Mô phỏng hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng dùng cho ô tô con

Hệ thống lái ô tô thực hiện điều khiển hướng chuyển động của ô tô bằng cách quay cầu xe hoặc hoặc quay các bánh xe dẫn hướng đi một góc nào đó quanh trụ đứng trước đây hệ thống lái thườn

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

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

==================

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH XE DẪN HƯỚNG

DÙNG CHO Ô TÔ CON

Chuyên ngành đào tạo: Cơ khí ôtô

Người hướng dẫn: TS Hồ Hữu Hải Người thực hiện: Phạm Quang Hưng

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Ký hiệu các đại lượng sử dụng trong đề tài Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined

1.1 Các vấn đề về hệ thống lái Error! Bookmark not defined

1.2 Yêu cầu đối với hệ thống lái ô tô Error! Bookmark not defined

1.3 Phân loại hệ thống lái ô tô Error! Bookmark not defined

1.4 Các trạng thái quay vòng của ô tô Error! Bookmark not defined

1.5 Nhiệm vụ của đề tài Error! Bookmark not defined

1.5.1 Tình hình nghiên cứu Error! Bookmark not defined

1.5.2 Nhiệm vụ của đề tài Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC QUAY VÒNG VÀ GÓC QUAY DẪN HƯỚNG BÁNH XE

CẦU SAU Error! Bookmark not defined

2.1 Hình thang lái và mô hình hình thang lái Error! Bookmark not defined

2.2 Động học quay vòng và quan hệ giữa góc quay dẫn hướng giữa góc quay dẫn hướng

trước và sau Error! Bookmark not defined

2.2.1 Trường hợp hai bánh xe dẫn hướng Error! Bookmark not defined

2.2.2 Trường hợp bốn bánh xe dẫn hướng Error! Bookmark not defined

2.2.3 Cơ sở tính góc quay dẫn hướng giới hạn của bánh xe cầu sauError! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI 4 BÁNH XE DẪN

HƯỚNG DÙNG TRÊN Ô TÔ CON Error! Bookmark not defined

3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng SIMULINK Error! Bookmark not defined

3.2 Giới thiệu về bộ điều khiển theo logic mờ Error! Bookmark not defined

3.2.1 Một số khái niệm Error! Bookmark not defined

3.2.2 Một số thông số đánh giá chất lượng quá trình điều khiểnError! Bookmark not defined 3.2.3 Bộ điều khiển mờ Error! Bookmark not defined

3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống lái 4WS Error! Bookmark not defined

3.3.1 Cụm bơm thủy lực Error! Bookmark not defined 3.3.2 Cụm van phân phối Error! Bookmark not defined 3.3.3 Cụm xi lanh thủy lực Error! Bookmark not defined 3.3.4 Bộ điều khiển mờ Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Error! Bookmark not defined 4.1 Khảo sát đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển Error! Bookmark not defined 4.2 Kết quả mô phỏng một số chế độ làm việc điển hình Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN CHUNG Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Ký hiệu các đại lượng sử dụng trong đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Các vấn đề về hệ thống lái 5

1.2 Yêu cầu đối với hệ thống lái ô tô 6

1.3 Phân loại hệ thống lái ô tô 7

1.4 Các trạng thái quay vòng của ô tô 7

1.5 Nhiệm vụ của đề tài 12

1.5.1 Tình hình nghiên cứu 12

1.5.2 Nhiệm vụ của đề tài 13

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC QUAY VÒNG VÀ GÓC QUAY DẪN HƯỚNG BÁNH XE CẦU SAU 14

2.1 Hình thang lái và mô hình hình thang lái 14

2.2 Động học quay vòng và quan hệ giữa góc quay dẫn hướng giữa góc quay dẫn hướng trước và sau 18

2.2.1 Trường hợp hai bánh xe dẫn hướng 18

2.2.2 Trường hợp bốn bánh xe dẫn hướng 20

2.2.3 Cơ sở tính góc quay dẫn hướng giới hạn của bánh xe cầu sau 22

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI 4 BÁNH XE DẪN HƯỚNG DÙNG TRÊN Ô TÔ CON 27

3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng SIMULINK 27

3.2 Giới thiệu về bộ điều khiển theo logic mờ 29

3.2.1 Một số khái niệm 29

3.2.2 Một số thông số đánh giá chất lượng quá trình điều khiển 33

3.2.3 Bộ điều khiển mờ 37

3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống lái 4WS 40

3.3.1 Cụm bơm thủy lực 42

3.3.2 Cụm van phân phối 44

3.3.3 Cụm xi lanh thủy lực 49

3.3.4 Bộ điều khiển mờ 53

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 60

4.1 Khảo sát đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển 61

4.2 Kết quả mô phỏng một số chế độ làm việc điển hình 63

KẾT LUẬN CHUNG 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

Ký hiệu các đại lượng sử dụng trong đề tài

b : Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến tâm cầu sau [m]

b x : Hệ số cản nhớt của pít tông xi lanh thủy lực

Cα : Độ cứng bên của lốp xe [N/độ]

F lt : Lực ly tâm tác dụng lên thân xe [N]

F t : Lực cản quay vòng trên các bánh xe sau quy về cần pít-tông [N]

g : Gia tốc trọng trường [m/s2]

K v : Hệ số tỷ lệ của nam châm điều khiển van phân phối

L : Chiều dài cơ sở của ô tô [m]

m : Khối lượng của ô tô [kg]

m p : Khối lượng quy đổi của pít tông xi lanh thủy lực [kg]

N : Lực ngang tác dụng trên mỗi bánh xe [N]

p : Áp suất dầu thủy lực [Pa]

p iA : Áp suất ban đầu trong khoang A của xi lanh thủy lực [Pa]

p iB : Áp suất ban đầu trong khoang B của xi lanh thủy lực [Pa]

∆p d : Áp suất danh nghĩa trên van phân phối [Pa]

Q : Lưu lượng dầu thủy lực [m3/s]

Q d : Lưu lượng danh nghĩa của van phân phối [m3/s]

R : Bán kính quay vòng của ô tô [m]

R min : Bán kính quay vòng tĩnh ổn định nhỏ nhất của ô tô [m]

S A : Diện tích pít-tông phía khoang A của xi lanh thủy lực [m2]

S B : Diện tích pít-tông phía khoang B của xi lanh thủy lực [m2]

T v : Hằng số thời gian của nam châm điều khiển van phân phối [s]

u : Điện áp điều khiển van phân phối [V]

v : Vận tốc chuyển động của ô tô [m/s]

x : Độ dịch chuyển của pít-tông xi lanh thủy lực

x v : Độ dịch chuyển của con trượt van phân phối

x vd : Độ dịch chuyển danh nghĩa của con trượt van phân phối

Y : Giới hạn lực bám ngang của ô tô [N]

α t : Góc lệch bên của vết bánh xe trước do tác dụng của lực ngang [độ]

β t : Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu trước [độ]

βs : Góc quay bánh xe dẫn hướng cầu sau [độ]

δ T : Góc quay dẫn hướng của vết bánh xe cầu trước [độ]

δ S : Góc quay dẫn hướng của vết bánh xe cầu sau [độ]

φ y : Hệ số bám ngang của mặt đường [-]

ξ : Hệ số cản của nam châm điện điều khiển van phân phối

Ω : Góc quay vành lái [độ]

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Các vấn đề về hệ thống lái

Hệ thống lái là một cơ cấu an toàn của ô tô, nó dùng để điều khiển hướng chuyển động của ô tô được thực hiện từ trên buồng lái tới các bánh xe dẫn hướng Nó là một trong những cụm tổng thành chính, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển ô tô trên đường

Hệ thống lái ô tô thực hiện điều khiển hướng chuyển động của ô tô bằng cách quay cầu xe hoặc hoặc quay các bánh xe dẫn hướng đi một góc nào đó quanh trụ đứng trước đây hệ thống lái thường gồm 2 bánh xe dẫn hướng, một

số xe tải lớn và xe chuyên dụng sử dụng 4 hoặc 6 tất cả các bánh dẫn hướng nhằm mục đích tăng khả năng quay vòng ngoặt của ô tô Thời gian qua trên ô

tô du lịch thường chỉ có 2 bánh xe dẫn hướng gần đây khi tốc độ chuyển động của ô tô ngày càng cao khi đó các hãng xe trên thế giới bắt đầu bắt đầu quay trở lại sử dụng hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng dùng trên xe ô tô con nhằm mục đích tăng khả năng quay vòng ngoặt đồng thời tăng tính ổn định chuyển động của ô tô

Hệ thống lái (4WS), 4 bánh xe dẫn hướng trên ô tô du lịch có thể phân chia thành hai phần

Phần điều khiển các bánh xe cầu trước (giống như hệ thống lái hai bánh

xe dẫn hướng thông thường)

Phần điều khiển các bánh xe dẫn hướng cầu sau Phần điều khiển và góc

quay dẫn hướng các bánh xe cầu sau thực hiện quay bánh xe cầu sau quanh trụ

đứng một góc Để có thể tăng tính ổn định chuyển động ở tốc độ cao và khả năng quay vòng ngoặt ở tốc độ thấp, góc quay này còn có các giá trị phụ thuộc vào thông số và trạng thái hoạt động của ô tô, gia tốc chuyển động của ô tô, góc quay và vận tốc quay vành lái … Quan hệ tối ưu giữa các góc quay dẫn hướng các bánh xe sau theo những trạng thái của ô tô kể trên rất phức tạp Hiện nay trên ô tô có sử dụng nhiều loại hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng khác nhau như hệ thống lái hoàn toàn cơ khí, hệ thống lái kết hợp điện - điện

tử … các hệ thống này thực hiện các góc quay dẫn hướng các bánh xe sau theo quan hệ được đơn giản hóa theo góc quay vành tay lái (hay nó còn phụ thuốc vào góc quay dẫn hướng của các bánh xe cầu trước) theo tốc độ chuyển động của ô tô

1.2 Yêu cầu đối với hệ thống lái ô tô

- Đảm bảo động học quay vòng tốt (góc quay của bánh xe dẫn hướng hợp lý, sự trượt dọc, trượt bên của tất cả các bánh xe là nhỏ nhất);

- Đảm bảo các bánh xe dẫn hướng có khả năng tự ổn định cao có khả năng tự trả về vị trí trung gian đi thẳng và giữ được khi quay vòng theo vành lái cần thiết;

- Giảm được va đập truyền từ bánh xe lên vành lái, đồng thời đáp ứng khả năng tuỳ động của cơ cấu (tính chép hình);

- Lực đặt lên vành lái nhỏ, giữ ổn định vành lái tốt mà vẫn tạo lên cảm giác “quay vòng” khi điều khiển;

- Đảm bảo phù hợp về kết cấu cảu hệ thống lái và hệ thống treo về mặt động học và động lực học khi quay vòng;

1.3 Phân loại hệ thống lái ô tô

+ Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái

* Theo số lượng cầu dẫn hướng: Một hay tất cả các bánh xe ô tô đều dẫn hướng;

* Theo vị trí bố trí vành lái: Bên trái, bên phải ô tô;

* Theo đặc điểm kết cấu: điều khiển cơ khí hay cơ khí có cường hoá (có trợ lực);

* Theo phương pháp điều khiển: bằng tay, tự động;

+ Hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng có nhiều loại:

* Loại cơ khí thuần tuý;

* Loại cơ khí kết hợp thuỷ lực - điện từ;

* Loại cơ khí thuỷ lực kết hợp khí nén;

1.4 Các trạng thái quay vòng của ô tô

Khi ô tô chuyển động trên đường phải đảm bảo độ ổn định và quỹ đạo chuyển động của ô tô Tuy nhiên trong thực tế do điều kiện mặt đường thường xuyên thay đổi (đường vòng, nghiêng ngang, dọc…), vận tốc chuyển động của

ô tô cũng thay đổi và các phương tiện tham gia giao thông tham gia trên đường… Từ đó đòi hỏi người lái phải thích ứng với từng điều kiện hoàn cảnh

cụ thể để đảm bảo an toàn chuyển động, bằng cách phối hợp linh hoạt các thao tác điều khiển: phanh, lái, ga…Như vậy mối tương quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái khi vận tốc ô tô được nâng cao lại càng phải chặt chẽ hơn, nếu không đảm bảo mối quan hệ giữa hai mặt này thì khả năng mất quỹ đạo chuyển động dẫn tới mất an toàn giao thông rất dễ dàng

Khi nghiên cứu động học và động lực học quay vòng của ô tô với hệ thống lái 2WS rút ra được biểu thức về mối quan hệ giữa các góc quay vòng các bánh xe dẫn hướng để chúng không bị trượt bên khi xe vào đường vòng khi ở tốc độ thấp cũng như ở tốc độ cao:

L

B

t t

0 2

1 − β =

β cotgcotg

Từ đây tính toán được bán kính quay vòng (R), vận tốc góc quay vòng (ω), gia tốc góc (dω / dt) và lực quán tính khi ô tô vào đường vòng (Pjy)

Trạng thái quay vòng trong chuyển động đều

Trong quan niệm của tính điều khiển trạng thái “ quay vòng đều” được định nghĩa: ô tô chuyển động với vận tốc (v) không đổi và bán kính quay vòng (R) không đổi

Kèm theo các khái niệm về quay vòng đều, các chuyển vị của ô tô được tính toán theo sự thay đổi của tốc độ (quá trình khảo sát không theo thời gian trên đường vòng, mà theo các trạng thái quay vòng đều ở các giá trị vận tốc khác nhau) Các đặc tính của ô tô (chuyển vị theo vận tốc) được gọi tên là

“tính điều khiển tĩnh”

Quá trình quay vòng của xe có thể chia thành những giai đoạn khác nhau Giai đoạn thứ nhất là giai đoạn bắt đầu đi vào đường vòng Giai đoạn này được đặc trưng bằng bán kính quay vòng giảm dần Giai đoạn thứ hai là giai đoạn quay vòng Ở giai đoạn này là giai đoạn góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng không đổi, lúc này xe thực hiện quay vòng đều, nghĩa là quay vòng với bán kính và vận tốc quay vòng không đổi Giai đoạn thứ ba là giai đoạn xe đi

ra khỏi đường vòng ở giai đoạn này góc quay của các bánh xe dẫn hướng

giảm dần và bán kính quay vòng tăng dần Kết thúc giai đoạn thứ ba các bánh

xe dẫn hướng được đưa về vị trí xe đi thẳng (Rqv= ∞)

Tuy nhiên trong quá trình quay vòng của xe còn có lực bên tác dụng, đáng kể là lực quán tính ly tâm tác dụng (Pjy) Khi không có lực bên tác dụng bánh xe sẽ lăn trong mặt phẳng lăn của nó, nghĩa là lăn theo hướng vận tốc v Khi có lực bên tác dụng, xe sẽ có xu hướng lăn theo hướng vận tốc v' lệch so với hướng vận tốc v với một góc α Góc α gọi góc lệch bên của bánh xe đàn hồi

Tính điều khiển được đánh giá theo quan niệm về trạng thái: quay vòng đúng, quay vòng thừa, quay vòng thiếu và mô tả thông qua đồ thị đánh giá trên (Hình 1-1)

Trong trạng thái ô tô quay vòng đều, bán kính quay vòng được xác định: Trong đó:

L: chiều dài cơ sở của ô tô,

βt: Góc quay bánh xe dẫn hướng

t

α , αs: Góc biến dạng bên của cầu trước và cầu sau

Từ sơ đồ ta xác định được Rqv như sau:

Rqv

s t

tg

L

αα

β − +

=

)(

α s

O

Nếu xe quay vòng với βt nhỏ thì ta có thể coi: tg(βt-αt) ≈ βt-αt; tgαs ≈ αs

Do đó Rqv= βt +(αL s −αt)

- Khi (αt - αs) = 0 là trạng thái quay vòng đúng

- Khi (αt - αs) < 0 là trạng thái quay vòng thiếu

- Khi (αt - αs) > 0 là trạng thái quay vòng thừa

Vậy trạng thái “quay vòng đúng” khi quay vòng đều là bán kính quay vòng không phụ thuộc vào gia tốc bên (Rqv = const) Do đó trạng thái này chỉ xảy ra khi vận tốc nhỏ hay bằng không hoặc xảy ra trong một thời gian ngắn

Trạng thái “quay vòng thừa”, sẽ gây lên giảm bán kính quay vòng, tức

là gia tăng lực ly tâm khi ô tô quay vòng, do vậy đây là trạng thái quay vòng không mong muốn khi ô tô chuyển động trên đường cong

Trạng thái “quay vòng thiếu”, sẽ gây lên tăng bán kính quay vòng, để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R thì người lái phải tăng góc quay vành lái một lượng ∆βvl và khi quay vòng thừa, để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R thì người lái phải giảm góc quay vành lái một lượng ∆βvl

Khi quay vòng ô tô chịu ảnh hưởng lớn của kết cấu ô tô: áp suất hơi, hệ thống lái và tải trọng trên các cầu xe Với các lý do kể trên trong thiết kế ô tô, nhất là tính toán hệ thống lái cần phải quan tâm ở các trạng thái quay vòng khi

ô tô chuyển động ở các tốc độ khác nhau

Phần lớn các ô tô quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa, hoặc không ổn định khi quay vòng ở các tốc độ khác nhau Vì vậy để mở rộng khả năng nghiên cứu một cáh tổng quát hơn, đề tài sẽ hướng theo mục đích các loại xe

con chuyển động 4 bánh xe dẫn hướng có khả năng quay vòng gấp trong các đoạn đường trật hẹp và ổn định quay vòng ở tốc độ cao

1.5 Nhiệm vụ của đề tài

1.5.1 Tình hình nghiên cứu

Việc nghiên cứu hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng trên xe ô tô con (xe

du lịch) là một trong những vấn đề được các nhà thiết kế hết sức quan tâm Hệ thống lái của ô tô có ảnh hưởng lớn tới chất lượng vận hành, tính an toàn chuyển động của ô tô Ngoài ra nó còn ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng ổn định chuyển động và khả năng phanh của ô tô Trong thời gian vừa qua đã có nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã đề cập tới vấn đề chuyển động bốn bánh xe dẫn hướng dùng cho xe ô tô con như của các hãng

+ Hon đa Prelude từ những năm 1987; Hon đa Accord năm 1989; Nissan Skyline năm 1988; Toyota Soarer năm 1992; gần đây nhất là Nissan Laurel năm 1993, đây là các hóng xe đó đưa vào sản xuất nhưng tính năng của

nó cũn rất hạn chế, phức tạp cho người điều khiển, vào những năm gần đây cón có một số tác giả trong nước đó nghiờn cứu về vấn đề về hệ thống lái

Vũ Cao Điền năm 1997 đã nghiên cứu về quỹ đạo chuyển động chuyển động của ô tô nhưng chỉ nghiên cứu vấn đề tính ổn định lật xe bằng đồ thị pha và quỹ đạo pha

Tác giả Lê Anh Vũ đã nghiên cưư về hệ thống lái nhưng chỉ đề cập vấn

đề góc quay vòng thiếu và thừa

Tác giả Hồ Hữu Hải năm 2006 đã nghiên cứu hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng nhưng chỉ đề cập ở một vết của bánh xe Tuy nhiên do tính chất phức

giản hoá để đưa quá trình chuyển động xe về quá trình chuyển động đơn giản, dẫn tới kết quả nghiên cứu còn hạn chế

1.5.2 Nhiệm vụ của đề tài

1 Xây dựng mô hình hình thang lái

2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển bánh xe dẫn hướng cầu sau

3 Mô phỏng hệ thống ở một số tình huống làm việc điển hình

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC QUAY VÒNG VÀ GÓC QUAY DẪN HƯỚNG

BÁNH XE CẦU SAU

2.1 Hình thang lái và mô hình hình thang lái

Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu hệ thống lái đến quỹ đạo chuyển động của ô tô ta phải đưa vào mô hình hệ thống lái, để khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu cụ thể như: tỷ số truyền cơ cấu lái il, độ cứng hệ thống lái

Cl Từ đây xem xét mối liên quan giữa hệ thống lái tới góc quay của bánh xe dẫn hướng

mà hàm kích động được mô tả bởi góc quay vành lái βvl

Đề tài nghiên cứu hệ thống lái chuyển động bốn bánh xe dẫn hướng dùng trên xe con Từ đây, xác định được các mối quan hệ về các lực và mô men trong hệ thống lái làm cơ sở cho việc thiết kế, lắp đặt bộ cường hóa lái Trong mô hình động lực học của ô tô các bánh xe dẫn hướng βti là hoàn toàn khác nhau Do vậy cần phải xác định mối quan hệ của góc quay vành lái βv và góc quay bánh xe dẫn hướng õt Mối quan hệ này chịu ảnh hưởng của góc quay vành lái, cơ cấu lái, đòn dẫn động lái, trụ đứng và các bánh xe dẫn hướng được mô tả trên hình 2-1 Đây là mô hình hệ thống lái với hai bánh xe dẫn hướng cầu trước :

Mối quan hệ giữa gúc quay vành lỏi và gúc quay bỏnh xe dẫn hướng

i

v t

β

Mụ men quay vành lỏi Mv tớnh chuyển về đũn quay đứng và bỏ qua hiệu suất được xỏc định như sau

Phương trình cân bằng mô men của hệ thống lái:

Mv* : Mô men đặt tại đòn quay đứng ; Mv*= CL(βt*-βt) (2.3) *

v

M = -(S1 + S2).nk - (X1 - X2).ro - S1.ns1- S2.ns2- X1.nx1- X2.nx2 (2.4)

Ở đây coi X1, X2 bị dịch ngang một đoạn nx1, nx2 do tác dụng của lực bên S1, S2 ảnh hưởng của lực vòng X1, X2 đối với góc quay βt thông qua sự sai khác (X1 - X2) và (r0 + nx1), (r0 - nx2)

õ v

Hình 2-1 Mô hình hệ thống lái hai bánh xe dẫn hướng

Giả thiết bỏ qua sự sai khác này của lực vòng và coi độ dịch sau là như nhau khi đó:

Mv* = - (S1 + S2).(nk + ns) (2.5)

Từ (2-4) và (2-5) ta viết:

- (S1 + S2).(nk + ns) = Cl (βv*- βt) (2.6) Như vậy mối quan hệ của βt và βv* là:

βt = βv* -

l

s k 2 1

C

) n )(n S (S + + (2.7)

Khi cần xác định mối quan hệ của βt và βv có thể dùng công thức:

βt =

l

s k 2 1 l

v

C

) n )(n S (S i

C

) n )(n S (S + + = 0

Trong đó B, L là chiều rộng và chiều dài cơ sở của ô tô (hình 2.1)

Hình 2-1 Góc quay của các bánh xe dẫn hướng trên mô hình 1 vết và 2 vết

Từ công thức (2.9) βt =

l

v

i β

i: Tỷ số truyền hệ thống lái i = 18; nếu có góc quay vành lái ta sẽ xác định được các góc quay bánh trước tương ứng

Từ công thức

Cotgβt2 – cotgβt1 =

L

B Trong đó:

B: Chiều rộng cơ sở của xe

L: Chiều dài cơ sở của xe

tg t 2

1 1

1

−

=

ββ

L

B tg

tg

t 2 1

1 (

1

L

B tg

1 (

2

L

B tg

2.2.1 Trường hợp hai bánh xe dẫn hướng

Sơ đồ (Hình 2-2) Biểu thị quan hệ động học và hình học quay vòng của ô

tô du lịch có hai bánh trước dẫn hướng phía trước

G Là trọng tâm của xe

I Là tâm quay vòng tức thời của xe

Điều kiện để đảm bảo các xe dẫn hướng không bị trượt lết hoặc quay thì tâm I, phải nằm trên trục cầu sau

Hình 2-2 Quan hệ hình học quá trình quay vòng của ô tố có hai bánh dẫn hướng

Như vậy bán kính quay vòng của xe là:

R =IG = IO2 +OG2 = L2 * cotg2βt +b2

Từ sơ đồ hình 2-2 Ta rút ra được biểu thức về mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng để đảm bảo cho chúng không bị trượt khi xe vào đường vòng:

L

B g

g 2 − cot 1 =

Trong đó:

βt - góc quay trung bình của bánh xe cầu trước bên phải và bên trái

β1- góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên trong;

β2- góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài;

L - chiều dài cơ sở của xe;

B – chiều rộng cơ sở của xe

2.2.2 Trường hợp bốn bánh xe dẫn hướng

Với hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng trên ô tô du lịch, các bánh xe cầu sau có thể quay cùng chiều hay ngược chiều với các bánh xe cầu trước Xét trường hợp các bánh xe cầu sau quay ngực chiều với bánh xe cầu trước với các thông

số hình học như trên hình 2.3 Trong đó:

- G là trọng tâm ô tô;

- X0Y là hệ trục toạ độ có gốc 0 tại tâm dầm cầu sau;

- I(x0,y0) là tâm quay vòng tức thời của ô tô;

- βt,βs, là các góc quay trung bình của các xe bánh cầu trước và cầu sau

I

G H

HT tg

tgβT + βS = (2.13)

Và IH2 =IG2- GH2 =R2 – (GO-HO)2 = R2- (

S T

S

tg tg

tg L b

ββ

β

+

− . )2 (2.14)

Trường hợp hai bánh xe cầu sau quay cùng chiều với các bánh xe cầu trước,

tâm quay vòng tức thời (tâm vận tốc tức thời) của xe nằm bên dưới so với gốc

toạ độ O (hình 2.4) nên y0<0 và các quan hệ hình học như

(Xo, Yo)

Hình 2.4- Sơ đồ các bánh xe quay cùng chiều

tg

IH

y IH

S

tg tg

tg L b

β β

β +

− . )2 (2.16)

Từ các quan hệ (2.13) và (2.15), (2.14) và 2.16) rút ra quan hệ hình học

tổng quát khi quay vòng của ô tô 4 bánh xe dẫn hướng (bánh xe cầu sau quay

cùng chiều và ngược chiều với bánh xe cầu trước):

S

tg tg

tg L b

ββ

2

2

) (

) (

−

s t

t s

s t

s s

t

tg tg

tg b L b tg R

L tg

tg

tg L tg

tg b R

L

ββ

ββ

ββ

ββ

=> R2-

2

) (

t s

tg tg

tg b L b tg

ββ

t s

tg tg

tg b L b tg

ββ

β

β (2.19)

Khi xe quay vòng ngoài những lực tác dụng lên xe trong mặt phẳng đứng thì xe còn chịu tác dụng của các lực trong mặt phẳng ngang như :

Khi ô tô quay vòng trên đường trên đường bằng phẳng, có hệ số bám ngang ϕy thì điều kiện để xe không bị trượt ngang là:

t s

tg tg

tg b L b tg

ββ

ββ

≥ R2min ⇔ L2 + (tgβs(b−L) +btgβt)2 ≥ (tgβT+ tgβS)2 R2min

Khai triển và biến đổi tương đương thành bất phương trình bậc hai như sau:

[ R2min - (b-L)2].tg2βs +2[R2min - b(b - L)].tgβT.tgβs+

R2min.tg2βT-b2.tg2βT-L2 ≤ 0 (2.21)

Vì b là giá trị phụ thuộc vào việc phân bố tải trọng lên các cầu của ô tô, nên b = k*L

- Tải trọng phân bố đều lên các cầu thì k=0,5;

- Tải trọng phân bố không đều thì k ≠ 0,5

Thay b = k*L vào (4) ta được bất phương trình sau :

[ R2min - L2(k-1)2].tg2βS +2[R2min - L2(k - 1)k].tgβT.tgβS+

R2min.tg2βT-k2.L2tg2βT- L2 ≤ 0 (2.22) Xét trường hợp cụ thể k = 0,5, (2.22) được rút gọn lại là:

)

4 (

2 2 min

2

2 2 min

2 min 2 2

2 2 min

L R

L

L R R

L tg

L R

−

− +

± +

Bảng 2 Các giá trị giới hạn góc quay bánh xe cầu sau

Từ phương trình (2.23) có thể tính được góc quay dẫn hướng giới hạn của các bánh xe cầu sau dẫn hướng theo vận tốc chuyển động của ô tô, góc quay dẫn hướng của các bánh xe cầu trước và hệ số bám ngang của bánh xe với mặt đường Kết quả tính toán với ϕy = 0 , 3 được đưa ra trong bảng 2 Qua kết quả này nhận thấy:

* Khi vận tốc xe nhỏ (v ≤10 (m/s) thì bánh xe sau có thể quay cùng chiều hoặc ngược chiều với bánh xe trước tuỳ theo góc quay bánh trước

+ v <5 (m/s) thì βS > 0: thực tế cho thấy khi xe quay vòng trên loại đường có hệ số bám thấp như trên để có được bán kính quay vòng thấp nhất thì vận tốc của xe thậm chí phải rất nhỏ nhằm tránh sự mất ổn định ngang + 5 < v < 10: Tuỳ theo góc quay bánh xe cầu trước mà bộ xử lý trung tâm sẽ điều khiển góc quay bánh xe cầu sau cho phù hợp với điều kiện cụ thể

* Vận tốc xe tăng dần v >10 (m/s) thì βS < 0: ở vận tốc cao việc điều khiển quay vòng ô tô là nguy hiểm vì rât dễ xảy ra sự mất ổn định ngang Do

đó việc bánh xe cầu sau quay cùng chiều với bánh xe cầu trước trong trường hợp này là cần thiết vì nó sẽ tạo ra sự quay vòng thiếu không lớn, đảm bảo cho

ô tô được ổn định khi quay vòng

Ứng với các loại đường khác nhau ta sẽ thu được các dạng đồ thị quan hệ

S

β =f(v, βT) là khác nhau Và thực tế là khi chất lượng đường càng tốt thì khả năng quay vòng cũng như tính ổn định cho xe càng được nâng cao lên.Điều này được được chứng thực phần nào thông qua một số bảng các giá trị giới hạn góc quay bánh xe cầu sau tương ứng với một số loại đường khác nhau ở phần phụ lục

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI 4 BÁNH XE DẪN HƯỚNG DÙNG TRÊN Ô TÔ CON

Mô hình mô phỏng hệ thống sẽ được xây dựng trong môi trường Matlab – Simulink Bộ điều khiển góc quay dẫn hướng các bánh xe cầu sau được tổng hợp trên cơ sở lô gíc mờ

3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng SIMULINK

Các nhóm thư viện trong SIMULINK

Các thư viện của Simulink nằm trong Simulink Library Browser như hình 3-1

Chức năng chính của các khối thư viện như sau:

– Thư viện Sources: Các khối chuẩn trong này gồm các nguồn phát tín

hiệu, các khối cho phép nhập tín hiệu từ một file hay từ MATLAB workspace

– Thư viện Sinks: Gồm các khối có khả năng hiển thị đơn giản bằng số,

và các khối dao động ký để biểu diễn các tín hiệu phụ thuộc thời gian hay biểu diễn hai tín hiệu trên hệ tọa độ x-y Ngoài ra còn có khả năng xuất số liệu vào

cửa sổ MATLAB workspace hay cất dữ liệu dưới dạng file

– Thư viện Math: Có một số khối với chức năng ghép toán học các tín

hiệu khác nhau Bên cạnh các khối đơn giản nhằm cộng hay nhân tín hiệu, trong Math còn có nhiều hàm chuẩn bị sẵn như lượng giác, logic

Hình 3-1 Simulink Library Browser

– Thư viện Math: Có một số khối với chức năng ghép toán học các tín

hiệu khác nhau Bên cạnh các khối đơn giản nhằm cộng hay nhân tín hiệu, trong Math còn có nhiều hàm chuẩn bị sẵn như lượng giác, logic

– Thư viện Ports & Subsystems: Được sử dụng để tạo các hệ thống con

các tầng cấp trên được thực hiện nhờ khối Input và Output Số lượng đầu vào /

ra của khối Subsystems phụ thuộc số lượng Input và Output

– Thư viện Continuous & Discrete: Tương ứng để xử lí các tín hiệu

liên tục và rời rạc, bao gồm các hàm tích phân, vi phân, các hàm để tính toán

…

– Thư viện Funtion & Table: Chứa các khối thực hiện việc gọi hàm từ

Matlab, khối nội suy và khối nguyên hàm

– Khối Nonlinear: Chứa các khối phi tuyến

3.2 Giới thiệu về bộ điều khiển theo logic mờ

3.2.1 Một số khái niệm

Tập mờ

– Tập mờ F xác định trên tập hợp kinh điển X là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x,µF( )x ), trong đó x∈ X và µF là một ánh xạ:

µF : X → [ ]0 , 1

Ánh xạ µF được gọi là hàm thuộc của tập mờ F Tập hợp kinh điển X được gọi là tập nền của tập mờ F

Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ

– Độ cao của một tập mờ F là giá trị h F( ) x

X x

µ

∈

= sup , chỉ giá trị nhỏ nhất trong tất cả các giá trị chặn trên của hàm µ ( ) x

– Miền xác định của tập mờ F được kí hiệu bởi S là tập con của M thỏa

Phép giao của hai tập mờ A và B có cùng tập nền X là một tập mờ

cũng xác định trên tập nền X với hàm thuộc thỏa mãn:

3.2.2 Một số thông số đánh giá chất lượng quá trình điều khiển

Một hệ thống điều khiển được đánh giá chất lượng bởi các chỉ tiêu sau: