Bản dịch tài liêu· AliGUlsoy_HueiPeng_MelihCМakmakciAutomotivecontrolsystemsCambridgeUniversityPress2012 chương 13 Hệ thống chống bó cứng phanh(Antilock BrakeABS) và Hệ thống chống trượt (Traction Control SystemsTCS)
13 Hệ thống chống bó cứng phanh(Antilock Brake-ABS) Hệ thống chống trượt (Traction Control Systems-TCS) Hệ thống phanh chống bó cứng (ABS) lần giới thiệu toa tàu vào đầu kỷ 20 Động ban đầu để tránh vết phẳng bánh xe thép; nhiên, người ta sớm nhận thấy khoảng cách dừng giảm bớt nhờ hệ thống ABS Robert Bosch nhận sáng chế cho ABS vào năm 1936 Năm 1948, Boeing B-47 trang bị ABS để kiểm tra hiệu việc tránh nổ lốp bê tơng khơ trượt bánh đường băng đóng băng Nó sử dụng phương pháp điều khiển kiểu "bang-bang" (tức giảm áp suất phanh 0, sau khởi động lại) Các chiến lược kiểm soát ABS điều chỉnh hoàn toàn giới thiệu vào năm 1950 (ví dụ: Ford Lincoln, Goodyear HydroAire) ABS dành cho bánh sau lần có mặt ô tô hạng sang vào cuối năm 1960 Các hệ thống sử dụng năm 1960 1970 phát triển Bendix, Kelsey-Hayes AC Electronics, số người khác Những lo ngại pháp lý sau trì hỗn phát triển Hoa Kỳ, công ty châu Âu dẫn đầu hai thập kỷ Nhu cầu tăng vọt vào đầu năm 1990 lợi ích ABS việc kiểm soát lái xe khoảng cách dừng ngắn công nhận chấp nhận rộng rãi Hầu hết phương tiện chở khách bán Hoa Kỳ ngày trang bị ABS.Điều quan trọng cần lưu ý ABS khơng hoạt động bình thường tín hiệu vào người điều khiển tình trạng đường thay đổi nhanh chóng Ví dụ, theo báo cáo thử nghiệm gần NHTSA (Forkenbrock et al 1999), tất phương tiện thử nghiệm trang bị ABS dừng lại khoảng cách xa so với phương tiện khơng có ABS đường nhiều sỏi Do đó, cần cải tiến cơng nghệ Việc kết hợp hệ thống kiểm soát bước hệ thống ABS TCS Bosch thực năm 1987 hệ thống chống trượt (TCS) chủ yếu hoạt động trường hợp tăng tốc với hệ thống ABS có mục tiêu khơng tránh bó cứng quay bánh xe mà giữ mức độ trượt bánh xe gần mức tối ưu, giúp đạt lực dọc lốp tối đa đồng thời tránh giảm đáng kể lực ngang lốp.TCS thường xuyên quảng cáo thiết bị giúp lái xe rời khỏi bề mặt đóng băng dốc; nhiên, TCS hồn chỉnh thực hoạt động tất tốc độ xe Không giống ABS, rào cản việc chấp nhận vấn đề pháp lý mà cạnh tranh với hệ thống có chức tương tự (ví dụ: vi sai hạn chế trượt 4WD) Bởi chức TCS đạt với số lượng thiết bị bổ sung tối thiểu hầu hết công việc liên quan đến sửa đổi phần mềm chương trình ABS điều khiển động cơ, giữ vị trí cạnh tranh tốt với hệ thống thay 13.1 Mơ hình hóa Hệ thống ABS/TCS cho xe vận tải hai trục với điều khiển phanh TCS Wheel-speed sensor : Cảm biến tốc độ bánh xe Pulse ring : Vòng xung (vành cảm biến) ABS/TCS electronic control unit : Bộ điều khiển điện tử ABS/TCS Pressure-control valve : Van điều khiển áp suất phanh Shuttle valve : Van thoi( van thay đổi áp suất) Service-brake valve : Van phanh Combination brake cylinder : Xy lanh phanh kết hợp Air reservoir : Bình tích áp Drain valve : Van xả 10 Diaphragm actuator : Bộ dẫn động màng 11 TCS solenoid valve : Van điện từ TCS 12 Relay valve : Van gia tốc Hình 13.1 Hệ thống ABS/TCS (Hệ thống An toàn Lái xe Bosch) Hệ thống ABS, minh họa Hình 13.1, lắp nhiều xe phương tiện sản xuất đại trà, hệ thống chống trượt (nghĩa chống quay) phổ biến Hệ thống ABS điều chỉnh lực phanh (nghĩa điều chỉnh áp suất), giống người lái xe giỏi thực phanh băng, để trì lực phanh gần đỉnh đường cong μ − λ (Hình 13.2) Trong ABS, có lực phanh điều chỉnh điều khiển, TCS (tức chống trượt), lực phanh lực trượt (thông qua điều khiển động cơ) điều khiển Tốc độ bánh xe áp suất phanh đo, tốc độ xe ma sát đường ước tính, đồng thời áp suất phanh mô-men xoắn động điều chỉnh để trì tỷ lệ trượt mong muốn Như thể Hình 13.2a, lực ngang tác dụng lên bánh xe có độ trượt tối đa gần khơng có lực ngang “đủ” lực kéo mức tối đa, khoảng 10 đến 30 phần trăm độ trượt Lực bên độ trượt đạt tới 100 phần trăm (tức bánh xe bị khóa hồn tồn) Điều giải thích tượng kiểm sốt lái ổn định hướng trường hợp bánh trước bánh sau bị khóa, tương ứng Các đường cong μ − λ phụ thuộc nhiều vào điều kiện mặtđường, sau: a) b) Như minh họa hình 13.2b ABS cố gắng trì lực phanh gần giá trị cực đại Tuy nhiên, mặt đường thay đổi, việc xác định hệ số trượt mục tiêu thích hợp nhiệm vụ đầy khó khăn Việc điều chỉnh tỷ lệ trượt lốp thực cách điều chỉnh áp suất phanh theo kiểu tác động tuần hoàn áp dụng–giữ–nhả nhanh Do không xác định ma sát đường nên đảm bảo ABS đạt giá trị lực phanh cực đại xác Thay vào đó, cố gắng trì tỷ lệ trượt trung bình xung quanh độ trượt mục tiêu, cho gần với điểm thu lực cực đại Khi tỷ lệ trượt mục tiêu gần với độ trượt tối ưu (nghĩa lực tối đa), rõ ràng từ Hình 13.2 ABS tối đa hóa lực phanh theo hướng dọc (nghĩa giảm thiểu thời gian dừng khoảng cách) trì lực ngang lớn để định hướng ổn định đánh lái thao tác phanh Có lợi ích tiềm khác ABS; ví dụ, Chương thảo luận dịch chuyển trước-sau lực bình thường lên lốp xe tăng tốc giảm tốc (xem Ví dụ 4.2) Nếu khơng có ABS, việc phân bổ phanh hiệu đòi hỏi phải cân đối áp suất phanh bánh trước bánh sau Tuy nhiên, ABS điều chỉnh áp suất phanh bánh xe liên tục để trì bánh xe gần hệ số bám tối ưu Ngun tắc tương tự khơng áp dụng cho biến thể tải trọng trước-sau mà cho biến thể tải trọng độ bám dính (tức μ) bánh xe bên phải bên trái Một mơ hình tốn học cho thiết kế điều khiển lực kéo dựa mô tả bánh xe động lực quay mơ hình (xem Chương 3) cho động lực học theo chiều dọc xe Ứng dụng định luật II Newton vào động lực học quay bánh xe mang lại: Trong ω W vận tốc quay bánh xe, T e mô-men xoắn động cơ, T b mô-men xoắn phanh, r W bán kính bánh xe, F X lực kéo (hoặc phanh âm) T W (ω W ) mô-men xoắn ma sát bánh xe chức tốc độ quay bánh xe Trong thảo luận sau đây, giả sử mô hình ma sát khơ ma sát nhớt bánh xe; tức T W (ω W ) = f W F z + BW ω W Quán tính hiệu bánh xe, J W , quán tính bánh xe, Iw, phanh Trong trình tăng tốc, Jw = I W + r g I e, I e quán tính động r g tỷ số truyền Bánh xe bị trượt lốp bị biến dạng (Hình 13.3) trình tăng tốc (accelerating), định nghĩa là: Và trình giảm tốc (decelerating) sau: Trong ω r = u/r w u vận tốc dọc xe động lực học xe điều chỉnh phương trình (4.4), lặp lại đây: Lực kéo lốp xe xác định bởi: Trong hệ số bám dính bề mặt, μ, hàm λ, minh họa Hình 13.2, Fz lực pháp tuyến lốp xe Trong sách này, chúng tơi sử dụng Fz dương (+) , điều gây nhầm lẫn Do đó, μ > tăng tốc μ < giảm tốc (nghĩa phanh) quy ước dấu Số bánh dẫn động (để tăng tốc) N w ;hoặc, trường hợp phanh, Nw tổng số bánh xe Viết lại phương trình dạng biến trạng thái tiêu chuẩn Xác định x1 = ω v x2 = ω W để viết lại phương trình chuyển động dạng: Trong T = (Te − Tb) λ = (x2 − x1)/x1 phanh = (x2 − x1)/x2 tăng tốc Phương trình (13.6) dạng phi tuyến, chủ yếu mối quan hệ μ − λ đến điều khoản ma sát phương trình (13.1) (13.4) Trong thảo luận sau đây, giả định vận tốc gió, uW = 0, góc dốc đường,Θ = Để đơn giản, giả sử bỏ qua động lực học truyền động thực tế tất nhiên, khơng phải giả định tốt Cơ cấu dẫn động phanh thường cần kết hợp độ trễ thời gian (theo thứ tự 100 ms) cộng với độ trễ thời gian đặt hệ thống Bộ truyền động bướm ga thường nhanh Tuy nhiên, kết nối nối tiếp với động cơ, yêu cầu động lực phi tuyến dạng: Trong đó: m =lưu lượng dịng khí Pm =áp suất đường ống nạp f=hàm ảnh hưởng tỷ lệ áp suất a =góc mở bướm ga ωe = tốc độ động β =tốc độ tối đa dịng khí Pa =áp suất khơng khí TC= đặc tính van tiết lưu Và mơ-men xoắn động giới thiệu độ trễ không đáng kể Tuy nhiên, sách này, bỏ qua động lực học cấu chấp hành 13.2 Hệ thống chống bó cứng phanh Đối với ABS, ωw < ωv, λ = ωw −ω v < Ví dụ 13.1 minh họa đa ωv thức phù hợp với đường cong λ − μ, Ví dụ 13.2 giới thiệu gọi Công thức thực nghiệm cho mơ hình lốp xe phi tuyến tính, Ví dụ 13.3 đưa mơ phi tuyến tính cho phanh, ví dụ 13.4 cung cấp điều khiển ABS tuyến tính VÍ DỤ 13.1: ĐỐI VỚI ĐƯỜNG CONG CỦA ĐƯỜNG CONG LAMBDA-MU Trong chương trình MATLAB này, đa thức phù hợp thu cho tập hợp liệu λ - μ đưa phần đầu chương trình ví dụ Đường cong đa thức biểu diễn dạng Sau: Trong giá trị hệ số, ci,và xác định Kết phù hợp đa thức thể Hình 13.4, dường hoạt động tốt Khác dạng hàm (nghĩa khơng đa thức) sử dụng để biểu diễn λ – μ đường cong Ví dụ, Công thức thực nghiệm (Magic Formula ) Pacejka đồng nghiệp đề xuất (1987, 1989) sử dụng để có phù hợp trơn tru Cơng thức thực nghiệm (Magic Formula) sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp tơ (xem Ví dụ 13.2) VÍ DỤ 13.2: THỰC HIỆN MATLAB CƠNG THỨC THỰC NGHIỆM (TRƯỢT DÀI HỒN TỒN) Mơ hình lốp dựa chức đặc biệt tiếng công thức thực nghiệm Bakker, Nyborg Pacejka đề xuất (1987) Chức đặc biệt trông giống sau: ... Hình 13.1 Hệ thống ABS/TCS (Hệ thống An tồn Lái xe Bosch) Hệ thống ABS, minh họa Hình 13.1, lắp nhiều xe phương tiện sản xuất đại trà, hệ thống chống trượt (nghĩa chống quay) phổ biến Hệ thống ABS... khí TC= đặc tính van tiết lưu Và mơ-men xoắn động giới thiệu độ trễ không đáng kể Tuy nhiên, sách này, bỏ qua động lực học cấu chấp hành 13.2 Hệ thống chống bó cứng phanh Đối với ABS, ωw < ωv,... tranh tốt với hệ thống thay 13.1 Mơ hình hóa Hệ thống ABS/TCS cho xe vận tải hai trục với điều khiển phanh TCS Wheel-speed sensor : Cảm biến tốc độ bánh xe Pulse ring : Vòng xung (vành cảm biến)