Nghiên cứu hệ thống hạn chế trượt quay của bánh xe ô tô trên cơ sở hệ thống phanh khí nén có ABS

Hiện nay các hãng xe đã nghiên cứu chuyên sâu về cả lý thuyết lẫn thực nghiệm để thiết kế và chế tạo các các hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động và trang bị rộng rãi trên các dòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Lê Anh Vũ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG HẠN CHẾ TRƯỢT QUAY CỦA BÁNH XE Ô TÔ TRÊN CƠ SỞ HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN CÓ ABS

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Lê Anh Vũ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG HẠN CHẾ TRƯỢT QUAY CỦA BÁNH XE Ô TÔ TRÊN CƠ SỞ HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN CÓ ABS

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Hồ Hữu Hải

2 PGS TS Dương Ngọc Khánh

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Công trình được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS TS Hồ Hữu Hải và PGS TS Dương Ngọc Khánh Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Người cam đoan

Người hướng dẫn

khoa học 1

Người hướng dẫn khoa học 2

PGS TS Hồ Hữu Hải PGS TS Dương Ngọc Khánh Lê Anh Vũ

LỜI CẢM ƠN

Luận án tiến sĩ này được hoàn thành ngoài sự nỗ lực cố gắng của bản thân, NCS đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy cô giáo, các nhà khoa học và tập thể nghiên cứu khoa học NCS xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đõ đó

NCS xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Hồ Hữu Hải, PGS TS Dương Ngọc Khánh - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là những người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, định hướng, đào tạo và giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

NCS xin chân thành cảm ơn các thầy giáo ở Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng - Viện

Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu tại bộ môn để hoàn thành luận án này

NCS xin chân thành cảm ơn các thầy cô đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí Động lực, lãnh đạo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện giúp đỡ và khuyến khích để NCS hoàn thành luận án này

NCS xin chân thành ghi nhận công sức, những đóng góp quý báu và nhiệt tình của các anh, em NCS, cao học và sinh viên các khóa thuộc Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng - Viện

Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình hỗ trợ, động viên NCS trong suốt thời gian NCS thực hiện luận án

Cuối cùng, NCS xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn sự quan tâm động viên khuyến khích, cảm thông sâu sắc của gia đình, bạn bè đã tiếp thêm nghị lực cho NCS trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Nghiên cứu sinh

Lê Anh Vũ

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô tải 4

1.1.1 Thực trạng 4

1.1.2 Định hướng phát triển 4

1.1.3 Những tồn tại và nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển 5

1.1.4 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm và sản xuất hệ thống chống trượt cho ô tô tải 6

1.2 Hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động 6

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 9

1.3.1 Lịch sử phát triển hệ thống chống trượt quay có điều khiển 9

1.3.2 Các công trình nghiên cứu về hệ thống chống trượt quay bánh xe 10

1.4 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 15

1.5 Mục tiêu, phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu 16

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 16

1.5.2 Nội dung nghiên cứu 16

1.5.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 17

1.5.4 Phương pháp nghiên cứu 18

1.6 Bố cục của luận án 18

1.7 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 21

2.1 Mô đun mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô 22

2.2 Mô đun mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực có vi sai 23

2.3 Mô đun mô hình mô phỏng bánh xe 26

2.3.1 Phương trình chuyển động quay của bánh xe bị động 26

2.3.2 Phương trình chuyển động quay của bánh xe chủ động 27

2.3.3 Phản lực tiếp tuyến tại bánh xe 29

2.4.1 Mô phỏng cơ cấu phanh bánh xe 32

2.4.2 Mô phỏng dẫn động phanh 36

2.5 Mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô 40

2.6 Khảo sát ảnh hưởng của mô men phanh tới đặc tính tăng tốc của ô tô 44

2.7 Kết luận chương 2 48

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 50

3.1 Cấu trúc hệ thống 50

3.2 Trạng thái làm việc của các van chấp hành 52

3.3 Thuật toán điều khiển 54

3.4 Mô đun mô phỏng bộ điều khiển trong hệ thống 56

3.4.1 Sơ đồ bộ điều khiển 56

3.4.2 Mô phỏng điều khiển cơ cấu chấp hành 56

3.4.3 Mô phỏng bộ điều khiển 58

3.5 Nghiên cứu xác định ngưỡng điều khiển theo độ trượt của bánh xe 59

3.6 Kết luận chương 3 69

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG 71

4.1 Thiết kế chế tạo hệ thống 71

4.1.1 Mục đích và đối tượng 71

4.1.2 Cảm biến sử dụng trong hệ thống 71

4.1.3 Cụm van chấp hành 73

4.1.4 Thí nghiệm kiểm tra sự làm việc của cụm van chấp hành 75

4.1.5 Bộ điều khiển điện tử 78

4.2 Thực nghiệm hệ thống 83

4.2.1 Mục đích và phương pháp thực nghiệm 83

4.2.2 Chế tạo thiết bị thực nghiệm 84

4.2.3 Trình tự thực nghiệm 92

4.2.4 Kết quả thực nghiệm 94

4.3 Kết luận chương 4 99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA LUẬN ÁN 107

PHỤ LỤC……… 109

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Ký hiệu bằng chữ cái La tinh

A 1 ,A 2 Lần lượt là tiết diện đường ống phanh trước và sau m2

F p2 , F p1 Lần lượt là lực phanh cầu trước và sau N

Gia tốc _max Gia tốc cực đại của ô tô m/s2

giamap Biến điều khiển dòng khí nén xả khỏi bầu phanh

tangap Biến điều khiển dòng khí nén vào bầu phanh

i 0 Tỷ số truyền của truyền lực chính

i h1 Tỷ số truyền tay số 1

K Nhiệt trị riêng của chất khí

K g Hệ số chuyển đổi của chất khí

p

M t p2 , M p p2 Mô men phanh tại bánh xe bên trái, phải N.m

2 Ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp

λ1, λ2 Ngưỡng trượt dưới và trên

φ p

x , φ t x Hệ số bám bánh xe bên phải và trái

µ Hệ số ma sát

ASR Hệ thống chống trượt quay

(Anti Spin Regulator - Antriebsschlupfregelung)

Program)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thông số của xe nghiên cứu 17

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật cơ cấu phanh 34

Bảng 2.2 Giá trị mô men phanh tính toán 34

Bảng 2.3 Giá trị mô men cơ cấu phanh bánh xe từ thí nghiệm 35

Bảng 2.4 Thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng 41

Bảng 2.5 Các trường hợp mô phỏng với mức ga 30% 42

Bảng 2.6 Quan hệ giữa mô men phanh bánh xe với gia tốc cực đại (Gia tốc_max) cùng thời gian duy trì gia tốc lớn nhất (Thời gian) 47

Bảng 3.1 Tổng hợp các phương án mô phỏng xác định ngưỡng trượt điều khiển 61

Bảng 3.2 Giá trị độ trượt trung bình thu được khi mô phỏng quá trình khởi hành với một số giá trị ngưỡng và hệ số bám của đường khác nhau 65

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cảm biến vận tốc góc E2A-S08-KS02-WP-C1 72

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của van 3/2 KTA317 74

Bảng 4.3 Trạng thái điều khiển của cụm van chấp hành 75

Bảng 4.4 Thông số cảm biến đo áp suất Sensys loại M5156-10286X-020BG 75

Bảng 4.5 thông số kỹ thuật cảm biến lực PST-A5t 88

Bảng 4.6 Tổng hợp kết quả sự trượt quay bánh xe 96

Bảng 4.7 Tổng hợp kết quả lực dọc của ô tô 98

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt bánh xe 7

Hình 1.2 Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và độ trượt với các loại lốp 8

Hình 1.3 Nghiên cứu về hệ thống TCS của Huiyi Wang 13

Hình 1.4 Hệ thống chống trượt quay của hãng Wabco cho xe tải 15

Hình 1.5 Ô tô nghiên cứu 17

Hình 2.1 Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống 21

Hình 2.2 Các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động 22

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống truyền lực 23

Hình 2.4 Đặc tính mô men của động cơ 25

Hình 2.5 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động 26

Hình 2.6 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động 27

Hình 2.7 Sơ đồ tính lực dọc 31

Hình 2.8 Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt dọc 32

Hình 2.9 Sơ đồ lực tác động trong cơ cấu phanh tang trống 33

Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm đo mô men phanh bánh xe 35

Hình 2.11 Quan hệ áp suất và mô men phanh bánh xe theo tính toán và thí nghiệm 36

Hình 2.12 Sơ đồ mô phỏng dẫn động phanh khí nén của hệ thống 36

Hình 2.13 Mô men bán trục, vận tốc góc bánh xe khi ô tô chuyển động trên đường có hệ số bám hai bên bánh xe bằng 0.8 42

Hình 2.14 Mô men bán trục, vận tốc góc bánh xe khi ô tô chuyển động trên đường có hệ số bám hai bên bánh xe khác nhau (φt =0,1, φp =0,8) 43

Hình 2.15 Sơ đồ mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô khi tác động phanh 44

Hình 2.16 Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô và độ trượt bánh xe khi ở mức ga 80% trên đường hệ số bám một bên bánh xe chủ động bằng 0.2 (φt =0,2, φp =0,8) 45

Hình 2.17 Vận tốc, gia tốc ô tô và độ trượt bánh xe khi ở mức ga 80% trên đường hệ số bám một bên bánh xe chủ động bằng 0.5 (φt =0,5, φp =0,8) 46

Hình 2.18 Quan hệ giữa hệ số bám, mô men phanh bánh xe với tỷ lệ thời gian duy trì gia tốc lớn nhất của ô tô 48

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống phanh khí nén có ABS 50

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe bằng phanh khí nén 51

Hình 3.4 Sơ đồ ký hiệu của van 3/2 thường đóng 53

Hình 3.5 Trạng thái làm việc của các van chấp hành 53

Hình 3.6 Thuật toán điều khiển hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe 54

Hình 3.7 Tín hiệu và các pha điều khiển hệ thống theo độ trượt 55

Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động 56

Hình 3.9 Sơ đồ một mô đun điều khiển van 3/2 trong hệ thống 57

Hình 3.10 Các biến điều khiển van 3/2, van ABS, áp suất bầu phanh và mô men phanh bánh xe ở bên bánh xe bị trượt quay 57

Hình 3.11 Sơ đồ mô tả một mô đun điều khiển 59

Hình 3.12 Sơ đồ mô tả mô hình mô phỏng hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe 59

Hình 3.13 Sơ đồ mô tả phương pháp xác định ngưỡng điều khiển 60

Hình 3.14 Vận tốc góc bánh xe, gia tốc ô tô, độ trượt và mô men phanh bánh xe khi một bên bánh xe chủ động khởi hành trên đường có hệ số bám bằng 0.45 (φt = 0,45, φp =0,8) với ngưỡng điều khiển λ1 = 0,05, λ2 = 0,25 62

Hình 3.15 Vận tốc góc bánh xe, gia tốc ô tô, độ trượt và mô men phanh bánh xe khi một bên bánh xe chủ động khởi hành trên đường có hệ số bám bằng 0.45 (φt =0,45, φp =0,8) với ngưỡng điều khiển λ1 = 0,2, λ2 = 0,4 62

Hình 3.16 Vận tốc góc bánh xe, gia tốc ô tô, độ trượt và mô men phanh bánh xe khi một bên bánh xe chủ động khởi hành trên đường có hệ số bám bằng 0.45 (φt=0,45, φp =0,8) với ngưỡng điều khiển λ1 = 0,05, λ2 = 0,4 63

Hình 3.17 Vận tốc góc bánh xe, gia tốc ô tô, độ trượt và mô men phanh bánh xe khi một bên bánh xe chủ động khởi hành trên đường có hệ số bám bằng 0.2 (φt=0,2, φp =0,8) với ngưỡng điều khiển λ1 = 0,2, λ2 = 0,25 64

Hình 3.18 Vận tốc, gia tốc ô tô và vận tốc góc bánh xe, độ trượt bánh xe khi một bên bánh xe chủ động đi trên đường có hệ số bám bằng 0.1 (φt=0,1, φp =0,8) 66

Hình 3.19 Vận tốc, gia tốc ô tô và vận tốc góc bánh xe, độ trượt bánh xe khi một bên bánh xe chủ động đi trên đường có hệ số bám bằng 0.2 (φt=0,2, φp =0,8) 66

Hình 3.20 Vận tốc, gia tốc ô tô và vận tốc góc bánh xe, độ trượt bánh xe khi một bên bánh xe chủ động đi trên đường có hệ số bám bằng 0.3 (φt=0,3, φp =0,8) 67

Hình 3.21 Gia tốc cực đại đạt được khi có điều khiển (φt=0,1 ÷0,3, φp =0,8) 68

Hình 3.22 Lực kéo của ô tô khi một bên bánh xe chủ động đi trên đường có hệ số bám bằng 0.1 (φt=0,1, φp =0,8) 68

Hình 4.1 Sơ đồ mạch cảm biến E2A-S08-KS02-WP-C1 72

Hình 4.2 Sơ đồ cụm van chấp hành 74

Hình 4.3 Sơ đồ lắp ghép cụm van chấp hành hạn chế trượt quay được chế tạo thử 74

Hình 4.4 Sơ đồ cảm biến đo áp suất khí nén 75

Hình 4.5 Biến thiên áp suất bầu phanh với ô tô nguyên bản 77

Hình 4.6 Biến thiên áp suất bầu phanh khi lắp van chấp hành và kích hoạt 77

Hình 4.7 Cấu trúc bộ điều khiển điện tử 78

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến vận tốc góc bánh xe phía trước 79

Hình 4.9 Sơ đồ tính các thông số để transistor bão hòa 80

Hình 4.10 Bảng mạch hoàn thiện của bộ điều khiển 82

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển 83

Hình 4.12 Thiết bị đo – ghi dữ liệu 84

Hình 4.13 Sơ đồ đấu dây cho giắc nguồn 85

Hình 4.14 Sơ đồ đấu dây cho cảm biến lực (đo lực dọc của ô tô) 85

Hình 4.15 Sơ đồ đấu dây cho cảm biến tốc độ (đo vận tốc góc bánh xe) 85

Hình 4.16 Sơ đồ đấu dây cho cảm biến áp suất 86

Hình 4.17 Giao diện phần mềm đo, ghi dữ liệu 86

Hình 4.18 Sơ đồ mạch đo, ghi vận tốc góc bánh xe 87

Hình 4.19 Mô tả thực nghiệm đo vận tốc góc bánh xe ô tô 88

Hình 4.20 Cảm biến Load cell PST-A5t 88

Hình 4.21 Sơ đồ mạch đo lực dọc 89

Hình 4.22 Mô tả thực nghiệm đo lực dọc của ô tô 89

Hình 4.23 Định chuẩn thiết bị đo lực dọc của ô tô 90

Hình 4.24 Đồ thị định chuẩn lực kéo và điện áp ra bộ đo dữ liệu 90

Hình 4.25 Sơ đồ mạch đo, ghi áp suất khí nén 91

Hình 4.26 Đồ thị định chuẩn áp suất khí nén và dòng điện ra bộ đo dữ liệu 91

Hình 4.27 Vận tốc 4 bánh xe trên nền xưởng công nghiệp 94

Hình 4.28 Vận tốc ô tô khi có điều khiển 95

Hình 4.29 Độ trượt bánh xe khi có điều khiển 95

Hình 4.30 Áp suất khí nén tại bầu phanh và bình chứa 95

Hình 4.31 Vận tốc 4 bánh xe khi lắp cảm biến lực vào sau ô tô 97

Hình 4.32 Giá trị tổng lực dọc của ô tô 97

Hình 4.33 Áp suất khí nén tại bầu phanh và bình chứa khi đo lực dọc 98

MỞ ĐẦU

Sau hơn 20 năm xây dựng, mặc dù đã phát triển mạnh so với những năm đầu thập niên

90 của thế kỷ trước, nhưng ngành công nghiệp ô tô Việt Nam vẫn ở mức quy mô nhỏ với công nghệ lạc hậu Đại đa phần các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước có quy mô vừa

và nhỏ với công việc chủ yếu là lắp ráp dạng CKD (Completely Knocked Down), trên cơ sở linh kiện nhập khẩu từ nước ngoài Tỷ lệ nội địa hóa trong sản phẩm ô tô trong nước còn rất thấp Mặc dù đã có nhiều chính sách ưu đãi của Chính phủ đối với các dòng xe tải nhỏ và trung bình, nhưng lĩnh vực sản xuất ô tô tải vẫn còn đang trong một tình trạng không mấy khả quan Chỉ một số ít sản phẩm của khung vỏ, thùng bệ, ca bin có thể tự sản xuất được, còn hầu hết các bộ phận chính từ động cơ, hệ thống truyền lực đến các hệ thống điều khiển… đều được nhập ngoại, trong đó phần lớn các linh kiện là từ Trung Quốc với chất lượng thấp, qui mô sản xuất và mức đầu tư cho công nghệ còn thấp, chất lượng còn rất hạn chế

Với bối cảnh như vậy, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam còn rất nhiều việc phải làm

để có thể sản xuất ra những sản phẩm ô tô tải mang thương hiệu Việt Nam có chất lượng và giá thành về trước mắt đáp ứng nhu cầu trong nước và về lâu dài để hướng tới xuất khẩu, hội nhập với khu vực và thế giới

Theo quy hoạch của Chính phủ trong Quyết định số 229/QĐ-TTg ngày 04/02/2016 về

Cơ chế, chính sách thực hiện Chiến lược và Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, trong đó thể hiện sự quan tâm lớn đến công nghiệp phụ trợ Theo bản Quy hoạch này, mục tiêu cho đến năm 2020, công nghiệp ô tô Việt Nam có thể chế tạo được một số chi tiết quan trọng trong hệ thống truyền lực, phanh, đặc biệt chú trọng vào xe khách và xe tải nhẹ

Trước tình hình trên, để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm chi tiết trên ô

tô, thì cần phải có đầu tư đặc biệt cho lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho việc thiết

kế chế tạo, trong đó có các cụm của hệ thống điều khiển điện tử, nhằm phát triển sản phẩm

có chất lượng cao

Hệ thống chống trượt quay bánh xe là một hệ thống tự động điều khiển vận tốc góc bánh xe chủ động nhằm tận dụng tối đa hệ số bám dọc và bám ngang của bánh xe chủ động khi đi trên đường có hệ số bám hai bên khác nhau [16] Hệ thống này sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng cũng như tăng tính năng an toàn chuyển động của ô tô Hiện nay các hãng xe đã nghiên cứu chuyên sâu về cả lý thuyết lẫn thực nghiệm để thiết kế và chế tạo các các hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động và trang bị rộng rãi trên các dòng xe khác nhau bằng cách tác động trực tiếp hoặc gián tiếp vào các hệ thống phanh, hệ thống truyền lực, hệ thống treo của ô tô [29] Tuy nhiên, với điều kiện còn nhiều thiếu thốn về cơ sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm như hiện nay, các nhà khoa học Việt Nam bước đầu nghiên cứu

phát triển tách biệt hệ thống phanh hoặc hệ thống truyền lực thành hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động

Xuất phát từ những nhu cầu ở trên, nghiên cứu sinh đã chọn hướng nghiên cứu phát triển hệ thống phanh ABS khí nén của xe tải nhỏ có bổ sung hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động khi đi trên đường có hệ số bám không đồng nhất nhằm góp phần làm chủ công nghệ chế tạo phục vụ chiến lược nội địa hóa công nghiệp ô tô Việt Nam

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động của xe tải 4x2 trên đường có hệ

số bám khác nhau (2 bên bánh xe chủ động) từ đó đề xuất và chế tạo một mẫu (ban đầu) hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe với giải pháp tác động phanh bánh xe bị trượt quay trên

cơ sở hệ thống phanh khí nén có ABS nhằm nâng cao tính năng động lực học cho ô tô

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2 được trang bị hệ thống phanh khí nén có ABS của đề tài khoa học công nghệ

cấp nhà nước, mã số KC.03.05/11-15

Phạm vi nghiên cứu

Điều khiển hệ thống phanh khí nén nhằm hạn chế trượt quay từng bên bánh xe chủ

động của ô tô trên đường có hệ số bám không đồng nhất

Phương pháp nghiên cứu

Với mục đích nghiên cứu chế tạo thành công hệ thống hạn chế trượt quay trên ô tô, luận án đã dùng nghiên cứu mô phỏng trên máy tính để khảo sát các ảnh hưởng hệ số bám

và hiệu quả điều khiển tới đặc tính tăng tốc của ô tô tải ở các loại đường Trên cơ sở đó xác định sơ bộ giá trị ngưỡng điều khiển Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và dùng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để phân tích, điều chỉnh hệ thống hoạt động tốt trong thực tế

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Luận án đã đề xuất được phương án phát triển từ hệ thống phanh khí nén ABS có bổ sung hệ thống hạn chế trượt quay của bánh xe chủ động Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống hạn chế trượt quay, đề xuất thuật toán điều khiển và phương pháp xác định ngưỡng điều khiển hệ thống Điều này cho phép gợi mở các hướng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm áp dụng với các sản phẩm nội địa với điều kiện hiện có

Hệ thống được chế tạo phù hợp với điều kiện công nghệ chế tạo hiện đang áp dụng tại Việt Nam, cho phép thử nghiệm để tiến tới sản xuất hàng loạt nhằm giảm chi phí sản xuất thực tế và hiện đại hóa ô tô sản xuất tại Việt Nam Sự thành công của đề tài góp phần hoán cải và sản xuất các ô tô tải có sử dụng phanh khí có hiệu quả, giảm thiểu giá thành ô tô để tăng năng lực cạnh tranh với ô tô nhập ngoại

Nội dung và bố cục của luận án:

Luận án sẽ tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau:

- Khảo sát ảnh hưởng của mô men phanh tới đặc tính tăng tốc của ô tô tải trên đường

có hệ số bám không đồng nhất;

- Nghiên cứu đề xuất được thuật toán điều khiển và xác định được ngưỡng điều khiển

theo độ trượt phù hợp với xe thí nghiệm;

- Chế tạo hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2;

- Chế tạo hệ thống đo ứng dụng các cảm biến vận tốc góc bánh xe, lực kéo và áp suất khí nén cho ô tô nghiên cứu;

- Thực nghiệm, nhận xét khả năng hoạt động của toàn hệ thống hạn chế trượt quay

bánh xe

Với các nội dung nghiên cứu trên, nội dung luận án được trình bày trong các phần chính như sau:

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống

Chương 3 Nghiên cứu bộ điều khiển và mô phỏng hoạt động của hệ thống

Chương 4 Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm hệ thống

Kết luận

Các kết quả nghiên cứu mới của luận án

Luận án trình bày các kết quả nghiên cứu mới gồm:

- Đề xuất mô hình hệ thống hạn chế trượt quay của bánh xe chủ động trên cơ sở hệ thống phanh khí nén có trang bị ABS;

- Đề xuất thuật toán điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải có trạng bị hệ thống phanh ABS khí nén;

- Thiết kế, chế tạo một mẫu ban đầu hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động và thực nghiệm trên ô tô nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô tải

1.1.1 Thực trạng

Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam bắt đầu phát đầu hình thành từ những năm đầu thập niên 90 của thế kỷ trước và phát triển mạnh sau những năm 2000 Theo thống kê của Bộ Công Thương, tính đến 01/2015 Việt Nam có khoảng gần 400 doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô Tổng năng lực sản xuất - lắp ráp ô tô khoảng 460 ngàn xe/năm, gồm hầu hết các chủng loại xe con (khoảng 200 ngàn xe/năm), xe tải và xe khách (khoảng 215 ngàn xe/năm) Ngành công nghiệp ô tô đã có đóng góp đáng kể cho ngân sách nhà nước (bình quân khoảng

01 tỷ USD/năm - chỉ tính riêng các khoản thuế) và giải quyết công ăn việc làm cho khoảng

80 ngàn lao động trực tiếp

Mặc dù đã đạt được một số thành tựu, sau hơn 20 năm xây dựng và phát triển Việt Nam vẫn đang sở hữu một ngành công nghiệp ô tô quy mô nhỏ, công nghệ còn hạn chế Đa

số các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước có quy mô vừa và nhỏ với công việc chủ yếu

là lắp ráp dạng CKD trên cơ sở linh kiện nhập khẩu từ nước ngoài Doanh nghiệp ô tô lớn nhất Việt Nam hiện nay là Trường Hải cũng vẫn chỉ là cơ sở lắp ráp với tỷ lệ nội địa hóa thấp

Trong bối cảnh chung của ngành công nghiệp ô tô như vậy, lĩnh vực sản xuất ô tô tải, mặc dù được hưởng nhiều chính sách ưu đãi của Chính phủ cũng đang ở trong một tình trạng không mấy khả quan Hầu hết các doanh nghiệp ô tô Việt Nam mới chỉ sản xuất được một

số sản phẩm của khung vỏ, thùng bệ, ca bin và một số chi tiết khác Toàn bộ phần máy móc

từ động cơ, hệ thống truyền lực đến các hệ thống điều khiển… đều được nhập khẩu từ nước ngoài, trong đó phần lớn là từ Trung Quốc

Với linh kiện nhập khẩu từ Trung Quốc chất lượng thấp, quy mô sản xuất không lớn

và mức đầu tư cho công nghệ thấp, ô tô tải nội địa thường có chất lượng không cao

Trước tình hình trên, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam còn rất nhiều việc phải làm để

có thể sản xuất ra những chiếc ô tô tải có chất lượng và giá thành đáp ứng nhu cầu trong nước và hướng tới xuất khẩu, hội nhập với khu vực và thế giới

1.1.2 Định hướng phát triển

Trước tình hình trên, trong tháng 7/2014 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành 2 văn bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm

2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô tải nhận được sự quan tâm

số 229/QĐ-TTg về Cơ chế, chính sách thực hiện Chiến lược và Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam

Theo quy hoạch của Chính phủ, cần “Chú trọng phát triển dòng xe tải nhỏ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp …” nhằm đạt được sản lượng xấp xỉ 100.000 xe vào năm 2020, đáp ứng 78% nhu cầu tiêu thụ nội địa

Bản Quy hoạch lần này đã thể hiện sự quan tâm đặc biệt đến công nghiệp phụ trợ:

“Giai đoạn đến năm 2020, cơ bản hình thành ngành công nghiệp hỗ trợ cho sản xuất ô tô Phấn đấu đáp ứng 30 - 40% (về giá trị) nhu cầu linh kiện, phụ tùng của sản xuất, lắp ráp xe

ô tô trong nước, chế tạo được một số chi tiết quan trọng trong bộ phận truyền động, hộp số, động cơ (nhất là cho xe khách và xe tải nhẹ)”

Sự quan tâm đặc biệt của Chính phủ tới công nghiệp hỗ trợ đã được khẳng định bằng Nghị định số 111/2015/NĐ-CP về Phát triển công nghiệp hỗ trợ, ban hành ngày 03/11/2015, trong đó định rõ những chính sách hỗ trợ phát triển đối với ngành công nghiệp này, trong đó

có lĩnh vực sản xuất phụ tùng ô tô

1.1.3 Những tồn tại và nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển

Hiện nay ở Việt Nam có khá nhiều doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô tải, chủ yếu

là loại nhỏ và trung bình Có thể kể đến những nhà sản suất lớn như Trường Hải, VEAM, TMT Ngoài ra còn có các liên doanh cũng tham gia sản xuất một số loại ô tô tải các cỡ Nhìn chung, các sản phẩm trong lĩnh vực này đều dựa trên các bộ linh kiện nhập khẩu (chủ yếu từ Trung Quốc và Hàn Quốc) với tỷ lệ nội địa hóa không cao Phần sản xuất trong nước chỉ có ca bin, thùng xe và khung Với mức đầu tư về chất xám và trang thiết bị còn khiêm tốn, chất lượng của các sản phẩm của các cơ sở lắp ráp trong nước còn ở mức độ hạn chế Tuy nhiên, đây là nguồn cung cấp ô tô chủ yếu cho thị trường trong nước hiện nay nhờ

có ưu thế về giá thành

Một trong những nguyên nhân chính kìm hãm sự phát triển của ngành công nghiệp ô

tô Việt Nam là sự yếu kém của công nghiệp phụ trợ Theo thống kê, hiện nay ở Việt Nam, hiện chỉ có khoảng 40 nhà cung cấp linh kiện trên tổng số 50 nhà lắp ráp, trong khi Thái Lan

có tới trên 1.500 doanh nghiệp phụ trợ với tỷ lệ nội địa hóa đạt tới 70%-80% Đài Loan cũng

có khoảng trên 2.000 nhà đầu tư sản xuất linh kiện phụ tùng thay thế

Với thực trạng trên, tỷ lệ nội địa hoá của các loại ô tô lắp ráp trong nước là rất thấp Theo Bộ Công thương (2016): "Tỷ lệ nội địa hoá đạt thấp, …" đến nay chủ yếu mới đạt bình quân 7-10% Đối với xe con của Thaco đạt 15-18%, của Toyota Việt Nam đạt 37% đối với dòng xe Inova Đối với xe tải nhẹ: Thaco đạt khoảng 33%, Vinaxuki đạt khoảng 50%” Như vậy, có thể thấy rằng các nhà sản xuất trong nước thực chất mới chỉ làm công việc lắp ráp mà chưa quan tâm đến nghiên cứu phát triển để có thể tiến tới chế tạo những chiếc xe mang thương hiệu Việt Nam và đưa các doanh nghiệp trong nước hội nhập với thế giới

Trước tình hình trên, để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các hệ thống cho ô tô, thì cần phải có đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao Trong đó, ưu tiên hàng đầu cần được dành cho các nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo các hệ thống điều khiển điện tử chiếm tỷ trọng giá trị cao

1.1.4 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm và sản xuất hệ thống chống trượt cho ô tô tải

Cho tới ngày nay, các nhà máy cơ khí Việt Nam mới chỉ sản xuất được một số dạng chi tiết cơ khí đơn giản phục vụ cho việc thay thế phụ tùng trong sửa chữa ô tô như: bánh răng trụ, bánh răng côn, nhíp, thùng xe

Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, trong những năm gần đây, đã xuất hiện một số đề tài nghiên cứu thiết kế các hệ thống điều khiển điện tử như đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống ABS cho hệ thống phanh khí nén trên ô tô tải sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam” là một trong những đề tài trọng điểm cấp Nhà nước KC.03.05/11-15 đã được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội với những kết quả ban đầu được đánh giá cao Tuy nhiên, các đề tài trên chỉ giải quyết chống trượt lết của bánh xe, chưa giải quyết chống trượt quay của bánh xe chủ động

1.2 Hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động

Trên thực tế khi ô tô hoạt động, lực bám giữa lốp xe và mặt đường có giới hạn và thay đổi tùy theo tính chất của mặt đường Do vậy không phải lúc nào mô men từ động cơ truyền xuống cũng chuyển hết thành mô men kéo của bánh xe Trường hợp mô men từ động cơ truyền xuống cầu chủ động, đến các bán trục lớn hơn giới hạn bám của bánh xe trên mặt đường sẽ xảy ra hiện tượng trượt quay tại các bánh xe chủ động [26]

Lực bám sinh ra ở bánh xe chủ động được xác định bằng công thức:

Trong đó: φ là hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường

G φ là trọng lượng bám

Trong quá trình ô tô khởi hành và tăng tốc, nếu mô men ở trên bánh chủ động từ động

cơ truyền xuống lớn hơn mô men sinh ra do lực bám của mặt đường (Mx> Mφ) hoặc lực cản lớn (hệ số bám hai bên bánh xe bằng nhau) làm cho bánh xe chủ động sẽ bị trượt quay, khi

đó hệ số bám dọc giảm và hệ số bám ngang cũng giảm xuống thấp Điều đó làm cho hiệu quả tăng tốc và tính ổn định khi tăng tốc giảm rõ rệt, tăng sự mòn lốp Có thể xem xét cụ thể

Hình 1.1 Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt bánh xe

Ở đây với φx và φy là hệ số bám dọc và hệ số bám ngang của bánh xe khi tác động phanh Qua đồ thị có thể thấy khi độ trượt nằm trong khoảng 10% - 30% thì hệ số bám dọc

và bám ngang đều lớn

Mục đích của hệ thống chống trượt quay bánh xe là duy trì hệ số trượt giữa bánh xe và mặt đường khi tăng tốc trong mọi điều kiện nằm trong khoảng 10%–30% để đảm bảo hệ số bám dọc và bám ngang đều cao nhằm tận dụng được trọng lượng bám ở từng bánh xe Do

đó hệ thống này cần thiết xác định độ trượt thực tế ở các bánh xe để có tác động điều khiển đến các cơ cấu chấp hành

Sự trượt dọc của bánh xe gắn liền với sự biến dạng theo chu vi lốp Do tác dụng bởi

mô men xoắn ở bánh xe, các lớp lốp ở vùng tiếp xúc bị biến dạng, gây nên dịch chuyển tương đối với nền và được xác định bằng độ trượt dọc

Độ trượt của bánh xe chủ động biểu thị bởi tỷ lệ phần trăm của vận tốc ô tô với vận tốc góc bánh xe và được xác định theo công thức [66]:

0 0

.100%

v

Trong đó: v là vận tốc của thân xe (vận tốc thực tế của ô tô),

v 0 là vận tốc dài lý thuyết của bánh xe, được xác định:

v = v 0 ; λ=0 % (1.4)

+ Khi bánh xe bị trượt quay hoàn toàn:

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, độ trượt của bánh xe có ảnh hưởng lớn tới hệ số bám

dọc (φ x) của bánh xe với mặt đường Đặc tính quan hệ giữa hệ số bám dọc và độ trượt, một

số loại lốp trên loại đường cụ thể, được mô tả trên hình 1.2 [3], [7]

Hình 1.2 Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và độ trượt với các loại lốp

1- Lốp mành tròn chạy trên đường khô; 3- Lốp mành tròn chạy trên đường tuyết; 2- Lốp mành chéo chạy trên đường nhựa ướt; 4- Lốp mành tròn chạy trên đường băng

Đối với mỗi loại đường, loại lốp khác nhau cho kết quả quan hệ φ x và λ khác nhau và

giới hạn vùng có hệ số bám tốt nhất (vùng cần tác động điều khiển) ở từng trường hợp cũng thay đổi không đồng đều, có thể sớm hoặc muộn hơn Do đó, trong quá trình nghiên cứu, tính toán hiện tượng trượt quay bánh xe cần xem xét quan hệ động lực học bánh xe và sử dụng đúng chủng loại lốp của nhà sản xuất [7]

Hệ thống chống trượt quay bánh xe sử dụng hệ thống phanh được nghiên cứu, theo dõi

và điều khiển áp suất phanh cho từng bên bánh xe nhằm duy trì độ trượt biến đổi trong phạm

vi giá trị trượt tối ưu nhằm giảm thiểu hiện tượng trượt quay, tăng tính an toàn cho ô tô khi bánh xe ở vùng có hệ số bám thấp [27] Vùng giá trị trượt tối ưu là ngưỡng điều khiển hay điều khiển theo giá trị độ trượt định trước, song giá trị này xác định chính xác là vấn đề khó bởi sự biến thiên của bán kính động lực học bánh xe, hệ số bám của đường…Trong khuôn

xác định vận tốc góc bánh xe cầu trước (bị động) và cầu sau (chủ động) khá nhanh và sai số

ít, từ đó dễ dàng tính toán độ trượt cúa bánh xe chủ động

Do vậy, luận án tiến hành tìm hiểu các phương pháp điều khiển mô men phanh từng bánh xenhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động của ô tô

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.3.1 Lịch sử phát triển hệ thống chống trượt quay có điều khiển

Hiện nay trên thế giới, hệ thống phanh có điều khiển đã được tích hợp với các hệ thống điều khiển chống trượt quay với nhiều tên gọi như TCS (Traction Control System), ASR (Anti Spin Regulator - Antriebsschlupfregelung), ATC (Automatic Traction Control) [24] Các hệ thống này đã được áp dụng rộng dãi nhằm nâng cao lực kéo, tính ổn định và tính an toàn của ô tô trong mọi chế độ hoạt động khi ô tô đi ở nhiều loại đường có hệ số bám khác nhau hay trong những trường hợp làm việc khẩn cấp [14], [15], [22], [42], [62]

Bắt đầu từ thập niên 1980 hệ thống phanh có điều khiển được phát triển mạnh nhờ hệ thống điều khiển kỹ thuật số, vi xử lý (digital microprocessors/microcontrollers) thay cho các hệ thống điều khiển tương tự (analog) đơn giản trước đó, thông qua các mốc thời gian:

- Năm 1986, hãng WABCO giới thiệu hệ thống ASR với bộ điều khiển B gồm 6 kênh điều khiển ABS

- Năm 1990, hãng WABCO giới thiệu hệ thống ABS/ASR thế hệ C, với bộ chẩn đoán lỗi và các chức năng bổ sung đi kèm

- Năm 1994, hãng WABCO giới thiệu hệ thống VCS (Vario Compact System) dành cho ô tô kéo moóc

- Năm 1996, hãng WABCO giới thiệu hệ thống điều khiển điện tử cho hệ thống phanh EBS (Electroniccally controlled Braking System)

- Năm 1998, hãng WABCO giới thiệu hệ thống EBS dành cho ô tô kéo moóc được hoàn thiện và bắt đầu bắt buộc phải lắp đặt hệ thống chống trượt bánh xe trên các ô tô tải hạng nhẹ tại một số quốc gia [48]

- Năm 2000, hãng WABCO giới thiệu hệ thống hệ thống chống trượt bánh xe trên ô tô kéo moóc, hệ thống điều khiển phanh cho đoàn xe EBL (Electronic Brake force Limitation)

- Năm 2003, hãng WABCO giới thiệu hệ thống điều khiển ổn định chống lật – RSC (Roll stability control)

- Năm 2008, hệ thống phanh có điều khiển phiên bản mới có chức năng mở rộng như:

Hệ thống điều khiển ổn định điện tử (ESC- Electronic Stability Control), hệ thống điều khiển lực kéo (ATC – Automatic Traction Control) kết hợp điều khiển động cơ [23]

1.3.2 Các công trình nghiên cứu về hệ thống chống trượt quay bánh xe

Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống phanh nói chung và hệ thống chống trượt quay (kiểm soát lực kéo) nói riêng Có thể kể đến các công trình nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực kiểm soát lực kéo như sau:

Điều khiển kiểm soát mô men động cơ:

- Tháng 12 năm 1990, Matsumoto đã công bố công trình nghiên cứu “Kiểm soát lực kéo để ngăn trượt xe trên đường cong và khi quay vòng” [56] Nghiên cứu sử dụng các cảm biến: tốc độ ô tô, vận tốc góc các bánh xe, góc đánh lái, gia tốc dọc, độ cao bánh xe, từ đó điều khiển mô tơ bướm ga và cơ cấu phanh trong trường hợp phát hiện sự trượt quay của bánh xe

Khi bánh xe tăng tốc và đánh lái mạnh có thể dẫn đến các bánh xe trượt quay, sự phân

bố tải trọng đến các bánh xe cầu trước thay đổi theo chiều hướng giảm, làm giảm khả năng tiếp nhận phản lực từ mặt đường, ảnh hưởng đến ổn định hướng chuyển động, khi đó mô đun điều khiển sẽ điều chỉnh mô tơ bướm ga mở nhỏ hơn mức đạp ga để giảm công suất của

ô tô dẫn tới ô tô quay vòng tốt hơn Khi phát hiện tỉ lệ trượt của bánh xe nào cao hơn tỉ lệ trượt cho phép, bộ điều khiển sẽ điều khiển thực hiện phanh bánh xe đó cho đến khi độ trượt đạt giá trị cho phép Trường hợp người lái đạp ga đột ngột làm công suất động cơ tăng quá lớn gây trượt quay tại các bánh xe, bộ điều khiển sẽ điều khiển mức độ làm việc của mô tơ bướm ga thấp hơn để chống trượt quay Nghiên cứu này áp dụng với ô tô 4 bánh dùng phanh đĩa dẫn động thủy lực ở cả 4 bánh xe

Mặc dù hệ thống kiểm soát độ bám đường của sáng chế đã được chứng minh phù hợp cho một động cơ phía trước, bốn bánh xe nhưng có thể áp dụng cho nhiều loại ô tô có bố trí động cơ và cụm bánh xe khác nhau khi chỉ cần thay đổi và bổ sung một số luật điều khiển Tuy nhiên, hệ thống này sử dụng rất nhiều cảm biến và điều khiển đồng thời nhiều hệ thống nên rất phức tạp và nảy sinh vấn đề xử lý độ trễ hệ thống lớn Mặt khác, nghiên cứu chú trọng nhiều vấn đề ổn định của ô tô ở trạng thái quay vòng chứ chưa đề cập nhiều về trường hợp ô tô chạy trên đường có độ bám xấu hay khi khởi hành, tăng tốc, chuyển làn đường Với trạng thái quay vòng thường chạy với vận tốc thấp nên vấn đề trượt quay của các bánh xe chưa thể hiện rõ rệt

- Tháng 10 năm 1996, Tetsuhiro Yamashita và Koji Hirai đã công bố nghiên cứu Hệ thống kiểm soát lực kéo cho ô tô và áp dụng cho hãng Mazda Motor [64] Hệ thống này thực hiện kiểm soát độ bám đường cho ô tô và đặc biệt là ngăn chặn sự trượt khi ô tô quay vòng

4 cảm biến đo vận tốc góc cho 4 bánh xe trong đó có 2 cảm biến của 2 bánh xe chủ động và

2 cảm biến cho bánh xe bị động, 1 cảm biến góc đánh lái Tỷ lệ trượt của bánh xe chủ động được xác định bằng cách tính toán độ chênh lệch giữa vận tốc dài lý thuyết của bánh xe chủ động với vận tốc ô tô (được tính từ vận tốc góc của bánh xe bị động) từ đó điều khiển giảm lượng nhiên liệu hoặc tác động vào hệ thống đánh lửa Tuy nhiên, khi ô tô quay vòng sẽ gây

ra sự khác nhau về vận tốc góc giữa 2 bánh xe dẫn hướng làm cho tỷ lệ trượt lớn hơn trường hợp đi thẳng, lực ly tâm lớn gây mất an toàn và làm người lái khó điều khiển hơn, khi đó cần điều khiển giảm công suất của động cơ nhiều hơn để ô tô dễ điều khiển khi quay vòng và đảm bảo an toàn Tín hiệu góc đánh lái có vai trò chuyển đổi điều khiển trượt cho 2 trường hợp ô tô chạy thẳng và ô tô quay vòng

- Tháng 1 năm 2002, Dong-Chul Shin và Kyungki-do công bố nghiên cứu Phương pháp điều khiển trượt với hệ thống điều khiển lực kéo thông qua hệ thống truyền động bướm

ga chính (MTA - Main Throttle Actuator) áp dụng trên các chủng loại ô tô của hãng Hyundai [32]

Trong nghiên cứu này, phương pháp điều khiển trượt cho một hệ thống điều khiển lực kéo (TCS – Traction Control System) được sử dụng ở nhiều ô tô khác nhau Phương pháp này bao gồm các bước kiểm soát đầu ra động cơ theo vận tốc góc của từng bánh xe sau khi một trạng thái chuyển động được xác định bằng cách sử dụng cảm biến đo vận tốc góc bánh

xe, độ mở bướm ga, và vị trí bàn đạp ga Hệ thống TCS sẽ ưu tiên điều khiển giảm công suất động cơ trước, được thực hiện bằng cách thay đổi việc mở bướm ga rồi mới tác động điều khiển vào hệ thống phanh

Nghiên cứu này chỉ tập trung vấn đề điều khiển bướm ga ứng với từng giai đoạn chuyển động cụ thể của ô tô và được bộ điều khiển TCS tính toán trước Hệ thống kiểm soát bướm

ga để điều khiển công suất động cơ được phân loại lại thành hai loại: hệ thống truyền động bướm ga chính (MTA) và hệ thống bướm ga đôi (TTS - Twin Throttle body System) Vấn đề kiểm soát độ trượt bánh xe theo giá trị độ trượt và được kích hoạt hệ thống TCS bằng công tắc khi người lái thấy cần thiết Do đó, khi hiện tượng trượt quay bánh xe xảy ra đột ngột (hoặc ngẫu nhiên) trong quá trình ô tô chuyển động sẽ không được điều khiển

tự động nên hiệu quả chưa cao, chỉ phù hợp ở trường hợp người lái chủ động khi xác định

rõ ràng ô tô sẽ hoặc đang bị trượt Hơn nữa việc kiểm soát bướm ga đôi sẽ thêm phần phức tạp trong thuật toán điều khiển

- Tháng 6 năm 2004, Paul Antony Fawkes và các cộng sự công bố nghiên cứu Hệ thống điều khiển lực kéo thông qua hệ thống quản lý động cơ (EMS - Engine Management System), điều khiển mô men xoắn đầu ra của động cơ và hệ thống phanh khi xảy ra trượt

quay bánh xe áp dụng cho ô tô Land Rover Các cảm biến đo vận tốc góc bánh xe gửi thông tin về EMS, khi phát hiện thấy vận tốc góc bánh xe thực tế lớn hơn so với tính toán lý thuyết (nạp sẵn trong EMS), EMS nhận biết tốc độ động cơ đang dư thừa và điều khiển giảm tốc

độ động cơ xuống, như vậy sẽ giảm được mô men xoắn [53]

Ngoài ra, hệ thống này tích hợp với một bộ điều khiển phanh để có thể phanh cho từng bánh xe tương ứng Các hệ thống kiểm soát lực kéo bao gồm cảm biến vận tốc góc bánh xe, một bộ cảm biến mô men xoắn của động cơ, một thiết bị hiển thị ra màn hình mô men xoắn động cơ Hệ thống điều khiển phanh nhận các tín hiệu từ các cảm biến đo, theo dõi hoạt động rồi điều khiển để cân bằng được vận tốc góc của các bánh xe

Điều khiển kiểm soát mô men phanh trên bánh xe chủ động:

- Tháng 6 năm 1993, Shunso F Watanabe và các cộng sự công bố nghiên cứu hệ thống chống hãm cứng bánh xe và điều khiển lực kéo cho hãng xe FORD [60] Trong nghiên cứu này tác giả đã đưa ra hệ thống hoạt động ở hai chế độ chống hãm cứng bánh xe và điều khiển lực kéo bằng cách tiếp nhận các tín hiệu vận tốc ô tô, vận tốc góc từng bánh xe (loại cảm biến tiệm cận) vào mô đun điều khiển 2 cụm van điện từ nhằm tăng giảm lực phanh trong trường hợp phát hiện bánh xe bị hãm cứng hoặc áp dụng phanh tới bánh xe bị trượt quay Nghiên cứu này cho ra hệ thống kiểm soát hiện tượng trượt khá đơn giản bởi bộ van điện từ gồm một van áp lực phản hồi đầu tiên và một van áp lực phản hồi thứ hai, điều chỉnh

độ rộng xung điện áp trên các van áp lực để cung cấp một lực phanh tỷ lệ thuận hay tỉ lệ nghịch với từng trạng thái tăng áp, giảm áp Phương pháp này có nhược điểm là chỉ tập trung điều khiển chống trượt bánh xe bằng kết cấu cơ – điện – thủy lực ở bộ chấp hành mà chưa

để ý đến các điều khiển khác như điều khiển giảm mô men xoắn truyền từ động cơ, nhận biết trạng thái chuyển động quay vòng hay đi thẳng

- Tháng 5 năm 2004, Huiyi Wang nghiên cứu phát triển từ hệ thống phanh ABS của

xe khách thành hệ thống TCS [39] Nghiên cứu này bổ sung mô đun điều khiển lượng nhiên liệu kết hợp với điều khiển phanh bánh xe Điều khiển nhiên liệu thông qua điều khiển độ

mở bướm ga, điều khiển tác động phanh thông qua 2 van điện từ ở mỗi bên bánh xe chủ động Một ECU (sử dụng vi điều khiển C167CS, 16 bit) điều khiển theo ngưỡng trượt thông qua tín hiệu vận tốc góc các bánh xe

Công trình mô phỏng bán thực nghiệm trên mô hình ô tô khách ở trường hợp tăng tốc trên đường thẳng từ vận tốc ban đầu là 2m/s với 100% độ mở bướm ga Kết quả cho thấy, sau 10s vận tốc của ô tô được cải thiện, độ trượt từ 100% giảm xuống dao động xung quanh giá trị 20% như trên hình 1.3

Nghiên cứu này tập trung phát triển bộ điều khiển ECU và thực hiện mô hình mô phỏng bằng máy tính Các thông số đầu vào của mô hình mô phỏng là giả định, chưa nghiên cứu thực nghiệm và ở các loại đường khác nhau Công trình này nghiên cứu phát triển mô hình lý thuyết và chú trọng đến các mô đun điều khiển

Hình 1.3 Nghiên cứu về hệ thống TCS của Huiyi Wang

- Tháng 3 năm 2005, Thomas Sauter và các cộng sự công bố nghiên cứu Hệ thống kiểm soát lực kéo giảm trượt của bánh xe bên phía ngoài khi ô tô quay vòng cho hãng Bosch [63] Hệ thống điều khiển chống trượt cho các bánh xe chủ động khi ô tô quay vòng với mặt đường có độ bám thấp

Nghiên cứu này có phần giao thoa với công trình nghiên cứu của Matsumoto, đó là chú trọng nhiều vấn đề ổn định của ô tô ở trạng thái quay vòng chứ chưa đề cập nhiều về trường hợp ô tô chạy trên đường có độ bám xấu hay khi khởi hành, tăng tốc, chuyển làn đường Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ rõ việc điều khiển giảm trượt quay khi ô tô chạy trên các loại đường có độ bám thấp như đường trơn trượt và tác động điều khiển vào khu vực của

hệ thống phanh, không quan tâm nhiều việc điều khiển động cơ hay các phần khác Có thể nói, nghiên cứu này là một mô đun riêng cho lĩnh vực điều khiển chống trượt quay bằng cách tác động vào hệ thống phanh

- Tháng 9 năm 2007, Davor Hrovat và các cộng sự có một cách tiếp cận mới về điều khiển chống trượt đó là thay đổi giá trị ngưỡng trượt cho ô tô khi nhiệt độ môi trường thay đổi [30] Điều kiện này áp dụng với các vùng có nhiệt độ thấp có thể dẫn tới đóng băng gây trượt lớn

Sáng chế này nhằm cải thiện một phần hệ thống kiểm soát lực kéo bằng cách cho phép

hệ thống điều chỉnh ngưỡng trượt với độ trượt được xác định trước Cảm biến nhiệt độ cung cấp tín hiệu cho bộ điều khiển, tính toán và liên hệ với đường cong đặc tính trượt có sẵn để thiết lập bộ ngưỡng trượt mới theo sự thay đổi của nhiệt độ môi trường Ngưỡng trượt thực

tế được đo đạc từ cảm biến đo vận tốc góc các bánh xe và so sánh với ngưỡng trượt của bộ

điều khiển (thay đổi theo nhiệt độ môi trường) để quyết định tác động cơ cấu chấp hành hay không Điểm nổi bật của sáng chế là ngưỡng trượt luôn được thay đổi theo điều khiện nhiệt

độ môi trường, cho phép chế độ kiểm soát lực kéo hoạt động tốt hơn

- Tháng 5 năm 2009, Tseng và các cộng sự nghiên cứu hệ thống chống trượt quay bằng điều khiển các cơ cấu phanh tại các bánh nhưng có tính đến bán kính lốp (trong trường hợp

ô tô thay lốp dự phòng không đủ kích thước theo tiêu chuẩn) Công trình nghiên cứu này

nhằm phát triển mở rộng các nghiên cứu đã công bố của Davor Hrovat

- Tháng 8 năm 2009, Fodor và các đồng nghiệp công bố nghiên cứu điều khiển lực kéo trong trường hợp ô tô thay đổi trạng thái đột ngột Nghiên cứu sử dụng các cảm biến gia tốc dọc, gia tốc ngang, vận tốc góc bánh xe và cảm biến góc lắc ngang thân xe Đây cũng là

công trình nghiên cứu nhằm phát triển tiếp các nghiên cứu đã công bố của Davor Hrovat [51]

- Tháng 7 năm 2010, Davor Hrovat và các cộng sự công bố nghiên cứu phương pháp kiểm soát lực kéo cho xe ô tô sử dụng nhiều phương pháp cùng lúc [31]

Công trình nghiên cứu này cho ra một hệ thống điều khiển lực kéo của ô tô qua việc tác động vào hệ thống phanh với các hướng điều khiển độ mở của bướm ga, điều khiển đánh lửa (thay đổi góc, thời điểm đánh lửa) và cả điều khiển thời điểm phun nhiên liệu Đây là

công trình mang tính tổng hợp cao các công trình nghiên cứu trước đó của Davor Hrovat và

thể hiện sự điều khiển toàn diện các hệ thống trên ô tô và tất nhiên, hệ thống điều khiển kiểm soát lực kéo trên được áp dụng cho các ô tô hiện đại, đặc biệt là những ô tô có giá thành lớn

- Vào thập niên 90, hãng Wabco chế tạo và không ngừng bổ sung chức năng hệ thống ASR cho hệ thống phanh khí nhằm phục vụ cho các xe tải và xe thương mại của các hãng

xe nổi tiếng trên thế giới Hệ thống chống trượt quay bánh xe của hãng này chế tạo ở phiên bản A chỉ tập trung tác động điều khiển cho bánh xe chủ động với việc sử dụng mỗi bên bánh xe là các van chấp hành ABS có các van điện từ để điều khiển khí nén với 2, 4, 6 kênh điều khiển Với mô hình này, rất đơn giản mà cho hiệu quả chống trượt hợp lý nhất là với xe tải chạy với tốc độ trung bình, do đó hiện nay vẫn được các hãng áp dụng cho phần đa các

xe tải cỡ trung bình trở xuống [49]

Mô hình mà hãng Wabco chế tạo được điều khiển theo độ trượt bởi ECU (Electronic Control Unit) tích hợp ABS, ASR nên trong hệ thống gồm các van điện từ rất phức tạp Mặt khác, mô hình này chưa quan tâm đến trường hợp ô tô chạy tốc độ cao [66]

Ngoài việc điều khiển kiểm soát mô men động cơ, mô men phanh trên bánh xe chủ động để hạn chế trượt quay bánh xe chủ động, trên ô tô và các loại xe chuyên dụng sử dụng

dùng bánh răng côn thẳng, cơ cấu vi sai này được điều khiển đóng mở (cơ khí, thuỷ lực, khí nén hoặc điện ) chủ yếu bằng công tắc, cần đẩy khi có sự chênh lệch vận tốc góc giữa hai bánh xe (Vi sai bị khóa một phần hoặc toàn phần) [4], [6] Để thực hiện điều chỉnh giữa các bánh xe này, các xe hiện đại có bố trí thêm bộ khóa vi sai điện tử ABD (Automatic Barking Differentia) [6] Sử dụng ly hợp trong các cụm vi sai để chống trượt vẫn có nhược điểm Nếu tình trạng mặt đường rất trơn, xe có thể bị trượt sang lề đường Khi lực bám giữa lốp và mặt đường không đủ lớn để làm trượt ly hợp, vi sai không tạo ra sự chêch lệch tốc độ cần thiết giữa các bánh xe

Các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học và các hãng sản xuất ô tô trên thế giới

đã được ứng dụng ở trên các dòng ô tô du lịch, ô tô buýt, ô tô khách, ô tô tải Các nghiên cứu đưa ra các phương án điều khiển hệ thống phanh [14], [65], [67], điều khiển vi sai, điều khiển mô men động cơ không ngừng hoàn thiện và liên tục phát triển Tuy nhiên, do vấn đề bảo mật nên việc tiếp cận tài liệu và triển khai áp dụng cho các dòng ô tô tại Việt Nam gặp nhiều khó khăn

Hình 1.4 Hệ thống chống trượt quay của hãng Wabco cho xe tải

1.4 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Hiện nay mức độ sử dụng hệ thống phanh khí có điều khiển hiện đại hiện nay ở Việt Nam còn hạn chế, mới chỉ tập trung chủ yếu ở ô tô buýt, khách và ô tô tải hạng nặng và đa phần là ô tô nhập khẩu nguyên chiếc Theo thống kê của Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Việt Nam (VAMA) năm 2012 có 48163 ô tô tải, năm 2013 có 66140 ô tô tải, năm 2014 có 46163

ô tô tải cung cấp cho thị trường, trong đó có khoảng 71% ô tô tải sử dụng phanh khí và đa phần sử dụng hệ thống phanh khí thông thường không có hệ thống điều khiển hỗ trợ Các công trình nghiên cứu trong nước về hệ thống phanh đã chỉ rất cụ thể quá trình điều khiển

phanh, cơ sở lý thuyết và các thuật toán điều khiển phanh trên cơ sở nghiên cứu mô phỏng

mô hình và chế tạo thử nghiệm

Năm 2014, tác giả Hồ Hữu Hải chủ nhiệm đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống ABS cho hệ thống phanh khí nén trên ô tô tải sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam” đã xây dựng thuật toán điều khiển, tiến hành chế tạo cụm cơ cấu chấp hành, cụm cảm biến đo vận tốc góc bánh xe và bộ điều khiển điện tử cho ô tô tải sản xuất tại Việt Nam [1]

Năm 2015, luận án tiến sĩ của Hồ Hữu Hùng tại đại học Bách khoa Hà Nội “nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén” nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén trên xe tải 4x2, xây dựng thuật toán và bộ điều khiển điện tử theo ngưỡng gia tốc góc [1] Đề tài đã tiến hành thực nghiệm quá trình điều khiển phanh với ô tô

cụ thể, ở các mức tải, vận tốc và nhiều loại đường khác nhau, đáp ứng các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam và ECE (Economic Commission for Europe) về hệ thống phanh Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về hệ thống chống trượt quay bánh xe mới chỉ dừng lại mô hình mô phỏng nên sẽ tồn tại những sai khác về kết quả thu được so với việc nghiên cứu trên ô tô thật [3], [34]

Do đó, việc nghiên cứu phát triển hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động trên cơ

sở hệ thống phanh khí nén có ABS nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của ô tô là thật sự cần thiết trong nghiên cứu cũng như sản xuất chế tạo ô tô tại Việt Nam

1.5 Mục tiêu, phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động của xe tải 4x2 trên đường có hệ

số bám khác nhau (2 bên bánh xe chủ động) từ đó đề xuất và chế tạo một mẫu (ban đầu) hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe với giải pháp tác động phanh bánh xe bị trượt quay trên

cơ sở hệ thống phanh khí nén có ABS nhằm nâng cao tính năng động lực học cho ô tô

1.5.2 Nội dung nghiên cứu

Luận án đã tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau:

- Khảo sát ảnh hưởng của mô men phanh tới đặc tính tăng tốc của ô tô tải trên đường

có hệ số bám không đồng nhất;

- Nghiên cứu đề xuất được thuật toán điều khiển và xác định được ngưỡng điều khiển

theo độ trượt phù hợp với ô tô thí nghiệm;

- Chế tạo hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2 (3 tấn);

- Chế tạo hệ thống đo ứng dụng các cảm biến vận tốc góc bánh xe, lực kéo và áp suất khí nén cho ô tô nghiên cứu;

- Thực nghiệm, nhận xét hoạt động của toàn hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe

1.5.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2 được trang bị hệ thống phanh khí nén có ABS của đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước, mã số KC.03.05/11-15

Phạm vi nghiên cứu của luận án về hệ thống hạn chế trượt quay từng bên bánh xe chủ động của ô tô trên đường có hệ số bám khác nhau

Hình 1.5 Ô tô nghiên cứu

Bảng 1.1 Thông số của xe nghiên cứu

Công suất Max/ số vòng quay kW/(v/p) 85/3200

Momen xoắn cực đại/ số vòng quay Nm/ (v/p) 320/2000

1.5.4 Phương pháp nghiên cứu

Với mục đích nghiên cứu chế tạo một mẫu ban đầu hệ thống hạn chế trượt quay trên ô

tô, luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng trên máy tính nhằm xác định sơ

bộ giá trị ngưỡng điều khiển kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm nhằm hoàn thiện thêm hệ thống và đánh giá phần nào khả năng hoạt động của hệ thống

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG: Trình bày việc xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống khi chưa có bộ điều khiển gồm các mô đun: mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô, mô hình mô phỏng bánh xe chủ động, mô hình mô phỏng truyền lực có vi sai, mô hình mô phỏng dẫn động phanh khí nén và cơ cấu chấp hành Tiến

hành mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô, ảnh hưởng của mô men phanh tới khả năng tăng tốc của ô tô nhằm xác định vùng tác động phanh có hiệu quả

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG: Trình bày nghiên cứu đề xuất cấu trúc hệ thống, thuật toán điều khiển

hệ thống, mô hình hóa hoạt động của hệ thống trên máy tính nhằm xác định giá trị ngưỡng điều khiển theo độ trượt của bánh xe

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG: Trình bày nội dung nghiên cứu, thiết kế chế tạo cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển điện tử của hệ thống trên ô tô nghiên cứu Chế tạo thiết bị đo dữ liệu ứng dụng các cảm biến đo vận tốc góc bánh

xe, cảm biến lực, cảm biến áp suất khí nén, thực nghiệm hệ thống hạn chế trượt quay bánh

xe và nhận xét các kết quả

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: Nhận xét kết quả nghiên cứu của luận án so với các mục tiêu đã đề ra, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo để từng bước bổ sung, tiếp tục hoàn thiện hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe

1.7 Kết luận chương 1

Hệ thống chống trượt của ô tô đang ngày càng được nghiên cứu chú trọng và đầu tư nhiều và áp dụng đa dạng các loại ô tô thương mại Riêng vấn đề chống trượt quay bánh xe chủ động có rất nhiều nghiên cứu khác nhau và áp dụng ở mỗi hãng ô tô có sự khác nhau nhất định Việc nghiên cứu điều khiển chống trượt quay bánh xe cho ô tô tải 4x2 (hiện lưu hành trong nước ngày càng gia tăng về số lượng và chủng loại) là cần thiết và cần được đầu

tư của ngành công nghiệp ô tô

Các nghiên cứu trên thế giới về hoàn thiện các hệ thống chống trượt quay bánh xe có sử dụng hệ thống phanh, nâng cao tính kinh tế kỹ thuật, an toàn trong sử dụng ô tô ngày càng nhiều và có nhiều thành tựu Song, các nghiên cứu chỉ công bố về các kết quả mô phỏng, các thông số kỹ thuật cơ bản, các kết cấu áp dụng trên ô tô thương mại và mang tính chất giới thiệu bởi lý do bảo mật - bản quyền, rất ít công trình công bố về giá trị độ trượt cũng như cách xác định giá trị ngưỡng điều khiển và phương pháp điều khiển, nên chưa đủ nội dung chi tiết để ứng dụng vào thực tiễn

Ở Việt Nam, đã có những công trình nghiên cứu về hệ thống chống trượt bánh xe sử dụng hệ thống phanh khí, nhưng đa phần là công bố kết quả mô hình mô phỏng Mới đây,

có công trình nghiên cứu về hệ thống phanh khí nén có điều khiển nhưng là chống hãm cứng bánh xe Do đó, để áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn cần có công trình nghiên cứu toàn diện và đầy đủ hệ thống chống trượt quay bánh xe trên ô tô cụ thể, có thể mở rộng

công trình nghiên cứu sử dụng phanh khí nén chống hãm cứng bánh xe cho nghiên cứu chống trượt quay bánh xe nhằm từng bước làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại trên ô tô phục vụ công nghiệp sản suất, lắp ráp trong nước nâng cao khả năng cạnh tranh cho ô tô nội địa

Từ những yêu cầu cấp thiết trên, luận án nghiên cứu đề xuất mô hình hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe bằng điều khiển tác động phanh bánh xe chủ động, mô hình hóa hệ thống, xác định ngưỡng điều khiển, chế tạo - thực nghiệm cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển hệ thống, chế tạo thiết bị đo, thực nghiệm tổng hợp kết quả trên ô tô cụ thể và nhận xét kết quả theo mục tiêu đã đề ra

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

Nội dung chương 1 luận án đã tìm hiểu sự trượt quay của bánh xe với mặt đường, các công trình nghiên cứu về hiện tượng này và xác định đối tượng nghiên cứu là xe tải nhỏ (3 tấn) đã được trang bị hệ thống phanh khí nén có ABS cũng như xác định mục tiêu đề xuất - chế tạo hệ thống trượt quay bánh xe chủ động Trong chương này, luận án trình bày việc xây dựng mô hình mô phỏng động lực học phương dọc kết hợp với mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS, khảo sát sự ảnh hưởng của tác động phanh tới khả năng tăng tốc của

ô tô khi đi trên đường có hệ số bám không đồng nhất

Mô hình mô phỏng hệ thống gồm các mô đun: Hệ thống động lực (từ động cơ qua hộp

số, truyền lực chính và vi sai đến các bánh xe chủ động), bánh xe, chuyển động thẳng của ô

tô, hệ thống dẫn động khí nén có ABS, cơ cấu phanh như trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống

Có thể tóm tắt các nội dung cụ thể trong chương này:

- Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô

- Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của bánh xe chủ động

- Xây dựng mô hình mô phỏng truyền lực có vi sai

- Xây dựng mô hình mô phỏng dẫn động phanh và cơ cấu chấp hành

- Khảo sát chuyển động của ô tô và ảnh hưởng của mô men phanh tới khả năng tăng tốc của ô tô khi đi trên đường có hệ số bám không đồng nhất

Các mô hình mô phỏng đều được xây dựng bởi phần mềm Matlab – Simulink [9]

2.1 Mô đun mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô

Khi ô tô chuyển động thẳng, các lực và mô men tác dụng lên ô tô được mô tả trên hình 2.2 [5], [16], [35], [50], [57] Để đơn giản hóa mô hình mô phỏng (Với giả thiết ô tô chuyển động thẳng, một bên bánh xe bị trượt quay), luận án sử dụng một số giả thiết: ô tô chuyển động thẳng trên mặt đường bằng phẳng; bỏ qua dao động theo phương thẳng đứng; luận án nghiên cứu chuyển động chưa xét đến các thành phần lực ngang; vận tốc ô tô nhỏ nên bỏ qua lực cản không khí

Hình 2.2 Các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động

Trong đó:

G 0 - trọng lượng của ô tô (G 0 = m.g); m x - lực quán tính của ô tô tác dụng lên

trong tâm T (có tọa độ được xác định qua các thông số a,b,L,h g) của ô tô

m - là khối lượng của ô tô

x - chuyển dịch của ô tô

Phương trình chuyển động của ô tô theo phương dọc được viết như sau:

Trường hợp bánh xe bị trượt quay khi khởi hành, lực cản của không khí có thể bỏ qua không xét Do đó phương trình chuyển động có thể viết lại như sau:

2 1

F m

x  F

(2.2)

Từ đây có thể xác định vận tốc của ô tô tại thời điểm t:

2 1 0

(2.3)

V ox là vận tốc ban đầu của ô tô

Tổng hợp lực tiếp tuyến từ đường tác dụng lên bánh xe giúp ô tô chuyển động được là tổng hợp từ từng bánh xe chủ động và được xác định:

2.2 Mô đun mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực có vi sai

Hệ thống truyền lực của ô tô nghiên cứu là loại truyền lực có hộp số cơ khí thường, động cơ đặt trước, dẫn động cầu sau Mô men từ động cơ qua hộp số, trục các đăng, cầu xe rồi đến các bánh xe chủ động phía sau được mô tả như hình 2.3

Trong nghiên cứu mô phỏng, luận án sử dụng tỷ số truyền lớn nhất của hộp số cơ khí (ih1=7,31) và tỷ số truyền bộ truyền lực chính của cầu chủ động loại đơn (i0=6.57) theo thông

số kết cấu của nhà sản xuất

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống truyền lực

Trong hệ thống truyền lực, vi sai đảm bảo cho các bánh xe chủ động có thể quay với

các vận tốc khác nhau đồng thời phân phối mô men đến các bánh xe chủ động Do tác dụng

đó của vi sai, khi ô tô có một bên bánh xe ở đường có hệ số bám thấp, bánh xe có thể bị trượt quay, làm giảm khả năng cơ động của ô tô Để tăng khả năng cơ động của ô tô trong trường hợp đó, cần điều khiển khóa vi sai (nếu có sẵn cơ cấu khóa vi sai) Trên ô tô nghiên cứu, bộ

vi sai bánh răng hành tinh không có cơ cấu khóa vi sai nên cần thiết tạo mô men phanh trên bánh xe bị trượt quay nhằm tăng tính năng cơ động của ô tô

Để xây dựng phương trình chuyển động quay của các bánh xe cần thiết xác định mô men chủ động của bánh xe được xác định bởi mô men truyền từ động cơ, qua hộp số, đến truyền lực chính, qua vi sai đến các bán trục và mô men phanh tác động lên bánh xe (nếu có) [45], [52] Luận án sử dụng giả thiết trọng lượng phân bố hai bên bánh xe trái phải bằng nhau

Khi mô men cản hai bên bánh xe bằng nhau, các bánh xe bên phải và bên trái quay cùng vận tốc góc (ωt = ωp = ω0; ω0 – vận tốc góc của vi sai) và mô men chủ động truyền đến hai bánh xe bằng nhau:

M - mô men chủ động bánh xe bên phải

vs

M - Mô men vỏ vi sai

Khi mô men cản hai bên bánh xe như nhau, nhưng lực bám hai bên bánh xe khác nhau,

làm cho hai bánh xe quay với vận tốc khác nhau (giả sử ωt > ωp), khi đó xuất hiện mô men

ma sát giữa các bánh răng hành tinh và bánh răng bán trục bên trái và bên phải bằng nhau về giá trị nhưng ngược nhau về dấu Cho nên, mô men từ vi sai truyền đến bánh xe được xác định:

  - vận tốc góc của bánh xe chủ động trái và phải

Vi sai đối xứng nên ω t +ω p = 2.ω 0 Từ đây, mô men truyền đến mỗi bên bánh xe được

xác định:

1 2

η t - là hiệu suất của hệ thống truyền lực

M e - là mô men động cơ M e khi mức tải 100% phụ thuộc vào vận tốc góc của

động cơ (n e) gọi là đặc tính ngoài của động cơ Thực tế, động cơ làm việc chủ yếu ở chế độ tải nhỏ hơn 100% theo các đường đặc tính cục bộ, được xác định từ mức tải động cơ và vận tốc góc động cơ trên hình 2.4

Hình 2.4 Đặc tính mô men của động cơ

0 800 1600 2400 3200

4000 0 20 40 60 80 100 0

80 160 240 320

muc ga (%)

ne (v/p)

Trường hợp ô tô ở trên đường có hệ số bám hai bên trái phải khác nhau, giả sử bên trái

có hệ số bám thấp hơn (min) và bên phải có hệ số bám cao hơn (max), khi đó mô men cực đại có thể có của bánh xe bên phải được xác định:

max 2

1 2

Với min là hệ số bám bên thấp hơn; G 2 là trọng lượng ô tô phân bố ra cầu sau Vậy, ở trường hợp bên trái có hệ số bám thấp hơn thì mô men tại các bán trục được xác định:

2 max

2.3 Mô đun mô hình mô phỏng bánh xe

2.3.1 Phương trình chuyển động quay của bánh xe bị động

Trong phương trình chuyển động của ô tô, việc xác định tổng hợp lực tiếp tuyến F x1

của mặt đường tác dụng lên bánh xe bị động được tính theo quan hệ lực và mô men ở bánh

xe bị động Khi bánh xe chuyển động, ở trường hợp tổng quát với giả thiết không kể đến khối lượng bánh xe (khối lượng bánh xe nhỏ so với khối lượng toàn ô tô) và coi khung ô tô liên kết cứng với cầu, các lực và mô men tác dụng lên bánh xe như hình 2.5

Trong đó:

F d1 – lực đẩy từ khung xe lên bánh xe bị động

F x1 - tổng hợp lực tiếp tuyến từ đường tác dụng lên bánh xe

F f1 - lực cản lăn bánh xe bị động

M f1 - mô men cản lăn bánh xe bị động (M f1 = F f1 r d)

G 1 - trọng lượng toàn bộ của ô tô phân ra cầu trước

 - vận tốc góc ban đầu của bánh xe bị động

Khi chuyển động ổn định, F x1 chính bằng lực cản lăn của bánh xe

2.3.2 Phương trình chuyển động quay của bánh xe chủ động

Trong phương trình chuyển động của ô tô cần thiết phải xác định tổng hợp lực tiếp

tuyến F x2 của mặt đường tác dụng lên bánh xe, tổng hợp lực này theo quan hệ lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động Khi bánh xe chuyển động (trường hợp tổng quát) các lực và

mô men tác dụng như hình 2.6

Hình 2.6 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động