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

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 k

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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - 2018

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Hồ Hữu Hải

2 PGS.TS Dương Ngọc Khánh

Phản biện 1: PGS TS Trần Quang Hùng

Phản biện 2: PGS TS Lê Văn Anh

Phản biện 3: TS Bùi Việt Đức

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường, họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

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 Hệ thống này sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng cũng như tăng tính năng an toàn chuyển động của ô tô 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 và sản phẩm

- Nghiên cứu mô phỏng trên máy tính

- Nghiên cứu thực nghiệm

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 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

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

- Chế tạo hệ thống đo vận tốc góc bánh xe, lực kéo cho ô tô nghiên cứu;

- Thực nghiệm, nhận xét khả năng hoạt động của toàn hệ thống

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

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

1.2 Hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động

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 (hệ số trượt) của bánh xe chủ động biểu thị bởi tỷ lệ phần trăm của vận tốc

ô tô chạy với vận tốc góc bánh xe và được xác định theo công thức:

0 0.100%

tô khi bánh xe ở vùng có hệ số bám thấp

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

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

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]

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

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 hạn chế 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

- 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 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

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

1.5.4 Phương pháp nghiên cứu

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

1.6 Bố cục của luận án

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

1.7 Kết luận chương 1

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

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

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

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 tổng thể mô hình mô phỏng hệ thống

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

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

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

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

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) thì mô men truyền đến mỗi bên bánh xe được xác định:

1 2

p

2.3 Mô đun mô hình mô phỏng bánh xe

2.3.1 Phương trình chuyển động quay của bánh xe bị động

Khi bánh xe chuyển động (trường hợp tổng quát), các lực và mô men tác dụng như hình 2.5

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

Phương trình chuyển động quay của bánh xe:

1 1

2.3.2 Phương trình chuyển động quay của bánh xe chủ động

Khi bánh xe chuyển động (trường hợp tổng quát) có thể có 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

Phương trình chuyển động quay của bánh xe bên trái và phải:

2.3.3 Phản lực tiếp tuyến tại bánh xe

Để xác định lực liên kết lốp đường, ta sử dụng mô hình lốp, hiện nay có các mô hình lốp thông dụng sau: Mô hình lốp Burckhardt, mô hình lốp Dugoff, mô hình Pacejka,

Hình 2.7 Sơ đồ tính lực dọc

Xét trường hợp ô tô đi thẳng trên đường, phản lực tiếp tuyến do mặt đường tác động

lên ô tô (thông qua bánh xe) lực F x2 được xác định [12]:

2.4 Mô đun mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén

2.4.1 Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh bánh xe

Mô men phanh ở mỗi bánh xe phụ thuộc áp suất khí nén (biến thiên theo thời gian)

tại mỗi bầu phanh bánh xe, M p = f(p bau )

Mô men phanh bánh xe M p [N.m] [4] được xác định:

F pt , F ps- lần lượt là lực tác động từ tâm cam quay tới guốc phanh xiết và nhả

2.4.2 Mô hình mô phỏng dẫn động phanh

Luận án thực hiện nghiên cứu xây dựng mô hình hóa hệ đẫn động khí nén từ bình khí qua van chia 3/2, van ABS tới bầu phanh và tác động lên cơ cấu phanh bánh xe như trên hình 2.12

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

Lưu lượng khối được xác định như sau [40]:

Q w = γ.u.A (2.51) Lưu lượng khối của chất khí chảy qua một tiết lưu có thể xác định theo công thức [40]:

2.5 Mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô

Tổng hợp và rút gọn các phương trình mô phỏng chuyển động của ô tô, mô phỏng

bánh xe, vi sai, sử dụng trong mô phỏng nhằm khảo sát chuyển động thẳng của ô tô ở các

loại đường khác nhau như sau:

Khảo sát trường hợp ô tô chuyển động thẳng ở một số loại đường đặc trưng (đường

có hệ số bám cao và không đồng đều hai bên bánh xe) nhằm kiểm chứng mô hình đã xây

dựng theo đúng quy luật vật lý và hiện tượng trong thực tế Mô phỏng được thực hiện với

các mức ga khác nhau, kết quả trình bày ở đây là 30% mức ga động cơ và không tác động

phanh bánh xe (M pi = 0)

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 (φ t

=0,1, φ p =0,8)

Từ kết quả mô phỏng có thể nhận xét:

Các trường hợp khảo sát đặc trưng trên cho thấy vận tốc góc hai bên bánh xe phụ thuộc vào hệ số bám của bánh xe với mặt đường, nếu hệ số bám của bánh xe với mặt đường thấp có thể làm bánh xe bị trượt quay dẫn đến vận tốc góc bánh xe tăng lên Sự phân chia mô men từ vỏ vi sai đến các bán trục và vận tốc góc từ vỏ vi sai đến các bánh xe theo động lực học của bộ vị sai

Tiếp tục mô phỏng nhiều trường hợp có hệ số bám khác nhau cho thấy các kết quả

mô phỏng chuyển động của ô tô phù hợp với điều kiện thực tế của ô tô và động lực học của

bộ vị sai

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

Kết quả khảo sát khả năng tăng tốc của ô tô với các mức mô men phanh thay đổi, loại đường thay đổi ở các hệ số bám khác nhau được trình bày trong bảng 2.6

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)

Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô theo mối quan hệ mô men phanh bánh xe, loại đường (hệ số bám) và tỷ lệ thời gian duy trì gia tốc lớn nhất khi tác động phanh được thể hiện trên hình 2.18

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

Như vậy, giải pháp tăng mô men phanh bên bánh xe bị trượt quay phụ thuộc rõ rệt hệ

số bám thực tế của bánh xe với mặt đường Kết quả đã mô phỏng cho thấy vùng hệ số bám thấp thì tác động phanh bánh xe mang lại hiệu quả tăng tốc của ô tô, với vùng có hệ số bám cao hơn không cần thiết tác động phanh, thậm chí ô tô có thể tự vượt qua Các kết quả khảo sát trên bảng 2.6 thu được là cơ sở tiếp theo trong việc xây dựng thuật toán và bộ điều khiển

2.7 Kết luận chương 2

Đã xây dựng được mô hình mô phỏng động lực học phương dọc của ô tô khi có tác động phanh, nhằm phục vụ cho nghiên cứu điều khiển hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động Các mô hình mô phỏng của luận án được xây dựng bằng phần mềm Matlab - Simulink

Kết quả mô phỏng một số trường hợp làm việc của ô tô phù hợp với quy luật vật lý

và thực tế, cho thấy mô hình có thể tin cậy Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của mô men phanh tới đặc tính tăng tốc của ô tô tải nhằm xác định giới hạn vùng hệ số bám thấp cần tác động phanh (đối với hệ số cản lăn của đường đất sau mưa bằng 0,12, vùng hệ số bám một bên bánh xe nhỏ hơn 0.35 tác động phanh hiệu quả, vùng hệ số bám một bên bánh xe từ 0.35 đến 0,45 chỉ hiệu quả với lực phanh nhỏ, vùng hệ số bám một bên bánh xe lớn hơn 0,45 tác động phanh làm cản chở chuyển động) để giảm thiểu khả năng trượt quay bánh xe, giúp cho việc thiết lập thuật toán điều khiển phù hợp cho ô tô nghiên cứu

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN

VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG