Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học của hệ thống phanh điều khiển by wire

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN TUẤN XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN BY WIRE Chuyên ngành Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PHẠM HỮU NAM Hà Nội – Năm 2012 LÝ LỊCH KHOA HỌC (Dùng cho học viên cao học) I Sơ lược lý lịch: Họ tên: Phạm Văn Tuấn Giới tính: Nam Sinh ngày: 10 tháng 07 năm 1986 Nơi sinh(Tỉnh mới): Mạo Khê – Đông Triều – Quảng Ninh Quê quán: Mạo Khê – Đông Triều – Quảng Ninh Chức vụ: Cán Phòng Bồi Thường Đơn vị công tác: Công ty Bảo Hiểm Ngân Hàng Thương Mại Cổ Phần Công Thương Việt Nam Chỗ riêng địa liên lạc:Số 2/581 Bạch Đằng, Hoàn Kiếm, Hà Nội Điện thoại CQ: Điện thoại NR: Điện thoại di động: 0942150886 Fax: E-mail: phamtuanbk@gmail.com II Quá trình đào tạo: Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng): - Hệ đào tạo(Chính quy, chức, chuyên tu) ….… Thời gian đào tạo: từ / đến …… - Trường đào tạo …… ……………… - Ngành học: ………… Bằng tốt nghiệp đạt loại … Đại học: - Hệ đào tạo(Chính quy,tại chức, chuyên tu) Chính Quy Thời gian đào tạo: từ 09 /2004 đến 09/2009 - Trường đào tạo: Đại Học Bách Khoa Hà Nội Ngành học: Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG Bằng tốt nghiệp đạt loại: KHÁ Thạc sĩ: - Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo: từ 2009 đến 2011 - Chuyên ngành học: Ô TÔ - Tên luận văn: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN "BY WIRE" - Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS PHẠM HỮU NAM Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): Tiến Anh, B1 III Quá trình công tác chuyên môn kể từ tốt nghiệp đại học: Thời gian 2010 – đến Nơi công tác Công ty Bảo Hiểm Ngân Hàng Công Thương VN Công việc đảm nhận Giám định, Bồi thường IV Các công trình khoa học công bố: Tôi cam đoan nội dung viết thật Ngày 15 tháng 03 năm 2012 NGƯỜI KHAI KÝ TÊN Phạm Văn Tuấn CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề tài nghiên cứu riêng hướng dẫn PGS TS Phạm Hữu Nam Đề tài thực môn Ô tô xe chuyên dụng, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu kết trình bày luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình khác Hà Nội, 15/3/2012 Tác giả Phạm Văn Tuấn -1MỤC LỤC………………………………………………………………………… DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ………………………………………………… LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………………7 CHƯƠNG TỔNG QUAN……………………………………………………… 1.1 Tính ổn định chuyển động ô tô chế độ làm việc…………………… 1.2 Một số kết nghiên cứu hệ thống phanh nước……………………… 14 1.3 Vấn đề nghiên cứu mục tiêu nghiên cứu đề tài……………………… 15 CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN BY WIRE 2.1 Đặc điểm chung hệ thống phanh điều khiển By Wire…………………………17 2.2 Phân loại hệ thống phanh điều khiển By Wire…………………………………17 2.3 Các cảm biến dùng xe có trang bị hệ thống phanh điều khiển By Wire….21 2.4 Các chế độ làm việc hệ thống phanh điều khiển By Wire…………………22 2.4.1 Chế độ ABS………………………………………………………… 22 2.4.2 Chế độ TRC………………………………………………………… 22 2.4.3 Chế độ VSC………………………………………………………… 25 CHƯƠNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 3.1 Sơ đồ lực mô men tác động lên ô tô chuyển động…………………28 3.2 Phương trình chuyển động ô tô……………………………………………30 3.3 Tính toán trị số lực dọc lực ngang tác dụng lên ô tô chuyển động……………………………………………………………… 31 3.4 Tính toán tải trọng tác dụng lên ô tô phanh……………………………….33 3.5 Tính toán thông số động học xe chuyển động đường vòng 3.5.1 Thông số động học chuyển động xe…………………………… 35 3.5.2 Thông số động học bánh xe………………………………………37 CHƯƠNG MÔ PHỎNG SỐ 4.1 Mục đích mô số…………………………………………………………41 4.2 Công cụ Matlab – Simulink……………………………………………………41 4.3 Bảng số liệu tính toán………………………………………………………… 43 4.4 Các khối mô mô hình động lực học ô tô 4.4.1 Khối tính toán thông số vận tốc chuyển động ô tô……………… 43 Luận văn thạc sĩ -24.4.2 Khối tính toán góc lệch thân xe………………………………………44 4.4.3 Khối tính toán góc xoay thân xe………………………………………45 4.4.4 Khối tính toán tọa độ trọng tâm ô tô góc quay bánh xe dẫn hướng 46 4.4.5 Khối tính toán tải trọng thẳng đứng bánh xe………………… 47 4.4.6 Khối tính toán gia tốc bánh xe…………………………………………49 4.4.7 Khối tính toán độ trượt góc lệch bên bánh xe………………….52 4.4.8 Khối tính toán lực dọc lực ngang bánh xe………………… 55 4.4.9 Khối tính toán động học chuyển động xe………………………….57 4.4.10 Khối tính toán mô men kéo bánh xe………………………… 58 4.5 Các trường hợp khảo sát 4.5.1 Trường hợp không VSC có VSC vận tốc 60 km/h 59 4.5.2 Trường hợp TRC 61 KẾT LUẬN .69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .71 Luận văn thạc sĩ -3DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Tên đầy đủ Ý nghĩa ABS Anti-lock Brake System Hệ thống chống bó cứng bánh xe ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử BAS Brake Assist System Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp Electronic Brake Forke Hệ thống phân phối lực phanh điện EBD Distribution tử TRC Traction Hệ thống chống trượt quay bánh xe Hệ thống điều khiển ổn định hướng VSC Vehicle Stability Control chuyển động xe Hệ thống phanh by wire có hỗ trợ EHB Electric Hydraulic Brake thủy lực Hệ thống phanh by wire không hỗ EMB Electric Mechanical Brake trợ thủy lực DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TT Ký hiệu Giải thích Đơn vị x Hệ số bám dọc y Hệ số bám ngang  Độ trượt % Pc Lực cản chuyển động N Pk Lực kéo N P Lực bám N Pf Lực cản lăn N Pj Lực quán tính N β Góc lệch bánh xe dẫn hướng rad 10 α Góc lệch thân xe so với phương chuyển động rad Luận văn thạc sĩ -411 ε Góc quay thân xe rad 12 L Chiều dài sở m Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu m 13 a trước Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu m 14 b sau 15 tt Chiều rộng sở cầu trước m 16 ts Chiều rộng sở cầu sau m 17 h Chiều cao trọng tâm m 18 V Vận tốc chuyển động ô tô m/s 19 Fi Lực dọc bánh xe N 20 Si Lực bên bánh xe N 21 Pfi Lực cản lăn bánh xe N 22 Zi Lực theo phương thẳng đứng bánh xe N 23 g Gia tốc trọng trường m/s2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Đặc tính trượt ứng với loại đường khác Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc ABS bố trí cảm biến, kênh điều khiển Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống phanh ABS kết hợp TRC Hình 1.4: Hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động ô tô Hình 2.1: Sơ đồ chung hệ thống phanh By Wire Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống phanh EHB Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống phanh EMB Hình 2.4: Cơ cấu phanh EMB kiểu chêm Hình 2.5: Cơ cấu phanh EMB sử dụng truyền hành tinh Hình 2.6: Tín hiệu điện áp cảm biến tốc độ bánh xe Hình 2.7: sơ đồ hệ thống phanh EHB Luận văn thạc sĩ -5Hình 2.8: Hệ thống phanh EHB chế độ TRC Hình 2.11: Hệ thống phanh EHB chế độ VSC Hình 3.1: Các lực mô men tác dụng lên ô tô mặt phẳng ngang Hình 3.2: Các lực tác dụng lên ô tô theo mặt phẳng Hình 3.3: Quan hệ động học ô tô mô hình phẳng tổng quát Hình 3.4: Xác định vị trí trọng tâm ô tô thời điểm định Hình 3.5: Sơ đồ xác định gia tốc trọng tâm Hình 3.6: Quan hệ động học mô hình động học hai vết Hình 3.7: Quan hệ động học vi sai Hình 3.8: Các lực tác dụng lên ô tô phanh Hình 3.9: Sự phân chia phản lực thẳng đứng cầu Hình 3.10: Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng bánh xe Hình 3.11: Trạng thái bánh xe Hình 3.12: Sơ đồ tính toán lực tác dụng vết với bánh xe chủ động Hình 3.13: Sơ đồ tính toán lực tác dụng vết với bánh xe bị phanh Hình 4.1: Modul tính toán vận tốc chuyển động ô tô Hình 4.2: Modul tính toán góc lệch thân xe Hình 4.3: Modul tính toán góc xoay thân xe Hình 4.4: Modul tính toán tọa độ trọng tâm xe góc quay bánh xe dẫn hướng Hình 4.5: Modul tính toán tải trọng thẳng đứng bánh xe Hình 4.6: Các chương trình tính toán tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe Hình 4.7: Modul tính toán gia tốc góc bánh xe Hình 4.8: Modul tính toán gia tốc góc bánh xe Hình 4.9: Modul tính toán gia tốc góc bánh xe Hình 4.10: Modul tính toán gia tốc góc bánh xe Hình 4.11: Modul tính toán độ trượt góc lệch bên bánh xe Hình 4.12: Chương trình tính toán độ trượt góc lệch bánh xe số Hình 4.13: Chương trình tính toán độ trượt góc lệch bánh xe số Luận văn thạc sĩ -6Hình 4.14: Chương trình tính toán độ trượt góc lệch bánh xe số Hình 4.15: Chương trình tính toán độ trượt góc lệch bánh xe số Hình 4.16: Chương trình tính lực dọc ngang bánh xe Hình 4.17: Chương trình tính toán lực dọc ngang bánh xe chủ động Hình 4.18: Chương trình tính toán lực dọc ngang bánh xe bị động Hình 4.19: Mo đul tính toán động học chuyển động xe Hình 4.20: Modul tính toán mô men kéo bánh xe Hình 4.21: Modul tính toán mô men kéo bánh xe có thêm mô men phanh Hình 4.22: Hàm điều khiển góc quay vành lái Hình 4.23 Gia tốc bên xe trường hợp VSC Hình 4.24 Gia tốc bên xe trường hợp có VSC Hình 4.25 Góc lệch thân xe trường hợp VSC Hình 4.26 Góc lệch thân xe trường hợp có VSC Hình 4.27 Góc xoay thân xe trường hợp VSC Hình 4.28 Góc xoay thân xe trường hợp có VSC Hình 4.29 Góc lệch bánh xe 1,2 trường hợp VSC Hình 4.30 Góc lệch bánh xe trường hợp có VSC Hình 4.31 Độ trượt bánh xe trường hợp VSC Hình 4.32 Độ trượt bánh xe trường hợp có VSC Hình 4.33 Bán kính quay vòng thực tế lý thuyết trường hợp VSC Hình 4.34 Bán kính quay vòng thực tế lý thuyết trường hợp có VSC Hình 4.35 Độ trượt bánh xe Hinh:4.36 Vận tốc góc bánh xe Hinh4.37.: Vận tốc góc bánh xe Luận văn thạc sĩ -58- Hình 4.17: Chương trình tính toán lực dọc ngang bánh xe chủ động Hình 4.18: Chương trình tính toán lực dọc ngang bánh xe bị động Luận văn thạc sĩ -594.4.9 Khối tính toán động học chuyển động xe Thông số đầu vào: + Vận tốc xe: [vantoc] + Vận tốc góc quay thân xe:[epxilondot] + Vận tốc góc lệch thân xe: + Góc lệch bánh xe: alpha1, alpha2, alpha3, alpha4 + Góc quay bánh xe dẫn hướng: beta Thông số đầu ra: + Hiệu bán kính quay vòng thực tế, lý thuyết: deltaRqv Hình 4.19: Modul tính toán động học chuyển động xe Luận văn thạc sĩ -604.4.10 Khối tính toán mô men kéo bánh xe Thông số đầu vào: + Mô men cấp động cơ: + Mô men cản lăn bánh xe: Mk10, Mk20, Mk30, Mk40 Hình 4.20: Modul tính toán mô men kéo bánh xe Ở chế độ TRC, VSC thông số đầu vào có thêm mô men phanh để tránh tượng trượt quay trượt lết bánh xe Hình 4.21: Modul tính toán mô men kéo bánh xe có thêm mô men phanh Luận văn thạc sĩ -614.5 Các trường hợp khảo sát Sử dụng phương pháp mô động lực học ôtô nhằm thiết lập toán khảo sát tính hoạt động hệ thống phanh điều khiển By Wire Đề tài khảo sát tính VSC tính TRC Hàm điều khiển: Kích động góc quay vành lái, thời gian đánh tay lái kéo dài 1s nhằm đạt góc quay vành lái lớn theo đồ thị hình 4.21 Các điều kiện đầu tính toán: Vận tốc: Vo2 = 60 km/h, hệ số bám:   mio  0.85 (khi chưa để ý đến độ suy giảm trạng thái tối ưu ban đầu) Hệ số cản lăn: f V  0.018 Hình 4.22: Hàm điều khiển góc quay vành lái 4.5.1 Khảo sát tính VSC Để khảo sát tính VSC hệ thống đề tài khảo sát thông số chuyển động như: gia tốc bên xe, góc lệch thân xe, góc xoay thân xe, góc lêch bên bánh xe độ trượt bánh xe, bán kính quay vòng thực tế lý thuyết Luận văn thạc sĩ -62Gia tốc bên xe Hình 4.23 Gia tốc bên xe trường hợp VSC Hình 4.24 Gia tốc bên xe trường hợp có VSC Nhận xét: + Trong trường hợp VSC: Trong thời gian tác động vành lái (1s), gia tốc bên xe có xu hướng tăng dần, đến thời điểm t=2s gia tốc bên đạt giá trị cực đại Luận văn thạc sĩ -63 y max= 7,2 m/s2 Sau xe vào hết đường vòng gia tốc bên ổn định giá trị y = 6,5 m/s2 + Trong trường hợp có VSC: quy luật đường cong thay đổi, gia tốc bên xe có xu hướng giảm so với trường hợp VSC Giá trị cực đại gia tốc bên = m/s2 Sau có xu hướng ổn định (6,5 m/s2) Góc lệch thân xe Hình 4.25 Góc lệch thân xe trường hợp VSC Hình 4.26 Góc lệch thân xe trường hợp có VSC Luận văn thạc sĩ -64Nhận xét: + Trường hợp VSC: giai đoạn đầu đánh lái, chưa thắng lực đàn hồi bên làm α tăng lên chút giảm dần âm hệ đàn hồi bánh xe nên có độ chễ (t=2,5; αmax = - 0,15 rad) sau ổn định t = 10s; αod = - 0.1 rad + Trường hợp có VSC: quy luật đường cong thay đổi hạn chế góc lệch.(t=2.5; αmax = - 0.13 rad) sau đo dao động tắt dần ổn định t=10s αod = -0.075rad Góc xoay thân xe Hình 4.27 Góc xoay thân xe trường hợp VSC Hình 4.28 Góc xoay thân xe trường hợp có VSC Luận văn thạc sĩ -65Nhận xét: Quy luật đường cong góc xoay thân xe hai trường hợp VSC có VSC không đổi Có xu hướng tăng dần Trường hợp có VSC góc xoay tăng nhanh Góc lệch bên bánh xe Hình 4.29 Góc lệch bánh xe 1,2 trường hợp VSC Hình 4.29 Góc lệch bánh xe trường hợp có VSC Luận văn thạc sĩ -66Nhận xét: Góc lệch bánh xe trường hợp có quy luật tương tự Ở trường hợp VSC góc bánh xe lớn trường hợp có VSC Bánh có xu hướng giảm giá trị Do hệ thống có xu hưởng giảm so với trường hợp VSC Ở bánh xe số hai trường hợp giá góc lệch tương tự Độ trượt bánh xe Hình 4.30 Độ trượt bánh xe trường hợp VSC Luận văn thạc sĩ -67- Hình 4.31 Độ trượt bánh xe trường hợp có VSC Nhận xét: Xe chế độ không VSC, giá trị độ trượt bánh xe1 nhỏ không đạt đến giá trị cần điều chỉnh Ở hệ thống phanh có VSX,khi xe vào đường vòng hệ thống điều khiển tăng mô men bánh bánh bị tăng độ trượt vượt giới hạn hệ thống tiến hành điều chỉnh để trì độ trượt tối ưu (0,1) Bán kính quay vòng thực tế lý thuyết: Hình 4.32 Bán kính quay vòng thực tế lý thuyết trường hợp VSC Luận văn thạc sĩ -68- Hình 4.33 Bán kính quay vòng thực tế lý thuyết trường hợp có VSC Nhận xét: + Ở trường hợp VSC: thời gian tác động vành lái (1s) bán kính quay vòng thực tế (Rtt) , xe vào đường vòng thời điểm t = 1s Rtt=46 m Sau xe vào hết đoạn đường cong Rtt có xu hướng tăng mạnh đến thời điểm t = khoảng 3s Rtt = 70m So với bán kính quay vòng lý thuyết Rlt = 12m Xe trạng ổn định lớn + Ở trường hợp có VSC: thời gian tác động vành lái (1s) m Rtt = 30m Sau xe vào hết đoạn đường cong Rtt có xu hướng giảm tiếp đến giá trị = 20m, gần với giá trị bán kính quay vòng theo lý thuyết + Như xe có VSC bán kính quay vòng thực tế gần với giá trị bán kính quay vòng lý thuyết, xe trạng thái ổn định chạy vào đường vòng Luận văn thạc sĩ -694.5.2 Khảo sát trường hợp TRC Hình 4.34 : Độ trượt bánh xe Hinh:4.35 Vận tốc góc bánh xe Luận văn thạc sĩ -70- Hinh4.36: Vận tốc góc bánh xe Hình 4.37: Mô men bánh xe Nhận xét: Khi hệ thống làm việc chế độ TRC ta thấy vận tốc góc bánh xe có xu hướng tăng, độ trượt bánh xe có xu hướng giảm giá trị tối ưu nhằm đảm bảo tối đa khả bám bánh xe mặt đường Mo men bánh xe có xu hướng giảm phù hợp với quy luật thực tế Luận văn thạc sĩ -71KẾT LUẬN Sau thời gian làm đề tài với nội dung nghiên Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học hệ thống phanh điều khiển By Wire Đề tài thực nhiệm vụ nêu ban đầu có ý nghĩa khoa học thực tiễn gồm: Phân tích nguyên lý hoạt động hệ thống phanh By Wire(EHB) Xây dựng mô hình nghiên cức tính VSC TRC hệ thống phanh By Wire Tính toán mô số tính VSC TRC hệ thống phanh By Wire Luận văn thạc sĩ -72TÀI LIỆU THAM KHẢO GS TSKH Nguyễn Hữu Cẩn tập thể tác giả - Lý thuyết ôtô máy kéo – Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 1996 PTS Nguyễn Khắc Trai – Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô – Nhà xuất Giao thông vận tải Hà Nội, 1997 Nguyễn Phùng Quang – Matlab Simulink – Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật (2004) H Dugoff, P Fancher, L Segen – An Analysis of Tire Traction Properties and Theeir Influence on vehicle Dynamic Performance – SAE paper 700377 Luận văn thạc sĩ ... chung hệ thống phanh điều khiển By Wire Hệ thống phanh điều khiển By Wire hệ thống điều khiển điện tử Trong lực tác động người lái không tác động trực tiếp để tạo mô men phanh hệ thống phanh thông... trưng hệ thống phanh By Wire Tính toán, mô số để đánh giá chức hệ thống phanh điều khiển By Wire Luận văn thạc sĩ -17CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN BY WIRE 2.1 Đặc điểm chung hệ thống. .. phanh Còn hệ thống phanh điều khiển By Wire lực tác động lên bàn đạp phanh tín hiệu điều khiển hệ thống phanh hoạt động Trong hệ thống có dòng dầu áp suất cao Hệ thống làm việc dựa điều khiển van