STT Góc quay vành lái (độ) Lực đánh lái (Nm) Góc quay bánh xe phía ngồi α (độ) Góc quay bánh xe phía trong β (độ) lần 1 lần 2 lần 3 lần 4 lần 1 lần 2 lần 3 lần 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 90 2.6 3 3 3 3 3.5 3.5 3.5 3.5 3 180 2.1 7 7 6.5 7 6.5 7.5 7.5 7.5 4 270 2.4 10.5 10.5 10.5 10.5 11.5 12 11 11.5 5 360 2.5 14 14 14 14 16 16 16 16 6 450 3 17.5 17.5 17.5 17.5 21 21 21 21 7 540 2.8 21 21 21 21 25.5 26 26 26 8 630 3 24 24 24 24 30.5 31 30.5 30.5 9 660 3 25 25 25 25 33.5 33 33 33
Hình 4.8 biều diễn quan hệ giữa góc quay vành tay lái và góc quay bánh xe dẫn hướng:
Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn mối quan hệgóc quay VL và góc quay BXDH khi đánh lái bên trái
Hình 4.9 biễu diễn quan hệ giữa góc , và góc thực nghiệm:
- 10 20 30 40 0 3 90 180 270 360 450 540 630 660 Gó c q uay B XD H (đ ộ) Góc quay vành lái (độ) bánh trong bánh ngồi
Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa góc , và góc thực tế
Hình 4.10 biểu diễn quan hệ góc , và góc theo cơng thức lý thuyết và thực nghiệm:
Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa góc , và góc theo lý thuyết và thực tế
Trên đồ thị cho thấy sai số lớn nhất giữa đường biểu diễn góc quay bánh xe dẫn hướng lý thuyết và thực nghiệm là 0,74 (độ) < 1 (độ) đảm bảo yêu cầu [9].
Tỉ số truyền góc của hệ thống lái:
Từ các giá trị trong Bảng 4.2 và Bảng 4.3, tính tỉ số truyền trung bình của hệ thống lái theo công thức sau:
2. vl 24.7 htl i
Tỉ số truyền trung bình của hệ thống lái = 24,7.
4.3 Chuyển đổi hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực
Mặc dù một số công ty ô tô đã nghiên cứu phát triển hệ thống lái SBW, tuy nhiên ứng dụng thực tế trên các xe là rất ít. Các nghiên cứu học thuật đối với hệ thống lái SBW đã tương đối đầy đủ về lý thuyết và được thực hiện trong mô phỏng mà chưa ứng dụng trên các xe thực tế, nguyên nhân chủ yếu là do chi phí của việc mua một chiếc xe và phức tạp về pháp lý khi chuyển đổi sang hệ thống lái SBW [48]–[52]. Với
0 5 10 15 20 25 30 G óc q u ay (đ ộ) Góc quay (độ) 0 5 10 15 20 25 30 0 3.375 7.75 11.75 16 20 24.5 29 33.5 35 G ó c q u ay (độ ) Góc quay (độ) thực tế lý thuyết
mong muốn của tác giả khi nghiên cứu hệ thống SBW là phát triển một hệ thống lái đơn giản hơn, mạnh mẽ linh hoạt và cải thiện điều kiện làm việc cho lái xe và xa hơn nữa tạo tiền đề cho việc nghiên cứu hệ thống lái tự động [47], [53]–[56].
Để thực hiện việc chuyển đổi hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực trên xe HINO 300Series, nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát, đo đạc trên xe HINO 300Series, xây dựng phương án chuyển đổi hệ thống lái nguyên thủy của xe sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực. Q trình chuyển đổi gồm các nội dung chính như sau:
- Thiết kế, chế tạo bộ phận cơ khí: Bao gồm bộ tạo cảm giác lái và bộ chấp hành dẫn hướng.
- Tính tốn kiểm nghiệm các thông số thiết kế. - Thiết kế bộ điều khiển điện tử cho hệ thống. - Lắp đặt hệ thống lái lên xe và vận hành.
4.3.1 Khảo sát, đo đạc các thông số trên xe ô tô tải HINO 300Series
Q trình khảo sát đo đạc các thơng số của hệ thống lái và khảo sát lập phương án chuyển đổi hệ thống lái trên xe HINO 300Series được thực hiện tại HINO Việt Nam và tại ĐH GTVT. Một số hình ảnh nhóm nghiên cứu thực hiện như Hình 4.11.
4.3.2 Chuyển đổi cụm vành lái tái tạo cảm giác
Hình 4.12 biểu diễn sơ đồ cấu tạo cụm vành lái tạo cảm giác gồm: Vành lái, động cơ điện DCM1, hộp giảm tốc từ động cơ điện đến vành lái và một bộ cảm biến góc quay.
Hình 4.12: Sơ đồ cấu tạo cụm vành lái tạo cảm giác
Hình 4.13 biểu diễn cụm vành lái tạo cảm giác sau khi chế tạo lắp đặt hộp giảm tốc, cảm biến góc và động cơ DCM1 với các thơng số như bảng 4.4.
Hình 4.13: Cụm vành lái tạo cảm giác Bảng 4.4: Thông số của động cơ điện tạo cảm giác lái DCM1 Bảng 4.4: Thông số của động cơ điện tạo cảm giác lái DCM1
Thơng số của động cơ DCM1 Hình ảnh mơ tả Mã: 56300-07501
Điện áp 9 ÷ 16 V
Mô men xoắn: TM=1.83 Nm; Tốc độ không tải: n= 2036 rpm; Dòng điện: 35A
Tỉ số truyền hộp giảm tốc: 16.33
4.3.3 Chuyển đổi cụm chấp hành dẫn hướng
Hình 4.14 biểu diễn sơ đồ cấu tạo bộ chấp hành dẫn hướng gồm: Động cơ điện DCM2; một hộp giảm tốc và một bộ cảm biến góc quay.
Hình 4.14: Sơ đồ cấu tạo bộ chấp hành dẫn hướng
Hình 4.15 biểu diễn bộ chấp hành dẫn hướng sau khi chế tạo và lắp đặt hộp giảm tốc gồm 4 bánh răng ăn khớp có tỉ số truyền idd = 1,86 như hình 4.15(a); động cơ DCM2 với các thơng số ở bảng 4.5 như hình 4.15(b).
(a) (b)
Hình 4.15: Chế tạo, lắp ráp bộ chấp hành dẫn hướng: a) Hộp giảm tốc; b) Bộ chấp hành dẫn hướng
Tỷ số truyền từ động cơ DCM2 đến đầu trục cơ cấu lái: ig = idc.idd = 30,34.
Bảng 4.5: Thông số của động cơ điện chấp hành dẫn hướng DCM2
Thông số của động cơ DCM2 Hình ảnh mơ tả Mã: 56300-07501
Điện áp 9 ÷ 16 V
Mô men xoắn: Mdc=1.83 Nm; Tốc độ không tải: n= 2036 rpm; Dịng điện: 35A
4.3.4 Tính tốn, kiểm nghiệm các thông số làm việc của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực trên xe ô tô HINO 300Series tử - thủy lực trên xe ô tơ HINO 300Series
Xác định tỷ số truyền góc hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực
Trong hệ thống lái thơng thường tỷ số truyền góc được xác định từ vành lái đến bánh xe dẫn hướng. Đối với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực trên xe ô tô HINO 300Series tỷ số truyền góc được xác định từ động cơ DCM2 đến bánh xe dẫn hướng theo công thức 4.1:
𝑖𝑡 = 𝑖𝑑𝑐. 𝑖𝑑𝑑. 𝑖𝑐𝑙 (4.1)
Trong đó:
idc – tỉ số truyền tại đầu ra của cụm động cơ DCM2: idc = 16,33; idd – tỉ số truyền hộp giảm tốc: idd = 1,86;
icl – tỉ số truyền từcơ cấu lái đến bánh xe dẫn hướng: icl = 24,7; Ta được:
𝑖𝑡 = 16,33.1,86.24,7 = 750,2 (4.2)
Tính tốn mơ men cản quay bánh xe dẫn hướng quanh trụ đứng
Trong q trình thiết kế tính tốn hệ thống lái, mô men đặt lên trục động cơ DC được xác định cho trường hợp ơ tơ quay vịng tại chỗ vì lúc này mơ men cản quay vịng đạt giá trị cực đại. Mơ men cản quay vịng một bánh xe và mặt đường bao gồm thành phần: mô men cản lăn 𝑇1, mô men ma sát giữa bánh xe và mặt đường 𝑇2 và mô men ổn định 𝑇3 [9]:
𝑇𝑐 = 𝑇1+ 𝑇2+ 𝑇3 (4.3)
- Xác định mô men cản lăn 𝑇1:
𝑇1 = 𝐺𝑏𝑥. 𝑓. 𝑎 (4.4)
Trong đó: Gbx - trọng lượng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng 𝐺𝑏𝑥 =𝐺1
2; f - hệ số cản lăn,trên đường nhựa khô f = 0,02; a - khoảng cách từđiểm đặt lực đến tâm xoay bánh xe dẫn hướng; G1 - khối lượng phân bố lên cầu trước G1=1420 (kg).
𝐺𝑏𝑥 =𝐺21=14202 = 710 (𝑘𝑔) = 7100 (𝑁); (4.5)
Với Bt: chiều rộng cơ sở Bt=1400 (mm)
B: khoảng cách hai trụ đứng B=1265 (mm);
𝑎 = 𝐵𝑡2− 𝐵 = 67,5 (𝑚𝑚); (4.7)
𝑇1 = 7100.0,02.0,0675 = 9,59 (𝑁𝑚); (4.8) - Xác định mô men ma sát bánh xe với mặt đường T2:
Khi bánh xe quay vòng tai diện tích tiếp xúc bánh xe với mặt đường xuất hiện lực ngang Y, cách tâm của lốp một khoảng x như hình 4.16.
Hình 4.16: Đồ thị biểu diễn lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe dẫn hướng
Điểm đặt lực bằng 1/4 chiều dài vết tiếp xúc về phía sau:
𝑥 = 0,5. √𝑟2− 𝑟𝑏𝑥2 (4.9)
Với bánh xe lắp lốp có thơng số 7.00 – 16 trong đó B = 177,8 (mm); d = 16 inch;
r: bán kính tự do:
𝑟 = 𝐵 + 𝑑2. 25,4 = 177,8 + 203,2 = 381 (𝑚𝑚) (4.10)
rbx: bán kính làm việc của bánh xe dẫn hướng
𝑟𝑏𝑥 = 0,96. 𝑟 = 0,96 . 381 = 365,76 (𝑚𝑚) (4.11)
→ 𝑥 = 0,5√𝑟2− (0,96. 𝑟)2 = 53,34 (𝑚𝑚) (4.12)
Lực ngang có giá trị cực đại:
𝑌𝑚𝑎𝑥 = 𝜑. 𝐺𝑏𝑥 (4.13)
Như vậy mô men ma sát lớn nhất giữa bánh xe với đường được tính như sau:
𝑇2 = 𝑌𝑚𝑎𝑥. 𝑥 = 𝜑. 𝐺𝑏𝑥. 𝑥 (4.14)
với mặt đường nhựa khô chọn φ = 1,0;
Mơ men ổn định 𝑇3 được tính thơng qua hệ số α, chọn α=1,15. Khi đó mơ men cản lớn nhất tại một bánh xe được tính như sau: Tc=(T1+T2).α.
Tổng mô men cản lớn nhất ở cả hai bánh xe dẫn hướng:
𝑇𝑐 = 2. (𝑇1+ 𝑇2). 𝛼 (4.16)
Tc=2.(9,59+302,97).1,15 = 718,89 (Nm) (4.17)
Giá trị Tc được dùng để tính tốn, kiểm nghiệm các thơng số động cơ điện cho bộ chấp hành dẫn hướng DCM2.
Tính tốn, kiểm nghiệm các thơng số động cơ DCM2:
Sự kết hợp của bộ trợ lực thủy lực và một động cơ điện DC cho phép sử dụng động cơ điện DC nhỏ hơn nhiều. Cụm động cơ bao gồm động cơ điện DCM2 và bộ giảm tốc (Hình 4.17), đã được chọn dựa trên mơ men và tốc độ tối đa cần thiết để đánh lái trong điều kiện mô men cản lớn nhất.
(a) (b)
Hình 4.17: Cụm động cơ DCM2: a) Động cơ điện; b) Bộ giảm tốc
Trong điều kiện lái xe thông thường, các nghiên cứu về lực đánh lái cho một chiếc xe cho thấy mô men đánh lái cần thiết khi lái xe dao động từ 0-2 Nm, trong trường hợp khẩn cấp có thể cần đến mơ men xoắn cực đại lên tới 15 Nm, và tốc độ đánh lái là 1÷2 vịng tay lái mỗi giây hoặc tốc độ quay của bánh xe là khoảng 20o÷40o/s [13], [41], [42], [57], [58]. Từ những giá trị mục tiêu này ta có thể tính tốn điện áp cần thiết/tối đa cho động cơ bằng phương trình sau[13]:
𝑖𝑀 = 𝑘𝑖𝑇𝑀 (4.18)
𝑉𝑀 = 𝑖𝑀𝑅 + 𝑘𝐸𝜔𝑀 (4.19)
Trong đó: iM - dòng động cơ; ki - hằng số dòng; VM - điện áp hoạt động; R - điện trở đầu cuối; kE - hằng số ngược EMF. Mômen động cơ τM và tốc độ ωM có liên
quan đến mô men và tốc độ tại trục đầu ra Ts và ωs tương ứng bởi tỷ số truyền hộp giảm tốc bánh răng ig.
𝑇𝑀 =𝑇𝑠 𝑖𝑔
(4.20)
𝜔𝑀 = 𝜔𝑠. 𝑖𝑔 (4.21)
Mô men của động cơ DCM2 truyền tới bánh xe dẫn hướng được tính như sau:
𝑇𝑐ℎ = 𝑇𝑠. 𝑖𝑐𝑙. 𝜂 (4.22)
Trong đó: 𝑇𝑐ℎ - mơ men truyền từ động cơ DCM2 đến bánh xe dẫn hướng;
η - hiệu suất tính đến tổn hao ma sát của các bánh răng, khớp quay và trục
quay 𝜂 = 𝜂𝑏𝑟. 𝜂𝑘𝑞. 𝜂𝑡𝑞 tra bảng [8] ta tính được η = 0,5 ÷ 0,75 chọn η=0,7.
Thông số của động cơ DCM2: Điện áp 9 ÷ 16 V
Mơ men xoắn: Tdc=1.83 Nm; Tốc độ khơng tải: n= 2036 rpm; Dịng điện: 35A
Tỉ số truyền idc =16.33
Động cơ lựa chọn phải thỏa mãn điều kiện
Tch ˃ Tc
Từ công thức (4.22), thay các giá trị vào ta được:
𝑇𝑐ℎ = 𝑇𝑑𝑐. 𝑖𝑐𝑙. 𝜂 = 𝑇𝑑𝑐. 𝑖𝑔. 𝑖𝑐𝑙. 𝜂 (4.23)
Tch= 1,83.30,34.24,7.0,7 = 959,98 (Nm) (4.24) Với Tch ˃ Tc . Do đó mơ men động cơ đáp ứng yêu cầu của hệ thống lái.
Tốc độ quay tại đầu vào cơ cấu lái:
𝜔𝑠 =30,372036 = 67 (𝑟𝑝𝑚) (4.25)
4.3.5 Thiết kế bộđiều khiển cho hệ thống lái
Sơ đồ điều khiển của hệ thống như Hình 4.18 bao gồm: Khối đo góc quay (Encoder); khối driver điều khiển động cơ; khối đo vận tốc xe; khối đo dòng và áp động cơ; khối hiển thị; khối điều khiển (phím bấm); khối đầu ra giao tiếp; khối vi xử lý (CPU) và nguồn (ắc quy).
Hình 4.18: Sơ đồđiều khiển hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực
Khối đo góc quay (Encoder): Cảm biến đo góc biểu diễn như Hình 4.19, sơ đồ hoạt động như Hình 4.20, sơ đồ nối dây như Hình 4.21.
- Nguyên lý hoạt động:
Khi Encoder quay thì sẽ có xung ở đầu ra, dựa vào tín hiệu xung này để xác định góc quay, vận tốc góc quay. Do đó trong hệ thống ta sẽ đo được: góc quay, tốc độ góc của vành lái; góc quay, tốc độ góc của bánh xe dẫn hướng.
- Kết Nối:
Kết nối 4 dây tín hiệu của encoder vào thiết bị để cấp nguồn và đọc tín hiệu xung trong đó: Đỏ: VCC 5V; Trắng: Xung A; Đen: GND; Xanh: Xung B.
Hình 4.19: Cảm biến đo góc (400 xung)
- Xử lý: Khi quay vành lái thì cảm biến góc quay gắn với vành lái sẽ quay theo. Các xung trả về được đưa vào trình xử lý ngắt của ECU để xử lý. ECU sẽ tính tốn
ra được các thông số cơ bản như sau: Chiều quay vành lái, góc quay vành lái, vận tốc góc quay vành lái.
Hình 4.20: Sơ đồ khối hoạt động của cảm biến đo góc
Hình 4.21: Sơ đồ nối dây cảm biến đo góc
Sốxung: được cộng dồn trong thời gian 10 ms khi có tín hiệu xung trả về Góc: Cảm biến góc quay 1 vịng thì được 400 xung.
Góc hiện tại = (số xung*360)/400 (o).
Chiều quay: dựa vào trạng thái của 2 xung tại 1 thời điểm được biểu diễn như Bảng 4.6.
Bảng 4.6: Biểu diễn chiều quay của cảm biến góc
Khối driver điều khiển động cơ
Sơ đồ điều khiển động cơ DC như hỉnh 4.22: Để điều khiển động cơ quay theo tốc độ và hướng mong muốn thì ta sẽ sử dụng module driver điều khiển động cơ BTS7960.
Hình 4.22: Sơ đồđiều khiển động cơ
- Thông số của module: Điện áp đầu vào: 6~27V; Dòng điện tải mạch: 43A; Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5V; Tần sốđiều khiển tối đa: 25KHz.
Thiết bị sẽ cảnh báo khi điện áp thấp để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp: Nếu điện áp < 5.5V, mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 (Hình 4.23) sẽ đưa ra cảnh báo cho mức điện áp thấp.
Bảo vệ quá nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong. Thiết bị sẽ cảnh báo khi có hiện tượng quá nhiệt.
- Sơ đồ chân:
VCC : Nguồn tạo mức logic điều khiển: (3.3V÷5V ) GND : Chân đất.
R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải. R_EN = 1 : Enable nửa cầu H phải. L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái. L_EN = 1 : Enable nửa cầu H trái. RPWM và LPWM : chân điều khiển đảo chiều và tốc độđộng cơ. RPWM = 1 và LPWM = 0 : Động cơ DC quay thuận.
RPWM = 0 và LPWM = 1 : Động cơ DC quay nghịch
RPWM = 1 và LPWM = 1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0 : Dừng. R_IS và L_IS : kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H
Hình 4.23: Mạch điều khiển động cơ - Module driver BTS7960
- Điều khiển:
Sơ đồ điều khiển như Hình 4.24, sơ đồ nối dây như Hình 4.25: Sau khi có được thơng tin tốc độ và chiều quay từ cảm biến góc quay vành lái thì chương trình sẽ xuất tín hiệu PWM và dir để cung cấp cho module BTS7960. BTS7960 sẽ đóng cấp nguồn qua mạch cầu H để động cơ quay theo hướng và tốc độ theo như đầu vào. Sử dụng timer1 và timer3 để tạo PWM 17 khz để cung cấp tín hiệu tốc độ cho module BTS.
Hình 4.24: Sơ đồđiều khiển khối driver BTS7960
Hình 4.25: Sơ đồ nối dây khối driver BTS7960
Tín hiệu vận tốc xe được lấy từ tín hiệu trên bảng táp lơ xe như sơ đồ dưới đây (sơ đồ được nhà sản xuất cung cấp), ở đây là dây tín hiệu ở vị trí chân C5-36 như Hình 4.26 và được tra ở Bảng 4.7:
Hình 4.26: Sơ đồ chân mạch điện trên táp lơ xe HINO 300 Series Bảng 4.7: Tra cứu dây tín hiệu tốc độ xe