn và điều khiển hướng chuyển động của bánh xe.
Cơ cấu lái loại bi tuần hoàn
Hình 1 7: Cấu tạo cơ cấu lái loại bi tuần hoàn
Cấu tạo của hệ thống lái ô tô là dạng cơ cấu lái trục vít – cung răng, với các rãnh hình xoắn ốc được cắt trên trục vít và đai ốc bi Các viên bi di chuyển lăn trong rãnh, ăn khớp với các rãnh răng trên trục rẻ quạt Khi trục vít xoay, các viên bi tạo lực đẩy dọc lên đai ốc, khiến đai ốc không thể xoay mà phải trượt nganh trên trục vít theo hướng xoay của vành lái Đai ốc dịch chuyển tới lui, điều khiển đòn quay đứng để điều chỉnh hướng của xe Thiết kế này mang lại ưu điểm là lực ma sát nhỏ và tay lái nhẹ, do đó được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống lái ô tô.
Hình 1 8: Cơ cấu lái trục vít – cung răng Đặc điểm:
- Do bề mặt tiếp xúc lăn của các viên bi truyền chuyển động quay của trục lái chính nên lực ma sát trượt của đai ốc rất nhỏ.
- Cấu tạo này có thể chịu được phụ tải lớn
- Góc hoạt động rộng ( góc đánh lái rộng).
- Sức cản trượt nhỏ do ma sát giữa trục vít và trục rẻ quạt cũng nhỏ nhờ có các viên vi.
Cơ cấu lái trục vít – thanh răng
Hình 1 9: Cơ cấu lái trục vít – thanh răng
- Trục vít tại đầu thấp hơn của trục lái chính ăn khớp với thanh răng.
Khi vô lăng quay, trục vít cũng sẽ quay, dẫn đến việc thanh răng di chuyển sang trái hoặc phải Sự chuyển động của thanh răng này được truyền đến các đòn cam lái qua các đầu của thanh răng và đầu của thanh nối.
Chuyển động xoay của vánh tay lái được chuyển đổi thành chuyển động thẳng, giúp thay đổi hướng bánh xe một cách dễ dàng và chính xác Hệ thống này cung cấp sự giảm tốc và tăng lực cần thiết để điều khiển bánh xe hiệu quả hơn.
Tỷ số truyền động lái:
Trên xe hơi hiện nay, người lái thường phải xoay vành tay lái từ ba đến bốn vòng để chuyển hướng bánh xe từ bên trái sang bên phải và ngược lại Tỷ số truyền của hộp tay lái thể hiện mối quan hệ giữa góc quay của vành tay lái và góc mà bánh xe thay đổi hướng.
- Ví dụ nếu vành tay lái quay được một góc 360 độ mà chiếc xe đổi hướng 20 độ thì khi đó tỷ số lái là 18:1 Ô tô sản xuất ở
Hệ thống lái cơ khí thông thường tại Mỹ có tỷ số truyền động lái dao động từ 15:1 đến 33:1 Tỷ số truyền cao yêu cầu người lái phải quay vành tay lái nhiều hơn để bánh xe thay đổi hướng, nhưng lại không hiệu quả bằng tỷ số truyền thấp Thông thường, ô tô hạng nhẹ và thể thao có tỷ số truyền thấp hơn so với xe lớn và xe tải hạng nặng Tỷ số truyền thấp giúp tay lái phản ứng nhanh hơn, giảm số vòng quay cần thiết khi vào cua, mang lại lợi thế cho các loại xe này Ngược lại, xe lớn thường sử dụng hộp tay lái có tỷ số truyền cao để giảm lực tác động lên người lái khi điều khiển xe vào các đoạn đường cong.
Tỷ số truyền động lái thường được xác định trong cơ cấu lái, như trong cơ cấu lái thanh răng bảnh răng Tỷ số truyền động lái phụ thuộc chủ yếu vào đường kính của bánh răng: bánh răng lớn tạo ra tỷ số truyền nhỏ, trong khi bánh răng nhỏ dẫn đến tỷ số truyền cao Tuy nhiên, trong công nghệ chế tạo, kích thước bánh răng không thể thu nhỏ quá mức mà chỉ có thể giảm đến một kích thước nhất định.
Bao gồm tất cả các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến bánh xe dẫn hướng, đảm bảo bánh xe có khả năng quay vòng chính xác.
Có nhiệm vụ truyền mômen từ trục đòn quay của cơ cấu lái đến các đòn kéo dọc hoặc ngang, kết nối với cam quay của bánh xe dẫn hướng.
Các hệ thống lái hiện nay
Hệ thống lái thuần cơ khí
- Cấu tạo chung của hệ thống lái thuần cơ khi gồm các bộ phận chính sau:
Hình 1 13: Hệ thống lái thuần cơ khí
1 Vành tay lái 2 Trục lái; 3 Cơ cấu lái;
4 Đòn quay đứng; 5 Thanh kéo dọc; 6. Tay đòn;
7 Thanh kéo nganh; 8 Cam quay; 9 Chốt chuyển hướng;
Vành lái và trục lái có chức năng truyền lực quay vòng từ người lái đến trục vít trong cơ cấu lái Hệ thống này thường được sử dụng trên ô tô tải nhỏ và tải trung bình.
Cơ cấu lái: cơ cấu lái ở sơ đồ trên gồm trục vít 3 và cung răng
4, nó có nhiệm vụ biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng và khuyếch đại lực điều khiển trên vành lái.
Dẫn động lái là hệ thống bao gồm đòn quay đứng, thanh kéo dọc và cam quay, có chức năng chuyển đổi chuyển động góc của đòn quay đứng thành chuyển động góc của trục bánh xe dẫn hướng.
Hình thang lái bao gồm ba khâu 8, 9 và 10, kết hợp với dầm cầu dẫn hướng để tạo thành bốn khâu có dạng hình thang Vì vậy, cấu trúc này được gọi là hình thang lái.
Hình thang lái đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh chuyển động góc của hai bánh xe dẫn hướng, đảm bảo rằng các bánh xe không bị trượt khi thực hiện quay vòng.
Hệ thống lái trợ lực thủy lực
1 Cấu tạo hệ thống lái thanh răng trợ lực lái thủy lực:
Hình 1 14: Cấu tạo hệ thống lái thanh răng trợ lực lái thủy lực a Bình chứa:
Bình chứa dầu trợ lực lái có thể được lắp trực tiếp vào thân bơm hoặc tách biệt, và nếu không gắn với thân bơm, nó sẽ được kết nối với bơm thông qua hai ống mềm.
Nắp bình chứa thường được trang bị thước đo mức để kiểm tra mức dầu Khi mức dầu trong bình chứa giảm xuống dưới mức chuẩn, bơm sẽ hút không khí vào, dẫn đến lỗi trong quá trình vận hành Bơm trợ lực lái đóng vai trò quan trọng trong hệ thống này.
Bơm được dẫn động bởi puli trục khuỷu của động cơ và dây đai, cung cấp dầu bị nén vào hộp cơ cấu lái Lưu lượng bơm phụ thuộc vào tốc độ động cơ, tuy nhiên, lưu lượng dầu vào hộp cơ cấu lái được điều chỉnh thông qua van điều khiển lưu lượng, và lượng dầu thừa sẽ được trả lại đầu hút của bơm.
Van điều khiển chuyển hướng dầu hồi về bình chứa hoặc đi tới xilanh. d Hộp cơ cấu lái:
Piston trong xi lanh trợ lực được lắp đặt trên thanh răng, di chuyển nhờ áp suất dầu từ bơm trợ lực lái tác động lên pít tông theo cả hai chiều Để ngăn dầu rò rỉ ra ngoài, một phớt dầu được sử dụng trên piston.
Trục van điều khiển kết nối với vô lăng, cho phép van thay đổi đường truyền khi vô lăng quay Khi đó, dầu sẽ chảy vào một trong các buồng, trong khi dầu ở buồng đối diện bị đẩy ra ngoài và trở về bình chứa thông qua van điều khiển.
2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của trợ lực lái thủy lực
Hình 1 15: Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực sử dụng năng lượng từ động cơ để điều khiển bơm trợ lực, tạo ra áp suất thủy lực Khi người lái xoay vô lăng, áp suất dầu sẽ được chuyển đến van điều khiển, đẩy pít tông trong xi lanh trợ lái, giúp giảm lực cần thiết để điều khiển vô lăng.
3 Ưu và nhược điểm của hệ thống lái thanh răng trợ lực lái thủy lực
Trợ lực lái thủy lực đã có mặt hơn 50 năm, mang lại những ưu điểm mà trợ lực điện chưa thể thay thế, mặc dù trợ lực điện đang dần chiếm ưu thế trong tương lai Một trong những lợi thế nổi bật của trợ lực lái thủy lực là cảm giác lái chân thực, nhờ vào cấu trúc hoàn toàn cơ khí, giúp tài xế cảm nhận rõ ràng lực phản hồi từ mặt đường qua vô-lăng Tuy nhiên, sự phát triển của hệ thống trợ lực lái điện đang cải thiện cảm giác lái ngày càng gần gũi hơn với thực tế.
Chi phí bảo dưỡng hệ thống trợ lực lái thủy lực thường thấp do công nghệ này đã phổ biến từ lâu Những hỏng hóc thường gặp bao gồm rò rỉ dầu và hỏng van phân phối Để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả, cần thực hiện kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ, cũng như kiểm tra mức dầu trợ lực lái thường xuyên.
Trợ lực lái thủy lực có cấu tạo phức tạp, nặng nề và chiếm nhiều không gian hơn Bên cạnh đó, do phải nhận công suất từ động cơ, hệ thống này luôn hoạt động, dẫn đến tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn.
Hình 1 16: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô
Trợ lực lái thủy lực (HPS) là hệ thống trợ lực lái đầu tiên và phổ biến nhất, nổi bật với cấu trúc đơn giản và chi phí lắp đặt cũng như bảo trì thấp Một trong những mẫu xe phổ biến tại Việt Nam trước đây trang bị hệ thống này là Toyota Corolla.
Hệ thống trợ lực lái bao gồm các bộ phận chính như bơm dầu, van phân phối, xi-lanh trợ lực và hộp cơ cấu lái Có ba loại trợ lực dầu chính dựa vào cách bố trí của van phân phối: loại kết hợp van phân phối và xi-lanh trong cơ cấu lái, loại kết hợp trong đòn kéo, và loại với van phân phối và xi-lanh được bố trí riêng biệt.
Hình 1 17: Sơ đồ bố trí của hệ thống trợ lực dầu
Bơm trợ lực nhận công suất từ động cơ để tạo áp suất dầu cần thiết Khi tài xế điều khiển vô-lăng, van phân phối hoạt động và cung cấp áp suất dầu vào xi-lanh, làm cho piston di chuyển thanh răng lái và điều khiển bánh xe dẫn hướng.
Áp suất dầu thủy lực giúp giảm lực tác dụng lên tay lái, làm cho việc điều khiển dễ dàng hơn mà không cần phải quay tay lái quá nhiều Hệ thống này chỉ hoạt động khi động cơ nổ máy, do đó việc đánh tay lái khi dừng xe và tắt động cơ sẽ gặp khó khăn Khi xe di chuyển với vận tốc cao, áp lực dầu có thể làm tay lái trở nên nhạy cảm quá mức Hư hỏng phổ biến nhất liên quan đến hệ thống lái là thiếu dầu trợ lực, thường do các nút chặn cao su bị lão hóa hoặc bình chứa dầu bị thủng, dẫn đến hiện tượng rò rỉ.
Hình 1 18: Bình dầu của hệ thống trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực điện
1 Cấu tạo hệ thống lái trợ lực điện EPS
Hệ thống lái trợ lực điện bao gồm cảm biến momen, có nhiệm vụ phát hiện sự xoay của thanh xoắn Cảm biến này tính toán momen tác dụng lên thanh xoắn thông qua sự thay đổi điện áp và truyền tín hiệu điện áp đó đến ECU EPS.
Mô-tơ điện DC: Tạo ra lực trợ lực tùy vào tín hiệu từ EPS
EPS ECU điều khiển mô-tơ DC trên trục lái để cung cấp lực trợ lái, dựa vào tín hiệu từ các cảm biến, tốc độ xe và tốc độ động cơ.
ECU động cơ: Đưa tín hiệu tốc độ động cơ tới EPS ECU
Cụm đồng hồ bảng táp-lô: Đưa tín hiệu tốc độ xe đến EPS
Đèn cảnh báo P/S trên bảng đồng hồ táp-lô sẽ bật lên khi hệ thống gặp sự cố Cảm biến mômen xoắn trong hệ thống lái trợ lực điện có cấu tạo đặc biệt, giúp phát hiện và truyền tải thông tin về tình trạng hoạt động của hệ thống.
Hình 1 20: Cấu tạo mômen xoắn
Hình 1 21: Mặt cắt ngang của cảm biến momen xoắn
Khi vô lăng được đánh lái sang trái hoặc phải, cảm biến momen xoắn sẽ phát hiện phản lực từ mặt đường, khiến thanh xoắn vặn và làm thay đổi vị trí tương quan giữa rô to phát số 2 và rô to phát số 3 VT1 và VT2 có các đặc tính tương tự nhau.
Khi cảm biến momen xoắn có sự cố thì giá trị VT1 sẽ khác VT2:
Cấu tạo của môtơ trợ lực lái và trục lái trong hệ thống lái trợ lực điện EPS:
- Cơ cấu giảm tốc sẽ giảm vận tốc truyền động của mô tơ điện 1 chiều và truyền chuyển động tới trục thứ cấp.
Hình 1 22: Sơ đồ cấu tạo của mô tơ điện DC
Hệ thống lái trợ lực điện EPS hoạt động thông qua nhiều cơ chế điều khiển Đầu tiên, nó điều khiển dòng điện cấp cho mô tơ trợ lực dựa trên độ xoắn của thanh lái và vận tốc xe Thứ hai, hệ thống đảm bảo mô tơ hoạt động khi người lái khởi động và xoay vô lăng Thứ ba, nó hỗ trợ lực hồi về của bánh xe khi vô lăng được đánh hết sang một bên Hơn nữa, hệ thống điều chỉnh lượng trợ lực khi lái xe ở tốc độ cao để giảm rung động do thay đổi độ lệch của thân xe Cuối cùng, để bảo vệ mô tơ khỏi quá nhiệt, hệ thống dự đoán nhiệt độ dựa trên cường độ dòng điện và điện áp, và sẽ giảm cường độ dòng điện vào nếu nhiệt độ quá cao.
Chế độ dự phòng của hệ thống lái trợ lực điện EPS
Khi phát hiện thấy sự cố, hệ thống sẽ chuyển sang chế độ dự phòng.
1 Trường hợp không trợ lực
Hỏng cảm biến momen xoắn
Mô tơ bị quá dòng.
Mô tơ bị ngắn mạch (bao gồm cả sự cố của hệ thống dẫn động)
Hư hỏng ECU trợ lực lái
2 Trường hợp hạn chế trợ lực
Mô tơ bị quá nhiệt
Nhiệt độ cao trong EPS ECU
Hư hỏng của cảm biến nhiệt độ bên trong EPS ECU
Sự cố tín hiệu vận tốc xe và tốc độ động cơ.
3 Trường hợp tạm dừng trợ lực
Sự cố nguồn điện Trợ lực trở lại sau khi nguồn điện hoạt động bình thường
Trợ lưc lái điện tử – Electric power assisted steering (EPS/EPAS) hay Motor driven power steering (MDPS)
Hệ thống trợ lực lái điện tử sử dụng động cơ điện để điều khiển thanh răng lái, thay thế cho áp lực dầu trong các hệ thống trợ lực truyền thống Động cơ điện được điều khiển bởi một ECU điện tử, nhận thông tin từ cảm biến về góc đánh lái và mô-men của cột vô-lăng.
Cách hoạt động của EPAS/EPS
Kết cấu này cho phép tối ưu hóa khả năng hỗ trợ người lái dựa trên điều kiện hoạt động cụ thể của phương tiện, với các kỹ sư có thể điều chỉnh tỉ lệ truyền tay lái theo hệ thống treo và các yếu tố khác Hệ thống EPAS mang lại lợi ích vượt trội khi không làm hao hụt năng lượng động cơ như trợ lực thủy lực, đồng thời cung cấp lực hỗ trợ đa dạng và dễ dàng trong việc thay thế, bảo trì, tiết kiệm chi phí cho người sử dụng.
Khi lần đầu ra mắt vào năm 1988 trên mẫu xe Suzuki Cervo và cả dòng Porsche 911, trợ lực điện đã nhận được nhiều phản hồi tiêu cực về việc thiếu cảm giác kết nối với mặt đường.
Ngày nay, hệ thống trợ lực lái điện tử EPAS/EPS đã được cải tiến đáng kể nhờ công nghệ tiên tiến, mang đến cảm giác lái chân thật cho tài xế Ngoài ra, việc tiết kiệm nhiên liệu là một ưu điểm nổi bật, khiến cho trợ lực lái điện tử trở thành lựa chọn phổ biến cho cả các hãng xe phổ thông như Toyota, Ford và các nhà sản xuất xe sang như Mercedes, BMW, Audi.
Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử
Hình 1 24: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử EHPS trên ô tô Audi
Hệ thống lái trợ lực thủy lực là phiên bản nâng cấp của hệ thống lái thủy lực, được phát triển từ thập kỷ 90 Nó bao gồm hai bộ phận chính: cơ cấu lái và dẫn động lái, cùng với những cải tiến đáng kể Một đặc điểm nổi bật của hệ thống này là thanh xoắn cảm biến mô men đánh lái, không trực tiếp điều khiển van trợ lực Độ biến dạng của thanh xoắn được chuyển thành tín hiệu điện gửi đến hộp MCU, nơi điều khiển trợ lực Hộp MCU tổng hợp các tín hiệu từ quá trình lái, tính toán và xác định tỷ lệ trợ lực, từ đó quyết định áp lực trợ lực lái.
Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử EHPS vượt trội hơn so với hệ thống trợ lực thủy lực truyền thống nhờ khả năng linh hoạt điều chỉnh mực dầu, giúp cải thiện cảm giác lái ở tốc độ cao Tuy nhiên, hệ thống này vẫn chưa khắc phục hoàn toàn vấn đề giá trị trợ lực thấp khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp Dải làm việc của trợ lực rất đa dạng, đáp ứng hiệu quả cho các dải tốc độ khác nhau, đặc biệt là ở tốc độ cao, mang lại sự thoải mái và cảm giác lái tốt hơn cho người điều khiển.
Hệ thống lái không trụ lái (Steer-by-wire )
Hình 1 25: Cấu tạo của hệ thống lái Steer-by-wire
1 Hệ thống cảm biến góc quay vô lăng
3 Hệ thống tính toán điện tử
Khi người lái tác động vào vô lăng, bộ phận đo góc lái sẽ ghi nhận góc quay và gửi dữ liệu đến ECU của hệ thống Tín hiệu này sau đó được xử lý để điều khiển dòng thủy lực xuống thước lái, giúp bánh xe di chuyển theo ý muốn Nhờ việc truyền tín hiệu, quá trình điều khiển diễn ra nhanh hơn so với các hệ thống lái dẫn động cơ khí hiện tại.
Hình 1 26: Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái điện tử.
Hệ thống không chỉ phản ứng nhanh mà còn giảm thiểu phản hồi từ mặt đường, giúp loại bỏ rung động khi xe di chuyển trên bề mặt xấu Nhờ đó, người lái cảm thấy thoải mái hơn và không bị mỏi tay.
Việc lắp đặt camera trên xe sử dụng công nghệ Drive by wire giúp quan sát đường phía trước và nhận diện các vật thể trên mặt đường Khi xe có dấu hiệu đi lệch khỏi làn đường, có thể do tài xế mệt mỏi, ECU của hệ thống sẽ tự động thực hiện các điều chỉnh nhỏ để giữ cho xe duy trì vị trí đúng trên đường.
Hệ thống Drive By Wire có ECU được chia thành ba phần hoạt động độc lập nhằm giảm thiểu rủi ro và bảo đảm an toàn cho hành khách Tuy nhiên, việc này vẫn chưa đủ để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các hệ thống liên quan đến tính mạng con người.
Hệ thống này được trang bị ly hợp kết nối trực tiếp từ trục lái đến thước lái, tương tự như các hệ thống lái hiện đại Tính năng này đảm bảo rằng hệ thống lái vẫn hoạt động bình thường ngay cả khi ECU không hoạt động, góp phần nâng cao độ an toàn cho chiếc xe.
HỆ THỐNG LÁI ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ TRÊN INFINITI Q50
Giới thiệu chung về hệ thống lái điều khiển điện tử (Steer-by-wire)
Hệ thống lái này lần đầu tiên ra mắt vào năm 2013 trên xe Infiniti Q50 của Nissan và đã được phát triển mạnh mẽ cho đến nay.
Hệ thống lái điện tử Drive by wire sử dụng tín hiệu điện tử và truyền động thủy lực thay vì kết nối cơ khí Trong hệ thống SBW, liên kết giữa bộ phận chủ động và bộ phận chấp hành được thay thế bằng bộ phận điều khiển, cảm biến và mô tơ điều khiển quay vòng.
Phần dưới bao gồm các thành phần quan trọng như động cơ, cơ cấu lái, dẫn động, tích hợp và quán tính bánh xe Khi người lái quay vành lái, lực tác động sinh ra mô men được truyền đến động cơ Khối động cơ được trang bị cảm biến góc, giúp xác định và tính toán chính xác độ lớn góc quay Thông tin này sau đó được gửi đến bộ điều khiển, nơi xử lý và phát tín hiệu dạng xung cho bộ phận chấp hành.
Nissan Skyline mới, mẫu hybrid đầu tiên được sản xuất hàng loạt trên thế giới, đã được lắp đặt tại Nhật Bản Xe được trang bị hệ thống lái tiên tiến, cho phép người lái có trải nghiệm điều khiển trực tiếp và linh hoạt hơn Hệ thống vô lăng kết nối trực tiếp với bánh trước, mang lại sự chính xác và nhạy bén trong từng cú đánh lái.
Vô lăng và bánh trước không kết nối trực tiếp, mà bánh lái được chuyển đổi thành tín hiệu cho bộ truyền động lái lốp xe, giúp người lái thực hiện các thao tác điều khiển dễ dàng Phản lực từ mặt đường phụ thuộc vào cơ cấu truyền động, cho phép giữ độ thẳng của xe mà không bị xáo trộn Hệ thống còn trang bị ly hợp dự phòng và ba bộ truyền động, đảm bảo độ tin cậy và hỗ trợ các chức năng của công ty Hệ thống lái này được kỳ vọng sẽ phát triển để hỗ trợ lái xe nâng cao và lái xe tự động trong tương lai.
Hình 2 1: Hệ thống lái SBW
1-Mô tơ tạo cảm giác; 2-Cảm biến vận tốc; 3-Bộ phận điều khiển; 4-Cảm biến mômen và tốc độ trục lái; 5-Mô tơ điều khiển quay vòng;
6-Cơ cấu lái; 7-Thước lái;
Trong hệ thống lái, sự kết nối giữa vành lái và bộ phận chấp hành là rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến quỹ đạo chuyển động của xe Khi xe di chuyển trên các loại mặt đường khác nhau, lốp xe sẽ tiếp xúc với những điều kiện khác nhau, đồng thời người lái điều khiển vành lái với tốc độ và vị trí khác nhau, dẫn đến sự thay đổi trong khả năng đáp ứng Do đó, bộ điều khiển cần phải linh hoạt để thích ứng với các chế độ hoạt động của hệ thống lái.
Hình 2 2: Hệ thống Steer by wire trang bị trên Infiniti Q50
Kiểm soát làn đường chủ động là nền tảng cho sự phát triển công nghệ dây, giúp tạo ra giá trị và chức năng mới Quá trình này bao gồm việc chuyển đổi và làm rõ cách sử dụng, hiệu suất cần thiết, cùng với việc thiết lập thông số kỹ thuật thiết kế và yêu cầu độ bền Tất cả những yếu tố này đều dựa trên dữ liệu thị trường toàn cầu và sản xuất hàng loạt, nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Nissan sở hữu một quá trình phát triển mạnh mẽ, hệ thống xem xét chặt chẽ và công nghệ sản xuất tiên tiến, tạo nên những lợi thế vượt trội cho thương hiệu.
Hình 2 3: Lộ trình cho công nghệ bằng dây
Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái điều khiển điện tử (Steer-by-wire) trên Infiniti Q50
Hệ thống được mô tả trong hình 1 bao gồm xích cơ khí lái, ly hợp tháo nút và lốp xe chỉ đạo, kết hợp với bộ truyền động lão luyện Cấu hình này cho phép điều khiển độc lập góc và lực lái của lốp, với chuyển động của lốp phản ứng linh hoạt theo hoạt động của Iba Tất cả lực lái được truyền tải qua tín hiệu điện, đảm bảo hiệu suất điều khiển tối ưu.
Hình 2 4: cho thấy cấu hình hệ thống
Hệ thống lái điện tử gồm có các bộ phận chính sau:
Hình 2 5: Cấu tạo Hệ thống Steer by wire
1 Cảm biến lực đánh lái: đóng vai trò nhận biết phản hồi từ tài xế và truyền tín hiệu về hộp điều khiển Động cơ không chổi than với tay lái đồng trục ở đầu dưới của cột đã được cài đặt
2 Bộ ly hợp: bộ phận này sẽ mở ra trong hầu hết thời gian.
Hệ thống Steer-by-wire trên xe hoạt động chính, nhưng khi gặp trục trặc, bộ ly hợp sẽ chuyển đổi sang chế độ trợ lực lái bình thường Điều này có nghĩa là xe có hai hệ thống trợ lực lái: Steer-by-wire và trợ lực điện dự phòng Trong trường hợp lỗi, vô lăng và bánh răng sẽ kết nối cơ học để duy trì chức năng lái thông qua bộ ly hợp Bộ ly hợp này hoạt động nhờ vào điện từ, cho phép mở và tham gia khi được cấp điện sau khi khởi động xe, đảm bảo rằng hệ thống vẫn có thể hoạt động hiệu quả.
3 Hộp điều khiển: Hai chế độ cho bộ truyền động góc lái động cơ cho cơ cấu lái và bộ truyền động lực lái được trang bị 3 ECU để lái tổng cộng 3 chiếc với một cấu hình trong đó mỗi người giao tiếp với nhau và liên tục theo dõi trạng thái hoạt động đã làm Hệ thống mạng chuyên dụng để liên lạc lẫn nhau giữa các ECU được sử dụng để giao tiếp một lượng lớn dữ liệu ở tốc độ cao, vì vậy nó được gắn trong xe.
4 Động cơ trợ lực: được bố trí hai động cơ cho hai bánh xe giúp giảm chi phí so với việc sử dụng một động cơ lớn cũng như tạo ra nhiều không gian hơn cho khối động cơ đặt dọc ở vị trí thấp.
2.1.1 Cảm biến lực đánh lái:
Hình 2 6: Cấu tạo Mômen cảm biến lực đánh lái
Khi lái xe, mô men lái tác động lên trục sơ cấp của cảm biến mô men qua trục lái chính Vòng rô to phát số một và hai được lắp trên trục sơ cấp gần vô lăng, trong khi vòng rô to phát số ba nằm trên trục thứ cấp Hai trục này được kết nối với nhau bằng một thanh xoắn.
Các vòng phát hiện sử dụng cuộn dây không tiếp xúc trên vòng ngoài để tạo ra mạch kích thích Khi mô men lái thanh xoắn bị xoắn, nó tạo ra độ lệch pha giữa các vòng phát hiện của rô to Từ độ lệch pha này, tín hiệu tương ứng với mô men được gửi đến ECU Dựa trên tín hiệu đó, ECU tính toán mô men trợ lực phù hợp với tốc độ xe và điều khiển mô tơ điện với cường độ, chiều và thời điểm cần thiết.
Khi cảm biến momen xoắn có sự cố thì giá trị VT1 sẽ khác VT2:
Hình 2 7: Con lăn ly hợp được tham gia ngay lập tức trong trường hợp khẩn cấp
Bộ phận steer-by-wire sẽ hoạt động chủ yếu trong hầu hết thời gian, chỉ khi gặp sự cố, bộ ly hợp sẽ đóng lại để chuyển sang chế độ trợ lực điện bình thường Điều này có nghĩa là xe sẽ được trang bị hai hệ thống trợ lực: hệ thống steer-by-wire chính và hệ thống trợ lực điện dự phòng khi cần thiết.
Hình 2 8: Cấu tạo hộp điều khiển
Hệ thống tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý và chuyển đổi thông tin thành dạng số, sau đó truyền đến bộ phận chấp hành để điều khiển mô tơ lái bánh xe theo hướng mong muốn.
Nhiệm vụ của ECU là tính toán và so sánh dữ liệu, giúp người lái ô tô kiểm soát tình huống khi gặp sự cố Khi phanh gấp, ECU sẽ tự động điều chỉnh góc xoay, kiểm soát tốc độ và lực phanh từng bánh để hạn chế mất kiểm soát Hệ thống còn quản lý động cơ trợ lực và các cảm biến, với ba hộp điều khiển có thể thay thế cho nhau, đảm bảo an toàn tối đa cho người lái.
Hai động cơ được lắp đặt cho hai bánh xe không chỉ giúp giảm chi phí so với việc sử dụng một động cơ lớn, mà còn tạo ra nhiều không gian hơn cho khối động cơ được đặt dọc ở vị trí thấp.
Hình 2 9: Cấu tạo của động cơ trợ lực
Hình 2 10: Bộ phận điều khiển trợ lực lái
Nguyên lý làm việc và các tính năng tích hợp hệ thống lái điều khiển điện tử (Steer-by- wire) trên Infiniti Q50
hệ thống lái điều khiển điện tử (Steer-by-wire) trên Infiniti Q50
Khi người lái tác động lực vào vô lăng, góc quay của vô lăng được đo bởi bộ phận đo góc lái và gửi dữ liệu đến ECU của hệ thống Tín hiệu từ ECU sau đó được xử lý để điều khiển dòng thủy lực xuống thước lái, giúp bánh xe di chuyển theo yêu cầu Nhờ vậy, việc điều khiển trở nên nhanh hơn so với các hệ thống lái dẫn động cơ khí hiện tại.
Hệ thống này không chỉ phản ứng nhanh mà còn giảm thiểu phản hồi từ mặt đường, giúp loại bỏ rung động khi xe di chuyển trên địa hình xấu Điều này giúp người lái dễ dàng kiểm soát xe hơn và tránh tình trạng mỏi tay.
Hình 2 11: Sơ đồ hoạt động của hệ thống lái Steer-by-wire
Chức năng cơ bản nhất trong việc điều khiển xe là thao tác lái của tài xế, nhằm điều chỉnh lốp xe Góc lốp mục tiêu lăn được xác định từ góc vô lăng và tốc độ xe, được phát hiện qua cảm biến Từ đó, góc bánh lái được tính toán và điều khiển góc bánh xe bằng servo tương ứng.
Hoạt động lái xe phụ thuộc vào hành vi của xe, bao gồm dòng truyền động và tốc độ động cơ Lực tác dụng lên giá lái được ước tính từ thông tin và tính toán dựa trên cơ sở truyền lực lái, được tạo ra thông qua hệ thống lái eta Khi ly hợp được kích hoạt, lệnh nhả sẽ được đưa ra để giải phóng ly hợp Ba ECU thực hiện cùng một phép tính và theo dõi lẫn nhau để đảm bảo kết quả chính xác.
Trang bị camera cho các xe sử dụng hệ thống Drive by wire giúp phát hiện và quan sát các vật thể trên đường Khi xe có dấu hiệu lệch hướng do người lái không chú ý, ECU sẽ tự động điều chỉnh để xe duy trì vị trí an toàn trên đường.
Hệ thống Drive by wire được trang bị ECU chia thành 3 phần hoạt động độc lập nhằm giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho hành khách Tuy nhiên, sự phân chia này vẫn chưa đủ để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng.
Hệ thống này được trang bị một ly hợp kết nối trực tiếp từ trục lái đến thước lái, tương tự như các hệ thống lái hiện đại Điều này đảm bảo rằng ngay cả khi ECU không hoạt động, hệ thống lái vẫn hoạt động bình thường, từ đó nâng cao tính an toàn khi điều khiển xe.
Nhà sản xuất đã trang bị 3 hộp điều khiển hệ thống lái mắc song song và bypass, đảm bảo nếu 1 hộp gặp trục trặc sẽ có 2 hộp thay thế ngay lập tức Infiniti còn bổ sung một cột lái cơ khí nối từ vô-lăng đến thước lái cứu cánh, giúp duy trì khả năng lái khi hệ thống điện gặp sự cố Hệ thống lái dự phòng sẽ hoạt động khi bộ ly hợp mở ra, tránh tình trạng mất lái Tuy nhiên, việc sử dụng 2 hệ thống lái cùng lúc có thể làm tăng trọng lượng xe Một điểm đáng chú ý là steer-by-wire giúp cách ly người lái khỏi tác động từ mặt đường, mang lại cảm giác lái êm ái hơn khi di chuyển qua ổ gà hay đường xấu, theo chia sẻ của Jonny Lieberman từ tạp chí Motor Trend.
2.3.2 Hoạt động lái với độ trễ nhỏ
Hình 2 12: Phản hồi với độ trễ nhỏ
Hoạt động lái truyền cơ học đến chuyển động của lốp trong hệ thống lái bình thường, với sự tương tác giữa trục lái và bánh lái Điều này dẫn đến sự chậm trễ trong phản ứng của lốp khi lái xe Ngược lại, trong hệ thống DAS, lốp xe có thể di chuyển mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, mang lại phản hồi trực tiếp với độ trễ phản hồi rất nhỏ.
Hình 2 13: Làm việc để giảm nhiễu động từ mặt đường
Với tay lái bình thường, việc di chuyển trên những con đường gồ ghề sẽ khiến lốp xe bị ảnh hưởng bởi lực tác động từ mặt đường, dẫn đến sự xáo trộn trong quá trình vận hành của xe Hiện tượng này có thể gây ra cảm giác giật ngược được truyền tới vô lăng, ảnh hưởng đến khả năng điều khiển của người lái.
Mặt khác, trong hệ thống này, góc nghiêng của lốp chính là vô lăng Định vị bằng điều khiển servo của bộ truyền động guru
Mặc dù trên một mặt đường như vậy, quá trình lái xe diễn ra êm ái và ổn định, cho phép người lái trải nghiệm các đặc tính điều khiển mà không gặp phải sự phản ứng dữ dội.
2.3.4 Chức năng cải thiện độ thẳng
Hình 2 14: Giảm dòng chảy một phía trên mặt đường không thể
Trong hệ thống này, người dùng có thể tùy chỉnh góc lốp theo góc của vô lăng, giúp điều chỉnh lốp khi lái xe trên những bề mặt đường không bằng phẳng Tính năng này cung cấp một độ lệch nhỏ, giúp ngăn chặn tình trạng chảy một phía, điều thường không thể tránh khỏi.
Ngoài việc điều chỉnh góc lốp, lực đánh lái cũng được cải thiện để tăng cường khả năng điều khiển Hệ thống sử dụng camera phía trước để phát hiện độ lệch hướng di chuyển của xe so với làn đường và các yếu tố như gió cắt ngang Các hiệu chỉnh nhỏ về mức độ và lực lái giúp giảm thiểu độ lệch hướng, đảm bảo xe di chuyển ổn định hơn Chức năng này là một trong những điểm nổi bật của Infiniti.
Nó được cài đặt làm Kiểm soát làn đường Chủ động trong Q50.
Hình 2 15: Chức năng điều chỉnh theo độ lệch hướng đối với làn đường
Thế hệ công nghệ Steer-by-wire được trang bị trên dòng xe Infiniti
bị trên dòng xe Infiniti
Tích hợp công nghệ chỉ đạo 2019 trong ô tô
Hệ thống lái Steer-By-Wire loại bỏ hoàn toàn liên kết lái cơ khí truyền thống, thay thế bằng động cơ điện để quay bánh xe Các cảm biến xác định lực lái cần thiết, trong khi thiết bị cung cấp phản hồi xúc giác cho người lái Những động cơ này không chỉ hiệu quả và êm ái mà còn không cần bảo trì, mang lại trải nghiệm lái xe tiên tiến hơn.
Hệ thống sử dụng phần mềm điều khiển có khả năng áp dụng cho nhiều mô hình khác nhau bằng cách điều chỉnh một số tham số Việc này giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình phát triển mô hình mới và giảm thiểu chi phí.
Hệ thống lái bằng dây đang dần thay thế hệ thống lái cơ học truyền thống trong ngành công nghiệp ô tô, mặc dù khách hàng vẫn lo ngại về việc thiếu liên kết vật lý Không có kết nối cơ học giữa người lái và bánh xe, mà thay vào đó, một bộ điều khiển điều chỉnh động cơ để kiểm soát bánh xe Các sản phẩm như bộ điều khiển InMotion APS (Hệ thống lái điện nâng cao) đáp ứng tiêu chuẩn ISO 13849-1, loại 3, mức PL = d về an toàn chức năng, nhằm đảm bảo các yêu cầu an toàn cần thiết.
Các nhà sản xuất ô tô đang tiến bộ trong công nghệ lái xe tự hành, trong đó mẫu xe Q50 mới nổi bật với hệ thống "lái bằng dây" Điều này có nghĩa là không có kết nối cơ học giữa vô lăng và bánh xe, mà chỉ sử dụng tín hiệu điện để điều khiển.
Hình 2 16: Q50 của Infiniti là chiếc xe sản xuất đầu tiên có công nghệ truyền động bằng dây ẢNH: INFINITI
Hệ thống lái thích ứng trực tiếp (DAS) của INFINITI loại bỏ kết nối cơ học giữa vô lăng và lốp xe, cho phép điều khiển tức thời được xử lý kỹ thuật số và điều chỉnh lên đến 1.000 lần mỗi giây DAS không bị ảnh hưởng bởi chuyển động giật ngược của hệ thống lái thông thường, nhưng vẫn yêu cầu nhiều nỗ lực hơn khi tốc độ và lực G tăng lên, tương tự như hệ thống lái truyền thống.
Hệ thống lái bằng dây mang lại nhiều tiềm năng cho việc cải thiện chức năng lái xe thông qua các tính năng hiện đại như giữ làn đường tự động, hỗ trợ đỗ xe, tỷ lệ lái thay đổi và kiểm soát động lực xe tiên tiến Thay vì sử dụng các liên kết cơ học truyền thống, hệ thống này áp dụng cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành điện tử để nâng cao trải nghiệm lái xe.
Hệ thống lái bằng dây, tùy thuộc vào thiết kế, có thể mang lại nhiều lợi ích so với hệ thống lái cơ khí truyền thống Việc loại bỏ liên kết cơ học giữa vô lăng và thiết bị lái giúp nâng cao tính linh hoạt trong thiết kế.
Việc áp dụng công nghệ lái bằng dây vào ô tô gặp nhiều thách thức, đặc biệt liên quan đến an toàn và bảo mật Hệ thống lái bằng dây sử dụng các thành phần điện có độ tin cậy thấp hơn so với các thành phần cơ khí trong hệ thống lái truyền thống Để đảm bảo an toàn, việc dự phòng các thành phần điện có thể là giải pháp hiệu quả hỗ trợ hệ thống lái trong việc đạt được các mục tiêu an toàn cần thiết.
Dự phòng thành phần có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chi phí và độ tin cậy của hệ thống Mặc dù chi phí của các cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị truyền động điện tử đang giảm, nhưng chi phí hệ thống chỉ đạo vẫn là một rào cản lớn cho việc ứng dụng trên xe du lịch Tham khảo bài báo của Yong-Jun Lee và Young-Jae Ryoo từ Khoa Kỹ thuật và Người máy, Đại học Quốc gia Mokpo để biết thêm chi tiết.
Thế hệ lái thứ 3 - Công nghệ chỉ đạo
Mục tiêu thiết kế bộ điều khiển công nghệ FZB :
Có thể mở rộng theo yêu cầu công suất cao hơn (từ 500W đến 5KW).
Thiết kế điện tử hiện đại: với thế hệ vi điều khiển mới nhất và trình điều khiển trước với các chức năng chẩn đoán nâng cao.
Tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn (ISO-26262, ASIL-D):với các yếu tố dự phòng trong hầu hết các hệ thống con.
Có thể mở rộng cho tất cả các biến thể điện áp đầu vào bao gồm 350V.
Cải thiện hiệu suất và gợn sóng mô-men xoắn (trong đó NVH sẽ là một yếu tố quan trọng).
Cải thiện các tính năng an toàn khi thất bại và chế độ
Hình 2 17: Bộ điều khiển công nghệ FZB Technologies
Lợi ích của Thiết kế PMSM 3 pha Kép FZB Tech :
1 Dự phòng thực sự từ thiết kế phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn
2 Sẽ có nhiều chỗ hơn để giảm thiểu gợn mô-men xoắn
4 Cải thiện tính năng limp-home.
Hình 2 18: Thiết kế dự phòng của FZB Technologies
Thiết kế dự phòng của FZB Technologies :
1 Bộ nghịch lưu 3 pha kép
2 Micro kép (một trong hai vi đóng vai trò giám sát hoặc so sánh kết quả chính của hai lõi của một bộ vi điều khiển)
3 Nguồn cung cấp dự phòng: 48V và 12V
4 Dự phòng trong cuộn dây động cơ
5 Hai cảm biến vị trí
Thế hệ công nghệ chỉ đạo :
Thế hệ đầu tiên : thông thường các hệ thống lái thủy lực có thể đi kèm với / không có hỗ trợ lái.
Thế hệ thứ 2 của hệ thống lái bao gồm lái thủy lực kết hợp với điện thủy lực điện chỉ đạo (EHPS) và hệ thống lái với Điện lực chỉ đạo (EPS).
Thế hệ thứ 3 của hệ thống lái xe, gọi là Steer-by-wire, sử dụng cảm biến để phát hiện chuyển động của vô lăng và truyền thông tin đến bộ vi xử lý Máy tính sau đó sẽ gửi lệnh đến các bộ truyền động trên các trục, cho phép chúng quay theo chỉ dẫn của người lái Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng chính xác cao và giảm thiểu trọng lượng của các cơ cấu cơ khí truyền thống.
1 Cải thiện sự thoải mái cho người lái: Điều tự nhiên là thực hiện các tỷ số lái thay đổi sẽ cải thiện sự thoải mái của người lái bằng cách giảm tỷ số trong bãi đỗ và tăng lên tỷ số lái bình thường khi lái xe trên đường cao tốc.
2 Cải thiện An toàn: Có thể cải thiện an toàn bằng cách cung cấp sự can thiệp điều khiển bằng máy tính của các hệ thống điều khiển xe với các hệ thống như kiểm soát ổn định điện tử (ESC), kiểm soát hành trình thích ứng và Hệ thống hỗ trợ làn đường.
3 Độ tin cậy nâng cao: Các thành phần cơ điện phải có độ tin cậy tốt hơn và không cần bảo trì hơn.
4 Tăng tính tự do trong thiết kế xe: vì các bộ phận cơ điện chiếm ít vị trí hơn so với các bộ phận cơ khí và các mô-đun điều khiển có thể được đặt ở bất cứ nơi nào thiết kế cho phép.
5 Giảm trọng lượng của xe: Công nghệ loại bỏ bất kỳ liên kết cơ học nào giữa vô lăng và lốp xe vốn nặng hơn nhiều so với các thành phần cơ điện.
6 Công thái học tốt hơn: Công thái học được cải thiện do tính linh hoạt của vị trí điều khiển.
7 Chuẩn bị cho tương lai: “steer-by-wire” là công nghệ sẵn sàng cho việc lái xe tự động và được chuẩn bị kỹ lưỡng cho tương lai.
Mối quan tâm về việc dựa vào dây để chỉ đạo :
1 Sao lưu cơ học: Có một tùy chọn giữ một bản sao lưu cơ học trong trường hợp có sự cố.
2 Hệ thống CPU kép: Hai bộ vi điều khiển chạy độc lập có thể được sử dụng để kiểm tra tính toàn vẹn của nhau.
Công nghệ Steer-by-wire xu hướng phát triển tương lai
Các nhà sản xuất ô tô ngày càng ủng hộ công nghệ lái xe tự động, và Infiniti đã giới thiệu mẫu Q50 mới, chiếc xe "lái bằng dây" đầu tiên trên thị trường Điều này có nghĩa là không còn kết nối cơ học giữa vô lăng và bánh xe, mà chỉ sử dụng tín hiệu điện để điều khiển.
Các tính năng như hỗ trợ giữ làn đường, kiểm soát hành trình thích ứng và hỗ trợ đỗ xe khiến người lái xe trở nên thụ động hơn Trong khi những người yêu thích ô tô tận hưởng những chuyến đi cuối tuần trên những con đường núi, hầu hết khách hàng có thể không nhận ra sự thay đổi này Những người bận rộn có lẽ sẽ không quá quan tâm đến vấn đề này.
Hệ thống lái bằng dây của Infiniti, hay Hệ thống lái thích ứng trực tiếp, mang lại nhiều lợi ích như phản ứng lái nhanh và chính xác hơn, giảm rung động từ mặt đường và cải thiện kiểm soát làn đường Về lâu dài, nó giúp tiết kiệm trọng lượng, giảm chi phí bảo trì và hỗ trợ thiết kế ô tô tự hành Tuy nhiên, trải nghiệm cá nhân với chiếc Q50S Hybrid lại cho thấy sự thiếu kết nối giữa tay lái và mặt đường, khiến việc lái xe trên Tuyến đường Bang California 1 kém thú vị, mặc dù chiếc xe có công suất 360 mã lực Ngày hôm sau, khi lái xe qua giao thông đến Ikea, cảm giác này vẫn không thay đổi, đặc biệt khi Q50 hybrid chỉ cung cấp dung tích lưu trữ 9 feet khối.
Steer-by-wire đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành hàng không và Infiniti là hãng đầu tiên ứng dụng công nghệ này vào ô tô với hệ thống trong Q50 Hệ thống này, được phát triển hơn 10 năm, cho phép việc quay vô lăng gửi tín hiệu điện tử đến thiết bị truyền lực lái, từ đó truyền dữ liệu đến bộ phận điều khiển điện tử và thiết bị truyền động góc lái, giúp bánh xe quay chính xác hơn Phản ứng lái nhanh và chính xác hơn so với hệ thống cơ khí, đồng thời cải thiện hiệu quả của hệ thống kiểm soát làn đường, hoạt động khi người lái xe lệch khỏi làn đường trên cao tốc, với ít thao tác hơn nhờ vào điều khiển điện tử.
Nếu Infiniti dám loại bỏ hệ thống lái cơ khí, họ có thể giảm trọng lượng xe và cải thiện tiết kiệm nhiên liệu Việc này cũng giúp sản xuất các phiên bản xe lái bên trái và bên phải trở nên dễ dàng và tiết kiệm chi phí hơn, điều này rất có lợi cho công ty hoạt động toàn cầu Hệ thống điều khiển bằng dây sẽ cho phép tích hợp các giải pháp cho những người lái xe khuyết tật hoặc mắc các tật khác.
Việc loại bỏ kết nối cơ học giữa đường và bánh xe giúp các kỹ sư của Infiniti giảm thiểu rung động trên các con đường không hoàn hảo, mang lại trải nghiệm lái xe thoải mái hơn Mặc dù một số ít người lái xe muốn cảm nhận rõ ràng mặt đường, nhưng các công ty ô tô lớn thường tập trung vào thị trường đại chúng thay vì nhóm thiểu số này.
Họ phát triển những chiếc xe mà mọi người đều khao khát, với khả năng tự di chuyển trong làn đường, chú ý đến người đi bộ và tự đậu Mục tiêu cuối cùng là chế tạo những chiếc xe có thể thực hiện tất cả các công việc Bởi vì lái xe thường không thú vị và có phần nhàm chán, nên mọi người sẵn sàng chi tiền cho những robot giúp họ thực hiện những nhiệm vụ tẻ nhạt này.
Thời đại ô tô tự lái sắp tới có thể gây lo ngại cho một số người, nhưng lợi ích vượt trội như giảm đáng kể số ca tử vong do tai nạn giao thông và tạo thêm thời gian cho công việc và thư giãn sẽ lớn hơn những bất lợi như việc lái xe kém thú vị và khả năng robot hóa trong tương lai.
Chỉ đạo là một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô, hiện đang có mặt trên các mẫu Q50 Hybrid và Q50 3.7 Một phát ngôn viên của Infiniti khẳng định rằng công nghệ này sẽ trở thành tiêu chuẩn trong tương lai, với tất cả các xe sẽ sớm được trang bị tính năng này Thời điểm cụ thể cho sự chuyển đổi này vẫn đang được thảo luận, nhưng chắc chắn rằng ông sẽ được chứng minh là đúng.
Ưu nhược điểm và định hướng phát triển của hệ thống điều khiển điện tử
hệ thống điều khiển điện tử a) Ưu điểm của Drive by Wire:
Giảm khối lượng cơ cấu chấp hành của các hệ thống.
Tăng độ chính xác hoạt động.
Loại bỏ tổn thất do liên kết cơ học.
Cắt giảm các công tác bảo trì bảo dưỡng định kỳ và điều chỉnh
Hệ thống lái bằng dây mang lại hiệu quả nhiên liệu tốt hơn và giảm lượng khí thải, đồng thời có thể hoạt động song song với hệ thống kiểm soát ổn định điện tử để điều chỉnh quỹ đạo xe mà không cần phụ thuộc vào đầu vào của người lái Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.
Lái xe bằng “dây dẫn và hộp ECU” rất tốn kém để thiết kế và sản xuất.
Lỗi phần mềm trong tính toán dữ liệu có thể dẫn tai nạn, mất an toàn,
Dễ bị đánh cắp, hack có thể gây nguy hiểm cho việc điều khiển phương tiện.
Sự bê bối triệu hồi công nghệ chân ga điện tử của Toyota nhiều năm trước đã chỉ ra những nhược điểm nghiêm trọng trong hệ thống của họ Việc này không chỉ ảnh hưởng đến uy tín của hãng mà còn đặt ra câu hỏi về định hướng phát triển bền vững và an toàn trong tương lai.
Công nghệ steer-by-wire trên xe Infiniti Q50 của Nissan, được phát triển dựa trên hệ thống fly-by-wire trong ngành hàng không, mang lại độ tin cậy cao hơn khi điều khiển Để đảm bảo an toàn, hệ thống này được trang bị một bộ ly hợp, cho phép chuyển sang trợ lực điện trong trường hợp xảy ra sự cố với steer-by-wire.
Hệ thống lái cao cấp hiện đại không chỉ giúp lái xe nhẹ nhàng và giảm mệt mỏi, mà còn cho phép điều khiển chính xác và tin cậy hơn So với thế hệ xe cổ chỉ sử dụng cơ cấu cơ khí, xe hiện đại tích hợp thêm hệ thống trợ lực thủy lực và điện, giúp giảm ma sát và cải thiện khả năng phản hồi khi lái trên những đoạn đường xấu.
Hệ thống trợ lực dầu và trợ lực điện hoạt động bằng cách thay đổi áp lực trên xi lanh, giúp điều khiển bánh xe dễ dàng hơn Nhờ có hệ thống này, việc lái xe trở nên nhẹ nhàng và thuận tiện hơn cho người điều khiển.
Hệ thống trợ lực tay lái steer-by-wire "số hóa" các hoạt động của vô lăng, sử dụng dây dẫn nhẹ hơn và mang lại độ chính xác cao hơn.
Chuyển động từ vô lăng tác động lên cảm biến lực đánh lái, sau đó tín hiệu này được chuyển đổi thành tín hiệu số và truyền đến ba hộp điều khiển trung tâm, tương ứng với ba module máy tính Các hộp điều khiển này sẽ thực hiện chức năng điều khiển.
2 động cơ điện riêng rẽ, tác động trực tiếp 2 bánh xe trước Sự phản hồi (đảo chiều) cũng nhanh hơn nhờ cơ cấu máy tính-điện cơ.
Hệ thống lái kỹ thuật số steer-by-wire hiếm khi gặp sự cố, nhờ vào thiết kế thông minh với ba cụm điều khiển, được gọi là hệ “tam trùng”, cho phép tự động thay thế khi một cụm gặp trục trặc.
Tuy vậy, khi hệ thống steer-by-wire gặp trục trặc, bộ ly hợp sẽ chuyển hoạt động sang hệ thống trợ lực điện bình thường.
Có nhiều tỉ số lái khác nhau được cài đặt người mua chọn để có cảm giác nhạy lái hay bình thường.
Steer-by-wire có thể làm giảm cảm giác lái của người điều khiển, đặc biệt khi di chuyển trên những đoạn đường xấu Vì hệ thống này không truyền tải độ rung lắc từ mặt đường đến vô-lăng, người lái sẽ không cảm nhận được sự rung động, dẫn đến một số người không ưa thích công nghệ steer-by-wire.
Việc trang bị cảm biến radar và laser trên xe giúp cảnh báo lái xe, trong khi cơ cấu chấp hành đóng vai trò quan trọng trong hệ thống lái điện steer-by-wire.
Trong tương lai, hệ thống trợ lực steer-by-wire sẽ được lắp đặt trong các loại xe tự hành (autonomous).
