Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng tọa độ trọng tâm tới chất lượng phanh ô tô xe buýt 80 chỗ

1.1.2 Xe buýt đường dài - Xe buýt đường dài được sử dụng với mục đích chuyên chở hành khách và hành lý kèm theo, thường không bố trí chỗ đứng, có kết cấu sàn cao, di chuyển với cung đườ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN DUY KHANH

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM

TỚI CHẤT LƯỢNG PHANH Ô TÔ XE BUÝT 80 CHỖ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN DUY KHANH

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM

TỚI CHẤT LƯỢNG PHANH Ô TÔ XE BUÝT 80 CHỖ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Võ Văn Hường

Hà Nội – 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của

PGS TS Võ Văn Hường Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên

dụng - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà nội Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Hà nội, ngày 28 tháng 03 năm 2016

Tác giả

Nguyễn Duy Khanh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC BẢNG THÔNG SỐ TRONG LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN

1.1 Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu cụ thể của đề tài 4

2.2.1 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh 9

2.2.2 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 10

2.2.4 Nguyên tắc điều khiển của ABS 15

2.2.5 Xây dựng thuật toán điều khiển ABS 17

3.3.1 Đ nh i tính đún đắn của mô hình mô phỏn khi chưa sử dụng ABS 49

3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm tới hiệu quả phanh 55

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

Mômen quán tính của các phần liên kết với bánh xe quanh trục

22 J rp Mômen quán tính của vi sai cầu trước kg.m2

23 J rz Mômen quán tính của vi sai cầu sau kg.m2

25 F1 Lực vòng của bánh xe bên trái ở cầu trước và mặt đường N

26 F2 Lực vòng của bánh xe bên phải ở cầu trước và mặt đường N

27 F3 Lực vòng của bánh xe bên trái ở cầu sau và mặt đường N

28 F4 Lực vòng giữa bánh xe bên phải ở cầu sau và mặt đường N

36 ls1 Hệ số độ cứng bậc nhất của biến dạng dọc lốp xe 1/rad

37 ls2 Hệ số độ cứng bậc hai của biến dạng dọc lốp xe 1/kN.rad

38 l 1 Hệ số độ cứng bậc nhất của góc lệch bên bánh xe 1/rad

39 l 2 Hệ số độ cứng bậc hai của góc lệch bên bánh xe 1/kN.rad

DANH MỤC CÁC BẢNG THÔNG SỐ TRONG LUẬN VĂN

5 3.3.3a Giá trị quãn đường phanh ứng với các thông số

tọa độ trọng tâm của xe không trang bị ABS 56

6 3.3.3b Giá trị quãn đường phanh ứng với các thông số

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN

2 2.2 Trạn th i lăn của nh xe khi có trượt lết 11

3 2.3 Đặc tính trượt thể hiện sự thay đổi hệ số m dọc 13

4 2.4 Mối quan hệ iữa hệ số m dọc và độ trượt tươn

5 2.5 Mối quan hệ φx; φy với λ ứn với óc lệch ên φi 14

Sự thay đổi của m men phanh M , p suất dẫn độn phanh p và ia tốc của nh xe khi phanh có ABS

16

13 2.13 X c định vị trí trọn tâm t tại một thời điểm nhất 27

17 2.17 Sự phân ố tải trọn thẳn đứn

19 2.19 Sự thay đổi tải trọn thẳn đứn trên một cầu xe 41

37 3.12 Độ trƣợt tại c c nh xe tron qu trình phanh 53

38 3.13 Đồ thị mối quan hệ iữa vận tốc xe theo thời ian 53

39 3.14 Đồ thị mối quan hệ iữa ia tốc nh xe theo thời

LỜI NÓI ĐẦU

Với tình trạn iao th n đan trở nên qu tải như hiện nay, việc ph t triển

c c phươn tiện iao th n c n cộn , đặc iệt là t buýt n ày càn được chú trọn và quan tâm nhiều hơn Hệ thốn phanh iữ vai trò rất quan trọn tron việc

ảo đảm an toàn chuyển độn của t Nhiệm vụ của hệ thốn phanh là đảm ảo tính ổn định hướn chuyển độn và thu n ắn quãn đườn t khi phanh nh m nân cao tính an toàn chủ độn

Để tính to n và thiết kế hiệu quả hơn thì việc khảo s t hệ thốn phanh là v cùn cần thiết Do khối lượn khảo s t rất lớn nhưn tron khu n khổ thời ian có

hạn, vì vậy nên đề tài luận văn cao học được ph t triển với nội dun : “Nghiên cứu

khảo sát ảnh hưởng tọa độ trọng tâm tới chất lượng phanh ô tô xe buýt 80 chỗ.”

Đề tài sử dụn phươn ph p tính to n m phỏn xây dựn m hình quỹ đạo

và sự thay đổi của quãn đườn phanh của t khi tọa độ trọn tâm thay đổi đối với trườn hợp xe có ABS và kh n có ABS Qua đó rút ra kết luận về ảnh hưởn của sự thay đổi tọa độ trọn tâm đến quãn đườn phanh của xe t u t

Đề tài được thực hiện tại ộ m n: Ô t và xe chuyên dụn – Viện Cơ khí Độn lực Trườn Đại học B ch hoa Hà Nội dưới sự hướn dẫn của PGS TS Võ Văn Hườn Đề tài cũn nhận được sự hỗ trợ của của c c thầy tron ộ m n, Viện đào tạo sau đại học và c c ạn è đồn n hiệp

Do thời ian và trình độ còn hạn chế, tính chất rộn lớn của đề tài nên kh n thể tr nh khỏi nhữn thiếu sót.Rất mon nhận được sự ổ sun , óp của c c thầy

và c c ạn đồn n hiệp

Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2016

T c iả

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Hệ thốn phanh lu n là một tron nhữn hệ thốn quan trọn ậc nhất trên

xe ôt để đ p ứn yêu cầu an toàn khi di chuyển trên đườn Việc cải tiến hệ thống phanh lu n được quan tâm chú trọn hàn đầu Việc loại ỏ ảnh hưởn của c c yếu

và tăn cường sự kiểm soát khi điều khiển xe trong tình trạng môi trường xấu ABS

(Anti-lock Braking System) là một công nghệ tuy đã được biết đến từ những

năm cuối 70 nhưng ban đầu vẫn chưa hoàn thiện Đến ngày nay nó đã trở thành một hệ thống phổ biến, được trang bị trên nhiều loại ô tô trong đó có xe buýt

Đặc thù của xe t u t là lu n lu n có số lượn hành kh ch thay đổi, sự lên xuốn , vị trí n ồi hay nói c ch kh c là tải trọn của xe kh n cố định, tọa độ trọn tâm của xe thay đổi thườn xuyên, vì vậy hệ thốn phanh làm việc cũn có sự thay đổi đối với từn trườn hợp cụ thể kh c nhau tùy thuộc vào vị trí trọn tâm kh c

nhau Đề tài: “Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng tọa độ trọng tâm tới chất lượng

phanh ô tô xe buýt 80 chỗ.” Chủ yếu khảo s t về hệ thốn phanh trên t u t,

loại kh n có ABS và có ABS, phân tích ảnh hưởn của 2 hệ thốn phanh đó khi tải trọn của xe thay đổi, tọa độ trọn tâm của xe thay đổi sẽ ảnh hưởn thế nào tới hiệu quả phanh trên t

1.1 Tình hình sử dụng xe chở khách ở Việt Nam

1.1.1 Xe buýt thành phố

- Xe buýt thành phố được cấu trúc cho vận chuyển hành khách và hành lý xách tay trong khu vực ven nội Khoảng cách giữa các trạm đỗ xe không xa và hành khách có thể chủ đi từng đoạn ngắn, vì vậy không bố trí nhiều chỗ n ười,

chủ yếu dành không gian đứng do đó thường có sàn thấp, vận tốc chuyển động không cao trung bình n m trong khoảng 30 km/h

- Các thành phố lớn ở Việt nam hiện nay sử dụng xe buýt với nhiều xuất xứ khác nhau và đang dần dần định hướng sử dụng xe buýt sàn thấp hoặc bán thấp cho hành khách tiện lên xuống Do đặc thù xe buýt thành phố chuyển động với vận tốc không cao, đường tốt nên thường ít bố trí phanh ABS mà sử dụng hệ thống phanh khí nén thường

1.1.2 Xe buýt đường dài

- Xe buýt đường dài được sử dụng với mục đích chuyên chở hành khách và hành lý kèm theo, thường không bố trí chỗ đứng, có kết cấu sàn cao, di chuyển với cung đường dài, vận tốc lớn, thường chuyển động với vận tốc 70 đến

80 km/h, các tai nạn giao thông xảy ra trên đường phần lớn rơi vào hệ thống phanh

vì vậy với xe buýt đường dài hệ thống phanh được quan tâm nên đa số sử dụng hệ thống phanh ABS hay tích hợp ABS cùng các hệ thống khác như ABS + ASR, ABS + ASC vv

- Với các loại xe khác nhau có sự khác biệt rất lớn trong hệ thống phanh như: Hệ thống phanh khí nén, phanh thủy lực điều khiển b ng khí nén với sự đa dạn như trên thì việc nghiên cứu cho các loại hệ thống phanh này cần được phân nhóm trong khuân khổ đề tài chỉ đề cập đến hệ thống phanh khí nén, là hệ thống thường xuyên được sử dụng trên xe buýt hiện nay

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Sử dụn c n cụ matla và Simulink m phỏn chuyển độn của xe khi phanh và c c yếu tố ảnh hưởn đến c c chuyển độn đó

- Sử dụn ộ số liệu xe u t tiêu chu n đan sử dụn ở Việt Nam để làm

dữ liệu đầu vào tron qu trình m phỏn

- M phỏn , xuất ra c c đồ thị kh c nhau thể hiện ảnh hưởn khi thay đổi tọa độ trọn tâm tới chất lượn phanh, cụ thể là quãn đườn phanh trên xe u t

- Từ đồ thị, rút ra nhận xét và kết luận ảnh hưởng tọa độ trọng tâm tới chất lượn phanh của t

1.3 Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu cụ thể của đề tài

Để tiến hành thực hiện mô phỏng với nội dung đề tài, có thể thực hiện theo nhiều phươn pháp:

- Khảo sát b ng thực nghiệm: Trên các bãi thử chuyên dụn Đây là phươn pháp tốn kém kinh phí và thời gian tuy nhiên cho những kết quả thực tiễn có thể áp dụn được

- Khảo sát qua mô hình trên máy tính, với phươn ph p khảo sát này giúp chúng ta nhanh chóng x c định được kết quả, đồng thời là cơ sở cho tiến hành các khảo sát thực nghiệm

Với khu n khổ của Luận văn Thạc sỹ, đề tài thực hiện khảo s t qua m hình trên m y tính C c kết quả khảo s t trên m y tính cần được kiểm n hiệm trước khi

đi tới nhữn kết luận cuối cùn , tuy nhiên sự lựa chọn phươn ph p như trên ở điều

kiện Việt Nam hiện nay là phù hợp hơn cả Đề tài “Nghiên cứu khảo sát ảnh

hưởng tọa độ trọng tâm tới chất lượng phanh ô tô xe buýt 80 chỗ.” sẽ mở rộn

và ph t triển thêm ở một số điểm sau:

+ Đề tài đã sử dụng mô hình không gian toàn xe có cả các thành phần mô men đàn hồi (Msi) ở bốn bánh xe

+ Đề tài đã m phỏng, xây dựn và phân tích c c phươn ph p điều khiển kết hợp theo độ trượt và gia tốc góc bánh xe

+ Đề tài sử dụng mô hình lốp mô tả đầy đủ mối quan hệ động lực học của bánh xe

+ Giải thích c c kết quả của hệ thốn phanh khi có tọa độ trọn tâm thay đổi Với việc ổ sun và ph t triển thêm như trên đề tài đã cho kết quả m phỏn kỹ lưỡn c c trạn th i của t

Các vấn đề thực hiện trong đề tài

1 Tìm hiểu các loại ô tô buýt tiêu chu n đang sử dụng ở Việt nam hiện nay

2 Xây dựng phươn pháp mô phỏng toán học

3 Lập trình giải bài toán mô phỏng trên máy tính b ng phần mềm MATLAB SIMULINK Chọn một bộ số liệu tính toán cho xe để ứng dụng vào tính toán

mô phỏng

4 Đưa ra các kết quả cụ thể b ng đồ thị

5 Phân tích, nhận xét kết quả

6 Kết luận

Nội dung của luận văn được thực hiện bao gồm 3 chương:

Chươn I: Tổng quan đề tài

Chươn II: Cơ sở lý thuyết mô phỏng hệ thống phanh

Chươn III: Lựa chọn bộ số liệu mô phỏng, kết quả và nhận xét

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH

2.1 Tổng quan về ABS

2.1.1 Lịch sử phát triển

Hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti-lock Braking Systems) n m trong

hệ thống an toàn chủ động của ô tô hiện đại Hệ thống sẽ điều khiển chống bó cứng

c c nh xe tron qu trình phanh, iúp tăn độ ổn định của xe, rút ngắn quãng đườn phanh, tăn khả năn điều khiển quay vòn t tron trường hợp cần thiết phải tr nh chướng ngại vật

Lịch sử phát triển của hệ thống phanh và phanh ABS qua các thời kì sau:

- Năm 1960: ABS được giới thiệu và được lắp đặt trên c c m y ay thươn mại

- Năm 1969: ABS được lắp đặt trên ôtô

- Năm 1970: ABS được nhiều công ty sản xuất ôtô trên thế giới nghiên cứu

và đưa vào ứng dụng

- Năm 1971: C n ty Toyota sử dụng lần đầu tiên cho các dòng xe tại Nhật, đây là hệ thốn ABS 1 kênh điều khiển đồng thời 2 bánh sau

- Năm 1978: Hệ thống phanh ABS bắt đầu có ứng dụn thươn mại trên ô

t ABS t c động vào hệ thống dẫn động thủy lực nh m giữ, giảm hoặc tăn p suất phanh dẫn đến c c xi lanh phanh nh xe để chốn trượt lết trong quá trình phanh

- Năm 1989: Hệ thốn phanh ABS được kết hợp với hệ thống chốn trượt quay TSC Hệ thốn này điều khiển b n c ch điều chỉnh giá trị của mô men phanh

và m men được truyền từ độn cơ đến các bánh xe Hệ thống này còn có khả năn điều khiển lượng nhiên liệu cấp cho độn cơ nh m hạn chế trượt quay bánh xe do thừa mô men Tuy nhiên tại thời điểm đó, số kênh điều khiển hệ thống còn ít, chỉ điều khiển một kênh, hoặc hai kênh cho toàn bộ các cầu hoặc một cầu xe và sử dụng van điều hòa lực phanh b n cơ khí để phân phối áp suất phanh đến các bánh

- Năm 1994: Hệ thốn phanh ABS được kết hợp với hệ thốn cân n điện tử EBD Hệ thốn điện tử dần thay thế c c hệ thốn cơ khí, hệ thốn phanh

ABS tron hệ thốn đã ắt đầu điều khiển nhiều kênh, điều khiển từn nh xe độc lập.Trong nhữn năm ần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển điện tử và tự động hóa, các hệ thốn điều khiển trên t n ày càn được phát triển hoàn thiện hơn, nân cao tính tiện nghi và an toàn sử dụng của ô tô

Nh m nâng cao tốc độ chuyển động và tính an toàn chủ động của ô tô, hệ thống phanh là một trong những mục tiêu được đầu tư và ph t triển nhiều Trên cơ

sở một hệ thống ABS, hệ thống phanh có thể kết hợp với một số hệ thống khác, và đến nay, một hệ thống phanh hiện đại đã có rất nhiều chức năn ưu việt Ngoài tác dụn cơ ản là giảm tốc độ hay dừng xe, hệ thống phanh còn can thiệp cả trong quá trình khởi độn và tăn tốc của ô tô, khống chế các hiện tượng quay vòng thiếu, quay vòng thừa, làm tăn tính ổn định của xe khi đi vào đường vòng

Một số sự kết hợp của ABS với các hệ thống khác:

- ABS kết hợp với hệ thống phân phối lực phanh b n điện tử (Electronic Brake-force Distribution – EBD) và hệ thống trợ lực phanh kh n cấp (Brake Assist System – BAS)

- ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo (Traction Control (TRC) hay Acceleration Slip Regulator (ASR)

- ABS kết hợp với hệ thốn điều khiển ổn định ô tô (Electronic Stability Program – ESP)

Nhữn năm sau đó là qu trình hoàn thiện, tối ưu hóa hiệu quả làm việc của

hệ thống phanh Hệ thống ABS hoạt động tối ưu, đ p ứng yêu cầu nâng cao chất lượng phanh của ô tô phải đạt được các yêu cầu sau: ABS phải đ p ứn được các yêu cầu về an toàn liên quan đến động lực học phanh và chuyển động của ôtô:

- Hệ thống phải làm việc ổn định và có khả năn thích ứn cao, điều khiển tốt trong suốt dải tốc độ của xe và ở bất kỳ loại đườn nào (thay đổi từ đường bê

t n kh có độ bám tốt đến đườn đón ăn có độ bám kém);

- Hệ thống phải khai thác tối đa khả năn phanh của c c nh xe trên đường

nh m tăn tính ổn định điều khiển và giảm quãn đườn phanh Điều này không phụ thuộc vào việc phanh đột ngột hay phanh từ từ của n ười lái xe

- hi phanh xe trên đường có các hệ số bám khác nhau (ví dụ hai bánh xe bên phải chạy trên đường có dính dầu nhớt và hai bánh bên trái chạy trên đường nhựa khô) thì mô men xoay xe quanh trục đứn đi qua trọng tâm của xe luôn luôn xảy ra, lúc này hệ thống ABS cần hỗ trợ làm mô men quay đó tăn chậm để n ười

l i xe có đủ thời ian điều chỉnh thông qua hệ thống lái

- Phải duy trì độ ổn định và khả năn l i khi phanh ấp tron lúc đan quay vòng

- Hệ thống phải có chế độ tự kiểm tra, ch n đo n và an toàn Một mạch kiểm soát phải liên tục kiểm tra sự hoạt động của hệ thống một c ch đầy đủ Nếu phát hiện một lỗi nào đó có thể làm hư hỏng việc ứng xử của ABS thì hệ thống sẽ thông báo cho lái xe biết th n qua đèn o và khi đó hệ thống phanh sẽ làm việc như một hệ thốn phanh ình thường

2.1.2 Phân loại hệ thống ABS

- Phân loại theo chất tạo áp suất phanh: phanh khí, phanh thủy lực, phanh

kế hợp khí và thủy lực

Phân loại theo phương pháp điều khiển: Điều khiển theo độ trượt:

- Điều khiển theo n ưỡn trượt thấp: Khi các bánh xe trai hoặc phải chạy trên đường có hệ số bám khác nhau, ECU chọn thời điểm bắt đầu bị hãm cứng của bánh xe có khả năn m thấp để điều khiển áp suất phanh cho cả cầu xe Lúc này, lực phanh ở các bánh xe là b ng nhau, b ng giá trị lực phanh cực đại tại bánh xe có

hệ số bám thấp Bánh xe bên phần đường có hệ số bám cao vẫn n m trong vùng ổn định của đườn đặc tính trượt và lực phanh chưa đạt cực đại

Phươn ph p này cho tính ổn định cao nhưn hiệu quả phanh thấp vì lực điều khiển phanh nhỏ

- Điều khiển theo n ưỡn trượt cao: ECU chọn thời điểm bánh xe có khả năn m cao ắt đầu bị hãm cứn để điều khiển chung cho cả cầu xe, trước đó

nh xe có đọ bám thấp đã ị hãm cứn khi phanh Phươn ph p này cho hiệu quả phanh cao vì tận dụn được hết khả năn m của các bánh xe nhưn tính ổn định kém

a) Điều khiển độc lập hay phụ thuộc:

- Điều khiển độc lập: nh nào đạt đến n ưỡn trượt thì điều khiển riêng từn nh đó

- Điều khiển phụ thuộc: ABS điều khiển chung cho cả 2 bánh trên một cầu hoặc cả xe theo một tín hiệu chung, có thể theo n ưỡn trượt thấp hay n ưỡn trượt cao

b) Điều khiển theo kênh:

- Loại 1 kênh: Hai nh sau được điều khiển chung (ở thế hệ đầu, ABS chỉ trang bị cho 2 bánh sau vì dễ bị hãm cứn hơn 2 nh trước)

- Loại 2 kênh: một kênh điều khiển chun cho 2 nh trước 1 kênh điều khiển chung cho 2 bánh sau hoặc 1 kênh điều khiển chung cho 2 bánh chéo nhau

- Loại 3 kênh: Hai kênh điều khiển độc lập cho 2 nh trước, kênh còn lại điều khiển chung cho 2 bánh sau

- Loại 4 kênh: 4 kênh điều khiển độc lập cho 4 bánh

Hiện nay, ABS điều khiển theo 3 kênh và 4 kênh được sử dụng rộng rãi

2.2 Cơ sở lý thuyết hệ thống ABS

2.2.1 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh

Hình 2.1: Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh

Khi phanh, ở bánh xe xuất hiện các lực và mô men sau:

G b – tải trọn t c dụn lên nh xe;

Z b – Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe;

M p – Mô men phanh;

M f – Mô men cản lăn;

M jb – Mô men quán tính

Cơ cấu phanh sinh ra mô men phanh Mp nh m hãm bánh xe lại, khi đó nh

xe chuyển động với gia tốc chậm dần Do bánh xe chuyển động có gia tốc nên bánh

xe chịu thêm mô men quán tính M jb tác dụng cùng chiều với chiều quay của bánh

xe Ngoài ra bánh xe còn chịu tác dụng của mô men cản lăn M f n ược chiều chuyển động Tuy nhiên mô men cản lăn nhỏ hơn nhiều lần so với m men phanh, do đó trong quá trình phanh có thể bỏ qua mô men cản lăn này Lúc đó có thể coi còn duy

nhất thành phần mô men phanh M p có tác dụng hãm bánh xe, mô men phanh này

tạo ra lực phanh P p có phươn tiếp tuyến, n ược với chiều của lực P ξ, có tác dụng giảm tốc độ chuyển động của ô tô Lực phanh được x c định theo công thức:

b

p p

r

M

P 

2.2.2 Hiện tượn trượt lết của bánh xe khi phanh

Mô men phanh do cơ cấu phanh sinh ra, mặt đườn là nơi tiếp nhận thông qua độ bám giữa bánh xe và mặt đường Lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi khả năn m iữa bánh xe và mặt đườn , được đặc trưn ởi hệ số bám  thông qua mối quan hệ sau: P pmax P Z b.

Ta có Hình 27: Giải thích hiện tƣợn trƣợt lết của bánh xe khi phanh:

Tron đó:

v là vận tốc dài thực của nh xe (cũn là vận tốc thực của xe);

v 0 là vận tốc lí thuyết của bánh xe

Các vận tốc đó đƣợc x c định theo công thức: v0  k rb [m/s]

và: vk.r l[m/s]

Hình 2.2: Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết

Với: k– Vận tốc góc của bánh xe [rad/s];

v v v

2.2.3 Đặc tính trượt khi phanh

Sự bám của bánh xe với mặt đườn được đặc trưn ới hệ số bám bánh xe

với mặt đường φ gồm hệ số m theo phươn dọc φ x, hệ số m theo phươn n an

φ y Lực phanh cực đại F xMax của bánh xe tỷ lệ thuận với hệ số bám φ và trọn lượng của xe G: F xMax P F z.

Tron đó P φ - lực bám của bánh xe với mặt đường; F z- phản lực thẳng từ mặt

đường lên bánh xe Hệ số bám φ phụ thuộc loại, tình trạng mặt đường; kết cấu, vật

liệu, độ cứng, áp suất lốp xe; tải trọng lên bánh xe, tốc độ của xe; điều kiện, nhiệt độ làm việc

Mặt khác khi phanh do tải trọng, phản lực từ mặt đường, mô men tác dụng lên nh xe thườn xuyên thay đổi làm cho lốp xe bị biến dạng, làm xuất hiện hiện tượn trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đườn Để đ nh i mức

Tron đó: v - vận tốc chuyển động của xe; ω- vận tốc góc bánh xe; r b - bán

kính làm việc của nh xe Độ trượt của bánh xe gồm: độ trượt dọc λ x, độ trượt

ngang λ y

a) b)

Hình 2.3: Đặc tính trượt thể hiện sự thay đổi hệ số bám dọc x , hệ số bám

ngang y theo độ trượt tương đối (a) và đặc tính trượt với các loại đường khác nhau(b)

Hình 2.4: Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và độ trượt tương đối với các loại lốp

1 Lốp bố tròn chạy trên đường khô;

2 Lốp bố chéo chạy trên đường nhựa ướt;

3 Lốp bố tròn chạy trên đường tuyết;

4 Lốp bố tròn chạy trên đường bằng

Mối quan hệ hệ số bám φ của các loại đường, lốp xe và độ trượt được trình

bày trong hình 2.3 và hình 2.4

- Tron đồ thị hình 2.3a hệ số bám dọc, hệ số bám ngang φ y thay đổi theo

độ trượt tươn đối λ hi nh xe làm việc trong vùng a (vùng ổn định): độ trượt λ

tăn thì hệ số bám dọc φ x tăn lên nhanh chón , đạt giá trị cực đại trong khoảng λ =

15 30% và hệ số bám ngang φ y có giá trị cao Nếu bánh xe làm việc trong vùng b

(vùng không ổn định): khi độ trượt tiếp tục tăn thì hệ số bám dọc φ x giảm từ 50

60%, còn hệ số bám ngang φ y giảm nhanh hơn, thậm trí nếu λ = 100% (bánh xe trượt hoàn toàn) thì hệ số bám ngang φ y giảm gần về “0”

- Tron đồ thị hình 2.3b: hầu hết các loại đường hệ số bám dọc φ x đạt giá trị

cực đại, hệ số bám ngang φ y đạt giá trị kh cao khi độ trượt tươn đối λ n m trong vùng giá trị độ trượt tối ưu.Vì vậy, khi nghiên cứu thiết kế hệ thốn phanh và điều

khiển qu trình phanh t n ười ta chọn giá trị độ trượt tối ưu λ = 15 30% là

n ưỡn điều khiển gọi là “Điều khiển theo giá trị độ trượt định trước” Tron thực

tế các bánh xe trên cùng 1cầu hay trên cùng một vết cũn làm việc trên mặt đường

có hệ số bám φ kh c nhau đòi hỏi hệ thống phanh phải có khả năn tự điều khiển

sao cho bánh xe làm việc tron vùn độ trượt tối ưu

- Trong hình 2.4: mỗi một loại lốp (kích thước, kết cấu, áp xuất hơi lốp) có

đặc tính (biến dạng - độ cứng) khác nhau thì quan hệ giữa φ x và λ0 khác nhau vì vậy khi nghiên cứu, tính toán quá trình phanh của xe phải xem xét quan hệ động lực học của xe, bánh xe với đặc tính của từng loại lốp xe Đồng thời trong quá trình sử dụng không tuỳ tiện thay đổi kiểu, loại lốp xe do nhà thiết kế qui định cho mỗi loại xe

Hình 2.5: Mối quan hệ φx; φy với λ ứng với góc lệch bên φi

- Khi xe ô tô chuyển độn trên đườn n hiên , đường vòng tại bề mặt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường luôn xuất hiện phản lực của đường bánh xe (phản

lực thẳn đứng F z , phản lực bên F y) Do nh xe đàn hồi nên mặt phẳn đối xứng của bánh xe dịch chuyển đi một đoạn, khi đó đường tâm vết tiếp xúc với phươn vận tốc bánh xe tạo thành góc lệch αi ọi là góc lệch bên Mối quan hệ góc lệch bên

α i , φ x và φ y với λ trong hình 31 Ta nhận thấy khi α i tăn thì λ tăn , tính ổn định của

xe giảm vì vậy tron trường hợp này phải ưu tiên điều khiển ổn định của xe

2.2.4 Nguyên tắc điều khiển của ABS

- Mục tiêu hệ thốn phanh ABS là điều khiển áp suất dẫn động phanh sao

cho nh xe tron qu trình phanh có độ trượt (λ) thay đổi trong phạm vi hẹp quanh giá trị trượt tối ưu (λ 0) để tận dụng tối đa khả năn m, tại điểm đó lực

phanh (Pp) đạt giá trị cực đại, đồng thời tính ổn định và tính dẫn hướng của xe là tốt

nhất

k x

P max  max   max. (1)

Tron đó: P p - lực phanh bánh xe; P pmax - lực phanh cực đại

Hình 2.6 Sự thay đổi của mô men phanh Mb ,áp suất dẫn động phanh p và

gia tốc của bánh xe khi phanh có ABS

a) Sự thay đổi mô men phanh (Mb)

b) Áp suất dẫn động phanh (p);

c) Gia tốc bánh xe ( )

- hi t c độn lên àn đạp phanh thì áp suất dẫn động trong hệ thốn tăn

lên, làm cho mômen phanh (M p) tại c c nh xe tăn làm tăn ia tốc chậm dần của

nh xe đồng thời độ trượt của nó tăn theo hi tăn đến điểm mà tại đó hệ số bám

dọc đạt giá trị cực đại (φxmax), độ trượt đạt độ trượt tối ưu (λ 0 ) trên đường cong φ x

= f(λ) thì gia tốc chậm dần của nh xe tăn đột ngột Điều này báo hiệu bánh xe có

xu hướng bị bó cứn Giai đoạn này của quá trình phanh ABS ứng với c c đường cong 0-1 trên hình a, , c hình 31 Giai đoạn này gọi là pha I – pha tăn p

- Bộ điều khiển (ECU) của hệ thống ghi lại gia tốc tại điểm 1 đạt giá trị giới hạn (đoạn C1 trên hình c) và ra lệnh cho bộ chấp hành (van điêu khiển áp suất) phải giảm áp suất dẫn động phanh Sự giảm áp suất trong dẫn động phanh chưa iảm

n ay do độ trễ của hệ thống Quá trình xảy ra từ điểm 1 đến điểm 2 được gọi pha II (pha giảm áp trong hệ thống phanh) Gia tốc của bánh xe lúc này lúc này giảm dần

và tại điểm 2 gia tốc tiến dần đến 0 Giá trị gia tốc này tươn ứng với đoạn C1 trên hình c

- Sau khi đạt giá trị này, ECU ra tín hiệu điều khiển cho bộ chấp hành ổn định áp suất dẫn động trong hệ thốn Lúc này nh xe tăn tốc, vận tốc bánh xe tiến gần vận tốc của xe làm cho độ trượt giảm, hệ số bám dọc φ x tăn lên (đoạn 2-3) Giai đoạn này gọi là pha III (pha giữ áp) Trong thời ian này M được duy trì

ổn định nên gia tốc cực đại của bánh xe trong chuyển độn tươn đối sẽ phát sinh

tươn ứng với thời điểm φ Max

- Gia tốc cực đại trên được chọn làm giá trị điều khiển (gia tốc n ưỡng) ứng với đoạn C3 trên hình c, ECU ghi lại giá trị gia tốc này và ra tín hiệu điều khiển van điện từ bộ chấp hành tăn p suất dẫn động phanh

Như vậy, sau điểm 3 lại bắt đầu pha I của chu kỳ làm việc tiếp theo của hệ thống ABS Từ lập luận trên ta thấy r ng hệ thốn phanh ABS điều khiển Mb thay đổi theo chu kỳ khép kín 1- 2- 3 - 1(hình a), lúc đó nh xe làm việc ở vùn có φx

và φy có i trị cao Đây là cơ sở x c định giá trị gia tốc bánh xe tại điểm (1) và điểm (3) là n ưỡn điều khiển của ECU khi phanh, giá trị để ECU điều khiển thời điểm đón mở c c van điện từ cơ cấu chấp hành

2.2.5 Xây dựng thuật to n điều khiển ABS

Hệ thốn ABS duy trì độ trượt của bánh xe khi phanh trong khoảng 15 – 30% nh m duy trì khả năn điều khiển hướng chuyển động của ô tô khi phanh và hiểu quả phanh cao Do căn cứ theo n ưỡn độ trượt để điều khiển ABS có thể đạt mức độ hiệu quả phanh không giống nhau tùy theo loại đường, chất lượng lốp, loại lốp…Hơn nữa việc xác định độ trượt của bánh xe rất khó chính x c, do đó tron đồ

n này, phươn ph p điều khiển theo gia tốc góc của nh xe khi phanh đã được lựa chọn để điều khiển ABS

Tron qu trình điều khiển của ABS, trạng thái phanh (tăng áp, giảm áp hay giữ p) được kích hoạt dựa vào các giá trị gia tốc góc của bánh xe khi phanh

Hình 2.7 Pha điều khiển theo gia tốc của bánh xe

- Khi cấp nguồn điện, bộ điều khiển làm việc và liên tục theo dõi vận tốc góc, gia tốc góc của các bánh xe và ở trạng thái chờ hi n ười lái đạp phanh (có tín hiệu từ công tắc đèn o phanh), ộ điều khiển lập tức chuyển sang chế độ hoạt động Lúc này bộ điều khiển tính toán vận tốc dài của ô tô và so sánh với giá trị

được đặt trước (v 0) Nếu vận tốc dài của ô tô nhỏ hơn, hệ thống phanh sẽ hoạt động như trạn th i phanh ình thường Nếu vận tốc dài của ô tô lớn hơn, ộ điều khiển

sẽ chạy chươn trình điều khiển ABS đã được lập trình sẵn

- Pha hoạt động mặc định đầu tiên của chu trình điều khiển là pha tăn p

hi đó p suất khí nén trong bầu phanh tăn dần, m men phanh tăn theo làm ia tốc góc của bánh xe giảm dần Khi gia tốc góc nhỏ hơn i trị n ưỡn ε1 , ECU điều khiển chuyển sang trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh Áp suất trong bầu phanh duy trì ở mức cao khiến gia tốc góc bánh xe tiếp tục giảm, khi gia tốc góc nhỏ hơn i trị n ưỡn ε2 thì ECU điều khiển giảm áp suất trong bầu phanh

Hình 2.8: Sơ đồ khối thuật toán

2.3 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh

2.3.1 M 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 c c điều kiện kh n ian đầy đủ Khi nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô khi phanh 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 a phươn x,y,z Đặc trưn cho sự biến dạn đó là iến dạng của các phần tử đàn hồi, giảm chấn, bánh

xe, khâu khớp đòn i ng, khung vỏ Với biến dạn đó có thể coi như t đặt trên một hệ đàn hồi

Ôtô là một cơ hệ đàn hồi chuyển độn trên đường 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 t được 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

Mô phỏng chuyển động ô tô khi phanh quan trọn hơn cả là quan tâm chuyển vị theo toạ độ mặt đường (toạ độ cố định) Ox0y0z0biểu diễn b ng toạ độ x0,

y0 và góc quay thân xe ε Tại mỗi thời điểm, vị trí của ôtô trong quỹ đạo chuyển

độn hoàn toàn được x c định thông qua bộ giá trị này Hay nói cách khác, tập hợp

c c điểm này theo thời gian tạo nên đường cong trong không gian gọi là quỹ đạo chuyển độn Như vậy, việc x c định quỹ đạo chuyển động của ôtô là phải x c định

toạ độx,y , góc lệch ên α, óc quay thân xe ε và vận tốc chuyển động tức thời v có

n hĩa là phải x c định cả vận tốc góc quay thân xe ε’, vận tốc biến đổi góc lệch bên

α’, gia tốc hướng tâm y”, tức là đạo hàm của các chuyển vị: ε, α, x, y đó là hàm mục

tiêu của bài toán quỹ đạo và được gọi chung là các thông số quỹ đạo

Hệ thốn cơ học ở đây có tính chất đàn hồi, do vậy quy luật của chún cũn rất phức tạp ở mức độ đơn iản ta có thể biểu thị mối quan hệ hệ thốn cơ học của

quan hệ với óc điều khiển vành l i, như vậy vấn đề đặt ra ở dạng chuyển động quay vòng tổn qu t, tron đó chuyển động thẳng chỉ là một trường hợp đặc biệt

Do mối liên quan của quỹ đạo chuyển động với óc điều khiển vành lái nên vấn đề đặt ra thuộc lĩnh vực điều khiển quỹ đạo chuyển độn và phươn ph p n hiên cứu ở dạng các bài toán trong lý thuyết điều khiển tổng quát

Với mục tiêu mô phỏng quá trình chuyển động của t khi phanh đồng thời, thiết lập c c phươn trình quan hệ động học và động lực học của ôtô buýt gồm 4

nh xe (tron đó sử dụng các bánh kép cho cầu sau), dẫn động cầu sau, đồ án khảo sát trên mô hình không gian phi tuyến từng phần với bài toán quỹ đạo chuyển động bao gồm việc x c định toạ độ của trọng tâm, góc lệch hướng chuyển độn α, óc quay thân xe ε, vận tốc chuyển động tức thời v, mômen vành lái MVL Các lực kích độn t c động lên ôtô là rất phức tạp, trong các bài toán về tính điều khiển và ổn định hướng tập trun xem xét c c t c động ở hàm tiền định của góc quay vành lái Trên cơ sở đó đi đến tiến hành điều chỉnh hệ thống nh m đảm bảo ổn định quỹ đạo chuyển động của ôtô

2.3.2 Quan hệ động lực học trong mô hình toàn xe, xây dựn c c phươn

trình cân b ng

Mô hình không gian của ôtô:

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

- Ôtô chuyển động trên mặt đường b ng phẳng

- Bỏ qua dao độn theo phươn thẳn đứng

- Bỏ qua lực cản của kh n khí theo phươn dọc x là Pω

- Bỏ qua lực ió ên theo phươn n an y là N

- Các lực dọc và ngang của nh xe được khảo sát trong quan hệ với biến dạng bánh xe

- Ảnh hưởng của chiều cao gây nên các lực và m men được biểu thị b ng các tải trọn đặt trên các bánh xe

- Các bánh xe quay xung quanh trục đứng với các góc dẫn hướn như nhau (Xem hình 2.8)

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

- Các lực dọc theo phươn x và mômen Mx quanh trục Ox

- Các lực n an theo phươn y và mômen My quanh trục Oy

- Các lực thẳn đứn theo phươn z và mômen Mz quanh trục Oz

 Các thành phần lực và mômen trong quá trình ôtô chuyển động theo các

- Các góc quay của bánh xe dẫn hướng ti khi chuyển động

- Chỉ số i có giá trị 1, 2, 3, 4 tuỳ thuộc vào c ch đ nh số thứ tự của các bánh xe

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

 Các thông số hình học trên mô hình:

- Chiều dài cơ sở lab

- C c kích thước chiều rộng vết lốp cầu trước là t t, của cầu sau t S

- Góc lệch bên của thân xe so với trục dọc của ô tô là 

- Góc quay của thân xe so với hệ trục tọa độ cố định 

Khi chiếu lên mặt của đường có thể nhìn được hình vẽ trên:

Hình 2.11: Mô hình tính toán cho ôtô

Hình 2.10: Mô hình động lực học của ôtô

Xây dựng phương trình quay vòng ôtô

Theo n uyên l Đalam e ta viết c c phươn trình cân ng lực và mômen như sau:

Phươn trình cân ng lực theo phươn dọc ôtô: 4 X

phươn trình quay vòn của ôtô, chúng có dạn phươn trình vi phân ậc hai đối với   , , với c c hàm kích động là các mômen, phản lực của mặt đường và góc quay vành lái

Mô hình hệ thống lái

Hệ thống lái trên ôtô buýt là hệ thốn cơ học đàn hồi, ở mô hình này góc quay bánh xe dẫn hướng t được coi là như nhau (tron thực tế góc quay này là khác nhau) Sự sai khác này không kể tới vì quan trọn hơn cả là x c định quan hệ của góc quay vành lái vvà góc quay bánh xe dẫn hướng t

Ta sử dụng mô hình tính toán với công thức sau: v

t l

Trên hình 2.12 chỉ ra quỹ đạo chuyển động của ôtô là một đường cong và được x c 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 đường Ox y z0 0 0 Như vậy, vận tốc tức thời của ôtô là v đặt tại trọng tâm, tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển độn và n hiên đi so

với trục dọc ôtô là α (gọi là góc lệch hướng chuyển động của t ) Góc quay tươn đối giữa hai hệ tọa độ là ε và cũn chính là óc 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( 

v

v xo

) sin(

vx

t

0

t

0 xo

.dtε)v.sin(αdt

vy

t

0

t

0 yo

Nếu có hệ tọa độ mặt đường, biết x y0, 0, và các góc , ε tại một thời điểm

nhất định thì ta hoàn toàn có thể x c định được vị trí của ôtô trên mặt đường Do vậy, mục tiêu của ài to n là x c định các góc , ε, tọa độ x y0, 0 nh m x c định quỹ đạo chuyển động của ôtô Các thông số này là hàm mục tiêu của đề tài Thực tế

khi ôtô chuyển động, góc α chỉ cho biết góc lệch trục dọc thân xe với vận tốc tức

thời, tạo nên cảm giác lệch hướng của xe với đườn , n ười lái cảm nhận và có thể tiến hành điều chỉnh hướng chuyển độn này Còn đối với góc quay ε nói lên góc quay của thân xe trên mặt đường (quay quanh trục thẳn đứng Oz) Thông số này rất quan trọn , nó đón vai trò chính tron việc khảo sát tính ổn định chuyển động của ôtô

 (3.10)Tron đó R i là bán kính cong tức thời của quỹ đạo

Từ hình (2.13) và các công thức trên ta đạo hàm theo thời gian của v xovà v yo

thu được các thành phần gia tốc của trọng tâm trên hệ toạ độ cố định:

ε))sin(αεαv(

ε).cos(αv

T

Hình 2.13: Xác định vị trí trọng tâm ôtô tại một thời điểm

nhất định