Khảo sát quá trình huyển động quay vòng của ôtô có bố trí hệ thống abs+vdc

Hệ thống này sử dụng các hệ thống điều khiển hệ thống phanh, hệ thống lái, hệ : thống treo để tham gia đảm bảo khả năng ổn định động học của ôtô.. Đề tài trong luận văn này tập trung vào

Trờng đại học bách khoa hà nội

Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS PGS.TS PGS.TS Nguyễn Khắc Trai Nguyễn Khắc Trai

Hà Nội 2008

Lời nói đầu

Nền kinh tế nớc ta đang trên đà phát triển và hội nhập, nhu cầu vận tải bằng ôtô ngày càng gia tăng đặc biệt là những xe có trang bị hệ thống hiện

đại Cùng với sự phát triển về số lợng, tính hiện đại của các thiết bị và hạ tầng cơ sở đờng bộ là các vấn đề liên quan tới an toàn giao thông Điều đó

đặt ra nhiệm vụ cho các cán bộ kỹ thuật ngành ôtô, giáo viên giảng dạy trong các trờng chuyên ngành phải thờng xuyên cập nhật các kiến thức mới nhằm mục đích khai thác, sử dụng đúng kỹ thuật các loại xe hiện đại và đảm bảo hạn chế tối đa tai nạn giao thông trên đờng Các loại xe hiện đại phần lớn

đợc tích hợp các hệ thống cơ khí truyền thống với hệ thống điều khiển phức tạp nhằm đảm bảo tính ổn định ở mọi tốc độ, mọi tình huống khai thác

Hệ thống ABS+VDC là một trong những hệ thống tích hợp kể trên Hệ thống này sử dụng các hệ thống điều khiển hệ thống phanh, hệ thống lái, hệ : thống treo để tham gia đảm bảo khả năng ổn định động học của ôtô Với một

hệ thống tích hợp nh vậy có thể phân tích ra thành nhiều mảng nghiên cứu khác nhau Đề tài trong luận văn này tập trung vào khảo sát quá trình chuyển

động quay vòng của ôtô theo hớng tìm hiểu các mối quan hệ động học và

động lực học của chúng khi đợc trang bị ABS+VSC Hệ thống VSC là một phân mảng của VDC nhằm mục đích ổn định quay vòng cho ôtô

Để có thể tiếp cận đợc đến một vấn đề phức tạp, đang có mặt trong các kết cấu ôtô ngày nay, cần bổ sung những kiến thức về điều khiển tự động và nắm chắc các trạng thái hoạt động của ôtô Thực hiện đợc điều này sẽ góp phần nâng cao khả năng hiểu biết về hệ thống, nâng cao chất lợng khai thác

sử dụng ôtô, đồng thời góp phần vào việc giảm thiểu tai nạn giao thông

Các t liệu trình bày về kết cấu khai thác sử dụng hiện nay đã có mặt ở nớc ta nhng các tài liệu này chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu, do vậy trong quá trình đào tạo còn gặp nhiều khó khăn

Thực hiện các ý định trên đề tài viết trong luận văn này thực hiện với , tiêu đề “Khảo sát quá trình chuyển động quay vòng của ôtô có bố trí ABS+VDC”

Sự chuyển động của ôtô trên đờng là tổ hợp của nhiều yếu tố tác động Quản lý các yếu tố này về phơng diện động học và động lực học sẽ giúp chúng ta có thể hiểu rõ bản chất và quá trình xảy ra khi ôtô chuyển động trên

đờng Với mục tiêu khảo sát, đề tài ch n phơng pháp mô phỏng bằng tính ọtoán nhằm rút ra các kết luận cần thiết phục vụ cho quá trình đào tạo, lý giải các vấn đề về an toàn giao thông

Nội dung của đề tài là một vấn đề lớn, tuy nhiên đề tài c ng đã dẫn tới ũmột số kết quả có thể chấp nhận đợc Trong khuôn khổ của luận văn, đề tài

cố gắng trình bày ngắn gọn với mục tiêu mô tả các quá trình thông qua đồ thị

và nhận xét, trên cơ sở các kết quả của đề tài các kiến thức cơ bản về hệ thống ,

ABS+VSC đợc làm sáng tỏ nhằm mở rộng các hiểu biết và thực hiện các khảo sát, nghiên cứu tiếp sau

Đề tài đợc thực hiện tại Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí Động

cũng nhận đợc nhiều sự hỗ trợ của các thầy trong Bộ môn, Trung tâm Đào tạo sau Đại học cùng các bạn đồng nghiệp

Do thời gian, trình độ còn hạn chế mảng nghiên cứu còn khá mới, , những kết quả của đề tài là ban đầu nên không thể tránh đợc khiếm khuyết, rất mong nhận đợc sự bổ sung, góp ý của các nhà kỹ thuật, các thầy và đồng nghiệp để đề tài đợc đầy đủ và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo

Hà nội, tháng 1 năm 2008 0

Tác giả

Trần Duy Hải

cHƯƠNG 1: Giới thiệu đề tài

ABS+VDC là hệ thống điều khiển tự động giúp nâng cao tính ổn định và an toàn chuyển động của ôtô, góp phần giảm thiểu các tai nạn giao thông có thể xảy ra Do vậy, tính điều khiển và vấn đề ổn định hớng chuyển động của ôtô

là một vấn đề hết sức quan trọng cần phải đợc khảo sát một cách kỹ lỡng

1.1 Tính điều khiển và vấn đề ổn định hớng chuyển động của ôtô

Quá trình điều khiển của ôtô đợc mô tả trên hình 1 1 với sơ đồ quan hệ Lái xe - Điều kiện ngoại cảnh Quỹ đạo chuyển động của ôtô.-

Tất cả các mối quan hệ về điều khiển, an toàn giao thông đều đợc quan tâm thông qua quỹ đạo chuyển động của ôtô Quỹ đạo chuyển động của ôtô là tập hợp các vị trí ôtô có đợc sau khi ngời lái thực hiện các động tác điều khiển lên ôtô, nó liên quan đến tính dẫn hớng của xe n định hớng chuyển ổ

Hình 1.1: Mô tả tổng thể quan hệ điều khiển của lái xe

và chuyển động của ôtô

lái xe

Cỏc chuyển động

yờu cầu

Cơ cấu điều khiển

Vàn h lỏi Chõn ga Phanh

Quay bỏnh xe dẫn hướng Tốc độ chuyểnđộng của ụtụ Gia tốc chậm của ụtụ

Điều kiện đường ngoại cảnh khỏc Cỏc điều kiện

QUỹ Đạo Chuyển động

của ôtô

động của ôtô là một đặc tính của ôtô có khả năng giữ đợc quỹ đạo chuyển

động theo góc quay vành lái khi chịu tác động của các lực, mômen và ngoại cảnh Sự chuyển động của ôtô trên đờng đòi hỏi phải thực hiện theo quỹ đạo phức tạp, ngời lái luôn luôn điều chỉnh góc quay vành lái Khi nâng cao tốc

độ chuyển động cần thiết phải đảm bảo mối tơng quan giữa quỹ đạo chuyển

động và góc quay vành lái chặt chẽ hơn Trong nhiều trờng hợp sự sai lầm nhỏ trong điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ đạo chuyển động và gây mất an toàn giao thông Chẳng hạn khi đi trên đờng vòng với vận tốc cao, gặp chớng ngại vật, phanh xe quá ngặt dẫn đến bó lết làm mất khả năng điều khiển hoặc gia tốc hớng tâm tăng lên đột ngột dẫn đến hiện tợng trợt bên của các bánh

xe và gây lật đổ Do vậy nếu quản lý đợc quỹ đạo chuyển động thì hạn chế sẽ

đợc tai n n giao thông.ạ

An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ôtô là chỉ tiêu hàng

đầu trong việc đánh giá chất lợng thiết kế và sử dụng phơng tiện này Để nâng cao tính an toàn chuyển động nhất thiết phải đề cập đến động lực học chuyển động của ôtô Chuyển động của ôtô là trạng thái động lực học phức tạp chịu ảnh hởng bởi nhiều nguyên nhân khác nhau và đã đợc các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và chỉ ra cụ thể nh trên hình 1 2 Trong đó, ngời lái là thành phần điều khiển biểu thị bằng thông số đầu vào, thành phần thứ 2 là môi trờng chuyển động của ôtô, sau đó là kết cấu kỹ thuật của ôtô

Hình 1.2: Các nguyên nhân gây tai nạn giao thông

Mặc dù tỷ lệ tai nạn giao thông do kết cấu kỹ thuật ôtô là nhỏ nhng trách nhiệm của các cán bộ kỹ thuật trong ngành vẫn phải tìm cách hạn chế

đến mức thấp nhất các nguyên nhân gây mất an toàn đó Muốn vậy phải hiểu biết sâu về cấu trúc, vấn đề đảm bảo tính điều khiển của ôtô cùng các kết cấu liên quan nhằm bớc đầu khai thác tốt sau đó sử dụng đúng để giảm bớt các tai nạn giao thông xảy ra trên đờng

1.2 Khái niệm về các trạng thái quay vòng của ôtô

Tính điều khiển, ổn định hớng chuyển động của ôtô đều liên quan đến việc xác định quỹ đạo chuyển động và đợc đánh giá theo quan niệm về trạng thái quay vòng Theo tài liệu lý thuyết ôtô, bán kính quay vòng đợc xác định:

) ( t s

t LT

l R

α α

Trong đó: l: chiều dài cơ sở của ô tô, βt: Góc quay bánh xe dẫn hớng,

αt, αs: Góc biến dạng bên của các bánh xe cầu trớc và cầu sau Nh vậy bán kính quay vòng RLTcủa ôtô không chỉ phụ thuộc vào cácgiá trị l , αt, αs mà khi βt = const bán kính quay vòng RLTso với RTTphụ thuộc vào hiệu số ( αt − αs) khi đó xảy ra các trạng thái quay vòng của ôtô nh hình 1 3

Trạng thái “quay vòng đúng“ là trạng thái quay vòng mà chúng ta mong muốn khi đó αt − αs = 0 ⇒

t LT TT

l R R

Trạng thái “quay vòng thừa“ xảy ra khi ( αt − αs) < 0 ⇒ RTT < RLT sẽ gây lên giảm bán kính quay vòng, tức là gia tăng lực ly tâm và tai nạn giao thông

có thể xảy ra Do vậy đây là trạng thái quay vòng không mong muốn và để thực hiện quay vòng xe theo bán kính RLT thì ngời lái phải giảm góc quay vành lái một lợng ∆ βVL

Các trạng thái quay vòng thừa, thiếu đều bất lợi cho sự chuyển động của

ôtô trên đờng và cần phải đợc kiểm soát, điều chỉnh về gần với trạng thái quay vòng đúng hệ thống , VSC có thể đáp ứng đợc yêu cầu này tức là đápứng điều kiện αt − αs luôn luôn có giá trị bằng không hoặc lân cận không o Dvậy, đề tài lựa chọn tiêu chí bán kính quay vòng để sử lý với việc quản lý αt,

s

α trong điều kiện sử dụng phanh thông qua gia tốc bên y và sử dụng bộ kiểm soát ổn định hớng VSCtrong hệ thống TRC, VDC, ABS để điều khiển độc lập từng bánh xe với mục đích ổn định quỹ đạo chuyển động của ôtô, thực chất hệ thống VSC là quản lý bán kính quay vòng của ôtô

1.3 Giới thiệu về hệ thống ABS và các liên hợp với ABS trên ôtô.

Hệ thống phanh (Brake System)là thiết bị an toàn chủ động của ôtô, dùng

để giảm tốc độ hay dừng và đỗ ôtô trong những trờng hợp cần thiết theo yêu cầu của ngời lái, nó là một trong những hệ thống chính và có ý nghĩa quan trọng bảo đảm khả năng ổn định của ôtô khi chuyển động

Một vấn đề đợc đặt ra đồng thời cũng là bài toán cần phải giải quyết đối với hoạt động của hệ thống phanh đó là trên xe không bố trí ABS khi phanh trên các loại đờng có hệ số bám ϕ thấp nh đờng trơn, đờng lầy, đờng cát có thể xảy ra hiện tợng hãm cứng bánh xe ( bánh xe bị trợt lết ) làm giảm hiệu quả phanh, dẫn đến tình trạng mất tính ổn định hớng tính đồng thời , phanh trên tất cả các bánh xe và khả năng điều khiển của ôtô Khi phanh ôtô nếu bánh xe trớc bị bó cứng làm cho xe không thể chuyển hớng theo sự

điều khiển của ngời lái còn nếu bánh xe sau bị bó cứng sẽ làm đuôi xe bị lạng, ôtô sẽ bị trợt ngang Đặc biệt khi ôtô quay vòng, hiện tợng trợt ngang của các bánh xe dẫn đến hiện tợng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa làm mất tính ổn định hớng chuyển động cụ thể là là khi bị trợt ngang ở xe có kết cấu quay vòng thừa thì các bánh xe phía trớc nằm phía ngoài đờng cong sẽ

bị phanh quá cứng còn ở xe có trạng thái quay vòng thiếu thì các bánh xe phía sau nằm phía trong đờng cong sẽ bị phanh quá cứng hậu quả tổng hợp của chuyển động ôtô là quay vòng nguy hiểm

ϕx

α=10 o α=2 o

ϕy

b Lực d , lực ngang và vùng tối ọc

u của độ trợt

Qua đồ thị 1 4 ta thấy sự phanh của bánh xe trên đờng đợc thực hiện tốt nhất khi các bánh xe quay trong giới hạn độ trợt ( 15 ữ 30 )%, tại đó hệ số bám dọc, bám ngang có khả năng đạt cao, nghĩa là cờng độ phanh, khả năng giữ ổn định hớng của ôtô cao nhất

Để giữ cho các bánh xe àml việc ở vùng có hệ số trợt λ ovới lực phanh tối u và không xảy ra sự khóa cứng các bánh xe cần phải điều chỉnh áp suất dầu đến cơ cấu phanh Việc điều chỉnh đợc thực hiện nhờ một trong các tín hiệu đầu vào sau:

+ Theo giá trị độ trợt cho trớc

+ Theo gia tốc chậm dần của các bánh xe đợc phanh

+ Theo giá trị của tỷ số giữa vận tốc góc của bánh xe với gia tốc chậm dần của nó

Hệ thống ABS đợc bố trí trong ôtô cho phép thực hiện khả năng điều chỉnh liên tục m men ma sát trong cơ cấu phanh nhằm các bánh xe không bị ô

bó cứng sự trợt xảy ra tại vùng có hệ số bám cao

Các thiết bị điện tử tham gia điều khiển cùng với lực và hành trình bàn

đạp phanh của ôtô kiểm soát chặt chẽ sự phanh của bánh xe trong giới hạn trợt tối u Trong trạng thái nguy hiểm, khi cần phanh gấp có thể dẫn tới sự

bó cứng bánh xe (đặc biệt trên đờng trơn) Điều này làm mất khả năng ổn định hớng chuyển động của ôtô, Sử dụng ABS có thể loại trừ tình huống nguy hiểm nh vậy, tức là nâng cao đáng kể an toàn chủ động cho ôtô

Trong thực tế việc xác định độ trợt rất khó khăn, bộ ECU của ABS sẽ tính toán thông qua các giá trị khác nh: vận tốc góc, gia tốc góc của bánh xe

và gia tốc dài của ôtô

Để khắc phục những hiện tợng đó, phần lớn các ôtô con hiện nay đều

đợc trang bị hệ thống ABS ( A - nti Lock rake B System _ thiết bị chống trợt lết bánh

xe khi phanh) nó là hệ thống đợc tổ hợp từ các kết cấu: cơ khí, thuỷ lực (hay

khí nén) và điện từ với kỹ thuật tự động điều chỉnh cơ điện tử (Mechatronic) Hệ thống ABS đợc bố trí trên ôtô với mục đích nâng cao khả năng điều khiển giảm tốc độ của ôtô trong mọi trờng hợp chuyển động, cụ thể bao gồm:

- Đảm bảo nâng cao ổn định hớng chuyển động của ôtô khi phanh trên

đờng vòng hay trên đờng có trạng thái khác nhau

- Tạo điều kiện rút ngắn quãng đờng phanh khi xe hoạt động trên đờng tốt với vận tốc cao

- Duy trì khả năng điều khiển ôtô bằng vành lái

Trên cơ sở của hệ thống ABS đã hình thành các liên hợp điều chỉnh khác nhằm hoàn thiện tính chất động học và động lực học hay chính là chất lợng chuyển động của ôtô với nguyên tắc:

- Đảm bảo tối u lực phanh và lực kéo (gọi chung là lực dọc) theo hớng tăng khả năng động lực học của xe

- Đảm bảo tối u khả năng sử dụng năng lợng của động cơ với mục đích giảm tiêu thụ nhiên liệu, giảm chất độc hại thoát ra môi trờng, giảm khả năng phát sinh tải trọng động xuất hiện trong kết cấu ôtô

- Đảm bảo nâng cao khả năng ổn định chuyển động của ôtô ở vận tốc cao, trong những trạng thái giới hạn chuyển động Tức là, nâng cao tính an toàn chủ động, góp phần giảm thiểu các tai nạn giao thông có thể xảy ra

Xuất phát từ việc kiểm soát sự trợt xảy ra ở các bánh xe, nhằm nâng cao tính ổn định và an toàn của ôtô khi chuyển động, các hệ thống liên hợp với

ABS đã hình thành:

- EBD - E lectronic rake force istributio : B D n Phân phối lực phanh điện tử

Đảm bảo ổn định động học nhằm điều khiển quỹ đạo chuyển động của ôtô

- BAS - B rake Assist System: Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp, nhằm đạt

đợc khả năng phanh với quãng đờng phanh ngắn nhất có thể

- TRC - T raction egulator ontrol: R C Điều khiển lực kéo chống trợt quay bánh xe

- ASR - A nti pin Regulator: S Điều khiển sự trợt quay của bánh xe chủ

động trong trờng hợp phanh bằng động cơ trên đờng trơn dốc

- VDC - V ehicle Dynamics C ontrol : Hệ thống ổn định hớng chuyển động của ôtô nó là tập hợp các thiết bị điều chỉnh của các cơ cấu treo + lái + phanh

+ VSC V - ehicle tabily ontrol: S C Điều khiển ổn định động lực học ôtô hay chính là bộ kiểm soát ổn định hớng Hệ thống này là một phần của VDC

có tác dụng đa trạng thái quay vòng thực về quay vòng đúng

+ ESP - E lectronic tabily rogram S P : Chơng trình điều khiển ổn định

điện tử phục vụ cho VSC.

Nhìn chung các hệ thống liên hợp kể trên đều dựa trên cơ sở của hệ thống phanh truyền thống và hệ thống ABS. Các hệ thống này còn có tên gọi

là hệ thống EBD (Electronic Brake force Distribution hệ thống phân phối lực _

ABS với VSC (Hệ thống điều khiển ổn định ôtô)

Hình 1.5: Khi xe quay vòng không ổn định, máy tính sẽ kích hoạt

phanh và giảm công suất động cơ để ổn định xe

phanh điện tử). Trong quá trình phanh xe, điều khiển EBD dùng ABS để thực hiện việc phân phối lực phanh giữa các bánh xe:

+ Theo điều kiện chuyển động của xe

+ ổn định quay vòng của xe khi phanh, hoặc kh ng phanh.ô

+ Theo điều kiện nguy hiểm xác lập trớc: phanh khẩn cấp, chống trợt quay cho bánh xe chủ động

Trong các hệ thống kể trên thực hiện việc tích hợp giữa ABS với các chức năng khác đối với xe có TRC: điều khiển lực kéo chống trợt quay bánh xe có

VSC điều khiển lực dọc nhằm đảm bảo ổn định hớng chuyển động ôtô

Với các hệ thống kể trên trong luận văn này sẽ chỉ đề cập tới việc mô phỏng hệ thống ABS+VSC bằng công cụ máy tính

Các phơng pháp nghiên cứu động lực học để khảo sát quá trình chuyển

động quay vòng của ôtô có thể là:

+ Dùng thực nghiệm trên bãi lớn,

+ Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn,

+ Dùng mô tả toán học: có nhiều thuận lợi hơn cả vì qua đó có thể

đánh giá độc lập các yếu tố, tối u trong lựa chọn kết cấu Mặc dù các kết quả tính toán đều phải qua thực nghiệm nhằm đánh giá tính đúng đắn của mô hình khảo sát nhng để cho phép giảm thiểu các thí nghiệm cần thiết, đề tài ựa lchọn phơng pháp nghiên cứu dùng mô tả toán học để khảo sát trên mô hình mô phỏng là giải pháp hợp lý trong điều kiện Việt Nam hiện nay

1.4 Một số nghiên cứu trong nớc

Hiện nay các tài liệu trong nớc chủ yếu viết cho mục đích khai thác, sửa chữa và sử dụng của các hãng Toyota, Mitsubishi, Mazda, Ford, Nissan, Fiat, Mercedes, Suzuki, Đề tài sẽ sử dụng các kiến thức kết cấu cho mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu ảnh hởng của các thông số kết cấu hệ thống lái đến quỹ đạo chuyển động ôtô của Lê Anh Vũ (2006)

Nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ôtô với hệ thống

ABS+ASR viết bằng Matlab thông dụng của Nguyễn Tiến Vũ Linh (2007) Tổng hợp bộ điều khiển điện tử trên hệ thống phanh có ABS của Lại Năng Vũ (2007) đã xây dựng đợc các cơ sở lý luận ABS và thiết lập đợc các phơng trình trên một bánh xe với mục đích học tập nhng cha gắn kết đợc các hệ thống trên ôtô

Về VSC thì hiện nay cha có đề tài nào thực hiện và là kiến thức cần đợc

bổ sung trong quá trình điều khiển, ổn định của ôtô

Đề tài “Khảo sát quá trình chuyển động quay vòng của ôtô có bố trí ABS+VDC” mang tính chất thừa kế, sử dụng kết cấu hệ thống của các đề tài trên

để nghiên cứu hệ thống ABS+VSC bằng việc mô phỏng Matlab simulink, một tiện ích nâng cao của Matlab

1.5 Đối tợng, phạm vi và nội dung nghiên cứu cụ thể của đề tài

Trên cơ sở đã phân tích ở trên cho thấy vấn đề cần khảo sát là rất rộng,

nó là mảng nghiên cứu liên quan đến nhiều lĩnh vực nh điều khiển tự động, cơ khí, động lực học rong khuôn khổ của luận văn cao học, đề tài tập Ttrung ghiên cứu quá trình chuyển động quay vòng của ôtô và các thông số n

đánh giá với nội dung:

- Lựa chọn các mô hình mô tả quan hệ của bánh xe với mặt đờng

- Xây dựng các phơng trình tính toán quay vòng cho xe và lập trình giải bài toán mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm MATLAB simulink.

- Đa vào các mô hình tính toán với hệ thống phanh ABS+VSC cho xe con, nhằm tìm hiểu sự thay đổi các thông số động lực học của ôtô với nhiệm

vụ tập trung chính vào việc khảo sát trạng thái quay vòng của xe và so sánh giữa 2 trạng thái khảo sát: + Khi không có ABS+VDC

+ Khi có ABS+VDC

Mô tả động học, động lực học chuyển động của ôtô bao gồm:

- Quá trình biến đổi độ trợt của các bánh xe

- Quỹ đạo chuyển động của trọng tâm ôtô

- Gia tốc bên, vận tốc góc quay thân xe, góc lệch bên

Từ đó đi đến tiến hành điều chỉnh hệ thống nhằm đảm bảo tính ổn định hớng chuyển động của ôtô tức là điều chỉnh theo bán kính quay vòng, đa trạng thái quay vòng thực về gần với quay vòng đúng

1.6 Các vấn đề thực hiện trong đề tài_Nhiệm vụ của đề tài

1 Nghiên cứu, phân tính các quan hệ vật lý của ôtô trong quá trình chuyển động quay vòng trên mô hình định tính, tìm hiểu cấu trúc của VSC

trên ôtô con

2 Nghiên cứu, xây dựng mô hình toán học mô tả quỹ đạo chuyển động của ôtô để thiết lập các phơng trình tính toán quay vòng cho xe trên cơ sở mô hình không gian phi tuyến từng phần

3 Lập trình giải bài toán mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm

MATLAB SIMULINK. Chọn một bộ số liệu tính toán cho xe để ứng dụng vào tính toán mô phỏng

4 Đa ra các kết quả cụ thể tơng đối phù hợp bằng đồ thị về động học,

động lực học quay vòng cho xe trong hai trờng hợp có và không có VSC.

5 Phân tích, thảo luận, so sánh kết quả giữa hai trạng thái khảo sát và

đa ra kết luận

6 Các giải pháp mở rộng và hoàn thiện nghiên cứu

cHƯƠNG 2: Cơ sở lý luận của đề tài

2.1 Cơ sở lý luận về điều khiển phanh ABS

2.1.1 Sơ đồ đơn giản một mạch điều khiển phanh ABS

ABS trong hệ thống phanh thuỷ lực là một hệ thống tự động điều chỉnh

áp suất dầu đa vào xy lanh bánh xe sao cho phù hợp với chế độ lăn của bánh

xe nhằm loại trừ khả năng trợt lết của bánh xe khi phanh

Về nguyên tắc chung các van điều chỉnh áp suất dầu cần tiến hành đúng thời điểm tác động nh tăng hay giảm áp suất dầu tơng ứng với yêu cầu tạo

ra mômen phanh để đảm bảo độ trợt của các bánh xe nằm trong vùng độ trợt tối u λ0 Tuy nhiên với độ chậm tác dụng của hệ thống thủy lực đòi hỏi cần điều chỉnh sớm hơn một chút, tức là cần thiết điều chỉnh khi độ trợt bánh

xe ngay từ khi xuất hiện độ trợt ở giá trị thấp Thực hiện điều chỉnh nh thế

sẽ dẫn tới khái niệm lựa chọn điều khiển ở mức thấp (select - low) hay điều khiển ở mức cao (select high) “

“Select low“ - (SL)có nghĩa là ECU ABS - sẽ sử dụng thông tin khi độ trợt

đạt đợc ở mức thấp Tác động điều chỉnh nh thế sẽ đảm bảo độ trợt của các bánh xe không vợt quá giá trị độ trợt tối u λ0 Lựa chọn ở mức thấp này còn phù hợp với việc tính toán giá trị vận tốc tính toán trung bình của ôtô từ giá trị vận tốc góc quay của các bánh xe

“Select - high“ (SH) là khái niệm ngợc lại của SL. Khi lựa chọn SH, có thể tạo nên lực bám lớn hơn, tuy vậy trong nhiều điều kiện sử dụng bánh xe có

độ trợt lớn này sẽ làm giảm đáng kể hệ số bám và làm xấu tính ổn định Trong hệ thống phanh ABS có mạch dẫn động độc lập thờng sử dụng SL

cho các bánh xe, còn chế độ SH thờng dùng cho iều khiển lực kéo chống đtrợt quay bánh xe TRC.

Trờn hỡnh 2 1 thể hiện sơ đồ một mạch điều khiển phanh ABS cho một bánh xe bao gồm: xy lanh chính 4, xy lanh bánh xe 2, cơ cấu phanh (giống nh mạ ch b tr phanh th g th ố í ôn ờng , ) và bố trí thêm bộ điều khiển điện tử 5 (ECU),

cảm biến đô tốc độ góc 1 (sensor), van thủy lực điện từ 3 điều chỉnh áp suất lực dầu phanh (Actuator).

- Cảm biến tốc độ bỏnh xe 1 cú chức năng xỏc định tốc độ quay của bỏnh

xe, làm việc như một bộ đếm số vũng quay, tớn hiệu của bộ cảm biến tốc độ được đưa về bộ điều khiển điện tử (tín hiệu vào ECU ABS) - Trờn xe bộ cảm biến cú thể đặt tại: đĩa phanh, bỏn trục, tang trống, bỏnh răng bị động của cầu

xe (hay trên bán trục bánh xe ở cầu chủ động)

- Bộ điều khiển điện tử 5 làm việc như một mỏy tớnh nhỏ theo chương trỡnh định sẵn ( điều khiển logic hay gồm các thành phần đánh giá ) Tớn hiệu điều khiển van điện từ (output signal) phụ thuộc vào tớn hiệu của cảm biến (input signal) và chương trỡnh vi xử lý, xỏc định chế độ làm việc của bỏnh xe (theo

độ trợt), đưa ra tớn hiệu điều khiển van điều khiển (c ơ cấu thừa hành ), thiết lập chế độ điều chỉnh ỏp suất dầu phanh ở bỏnh xe

- Van điều chỉnh ỏp suất 3 (hay modun điều khiển áp lự phanh), được đặt giữa xy lanh chớnh và xy lanh bỏnh xe trong hệ thống dẫn động phanh, là cơ cấu thừa hành của ABS (Actuator). Nhiệm vụ của nú là tạo nờn sự đúng, mở đường dầu từ xy lanh chớnh đến xy lanh bỏnh xe tuỳ thuộc vào tớn hiệu điều khiển của ECU- AB S. Cấu trỳc của van điều chỉnh ỏp suất là cỏc van con trượt

Hình 2 1 : Sơ đồ đơn giản 1 m ạch đ ều khiển phanh ABS i

thuỷ lực được điều khiển bằng điện từ Sự thay đổi ỏp suất trong xy lanh bỏnh

xe, tạo nờn sự thay đổi mụmen phanh bỏnh xe tiến hành phanh hay nhả phanh.Ngoài ra trong ABS cũn cú nguồn bổ sung năng lượng như bỡnh dự trữ dầu ỏp suất thấp, bơm dầu cỏc van an toàn hệ thống

Nguyên lý làm việc cơ bản của ABS nh sau:

Khi bắt đầu phanh, bánh xe quay với tốc độ quay giảm dần, nếu bánh xe

đạt tới giá trị gần bó cứng, tín hiệu của cảm biến chuyển về bộ điều khiển trung tâm ECU ABS - lựa chọn chế độ, đa ra tín hiệu điều khiển van điều chỉnh áp suất (giữ hay cắt đờng dầu từ xy lanh chính tới xy lanh bánh xe) Do vậy lực phanh ở cơ cấu phanh kh ng tăng đợc nữa, bánh xe có xu hớng lăn ôvới tốc độ cao lên, tín hiệu từ cảm biến lại đa về ECU -ABS ECU- ABS cung cấp lệnh điều khiển cụm van thủy lực điện từ, giảm áp lực phanh, sao cho bánh xe không bó cứng Nếu vận tốc góc của bánh xe lại tăng cao, cảm biến tiếp nhận thông tin này đa về bộ điều khiển điện tử và lại tăng tiếp áp lực

điều khiển, nhờ đó bánh xe lại bị phanh và giảm tốc độ quay tới khi gần bó cứng Quá trình xảy ra đợc lặp lại theo chu kỳ liên tục, tới khi bánh xe dừng hẳn

Cứ nh vậy, hệ thống điện tử hỗ trợ hệ thống phanh duy trì chế độ lăn có trợt của bánh xe, trong lúc vị trí bàn đạp phanh kh ng thay đổi.ô

Một chu kỳ điều khiển thực hiện khoảng chừng 1 / 10 s, đồng thời nhờ các

bộ tích dầu áp suất thấp, cao, van một chiều và bơm dầu độ chậm trễ tác dụng

điều khiển chỉ Do vậy ABS làm việc rất hiệu quả tránh đợc hiện tợng bó cứng bánh xe Quá trình này có thể coi nh sự nhấp phanh liên tục của ngời lái khi phanh, nhng mức độ chuẩn xác cao hơn và tần số lớn hơn rất nhiều so với ngời lái xe có kinh nghiệm

ABS là hệ thống điều khiển có mạch phản hồi thực hiện điều chỉnh mạch kín, giúp cho bánh xe luôn nằm trong trạng thái phanh với độ trợt tối u

Trong kết cấu thực tế hệ thống đợc tổ hợp là nhiều mạch điều khiển khác nhau cho từng bánh xe hay một số bánh xe

2.1.2 Phơng án bố trí ABS trên ôtô con có VSC

Hiệu quả làm việc của hệ thống ABS phụ thuộc vào sự làm việc của tất cả các bánh xe Các phơng pháp bố trí điều chỉnh áp suất dầu trong hệ thống phụ thuộc vào kết cấu dẫn động phanh, số lợng cảm biến và số kênh điều chỉnh Tổng quát về kết cấu dẫn động phanh có 2 phơng pháp bố trí theo 2 dạng cơ bản sau: + Bố trí dẫn động độc lập cho từng cấu (kiểu TT).

+ Bố trí dẫn động chéo (kiểu K).

Số lợng càm biến và số kênh điều khiển phụ thuộc vào kết cấu dẫn động chủ động các bánh xe và mức độ yêu cầu về giá thành

+ Loại 1 cảm biến 1 kênh điều khiển.-

+ Loại 2 hoặc 3 cảm biến 2 kênh điều khiển.-

+ Loại 3 hoặc 4 cảm biến 3 kênh điều khiển.-

+ Loại 4 cảm biến 4 kênh điều khiển.-

Trong hệ thống ABS có mạch dẫn động điều khiển riêng rẽ (độc lập cho từng bánh xe) hiện nay thờng sử dụng loại có 4 cảm biến 4 kênh điều khiển- vì loại này hoàn toàn tối u về hiệu quả phanh, tính ổn định hớng khi phanh

Đối với loại bố trí dẫn động độc lập phanh cho từng cầu (kiểu TT) (hình

Các bánh xe cầu trớc, cầu sau đợc điều khiển độc lập nhờ các cảm biến

và van điều khiển áp suất riêng rẽ (điều khiển IR/IR). Do điều khiển riêng rẽ cho từng bánh xe nên nhận đợc mômen phanh và hiệu quả phanh tối u, đảm bảo lái xe an toàn và quãng đờng phanh ngắn phù hợp với trạng thái nền

đờng tốt, đồng nhất

Tuy nhiên, khi đi trên đờng có hệ số bám khác nhau, lực phanh sinh ra giữa bánh xe bên trái và bên phải không bằng nhau, sẽ xuất hiện mômen xoay thân xe xung quanh trục đứng và các lực bên ở các bánh xe khác nhau Việc xuất hiện lực bên sẽ xảy ra góc lêch bên bánh xe, kết quả làm xấu ổn định hớn chuyển động Tuy lực phanh trên cầu sau nhỏ nhng cần đảm bảo xe ổn

định hớng chuyển động trong khi phanh, nên áp suất dầu phanh ở bánh xe sau đợc điều khiển theo xu hớng bị khóa cứng ít hơn

Vì thế, trên các bánh xe cầu sau thờng sử dụng giá trị độ trợt giới hạn (nhờ ECU ABS) - ở mức thấp để điều chỉnh áp suất dầu phanh, duy trì tốt trạng thái ổn định cho một số nền đờng

Với loại FF (Front engine, Front drive_động cơ đặt trớc, cầu trớc chủ

động), trọng lợng xe đợc đặt lớn hơn ở các bánh xe cầu trớc, khi phanh tại trọng của xe lại tăng ở phía trớc, và tải trọng phanh bố trí cho cầu trớc chiếm khoảng 70% lực phanh của toàn xe Điều này có nghĩa rằng: hầu hết năng lợng phanh tập trung trên cầu trớc và cần đạt đ n giá trị hệ số bám dọc ếlớn nhất khi ABS hoạt động, do vậy trên các bánh xe cầu trớc sử dụng điều khiển độc lập là cần thiết

Đối với loại bố trí dẫn động phanh chéo độc lập (kiểu ) K (hình 2 3)

Bộ điều khiển hỗn hợp (IR/SL) 4 kênh điều khiển 4 cảm biến bố trí chéo, bánh xe phía trớc điều khiển đọc lập (IR), các bánh sau bố trí độc lập (IR)

điều khiển theo dạng (SL). Bộ điều khiển dạng 2+2 đặt chéo (IR/SL) đảm bảo

mô men quay thân xe nhỏ, ngời lái xe dễ dàng điều khiển trong tình huống cần thiết

Trên các xe sử dụng kỹ thuật cao đã sử dụng 3 phơng án điều khiển:

điều khiển cả 4 bánh xe, điều khiển 2 bánh xe cầu trớc và điều khiển 2 bánh

xe cầu sau Tùy theo mức độ phức tạp của hệ thống mà bố trí

Hệ thống ABS là hệ thống tổ hợp từ nhiều mạch riêng rẽ của các bánh xe

Nó bao gồm hệ thống phanh cơ sở, các cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành Trên hình 2 4 là sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống ABS loại IR/IR

có 4 cảm biến, 4 kênh điều khiển trên ôtô thông dụng

Hệ thống điều khiển điện tử cần đợc kiểm soát chặt chẽ về tình trạng kỹ thuật, do vậy trên bảng đồng hồ của tablo có các loại đèn báo và chỉ thị về tốc

độ xe, đèn kiểm soát chế độ làm việc của ABS, đèn báo phanh, đèn báo mức dầu phanh và đầu nối chờ hỗ trợ kiểm tra hệ thống, đồng thời trên ECU ABS -

Hình 2.3 : Bố trí 4 c ảm biến - 4 k ê nh đ ều khiển (4+4) kiểu K i

1

2

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc của ABS bố trí 4 cảm biến 4 kênh trên ôtô con

Blok thủy ECU - ABS

ầ Cụng tắc bỏo

còn có đèn báo lỗi theo dạng mã Trong hệ thống ABS cơ bản sử dụng hai loại cảm biến: cảm biến đo vận tốc bánh xe, cảm biến đo gia tốc dọc của ôtô

2.2 Cơ sở lý luận về điều khiển ổn định động học ôtô

Tổ hợp hệ thống ổn định động học VSC trên ôtô con đợc trình bày tổng quát trên hình 2 Trong hệ thống sử dụng thêm 3 cảm biến: góc quay vành 5lái, gia tốc bên và vận tốc góc góc quay thân xe của ôtô dùng ESP và ASMS

bổ sung vào hệ thống ABS, ASR, EBD và chúng đợc thiết lập trên cơ sở ABS

và ASRthực hiện các chức năng của ABS, MSR, ASR, ESP

Các hệ thống quản lý độ trợt ABS và ASR theo phơng dọc của bánh xe

(trợt lết khi phanh hay trợt quay khi tăng tốc) đợc ESP quản lý và điều chỉnh

sự chuyển động ôtô theo cả phơng dọc và phơng ngang Sự trợt ngang quá

Hình 2.5: Tổ hợp hệ thống VSC trên ôtô với VSC=ABS+ASR+MSR+ESP

CB gúc quay vành lỏi Xy lanh chớnh

ECU

Blok thủy lực điện từ

CB vận tốc

gúc thõn xe CB vận tốc bỏnh xe

CB gia

tốc bờn

lớn của bánh xe dẫn tới mất khả năng dẫn hớng, gây nên ôtô trợt bên về một phía và hạn chế khả năng truyền lực dọc ESP nâng cao khả năng ổn định của

ôtô trong vết tiếp xúc của bánh xe với nền khi ôtô chuyển động trong đờng cong, đồng thời giảm sự trợt không an toàn khi phanh, tăng tốc và cả khi lăn

tự do Kỹ thuật điều khiển tổ hợp của ESP, yêu cầu cảm biến và bộ iều khiển đ

điện tử có công suất khá cao

Hệ thống VSC thực hiện theo nguyên tắc tự động phanh độc lập các bánh

xe và điều khiển công suất động cơ không cần có sự tham gia của ngời lái Nếu nh trạng thái động học nguy hiểm theo phơng ngang của ôtô đợc xác

định bởi cảm biến theo phơng ngang có thể dẫn tới sự phanh của bánh xe tơng ứng và gây nên mô men quay thân xe xung quanh trục đứng và đồng thời mômen động cơ cố gắng giảm tới giá trị thích ứng với tình huống thực tiễn Phơng pháp nh vậy sẽ tạo nên sự giảm tốc độ của ôtô và có hiệu quả

đáng kể đến việc ổn định trở lại của ôtô

Thiết bị VSC cùng với sự giảm tốc độ (do giảm công suất động cơ) góp phần đáng kể tới việc ổn định trở lại của ôtô Hệ thống còn kiểm soát các lỗi nguy hiểm sinh ra do ngời lái điều khiển và trong vài phần trăm giây bộ vi sử

lý xác định mức độ và vị trí bánh xe bị phanh quá cứng và cần giảm bao nhiêu công suất động cơ để ôtô có thể lại đợc chuyển động ổn định

Tác động hỗ trợ thực hiện nhờ blok thuỷ lực và bộ điều khiển ESP của

VSC ESP cho phép thay đổi áp suất phanh bánh xe:

+ Độc lập cho từng bánh xe nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động + Nâng cao áp suất phanh quá giá trị do lái xe thực hiện (tác dụng này gọi riêng là BAS)

Trên hình 2.6 biểu thị quá trình điều chỉnh góc quay thân xe trong hai trờng hợp:

Khi đã quay vành lái thích hợp với cung cong của mặt đờng nhng tình trạng chuyển động xảy ra với bán kính quay vòng lớn hơn dẫn tới cần phải quay thêm thân xe (trạng thái quay vòng thiếu). Sự phanh đợc tiến hành ở bánh

xe sau phía trong giúp tạo nên khả năng tự động điều chỉnh thân xe về đúng quỹ đạo cong của đờng

Ngợc lại, khi đã quay vành lái thích hợp với cung cong của mặt đờng nhng tình trạng chuyển động xảy ra với bán kính quay vòng nhỏ hơn dẫn tới cần phải giảm sự quay thân xe (trạng thái quay vòng thừa) Trạng thái này rất nguy hiểm vì có khả năng gây nên tăng gia tốc bên quá lớn và có thể lật xe, lái

xe thiếu kinh nghiệm khó có khả năng hiệu chỉnh Sự phanh đợc tiến hành ở bánh xe trớc hoặc sau phía ngoài giúp tạo nên khả năng tự động điều chỉnh thân xe về đúng quỹ đạo cong của đờng

2.2.2 Cơ sở lý luận của VSC

Sự quay thân xe thờng xảy ra khi quay vòng trên đờng có tốc độ cao Các yếu tố gây lên sự quay quá mức (quay vòng thừa) hay quay vòng cha đủ

(quay vòng thiếu) do nhiều nguyên nhân:

a) Hiệu chỉnh từ quay vòng thiếu về

quỹ đạo của đờng

b) Hiệu chỉnh từ quay vòng thừa về

quỹ đạo của đờng

Hỡnh 2.6: Hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động của ụtụ

Lực phanh

của VSC

+ Do sự phân bố tải trên các bánh xe không phù hợp (xếp tải, tăng giảm tốc độ chuyển động )

+ Do tốc độ di chuyển trên đờng cong (v )

+ Do ảnh hởng của hệ thống treo, đàn hồi của bánh xe

+ Do ảnh hởng của các yếu tố tác động ngoại cảnh của môi trờng xung quanh (nền đờng nghiêng không phù hợp, gió bên thổi mạnh, nền đờng

có khả năng bám khác nhau )

Mặc dù khi thiết kế các trạng thái này đã đợc quản lý, nhng tác động của nó nhiều khi thuộc vùng không thể quản lý trớc, điều này trong thực tiễn thờng gọi là xảy ra các hiện tợng mất lái Hậu quả dẫn tới là sự quay thân

xe không hoàn toàn phụ thuộc vào vành lái

Mômen quay gây thân xe này có thể xảy ra với hai trạng thái tổng quát, cần thiết đảm bảo khả năng giảm mômen quay nhờ sự tạo lực phanh tơng ứng trên các bánh xe, do VSC đảm nhận Lực phanh do VSC đặt tại vết tiếp xúc của bánh xe với mặt đờng gây nên đối với trục thẳng đứng đi qua trọng tâm của ôtô mômen hỗ trợ Mômen hỗ trợ tác động liên tục theo phơng ngợc chiều mômen quay thân xe cho tới khi nào bằng với giá trị mômen quay tính toán bởi ECU VSC -

Việc tạo nên lực phanh tại các bánh xe đợc thực hiện bởi hệ thống ABS

tác động độc lập ở bánh xe cần thiết (theo các trạng thái tăng, giữ, giảm áp suất

điều khiển phanh) mà không có sự tham gia của tác động ngời lái

Thông thờng hệ thống cài đặt sẵn tính toán trực tiếp từ giá trị gia tốc bên của thân xe Giá trị

) (y đợc thực hiện nhờ các tín hiệu từ cảm biến gia tốc bên (hoặc cả cảm biến gia tốc bên và cảm biến vận tốc góc quay thân xe).

Giá trị gia tốc bên tối u trong chuyển động đợc rút ra từ góc quay vành lái β (đợc kiểm soát bởi cảm biến góc quay vành lái), và tốc độ chuyển động

của thân xe (v ) (đợc kiểm soát bởi cảm biến tốc độ bánh xe, đã bố trí cho thiết bị

ABS) từ đó suy ra:

R

v

y  = 2 với

α tg

ECU VSC - thờng xuyên tiếp nhận thông tin của góc quay vành lái, gia tốc bên tìm ra sự sai lệch giữa gia tốc bên tối u và gia tốc bên thực tế đo đợc

và dựa theo các chơng trình logic ESP đa ra tín hiệu điều khiển phanh các bánh xe tơng ứng

Để tránh nguy hiểm hơng trình tính toán còn cho phép loại trừ tình , ctrạng xuất hiện các gia tốc bên thực tế vợt quá giới hạn ( y > 0 85 g ), khi đó nhờ bộ điều khiển trong thiết bị EMSnhờ bộ điều khiển trong thiết bị EMSmà

ECU VSC - đa ra tín hiệu để giảm vận tốc ôtô Hai tín hiệu điều khiển đồng thời giúp xe nhanh chóng thoát khỏi tình trạng nguy hiểm kể trên

2.2.3 Các loại cảm biến dùng cho xe có VSC

Cảm biến gia tốc ngang (cảm biến G hình 2.7 ) là loại cảm biến dạng

phototransistor đợc gắn theo trục ngang của

xe Cảm biến này có mặt trên hệ

ABS+TRC+VSC đơn giản, nó cho phép đo

trực tiếp sự biến thiên gia tốc bên của xe

trong quá trình quay vòng Tín hiệu gia tốc

bên đợc đa về ECU VSC - để xác định

trạng thái quay vòng

Hỡnh 2.7: Cảm biến gia tốc bờn trờn ụtụ

Nguồn sỏng

Bộ cảm ứng quang điện

Trục quay

Đĩa xẻ rónh Phớa trước

Một loại cảm biến khác có khả năng xác định cả gia tốc dọc và gia tốc ngang dựa trên nguyên tắc hiệu ứng Hall (đo chuyển vị nhờ sự thay đổi từ trờng)

Cảm biến góc quay thân xe (yaw-rate sensor) là loại cảm biến đo sử dụng nguyên lý đo gia tốc Coriolis với dạng đầu đo đợc đặt trên giá con quay hồi chuyển Giá đặt trên thân xe tham gia chuyển động quay theo 2 trục (trong không gian 3 trục). Cảm biến này sử dụng bánh đà quay với số vòng quay cao

đợc dẫn động bằng động cơ điện môt chiều, do vậy tổn hao công suất điện lớn Cảm biến này thờng dùng cho xe có hệ thống điều khiển VSC với chơng trình điều khiển ESP.

Cảm biến đo góc quay thân xe (Piezoelectric yaw rate sensor) - thuộc loại cảm biến áp điện, có kết cấu nh trên hình 2.8. Cảm biến đo góc quay thân xe

Ω của ống trụ quay 5 bằng các cặp phần tử áp điện bố trí cố định bao quanh ống trụ ng trụ quay đặt trên con quay ố

hồi chuyển và việc thực hiện quay ống trụ

là nhờ bộ giá con quay hồi chuyển này

Phần giá đỡ cố định 6 có các chân nối

điện 7 đa các tín hiệu điện ra ngoài

thông qua các bộ khuyếch đại và chuyển

tín hiệu về ECU. Cảm biến có khả năng tự bù sai số đo do nhiệt độ

Ngày nay các cặp phần tử áp điện đợc chế tạo từ hợp kim gốm sứ nhằm hạn chế khả năng sai lệch kết quả đo do nhiệt độ

Mới đây xuất hiện cảm biến đo góc quay thân xe bằng các vi phần tử silicon Cấu trúc nhỏ gọn làm việc theo nguyên lý đo gia tốc Coriolis

Việc đo gia tốc bên của thân xe bị hạn chế bởi độ chính xác của kết quả

đo, do vị trí đặt cảm biến trên xe không đích thực là trọng tâm ôtô (trọng tâm

ôtô thay đổi theo tải trọng và sắp xếp hàng hóa, ngời trên xe) Bố trí thên các

Hỡnh 2.8:

Cảm biến ỏp điện 1…4 Cỏc cặp phần

cảm biến đo góc quay thân xe giúp cho việc điều khiển chính xác các hệ thống VSC, tuy nhiên nâng cao đáng kể công suất tiêu thụ và giá thành sản phẩm Với các lý do trên các hệ thống hiện đại hiện nay đã bố trí cả cảm biến gia tốc bên và cảm biến góc quay thân xe và chúng đợc bố trí trên cùng một khối ở vị trí sát với cầu sau Giá trị góc quay thân xe đợc đạo hàm thành vận tốc góc quay thân xe b ng một mạch ằ đạo hàm trong cảm biến Giá trị gia tốc bên đặt tại trọng tâm đợc tính chính xác thông qua các phép tính tổng véc tơ trong phép tính bố trí sẵn ở khối cảm biến này

2.2.4 Cấu trúc mạch điều khiển

Hệ thống bố trí thành các khối liên kết với cấu trúc mô tả trên hình 2 9 Các mạch thủy lực điều khiển riêng rẽ (IR/IR), mạch điều khiển điện tách làm hai phần: Phần điều khiển EMS nằm riêng và liên kết trao đổi dữ liệu nh một mạng th ng tin nội bộ của ô ôtô (CAN: C ontrol rea etwwork) A N , còn lại các tổ hợp đợc bố trí trong blok ECU: ABS, ASR, ESP, VSC ECU là một bộ đôi máy tính kép cho phép tính toán theo phơng pháp so sánh kết quả nhằm đạt hiệu quả tính toán xác định chính xác và có khả năng dự phòng h hỏng

Hỡnh 2.9 : Sơ đồ mạch điều khiển tổ hợp ABS+VSC trờn ụtụ

Blok thủy lực

Xy lanh chớnh

4 mạch dẫn động

Tớn hiệu điều ể

EC

ABS ASR ESP VSC EMS

Khối cảm biến (1, 2, 3, 4, 5, 6 và cảm biến áp suất sau xy lanh chính), nằm

ở các vị trí cần xác định trạng thái làm việc tức thời của ôtô, cung cấp tín hiệu

về trạng thái của xe đợc đa về ECU ECU sử dụng các chơng trình logic và tính toán theo chơng trình định sẵn và đa ra tín hiệu điều khiển tới blok thủy lực, ECMvà các tín hiệu kiểm soát trạng thái

Nếu hệ thống có lỗi các đèn báo sẽ th ng báo và quản lý các lỗi trong ôkhối lu trữ của ECU.Một đầu nối chẩn đoán n m chờ ở sau ằ tablođể thông tin lỗi và mã lỗi

Cấu trúc của hệ thống bố trí trên xe của Dailamber-Benz trình bày trên hình 2.4 Cảm biến gia tốc bên đợc bố trí ở vị trí sát với cầu sau cho phép xác

định chính xác: gia tốc bên của trọng tâm và vận tốc góc quay thân xe Xe thuộc loại ôtô con giá thành cao, đợc trang bị khá hoàn hảo cho phép ổn định chuyển động ở mọi vùng tốc độ

2.2.5 Cấu trúc hệ thống thủy lực

Hệ thống đáp ứng các chức năng của ABS, TRC, VSC. M ô tơ bơm có chức năng chuyển dầu về mạch áp suất cao áp Trong một số trờng hợp lợng dầu n m trong bình chứa kh ng đủ cấp cho bơm, ằ ô bộ van có thể thực hiện cấp

bổ sung Điều này giúp cho khi kh ng sử dụng năng lợng từ bàn đạp phanh ô

và xy lanh chính hệ thống hoạt động với đủ lợng dầu cần thiết

Khối thủy lực (hình 2 11) có thể coi nh tập hợp của hai phần: blok thủy lực ABS cơ bản và blok thủy lực bổ sung BAS, ASR, VSC

Phần mạch thủy lực đợc bố trí thêm bộ van chuyển mạch VSC cho các bánh xe bị động Khi làm việc ở chế độ VSC bộ van chuyển mạch ở trạng thái ngắt mạch dầu cấp từ xylanh chính tới bộ van ABS (ở trạng thái phanh bộ van

VSC làm việc nh một bộ van thông mạch dầu cấp từ xylanh chính tới bộ van

ABS: cả 2 van ở trạng thái thông mạch)

Bơm dầu làm nhiệm vụ cung cấp dầu cho các bộ van ABS và các van ABS

làm việc theo điều khiển của ECU VSC - tạo nên momen phanh tối u (theo chơng trình lập sẵn) Trờng hợp này các xy lanh bánh xe chủ động đều bị ngắt ở trạng thái đóng, còn các bánh xe bị động đợc đa vào làm việc ở chế

độ VSC và chỉ một hoặc cả hai bánh xe tham gia hoạt động ở chế độ phanh theo chơng trình của ESP định trớc Nếu gia tốc bên và vận tốc góc quay

Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển ABS+VSC cho xe

điều kh iển VSC ở 2 bánh xe cầu sau

quá lớn tới gần giới hạn nguy hiểm hệ thống chuyển sang chế độ giảm tốc độ

ôtô nhờ EMS.

Quá trình làm việc của hệ thống xảy ra rất nhanh, các tín hiệu điện trên

đờng truyền chỉ n m trong vùng ằ 1 / 10 s, các khả năng hiệu chỉnh hệ thống thủy lực thờng nhỏ hơn 1 / 10 s, do vậy tần số điều chỉnh của hệ thống thờng nằm trong giới hạn 3 ữ 10lần/phút

Trên cơ sở các kiến thức về ABS+VSC có thể tiến hành khảo sát bằng phơng pháp mô phỏng trên máy tính

cHƯƠNG 3: Xây dựng các phơng trình quay vòng

cho xe, chọn một bộ số liệu tính toán

3.1 Mô hình cơ học về quỹ đạo chuyển động của ôtô

Vấn đề nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô cần thiết phải đặt ra trong hệ toạ độ không gian ba chiều, tức là phải xem xét các điều kiện không gian đầy đủ Đối với phơng tiện giao thông đờng bộ có thể xem xét quỹ đạo chuyển động của ôtô trong mặt phẳng của đờng (toạ độ hai chiều) nhng phải

kể đến kết cấu đặc trng trong không gian

Khi nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô chúng ta quan niệm ôtô là một hệ thống cơ học biến dạng Nếu gắn vào thân xe một hệ toạ độ đi qua trọng tâm ôtô, chúng ta có thể biểu thị sự biến dạng của hệ thống theo cả ba phơng x , y, z Đặc trng cho sự biến dạng đó là biến dạng của các phần tử

đàn hồi, giảm chấn, bánh xe, khâu khớp đòn giằng, khung vỏ Với biến dạng

đó có thể coi nh ôtô đặt trên một hệ đàn hồi

Ôtô là một cơ hệ đàn hồi chuyển động trên đờng trong hệ toạ độ cố

định Các dịch chuyển của ôtô theo các trục toạ độ gây nên các chuyển vị dọc theo 3 trục và quay quanh 3 trục Do đó có thể coi hệ toạ độ không gian 3 chiều với chuyển động của ôtô đợc xem xét bởi sáu chuyển vị Tuỳ theo mục

đích từng bài toán mà có thể xem xét các chuyển vị này là đồng thời hay độc lập

Khi khảo sát quỹ đạo chuyển động quan trọng hơn cả là chuyển vị theo toạ độ mặt đờng (toạ độ cố định) Ox0 y0z0 biểu diễn bằng toạ độ x0, y0 và góc quay thân xe ε Tại mỗi thời điểm, vị trí của ôtô trong quỹ đạo chuyển động hoàn toàn đợc xác định thông qua bộ giá trị này Hay nói cách khác, tập hợp các điểm này theo thời gian tạo nên đờng cong trong không gian gọi là quỹ

đạo chuyển động Nh vậy, việc xác định quỹ đạo chuyển động của ôtô là

Hệ thống cơ học ở đây có tính chất đàn hồi, do vậy quy luật của chúng cũng rất phức tạp mức độ đơn giản ta có thể biểu thị mối quan hệ hệ thống ở cơ học của ôtô nh trên hình sau:

Trong quá trình xem xét quỹ đạo chuyển động, bao giờ cũng phải khảo sát mối quan hệ với góc điều khiển vành lái, nh vậy vấn đề đặt ra ở dạng chuyển động quay vòng tổng quát, trong đó chuyển động thẳng chỉ là một trờng hợp đặc biệt Do mối liên quan của quỹ đạo chuyển động với góc điều khiển vành lái nên vấn đề đặt ra thuộc lĩnh vực điều khiển quỹ đạo chuyển

động và phơng pháp nghiên cứu ở dạng các bài toán trong lý thuyết điều khiển tổng quát Chúng ta có thể chia tính điều khiển ra làm các loại sau: a) Khả năng điều khiển tìm các chuyển vị của quỹ đạo ôtô đối với các -

điều kiện tác động điều khiển xác định (điều khiển tiền định).

b) n định hớng chuyển động khả năng giữ hớng chuyển động khi ổ - giữ nguyên góc quay vành lái bằng lực tác động không thay đổi Vấn đề ổn

định hớng chuyển động chịu ảnh hởng của nhiều yếu tố đặc biệt là vận tốc

và sự phát sinh lực trong vết bánh xe khi tăng tốc hay phanh

3.2 Phơng pháp toán học mô tả quỹ đạo chuyển động của ôtô

Tuỳ theo mục đích nghiên cứu của đề tài mà có thể sử dụng các loại mô hình sau:

- Mô hình một vết bánh xe: Mô hình này đợc biểu diễn trên mặt phẳng nền đờng, nó chỉ phù hợp khi nghiên cứu với mặt đờng có hệ số bám đồng

đều đối với các bánh xe và không để ý đến các ảnh hởng của hệ thống treo

- Mô hình hai vết bánh xe: Sử dụng mô hình này khi bỏ qua ảnh hởng của lật nghiêng thân xe dới ảnh hởng của lực ly tâm và hệ thống treo

- Mô hình không gian tổng thể: Mô hình này cho phép thiết lập các quan

hệ động lực học tơng đối đầy đủ, có thể phản ánh tất cả các yếu tố ảnh hởng

Với mục tiêu khảo sát quá trình chuyển động quay vòng, thiết lập các phơng trình quan hệ động học và động lực học của ôtô con gồm 4 bánh xe, dẫn động cầu trớc ề tài khảo sát trên mô hình không gian phi tuyến từng , đphần với bài toán quỹ đạo chuyển động bao gồm việc xác định toạ độ của trọng tâm, góc lệch hớng chuyển động α , góc quay thân xe ε, vận tốc chuyển động tức thời v, mômen vành lái MVL Các lực kích động tác động lên

ôtô là rất phức tạp, trong các bài toán về tính điều khiển và ổn định hớng tập trung xem xét các tác động ở hàm tiền định của góc quay vành lái Trên cơ sở

đó đi đến tiến hành điều chỉnh hệ thống nhằm đảm bảo tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ôtô

3.3 Quan hệ động lực học trong mô hình toàn xe_Phơng trình quay vòng

3.3.1 Mô hình không gian của ôtô

Để xây dựng mô hình động lực học của ôtô, ta sử dụng một số giả thiết sau:

+ Ôtô chuyển động trên mặt đờng bằng phẳng

+ Bỏ qua dao động theo phơng thẳng đứng

+ Bỏ qua lực cản của không khí theo phơng dọc x là Pω

+ Bỏ qua lực gió bên theo phơng ngang y là N

+ Bỏ qua các mômen đàn hồi (mômen cản quay) của bánh xe MSi + Các lực dọc và ngang của bánh xe đợc khảo sát trong quan hệ với biến dạng bánh xe

+ Mô hình đợc xây dựng trên cơ sở chuyển động song phẳng của

ôtô, ảnh hởng của chiều cao gây nên các lực và mômen đợc biểu thị bằng các tải trọng đặt trên các bánh xe

+ Các bánh xe quay xung quanh trục đứng với các góc dẫn hớng nh nhau

Các thành phần lực và mômen trong mô hình bao gồm:

- Các lực dọc theo phơng x và mômen MX quanh trục ox

- Các lực ngang theo phơng y và mômen MY quanh trục oy

- Các lực thẳng đứng theo phơng z và mômen MZ quanh trục oz Các thành phần lực và mômen trong quá trình ôtô chuyển động theo các phơng, bao gồm:

- Các lực tác dụng đặt tại trọng tâm xe: Trọng tâm ôtô T đặt cách tâm trục cầu trớc, sau lần lợt là a, b và cách đờng với chiều cao trọng tâm là hg

- Trọng lực của ôtô P = G = mg

+ Các góc quay của bánh xe dẫn hớng βti khi chuyển động

+ Chỉ số i có giá trị 1 , 2 , 3 , 4 tuỳ thuộc vào cách đánh số thứ tự của các bánh xe

- Khi thân xe quay, xuất hiện mômen quán tính xung quanh trục TZ đi qua trọng tâm T và có giá trị J Z ε  (JZ là mômen quán tính của ôtô đối với trục TZ đi qua trọng tâm T; ε  là gia tốc góc quay thân xe)

Các thông số hình học trên mô hình:

+ Chiều dài cơ sở l = a + b

+ Các kích thớc chiều rộng vết lốp cầu trớc là tt, của cầu sau tS

+ Góc lệch hớng chuyển động của thân xe so với phơng vận tốc chuyển động của ôtô là α

+ Góc lệch hớng chuyển động của thân xe so với hệ trục toạ độ cố

định là ε

a L

Z

M JZ ε  ( 3 3 )

Từ mô hình và các phơng trình cân bằng lực và mômen đã trình bày ở trên (chú ý βt1= βt2 = β ; Pω = 0; N = 0; bỏ qua Pf) ta rút gọn thành các phơng trình vi phân chuyển động sau:

β α

cos

sin sin

) (

cos ) (

cos

1

2 1 4 3 2

1

v

v F

F S S S

) (

cos ) (

1

2 1 4

3 2

1

t Z

t S S b S S a

S S J

+

2 ) (

cos 2 ) (

sin )

F F

t F F a

F

Để giải đợc các phơng trình vi phân trên ta phải đa các phơng trình phụ, để phù hợp với các ẩn số của bài toán Các phơng trình này biểu thị sự chuyển động của ôtô khi bánh xe dẫn hớng có thể lệch một góc β t nên đợc gọi là phơng trình quay vòng của ôtô, chúng có dạng phơng trình vi phân bậc hai đối với ν , α , ε với các hàm kích động là các mômen, phản lực của mặt

đờng Zi và góc quay vành lái βV

β

β = với ir là tỷ số truyền của cơ cấu lái ( 3 7 )

Khi sử dụng phơng trình này, đề tài có chấp nhận giả thiết sau:

- Góc quay các bánh xe dẫn hớng là nh nhau

- Các tác động của hệ thống treo đến bánh xe dẫn hớng đợc bỏ qua

3.3.4 Quan hệ động học của ôtô trong mô hình phẳng

Mô hình đơn giản nhất có thể khảo sát là mô hình không gian mở rộng từ mô hình phẳng hai vết bánh xe, trọng tâm ôtô coi nh đặt tại mặt đờng Bỏ qua ảnh hởng của góc nghiêng thân xe Dới tác dụng của sự thay đổi các phản lực thảng đứng, ôtô chuyển động trên bốn bánh xe

Trên hình 3 3 chỉ ra quỹ đạo chuyển động của ôtô là một đờng cong và

đợc xác định bởi các vị trí liên tiếp của trọng tâm ôtô T gắn với hệ tọa độ di

động Txyz so với hệ tọa độ cố định gắn với mặt đờng Ox0y0z0 Nh vậy, vận tốc tức thời của ôtô là v đặt tại trọng tâm, tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động

và nghiêng đi so với trục dọc ôtô là (gọi là góc lệch hớng chuyển động của α

ôtô) Góc quay tơng đối giữa hai hệ tọa độ là ε và cũng chính là góc quay của trục dọc ôtô khi chuyển động

Chiếu vận tốc v lên hai trục Ox0 và Oy0 ta có tốc độ của trọng tâm xe:

) cos( α + ε

= v

vxo

) sin( α + ε

= v

Vị trí của ôtô tại thời điểm nhất định nào đó (sau khoảng thời gian từ

0đến t) đợc xác định theo hình 3 4 và vị trí toạ độ trọng tâm đợc tính bằng tích phân:

.dt ε) v.cos(α dt

v x

t

0

t

0 xo

0 =∫ =∫ + ( 3 8 )

.dt ε) v.sin(α dt

v y

t

0

t

0 yo

T