Phạm vi nghiên cứu Mô phỏng và thiết lập các thông số đầu vào của hệ thống ESC, TCS trên Carsim, sau đó dùng Matlab/Simulink để phân tích mô hình hệ thống, hàm truyền, các khối của bộ đi
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, nền sản xuất ô tô của thế giới ngày càng tăng trưởng vượt bậc, số lượng xe ô tô được bán ra thị trường ngày càng nhiều Ngay tại Việt Nam, hãng xe Vinfast cũng cho ra nhiều mẫu xe đẹp và thu hút được người mua Như vậy, mật độ ô tô trên đường bộ Việt Nam ngày càng tăng, và vấn đề tai nạn giao thông gây ra bởi xe ô tô cũng rất cần được quan tâm Theo thống kê của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia, trong 8 tháng đầu năm của năm 2022, toàn quốc xảy ra 7488 vụ tai nạn giao thông, làm chết 4276 người, bị thương 4957 người Trong đó, số vụ tai nạn giao thông đường bộ là 7390 vụ, làm chết 4178 người, bị thương 4930 người Những nguyên nhân chính gây ra vấn đề tai nạn giao thông là do con người, do hư hỏng trục trặc kỹ thuật và các nguyên nhân khách quan như đường xá, thời tiết… Trong hư hỏng trục trặc kỹ thuật thì vấn đề cần đáng lưu tâm là hệ thống phanh của xe Ô tô chở đoàn nghệ thuật tình thương biểu diễn ở Nghệ An bị mất phanh
Vì vậy, việc trang bị một hệ thống an toàn, hiện đại, đảm bảo tính ổn định và tính dẫn hướng của xe ô tô khi phanh là một việc hết sức cần thiết, và hệ thống ESC , TCS là một trong những hệ thống an toàn phổ biến trên xe ô tô Chính vì những lực ích thiết thực của hệ thống an toàn trên xe nên nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn đề tài: Mô phỏng các hệ thống an toàn của phanh (TCS, ESC) của xe ô tô
Mục đích nghiên cứu
- Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống ESC, TCS
- Dùng được phần mềm Carsim và Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống điều khiển ESC, TCS
- Hiểu và nhận xét được các đồ thị để từ đó rút ra kết luận về lợi ích của việc trang bị hệ thống ESC, TCS trên ô tô hiện nay
Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu quá trình điều khiển của hệ thống ESC, TCS
Phạm vi nghiên cứu
Mô phỏng và thiết lập các thông số đầu vào của hệ thống ESC, TCS trên Carsim, sau đó dùng Matlab/Simulink để phân tích mô hình hệ thống, hàm truyền, các khối của bộ điều khiển và phân tích các yếu tố: quãng đường phanh, vận tốc, gia tốc, độ trượt.
Tổng quan về hệ thống an toàn phanh trên ô tô
1.5.1 Hệ thống Anti – Lock Brake System (ABS)
Ngành công nghiệp oto đã là một ngành lâu đời với vô vàn mẫu xe, thiết bị, linh kiện, phụ gia hỗ trợ được ra đời Vì mỗi chiếc oto đều là một tài sản giá trị, đồng thời việc sử dụng oto nếu không đúng cách cũng có thể gây ra những tai nạn nghiêm trọng ngoài ý muốn nên các sản phẩm phục vụ cho oto vẫn luôn luôn không ngừng được nghiên cứu, cải tiến, phát triển những công nghệ mới để giúp cho trải nghiệm của người tài xế được trọn vẹn, an toàn Một trong những công nghệ quan trọng đã ra đời và được ứng dụng rộng rãi trong ngành oto là công nghệ phanh ABS.
Phanh ABS, tên tiếng anh là Anti-Lock Brake System, là hệ thống phanh an toàn trên xe ô tô Cơ cấu phanh điều khiển điện tử có tác dụng ngăn ngừa việc hãm cứng bánh xe khi người lái giảm tốc độ khẩn cấp, đảm bảo sự ổn định của xe và giúp người lái dễ dàng kiểm soát xe trong các tình huống phanh
Hãy hình dung như thế này, khi xe di chuyển chậm thì không có gì phải quá lo lắng, nhưng khi xe đang di chuyển với một tốc độ trung bình hoặc cao mà xảy ra một sự cố bất ngờ khiến người tài xế phải đạp phanh Khi đó má phanh sẽ phải ghì chặt lấy đĩa phanh để giảm tốc hoặc dừng xe theo ý muốn của người tài xế Tuy nhiên, vì xe đang có quán tính lớn nên lốp xe sẽ mất đi độ bám rồi bị trượt dài theo một phương hướng không thể xác định được gây nguy hiểm lớn cho cả người tài xế, khách ngồi trong xe lẫn những người đi đường xung quanh.
Khi xe được trang bị hệ thống phanh ABS thì nỗi lo này sẽ được giải quyết vì xe lốp xe không còn bị bó cứng khi phanh gấp với lực phanh mạnh nữa Cơ chế của phanh ABS cho phép má phanh thực hiện thao tác kẹp đĩa phanh rồi nhả ra một cách liên tục, nhiều lần chứ không phải ôm ghì chặt lấy đĩa phanh Nhờ vậy khi xe phanh gần như không có một sự trượt xe, văng xe, thậm chí là không có những chệch choạc quỹ đạo xe nào, dù là nhỏ nhất.
1.5.2 Hệ thống Traction Control System (TCS)
Giới thiệu hệ thộng kiểm soát lực kéo TCS:
Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS (Traction Control System) đươc phát triển trên cơ sở của hệ thống phanh ABS Hệ thống TCS chủ yếu tác động đến lực bám dọc - lực giúp xe di chuyển về phía trước hoặc giảm tốc khi phanh.
Hệ thống TCS hoạt động để kiểm soát lực bám giữa bánh xe với mặt đường trong quá trình tăng tốc và đảm bảo sao cho nó luôn nằm trong giới hạn cho phép không bị trượt Vì bánh xe là bộ phận duy nhất của xe thực sự tiếp xúc với mặt đất, nên khi xảy ra hiện tượng mất ma sát đều dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng.
Sự cần thiết của hệ thống:
Trong những trường hơp xe bạn không được trang bị hệ thống TCS khi đang đi trên đoạn đường trơn, lầy lội hay đường bị đóng băng, lúc đó xe của bạn sẽ càng bị lún sâu hơn hoăc sẽ bị trượt không ma sát trên mặt đường Ở đường có hệ số ma sát thấp, chẳng hạn như đường tuyết, băng, hay đường ướt, bánh xe chủ động sẽ bị quay tại chỗ nếu xe khởi hành hay tăng tốc nhanh, làm mất mát mômen chủ động và có thể làm trượt xe. Khi có hệ thống TCS, nó sẽ giúp giảm mômen xoắn của động cơ khi bánh xe bắt đầu trượt quay không phụ thuộc vào ý định của người lái, cùng lúc đó nó điều khiển hệ thống phanh vì vậy giảm mômen truyền đến mặt đường tới một giá trị phù hợp.
Vì vậy có hệ thống TCS trên xe là rất cần thiết vì nó giúp ta dễ điều khiển xe hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn khi ta điều khiển xe như các tình trạng trên.
1.5.3 Hệ thống Electronic Stability Control (ESC)
Hệ thống cân bằng điện tử ESC (Electronic Stability Control) là một trong những giải pháp an toàn chủ động quan trọng bên cạnh hệ thống chống bó cứng phanh ABS, phân bổ lực phanh điện tử EBD và hệ thống chống trượt TCS… Mỗi khi người lái mất kiểm soát tay lái, ESC sẽ tác động lên hệ thống phanh giúp điều chỉnh lại hướng lái, đồng thời tự động giảm công suất động cơ giúp người lái có thời gian giành lại quyền kiểm soát xe
ESC không chỉ làm việc khi xe vận hành trên đường ẩm ướt hay băng giá mà còn hoạt động tốt khi xe tăng tốc, vào cua Yếu tố cốt lõi của ESC giúp phát hiện nguy cơ trượt bánh xe trước khi điều này trở thành mối de dọa thực sự.
Công nghệ đằng sau ESC xuất hiện lần đầu tiên trên xe Mercedes-Benz vào năm 1987 với nguyên bản là hệ thống kiểm soát độ bám đường Từ đầu những năm 1990 đến nay,công nghệ này đã được nhiều nhà sản xuất ô tô khác chú trọng phát triển và ứng dụng trên hầu hết các mẫu xe.
Trước hết chúng ta cần hiểu thế nào là tính ổn định của ô tô Nói một cách khái quát, tính ổn định của ô tô là khả năng đảm bảo giữ được quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau Tùy thuộc điều kiện sử dụng, ô tô có thể đứng yên, chuyển động trên đường dốc (đường có góc nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang), có thể quay vòng hoặc phanh ở các loại đường khác nhau (đường tốt, đường xấu, đường trơn trượt ) Trong những điều kiện chuyển động phức tạp như vậy, ô tô phải giữ được quỹ đạo chuyển động của nó sao cho không bị lật đổ, không bị trượt hoăc xe không bị nghiêng, cầu xe bị quay lệch trong giới hạn cho phép để đảm bảo cho xe chuyển động an toàn Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, rất nhiều hệ thống tích hợp trên ô tô cũng được nghiên cứu và phát triển nhằm đảm bảo sự ổn định cho xe.
Năm 1949 bộ chống hãm cứng bánh xe ABS được sử dụng đầu tiên trong ngành hàng không, ABS lúc đó là loại cơ khí Trong quá trình phát triển, ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và nay là loại điện tử Trong ngành ô tô thì ABS xuất hiên đầu tiên vào năm 1969, trên thế giới nhiều hãng đã đi sâu nghiên cứu để trang bị cho ô tô của mình như: Ford, GM, Bendix, Fiat, Toyota, Hệ thống ABS có hiệu quả rất cao trong việc chống hãm cứng bánh xe khi phanh Tuy nhiên hệ thống ABS thông thường chỉ có tác dụng trong việc hãm cứng bánh xe mà không có hiệu quả trong việc phân bố lực phanh cho các bánh xe khi trọng tải trên các cầu thay đổi, vì thế mà hiệu quả phanh đạt được là không cao nhất Để giải quyết khuyết điểm này, trên hệ thống ABS đã được tích hợp thêm hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD (Electronic Brake-forceDistribution) EBD là một công nghệ cho phép tăng lục phanh của xe hoặc ứng dụng một cách tự động tùy theo điều kiện đường, tốc độ của xe, tải trọng của xe EBD theo dõi quá một cách tự động thông qua các cảm biến những điều kiện của đường theo dõi áp suất của bàn đạp phanh, tải trọng của xe để xác định thời điểm áp dụng lực ép tới các xy lanh bánh xe Các cảm biến được thiết kế để theo dõi sự chuyển động của các bánh xe và xác định dựa trên cơ sở tải trọng, thông số mà các bánh xe phải sử dụng lực tác dụng nhiều nhất ứng với từng điều kiện Nhờ sự phân phối lực phanh một cách chính xác tự động kết hợp với hệ thống ABS sẽ làm tăng khả năng chống bó cứng bánh xe trong các điều kiện chuyển động khác nhau như khi quay vòng Nhờ đó tăng tính ổn định hướng chuyển động của xe Tuy nhiên trong quá trình chuyển động của ô tô có rất nhiều yếu tố dẫn đến mất ổn định xe Ở đường có hệ số bám thấp , các bánh xe chủ động dễ bị trượt quay nếu xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột do lực kéo vượt quá giới hạn bám giữa lốp và mặt đường, làm mất mát mô men chủ động và xe mất ổn định.Để khắc phục hiện tượng này,phần lớn các xe ngày nay được trang bị hệ thống kiểm soát lực kéo TRC ( Traction Control System) Hệ thống này thiết kế dựa trên cơ sở của một hệ thống ABS Khi có hiện tượng trượt quay của bánh xe, hệ thống TRC sẽ có đồng thời hai tác dụng: làm giảm mô mên xoắn của động cơ bằng cách đóng bớt bướm ga mà không phụ thuộc vào ý định của người lái và cùng lúc đó kết hợp với hệ thống ABS điều khiển hệ thống phanh tác dụng lên các bánh xe chủ động, vì vậy làm giảm mô men kéo truyền tới mặt đường tới một giá trị phù hợp Nhờ đó xe có thể khởi động và tăng tốc một cách nhanh chóng và ổn định
Trên một số xe hiện nay trong trường hợp phanh khẩn cấp như gặp chương ngại vật độ ngột người lái xe đặc biệt là ngườithiếu kinh nghiệm, thường hoang mang va phản ứng không kịp thời nên đạp chân lên bàn phanh không đủ mạnh, do đó không đủ lục phanh để dừng xe Lực phanh tác dụng lên bàn đạp cũng yếu dần đi trong quá trình phanh làm giảm tác dụng phanh.
Bằng cách nhận biết tốc độ và lực tác dụng lên bàn đạp phanh của người lái xe, một hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp BAS – Brake Assist System sẽ tự động cung cấp thêm một lực phanh lớn hơn nhiều so với lực phanh do người lái tạo ra để dừng hẳn xe.
Thông số kỹ thuật xe Ford Ranger Raptor 2020
Thông số kỹ thuật của Ranger Raptor 2020
Khoảng cách gầm xe (mm) 230
Bán kính vòng quay tối thiểu 6350
Kiểu động cơ Bi turbo Diesel 2.0Li4 TDCi Trục cam kép có làm mát khí nạp
Dung tích xy lanh (cc) 1996
Mô men xoắn cực đại (Nm/vòng/phút) 500/1750-2000
HỆ THỐNG ANTI – LOCK BRAKE SYSTEM (ABS)
Cấu tạo của hệ thống phanh ABS trên ô tô
Cấu tạo chung của hệ thống phanh ABS trên ô tô
Cảm biến tốc độ được lắp ở các bánh xe trước và sau, bao gồm một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây và lõi từ
Vành roto cảm biến có răng, khi xe chuyển động các bánh xe sẽ dẫn động roto quay, sinh ra một điện áp AC có tần số tỉ lệ với tốc độ quay của roto Điện áp AC này sẽ báo cho ABS ECU biết tốc độ của bánh xe.
Cảm biến giảm tốc giúp ABS đo trực tiếp sự giảm tốc của bánh xe khi phanh, biết được tình trang mặt đường để điều chỉnh áp suất dầu phanh hợp lý
Cấu tạo của cảm biến tốc độ
Cấu tạo của cảm biến giảm tốc
Nếu có bất kỳ bánh xe nào bị bó cứng khi phanh gấp, bộ chấp hành ABS điều khiển áp suất dầu phanh tác dụng lên xy lanh bánh xe đó theo tín hiệu từ ECU.Vì vậy bánh xe không bị bó cứng. a) Chế độ giảm áp
Khi một bánh xe gần bị bó cứng, ECU gửi dòng điện 5A đến cuộn dây của van điện, làm sinh ra một lực từ mạnh Van 3 vị trí chuyển động lên phía trên, cửa “A” đóng trong khi cửa “B” mở.
Kết quả là, dầu phanh từ xi lanh bánh xe qua cửa “C” tới cửa “B” trong van điện 3 vị trí này và chảy về bình dầu.
Cùng lúc đó, mô tơ bơm hoạt động nhờ tín hiệu từ ECU, dầu phanh được hồi trả về xi lanh phanh chính từ bình chứa Mặt khác cửa “A” đóng ngăn không cho dầu phanh từ xi lanh chính vào van điện 3 vị trí và van một chiều số 1 và 3 Kết quả là, áp suất dầu bên trong xi lanh bánh xe giảm, ngăn không cho bánh xe bó cứng Mức độ giảm áp suất dầu được điều chỉnh bằng cách lặp lại chế độ “giữ áp” và “giữ”. b) Chế độ “Giữ”
Khi áp suất bên trong xi lanh bánh xe giảm hay tăng, cảm biến tốc độ gửi tín hiệu báo rằng tốc độ bánh xe đạt đến giá trị mong muốn, ECU cấp dòng điện 2A đến cuộn dây của van điện để giữ áp suất trong xi lanh bánh xe không đổi.
Khi dòng điện cấp cho cuộn dây của van bị giảm từ 5A (ở chế độ giảm áp) xuống còn 2A (ở chế độ giữ), lực từ sinh ra trong cuộn dây cũng giảm Van điện 3 vị trí chuyển xuống vị trí giữa nhờ lực của lò xo hồi vị làm đóng cửa ”B”. c) Chế độ “Tăng áp”
Khi tăng áp suất trong xi lanh bánh xe để tạo lực phanh lớn, ECU ngắt dòng điện cấp cho cuộn dây van điện Vì vậy, cửa “A” của van điện 3 vị trí mở, và cửa “B” đóng Nó cho phép dầu trong xi lanh phanh chính chảy qua cửa “C” trong van điện 3 vị trí đến xi llanh bánh xe Mức độ tăng áp suất dầu được điều khiển nhờ lặp lại các chế độ “Tăng áp” và “Giữ”.
2.3 Mô hình hóa hệ thống phanh ABS Áp dụng định luật thứ hai của Newton, đối với động lực quay của một bánh xe: ˙ ωw=¿
Trong đó: ω w là tốc độ quay của bánh xe.
T e là mô-men xoắn động cơ.
T b là mô-men xoắn khi phanh. rw là bán kính bánh xe.
T w (ω w ) là mô-men xoắn ma sát bánh xe là một hàm theo tốc độ quay của bánh xe,
Jwlàmomen quán tính hiệu dụng của bánh xe, Jw=Iw+rg 2
I e là momen quán tính động cơ r g là tỷ số truyền
I w là momen quán tính bánh xe khi phanh Độ trượt của bánh xe khi giảm tốc được định nghĩa như sau: λ=ωw−ωv ωv
Trong đó: ω w là vận tốc dài của bánh xe ω v = u/r w là vậntốc dàicủa xe và u là vận tốc theo chiều dọc của xe Động lực học theo chiều dọc của xe được thể hiện: ˙u=[ −0,5 ρC dA(u+u w) 2 −fmgcosθ−mgsinθ+NwFx ] /m
Trong đó: ρ: Khối lượng riêng không khí
Trong trường hợp phanh, u w là vậntốc gió ,N w là tổng số bánh xe
Lực phanh bánh xe được xác định bởi:
Hệ số bám μ là một hàm củaλ, μ v2) ta có: t p.min =∫ v 2 v 1 δj φgdv=δ j φg.¿-v2) Đến khi ô tô dừng hẳn (v =0), khi đó:2 tp.min=δj φg v 1
Quãng đường phanh cũng là một tiêu chí để đánh giá chất lượng phanh Bên cạnh đó đây cũng là một tiêu chí quá trọng và có ý nghĩa nhất vì nó cho phép người lái hình dung được vị trí xe sẽ dừng trước một chướng ngại vật mà họ phải xử trí để khỏi xảy ra tai nạn khi người lái xe phanh ở tốc độ ban đầu nào đấy.
Quãng đường phanh được xác định bằng biểu thức: dv dtdS = φg δ j dS
Mô hình hóa hệ thống phanh ABS
Áp dụng định luật thứ hai của Newton, đối với động lực quay của một bánh xe: ˙ ωw=¿
Trong đó: ω w là tốc độ quay của bánh xe.
T e là mô-men xoắn động cơ.
T b là mô-men xoắn khi phanh. rw là bán kính bánh xe.
T w (ω w ) là mô-men xoắn ma sát bánh xe là một hàm theo tốc độ quay của bánh xe,
Jwlàmomen quán tính hiệu dụng của bánh xe, Jw=Iw+rg 2
I e là momen quán tính động cơ r g là tỷ số truyền
I w là momen quán tính bánh xe khi phanh Độ trượt của bánh xe khi giảm tốc được định nghĩa như sau: λ=ωw−ωv ωv
Trong đó: ω w là vận tốc dài của bánh xe ω v = u/r w là vậntốc dàicủa xe và u là vận tốc theo chiều dọc của xe Động lực học theo chiều dọc của xe được thể hiện: ˙u=[ −0,5 ρC dA(u+u w) 2 −fmgcosθ−mgsinθ+NwFx ] /m
Trong đó: ρ: Khối lượng riêng không khí
Trong trường hợp phanh, u w là vậntốc gió ,N w là tổng số bánh xe
Lực phanh bánh xe được xác định bởi:
Hệ số bám μ là một hàm củaλ, μ v2) ta có: t p.min =∫ v 2 v 1 δj φgdv=δ j φg.¿-v2) Đến khi ô tô dừng hẳn (v =0), khi đó:2 tp.min=δj φg v 1
Quãng đường phanh cũng là một tiêu chí để đánh giá chất lượng phanh Bên cạnh đó đây cũng là một tiêu chí quá trọng và có ý nghĩa nhất vì nó cho phép người lái hình dung được vị trí xe sẽ dừng trước một chướng ngại vật mà họ phải xử trí để khỏi xảy ra tai nạn khi người lái xe phanh ở tốc độ ban đầu nào đấy.
Quãng đường phanh được xác định bằng biểu thức: dv dtdS = φg δ j dS
Muốn xác định quãng đường phanh ngắn nhất ta lấy tích phân của dS trong khoảng từ v đến v ứng với thời điểm bắt đầu phanh và thời điểm kết thúc phanh (v1 2 1>v ).2
Khi xe dừng hẳn (v =0), ta có:2
2.4.2.4 Lực phanh và lực phanh riêng
Bên cạnh các tiêu chí trên thì hai tiêu chí lực phanh và lực phanh riêng cũng dùng để đánh giá chất lượng phanh.
Lực phanh được xác định bằng biểu thức:
Lực phanh riêng được xác định bằng biểu thức:
G Trong đó: Fp: lực phanh ô tô
Mp: momen phanh cơ cấu phanh rb: bán kính tính toán bánh xe.
2.4.3 Các tiêu chí đánh giá tính ổn định khi phanh
2.4.3.1 Sự trượt của bánh xe
Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt khi phanh 𝛿𝑝: δp=v0−v v =rl rb
Trong đó: v0: là vận tốc lý thuyết của xe. v: là vận tốc thực tế của xe. rl: bán kính lăn của bánh xe. r b : bán kính tính toán của bánh xe.
2.4.3.2 Hệ số bám và lực bám
Lực bám đường là lực bám sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa mặt đường và lốp xe, lực bám dọc giúp xe tiến về phía trước hoặc giảm tốc độ khi phanh Lực bám ngang tạo ra sự ổn định khi chuyển động
Nếu xét khả năng bám theo chiều dọc (khi dưới bánh xe chỉ có phản lực dọc: lực kéo hoặc lực phanh), thì hệ số bám được gọi là hệ số bám dọc 𝜑𝑋 và được định nghĩa như sau:. φx=Fkmax
Nếu xét khả năng bám theo chiều ngang (khi dưới bánh xe chỉ có phản lực ngang Yb), thì hệ số bám được gọi là hệ số bám ngang 𝜑𝑦 và được định nghĩa như sau: φ y =Y bmax
Khi xe chịu tác dụng của cả lực ngang và lực dọc, ta sẽ có biểu thức xác định hệ số bám tổng quát: φtq=Qmax
Gb Để cho bánh xe chủ động không bị trượt quay thì lực kéo tiếp tuyến cực đại ở bánh xe đó phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường:
Nếu bánh xe đang phanh, để bánh xe không bị trượt lết thì lực phanh cực đại ở bánh xe đó phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc:
Khi dưới bánh xe có phản lực ngang tác dụng thì khả năng bám theo chiều ngang được thể hiện qua lực bám ngang y 𝐹𝜑𝑦:
𝐹𝜑𝑦 = 𝜑 𝑍𝑦 𝑏 Để cho bánh xe không bị trượt ngang thì phản lực ngang cực đại phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám ngang:
Sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang ytheo độ trượt δ của bánh xe khi phanh.p Ưu điểm vượt trội của hệ thống phanh ABS so với phanh thường là: do ABS hiệu chỉnh liên tục áp suất trong dẫn động phanh, nên độ trượt δp chỉ dao động trong giới hạn0,1 0,3 Ở trong giới hạn này, x xmax nên Fpmax xmax.Gb = F , bởi vậy hiệu quả phanh sẽ cao nhất Mặt khác, y ở trong giới hạn này cũng có giá trị khá lớn, nên F =y y.Gb cũng có giá trị lớn, các bánh xe sẽ không bị trượt ngang, do đó đảm bảo được tính dẫn hướng và độ ổn định của xe khi phanh.
HỆ THỐNG TRACTION CONTROL SYSTEM (TCS)
Cơ sở lý thuyết
Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt khi kéo δ k : δk= V 0 −V
*Bánh xe lăn có trượt quay: Đây là trường hợp của bánh xe đang có lực kéo, khi đó tốc độ của tâm bánh xe (tốc độ thực tế) V nhỏ hơn tốc độ lý thuyết v0, do vậy cực
P nằm trong vòng bánh xe và r < r Trong vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường,l b theo quy luật phân bố vận tốc sẽ xuất hiện một vận tốc trượt v δ ngược hướng với trục x Ta có quan hệ sau:
Hình: Lăn có trượt quay v = vδ + v = o vδ + ωb rb =ωb rl v δ = v - v 0 > 0
Vậy v δ < 0 thì δ k > 0 Ở trạng thái trượt quay hoàn toàn (bánh xe chủ động quay, xe đứng yên) ta có: v = 0 ωb> 0 r l=0 v δ = v - v 0 = 0 -v 0 = - v 0 δ k = V 0 −V
*Trường hợp bánh xe lăn có trượt lết:
Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt khi phanh δ p : δp= V 0 −V
Trong đó: v0: là vận tốc lý thuyết của xe. v: là vận tốc thực tế của xe rl: bán kính lăn của bánh xe r b : bán kính tính toán của bánh xe
Hình: Lăn có trượt lết
Ta có khi bánh xe bị trượt lết đây là trường hợp bánh xe đang được phanh Trong trường hợp này v >v , cực P nằm bên ngoài bánh xe và r > r Tại vùng tiếp xúc của0 l b bánh xe với mặt đường cũng xuất hiện tốc độ trượt nhưng hướng theo hướng dương của trục x.
Do v δ > 0 nên δ k < 0 Ở trạng thái trượt lết hoàn toàn (bánh xe bị hãm cứng, xe vẫn chuyển động) ta có: v ≠0 ωb= 0 rl=∞ v δ = v - v 0 = v δ p = - 1 (Trượt lết hoàn toàn)
3.1.2 Hệ số bám và lực bám
Lực bám là lực bám sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa mặt đường và bánh xe, lực bám dọc giúp xe tiến về phía trước hoặc giảm tốc độ khi phanh
Lực bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bởi hệ số bám:
Tùy theo chiều của phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe mà hệ số bám sẽ có tên gọi khác nhau Nếu xét khả năng bám theo chiều dọc thì hệ số bám dọc sẽ phụ thuộc vào hệ số trượt theo đồ thị sau:
Theo sơ đồ đặc tính trượt, ta có tỷ số trượt nằm trong khoảng 0.1 - 0.3 thì đảm bảo xe có thể hoạt động tối ưu nhất
Vị trí các bộ phận và chức năng
Cảm biến tốc độ: Phát hiện tốc độ bánh xe và gửi tín hiệu đến ECU ABS và TCS.
ECU của ABS và TCS: kết hợp chức năng của 2 ECU riêng lẻ Sau đó sử dụng tín hiệu của 4 bánh xe, tính toán độ trượt rồi giảm moment xoắn động cơ và tốc độ bánh tương ứng với từng trường hợp.
ECU của ABS và TCS
Bộ chấp hành: Tạo, tích và cung cấp áp suất dầu đến bộ chấp hành phanh ABS theo tín hiệu từ ECU ABS và TCS Và cũng theo tín hiệu từ ECU ABS và TCS, điều khiển áp suất dầu đến các xylanh phanh của bánh xe một cách độc lập.
Bộ chấp hành Đèn báo Slip: hoạt động khi hệ thống TCS hoạt động, những dấu hiệu trục trặc được báo bởi đèn báo TRC OFF Đèn báo và công tắc TCS
Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Carsim
3.3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển hệ thống On/Off
Là phương pháp điều khiển đơn giản, dễ thiết kế và giá thành rẻ, nhưng điều khiển sẽ bị dao động quanh giá trị nhiệt độ đặt chứ không ổn định Phương pháp này thường dùng trong những đối tượng cho phép khoảng nhiệt rộng Đầu ra của bộ điều khiển chỉ có hai vị trí phụ thuộc vào dấu của sai lệch Nếu hai vị trí này đóng hoàn toàn và mở hoàn toàn thì người ta gọi đó là bộ điểu khiển ON/OFF. Hầu hết các bộ điều khiển hai vị trí này đều có vùng trung hòa để ngăn ngừa sự dao động của đầu ra.
Vùng trung hòa là vùng xung quanh điểm đặt mà tại đó không xảy ra hành động điều khiển nào cả Độ sai lệch phải vượt qua vùng này thì mới xảy ra hành động điều khiển
Hình: ON/OFF controller with dead band 1
Bộ điều khiển ON/OFF cung cấp các xung năng lượng đến quá trình điều khiển, điều này sẽ tạo ra một chu kỳ điều khiển có biên độ phụ thuộc vào ba yếu tố: độ quán tính, thời gian trễ, và mức độ thay đổi của tải. Độ dao động sẽ giảm khi xảy ra một hay nhiều thay đổi: tăng độ quán tính, giảm thời gian trễ, giảm độ thay đổi của tải. Điều khiển hai vị trí chỉ phù hợp cho quá trình có độ quán tính lớn, thời gian trễ và độ thay đổi trên tải nhỏ (ví dụ như điều khiển nhiệt độ lò nung chẳng hạn Tuy điều khiển hai vị trí hạn chế đối tượng điều khiển như vậy, nhưng do nó đơn giản và rẻ tiền nên người ta vẫn thích dùng nó.
3.3.2 Xây dựng mô hình của hệ thống TCS
Mô hình hệ thống TCS
Nguyên lý hoạt động: Điều khiển momen xoắn động cơ: ECU TCS liên tục nhận cảm biến tốc độ bánh xe và nó cũng liên tục tính tốc độ của từng bánh xe Cùng lúc đó nó ước lượng tốc độ xe trên cơ sở tốc độ của 2 bánh bị động và đặt ra một tốc độ điều khiển tiêu chuẩn Đối với can thiệp thông qua các đơn vị điều khiển động cơ, TCS đã xác định được mô-men xoắn thực tế của động cơ để tính toán một mô-men xoắn lý thuyết của động cơ Điều khiển quá trình phanh: Khi nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe ECU ABS sẽ tính toán và đưa ra tín hiệu tới bộ chấp hành phanh khi có độ trượt Khi đó bộ chấp hành phanh sẽ tăng giảm áp xuất dầu phanh để phanh cái bánh xe sao cho xe hoạt động ổn định nhất Qua ba chế độ tăng áp, giảm áp, giữ áp
3.3.3 Mô phỏng hệ thống TCS trên phần mềm Carsim Để kết luận hệ thống điều khiển nào tốt hơn ta tiến hành đưa hệ thống điều khiển đã thiết kế Simulink vào Carsim để tiến hành mô phỏng Hệ thống có thể hoạt động khác với thực tế tuy nhiên nó cũng phản ánh đúng với các phương pháp điều khiển đã thiết lập.
Bước 1: Mở phần mềm Carsim, ta sẽ đến với giao diện chính của phần mềm Đầu vào gồm :
- Moment điều khiển tín hiệu động cơ của ESC
- Moment tín hiệu động cơ của ESC
- Áp suất phanh tại các bánh xe Đầu ra gồm :
- Vận tốc tại các bánh xe
- Moment trục khuỷu động cơ
- Moment trục khuỷu động cơ yêu cầu bởi người lái
Từ đầu ra của khối Process , khối Controller sẽ nhận được vận tốc của xe (1) , vận tốc của từng bánh xe (2) để tính tỉ số trượt ngay lúc đó Tại khối relay On/Off , tỉ số trượt sẽ được so sánh để phát ra tín hiệu
Nếu tỉ số trượt < 0,05 nó sẽ phát ra tín hiệu là -1 : Off
Nếu tỉ số trượt > 0,1 nó sẽ phát ra tín hiệu là +1 : On
Tín hiệu sẽ được chuyển đến khối Speed Limit để so sánh với vận tốc của xe Nếu vận tốc của xe < 1,5 km/h thì tín hiệu sẽ là -1 trả về khối Brake decrease
Nếu vận tốc xe >1,5 km/h tín hiệu sẽ là +1 và tín hiệu sẽ được đưa ra bộ chấp hành phanh
Tại khối MC Pressure ( Master Cylinder Pressure ) áp suất cao nhất là 10MPa đi qua khối Mux đến X nhân với các giá trị tương ứng ở trong khối Look up Table để được giá trị là áp suất phanh.
Khi đã có được 2 đầu vào từ khối Controller ,tín hiệu phanh sẽ đi qua khổi Demux và qua khối relay On/Off để tiếp tục so sánh tín hiệu phanh tiêu chuẩn
Nếu tín hiệu phanh 0,5 thì tín hiệu sẽ là 1 , hãm phanh
Tiếp tục đi qua khối Gain , nhân với các hệ số 0,4 ở 2 bánh sau và 1 ở 2 bánh trước(vì moment phanh ở 2 bánh sau nhỏ hơn 2 bánh trước) nhân với áp suất phanh , đi qua hàm truyền và đưa ra đầu ra là áp suất phanh tại các bánh xe Đây chính là đầu ra mong muốn của chúng ta khi thực hiện sơ đồ Simulink này.
Chạy mô phỏng và phân tích, đánh giá kết quả
3.4.1 Đồ thị so sánh giữa xe không có TCS và xe có TCS trên đường trơn
Kết quả từ mô phỏng giữa xe có TCS và xe không có TCS trên đường trơn Đồ thị moment
Xe có trang bị TCS: Hệ thống TCS sẽ tính toán và kiểm soát lực kéo từ động cơ truyền xuống các bánh xe, kết hợp áp dụng hệ thống phanh để làm giảm lực kéo làm cho tốc độ moment thực tế tương đối so với ESC yêu cầu.
Xe không trang bị TCS: Khi người lái đạp ga, hệ thống sẽ tính toán lực kéo từ động cơ mà người lái mong muốn giúp cho vận tốc moment thực tế sẽ trùng với người lái mong muốn. Đồ thị vận tốc các bánh xe
Xe không trang bị TCS: khi vừa xuất phát, ở các bánh xe chủ động xuất hiện hiện tượng thừa lực kéo, nên vận tốc tại các bánh này tăng nhanh Khi bắt đầu bước vào đường trơn, các bánh xe bên trái có hệ số bám thấp, có thể bị trượt quay nên vận tốc của các bánh xe này sẽ cao hơn các bánh xe bên phải Còn các bánh xe bên phải do có hê số bám cao hơn, ổn định hơn nên các bánh xe bên phải có vận tốc giống nhau.
Xe có trang bị TCS: khi vừa xuất phát, các bánh xe chủ động vẫn sẽ xuất hiện hiện tượng thừa lực kéo, nhưng khi hệ thống TCS phát hiện điều này và điều chỉnh để giúp xe ổn định hơn, và vận tốc giữa 4 bánh xe cũng tương đối bằng nhau và tăng dần lên. Đồ thị vận tốc xe
Khi chưa vào đường trơn, vận tốc giữa 2 xe là bằng nhau, nhưng khi bắt đầu vào đường trơn, xe có TCS sẽ được kiểm soát tốt hơn và có vận tốc cao hơn so với xe không có TCS. Đồ thị áp suất phanh tại các bánh xe
Xe được trang bị TCS: Khi bắt đầu vào đường trơn, hệ thống TCS sẽ điều chỉnh vận tốc các bánh xe bên trái thông qua lực phanh tới các bánh xe, khi đã có được độ bám nhất định, hệ thống sẽ điều khiển phanh nhấp nhả để giúp xe có được ổn định khi vận hành. Đồ thị hệ số trượt
Xe không có TCS: khi bước vào đường trơn, hai làn đường có hệ số bám khác nhau, xe bị mất ổn định và có thể bị trượt quay trên đường, nên hệ số trượt ở các bánh xe bên trái có giá trị rất lớn và thay đổi liên tục.
Xe có trang bị TCS: các bánh xe bên phải chạy trên đường có hệ số bám bình thường nên hệ số trượt tại các bánh này có giá trị thấp và ổn định Còn ở các bánh xe bên trái, vì chạy ở đường có hệ số bám thấp, nên hệ thống TCS phải can thiệp điều khiển bằng lực phanh để kiểm soát hệ số trượt tại các bánh xe, giá trị của hệ số trượt tại các bánh bên trái được kiểm soát ổn định và dưới 0,3.
3.4.2 Đồ thị so sánh giữa xe không có TCS và xe có TCS trên đường dốc
Kết quả từ mô phỏng giữa xe có TCS và xe không có TCS trên đường dốc Đồ thị moment
Momen đầu vào của trục khuỷu và moomen yêu cầu của bộ điều khiển xấp xỉ nhau và sẽ nhỏ hơn momen yêu cầu của người lái do có hệ thống TCS can thiệp vào dẫn đến làm giảm momen so với momen yêu cầu để xe không bị trượt quay. Đối với xe không có TCS thì momen yêu cầu của người lái bằng với momen đầu vào của trục khuỷu do lúc này momen yêu cầu của TCS bằng 0. Đồ thị vận tốc các bánh xe
Việc không trang bị TCS sẽ dẫn đến xe bị trượt quay so với xe có TCS Việc trượt quay dẫn đến vận tốc bánh xe ngày càng lớn Chính vì thế qua đồ thị ta thấy được vận tốc của bánh xe được trang bị TCS sẽ nhỏ hơn so với xe không trang bị TCS Đồ thị vận tốc xe
Xe được trang bị TCS thì toàn bộ momen xoắn sẽ được truyền thẳng vào bánh xe và giúp xe có khả năng tăng tốc tốt hơn.
Xe không được trang bị TCS sẽ bị trượt quay và sẽ bị tuột dốc Đồ thị áp suất phanh
Xe sử dụng cầu trước chủ động , qua đồ thị ta có thể thấy được việc trang bị TCS giúp cho việc kiểm soát phanh nhấp nhả một cách tốt hơn và phù hợp với mặt đường dốc. Chính vì vậy dẫn đến sự thay đổi áp suất phanh liên tục và xấp xỉ nhau so với xe không có TCS Đồ thị hệ số trượt
Xe không được trang bị TCS chắc chắn sẽ dẫn đến tình trạng trượt quay nhiều hơn so với xe không có TCS Vì vậy độ trượt của xe không TCS lớn hơn rất nhiều so với xe trang bị TCS, đồng thời hệ số trượt nằm trong khoảng New Dataset (Empty)
Bước 3: Chọn xe muốn mô phỏng (Raptor 2020)
Bước 4: Thiết lập các thông số kĩ thuật chi tiết của xe
B5: Thiết lập thông số kích thước xe
Bước 9: Sau khi hoàn tất cái bước thiết lập, ta bắt đầu chạy mô phỏng để xem video mô phỏng so sánh giữa xe không có hệ thống ESC với xe có hệ thống ESC khác biệt như thế nào.
*Thiết lập xe không có hệ thống ESC: thực hiện tương tự các bước nhưng không chọnESC.
Thuật toán trên matlab
Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ESC trên ô tô: ESC tác động đến lực phanh 4 bánh xe, bộ điều khiển (chấp hành) sẽ so sánh 2 trường hợp (không) có ESC dựa vào thông tin(input) thu thập từ các cảm biến, và output là vận tố, góc đánh lái, tốc độ góc xoay Khối monitor (1) để kiểm tra các thông số như: vận tốc, góc đánh lái, tốc độ góc xoay KhốiPressure (2) để tính đc áp lực, áp suất phanh
Bộ chấp hành sẽ tiếp nhận các thông số đầu vào Vx(2) (được quy đổi từ km/h thành m/s), góc đánh lái(1), tốc độ góc xoay(3) Sau khi trải qua các thuật toán pháp đó để xác định moment quán tính và truyền thông tin đến bộ điều khiển (controller), bộ điều khiển có thể ra lệnh bất kì cho các cảm biến để điều chỉnh độ ổn định của xe, xuất ra đồ thị để theo dõi quá trình và thiết lập bộ điều khiển Khôí bão hòa sẽ giúp giữ các đại lượng nằm trong khoảng mong muốn đề hỗ trợ cho quá trình tính áp suất ở 4 bánh xe.
Bộ điều khiển cấp trên có mục tiêu là đảm bảo kiểm soát ổn định lệch hướng và giả định rằng nó có thể ra lệnh cho bất kỳ mong muốn nào giá trị của mô-men xoắn Nó sử dụng các phép đo từ các cảm biến tốc độ bánh xe, một cảm biến tốc độ, gia tốc kế bên và cảm biến góc lái Sử dụng những các phép đo và luật điều khiển sẽ được thảo luận trong các phần phụ sau đây, nó sẽ tính toán giá trị mô-men xoắn mong muốn Bộ điều khiển thấp hơn đảm bảo rằng giá trị mô-men xoắn mong muốn được điều khiển bởi phần trên bộ điều khiển thực sự được lấy từ hệ thống phanh vi sai Thấp hơn bộ điều khiển sử dụng động lực quay của bánh xe và điều khiển phanh áp lực tại mỗi trong số 4 bánh xe để cung cấp mô-men xoắn mong muốn cho phương tiện giao thông Giả định vốn có là động lực học của bánh xe quay là nhanh hơn động học của xe.
Khi xe chuyển động, các thông số vào (input) sẽ được tiếp nhận và tính toán Nếu xe chuyển động không ổn định, hệ thống ESC sẽ gửi thông số tỉ lệ trượt bánh trước và sau. Modun kiểm soát độ ổn định sẽ được kích hoạt nếu xe không thể chuyển về trang thái ổn định Khi đó, bộ điều khiển sẽ buộc xe giảm vận tốc hoặc hiệu chỉnh góc xoay vô lăng để đảm bảo xe vẫn di chuyển an toàn.
Công thức xác định góc lái:
Công thức điều chỉnh góc trượt mong muốn: er ss=−lr
R+α r Công thức tính giá trị tỉ lệ trượt: a y cg = ˙x ˙Ψ + ¨y Công thức xác định góc trượt ở bánh trước và sau: αf=δ−˙y +lfΨ˙ x˙ αr=−˙y−lr˙Ψ ˙x Chú thích các đại lượng:
R: bán kính xoay vòng δ: Góc đánh lái lf: Chiều dài từ trọng tâm đến bánh trước lr: Chiều dài từ trọng tâm đến bánh sau
L: Tổng chiều dài cơ sở m: khối lượng xe
C αf ,C αr : Độ cứng của bánh trước và sau khi phanh α f , α r : Góc trượt ở bánh trước và sau ˙x: Vận tốc theo phương dọc ˙y: Vận tốc theo phương ngang ¨y: Gia tốc theo phương ngang ¨ψ: Tốc độ góc xoay (yaw rate)
- Quan hệ giữa lốp và mặt đường : lực phanh sinh ra ở mỗi bánh của ô tô trong suốt quá trình phanh là một hàm của phản lực từ mặt đường tác dụng vuông góc lên bánh xe và hệ số bám giữa lốp và mặt đường
- Ta có sơ đồ động lực học của ô tô nhhư sau :
- Quan hệ giữa trọng lượng đặt lên bánh xe và lực phanh được biểu diễn bởi công thức :
Trong đó : F - Lực phanh.x ϕ - Hệ số bám giữa lốp và mặt đường
G td - Tải trọng tĩnh và động đặt lên bánh xe.
Hệ số bám giữa lốp và đường không phải là một hằng số mà là một hàm của các nhân tố, nó phụ thuộc vào loại bề mặt đường cũng như mức độ trượt dọc giữa lốp và mặt đường.Các đường cong quan hệ giữa hệ số bám dọc với độ trượt bánh xe trên các bề mặt đường khác nhau trình bày ở hình sau:
Quan hệ giữa hệ số bám dọc với độ trượt trên các mặt đường khác nhau
- Lực phanh sinh ra phụ thuộc vào mức độ trượt bánh xe Nếu bánh xe trượt hoàn toàn, không có lực phanh Mối quan hệ này là nguyên tắc cơ bản để hiểu quá trình phanh và không dễ quan sát khi độ trượt gần 100% (bánh xe trượt lết hoàn toàn) khó nhận thấy khi không có thiết bị chuyên dùng.
- Lực phanh cao nhất có được khi mức độ trượt nhỏ Khi cung cấp lực phanh quá lớn sẽ gây ra trượt 100 % và như thế sẽ không sinh ra lực phanh cực đại, vì vậy cần điều khiển áp suất phanh cung cấp bằng kỹ năng của người lái hoặc thông qua bộ điều khiển chống hãm cứng để quãng đường phanh ngắn nhất trên hầu hết các bề mặt.
- Lực phanh sinh ra biến đổi nhiều theo bề mặt đường Quãng đường phanh và gia tốc phanh rất dễ nhận ra khi phanh trên đường asphalt khô so sánh với phanh trên đường đóng băng.
- Khi vượt qua điểm có hệ số bám lớn nhất đường cong ϕ ( ) ( - độ trượt) sẽ đi xuống. Điều này nói lên rằng, khi lực phanh bằng với lực bám cực đại thì tăng thêm lực phanh cũng không có kết quả và giải thích được vì sao một người lái có kinh nghiệm có thể đạt được quãng đường phanh ngắn hơn đáng kể hơn một người lái xe thiếu kinh nghiệm
- Một đặc điểm khác quan trọng của lốp ôtô trong khi phanh sinh ra lực bên chống lại sự trượt bên phản Lực bên là lực giữ cho lốp xe khỏi trượt theo phương vuông góc với phương chuyển động của xe Công thức lực bên được viết như sau:
- hệ số bám ngang giữa lốp và mặt đường.
- Hệ số bám ngang giảm nhanh khi một bánh xe bắt đầu trượt dọc Khi bánh sau trượt quá lớn dẫn đến mất lực bên sẽ góp phần làm không ổn định phần đuôi xe dẫn đến sự trượt ngang khi có lực bên nhỏ tác động vào xe Bánh xe trượt quá lớn dẫn đến mất lực bên tác động lên các bánh trước của xe làm tăng khả năng mất lái; hiện tượng mất lái này thường xảy ra khi phanh gấp trên đường có hệ số bám thấp như đường đóng băng, tác dụng lực phanh quá lớn làm cho lốp ở trạng thái trượt 100%.
- Trong quá trình phanh ô tô thường xảy ra sự trượt tương đối của bánh xe với mặt đường , mà hệ số bám của bánh xe và mắt đường lại phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt này, do đó làm ảnh hưởng đến chất lượng phanh Sự thay đổi của lực bám theo độ trượt được chỉ rõ trên đồ thị thực nghiệm sau: Đồ thị thay đổi hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt tương đối của bánh xe khi phanh + Độ trượt tương đối ở được xác định theo công thức sau:
+ Trong đó : V: vận tốc của xe ω : vận tốc của bánh xe khi phanhbx r : bán kính làm việc của bánh xebx
- Từ đồ thị trên ta thấy hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại ở giá trị độ trượt tối ưu Thực nghiệm chứng tỏ rằng giá tri hệ số bám dọc đạt được cực đại, khi độ trượt nằm trong khoảng (10-30)%, ở giá trị độ trượt tối ưu này không những đảm bảo cho hệ số bám dọc có giá trị cực đại mà còn cho giá trị hệ số bám ngang khá cao.