Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Văn Thoan NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC CỦA Ô TÔ TẢI NHẰM HẠN CHẾ TRƯỢT QUAY BÁNH XE CHỦ ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Văn Thoan NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC CỦA Ô TÔ TẢI NHẰM HẠN CHẾ TRƯỢT QUAY BÁNH XE CHỦ ĐỘNG Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Hồ Hữu Hải PGS.TS Đàm Hoàng Phúc Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Cơng trình đƣợc thực Bộ mơn Ơ tơ xe chun dụng, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Hồ Hữu Hải PGS.TS Đàm Hoàng Phúc Các số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Ngƣời hƣớng dẫn Ngƣời hƣớng dẫn khoa học khoa học PGS TS Hồ Hữu Hải PGS.TS Đàm Hoàng Phúc tháng năm 2018 Người cam đoan Trần Văn Thoan i LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí động lực, Bộ mơn Ơ tơ xe chun dụng giảng dạy, bảo tạo điều kiện giúp đỡ NCS suốt trình học tập, nghiên cứu mơn để hồn thành luận án NCS xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến tập thể hƣớng dẫn PGS.TS Hồ Hữu Hải, PGS.TS Đàm Hoàng Phúc - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội ngƣời trực tiếp tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng, đào tạo giúp đỡ NCS suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận án NCS xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bộ mơn Ơ tơ xe chun dụng - Viện Cơ khí động lực - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội giảng dạy, bảo tạo điều kiện giúp đỡ NCS suốt trình nghiên cứu mơn để hồn thành luận án NCS xin chân thành cảm ơn thầy, cô đồng nghiệp Khoa Cơ khí Động lực, lãnh đạo trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Hƣng Yên tạo điều kiện giúp đỡ khuyến khích NCS suốt q trình nghiên cứu hoàn thành luận án NCS xin chân thành ghi nhận cơng sức, đóng góp q báu nhiệt tình NCS, học viên cao học sinh viên khóa thuộc Bộ mơn Ơ tơ xe chuyên dụng Viện Cơ khí Động lực - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội; Khoa Cơ khí Động lực Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Hƣng Yên nhiệt tình hỗ trợ, động viên suốt thời gian NCS thực luận án Cuối cùng, NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè quan tâm động viên khuyến khích, tiếp thêm nghị lực cho NCS suốt thời gian học tập, nghiên cứu Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Nghiên cứu sinh Trần Văn Thoan ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hiện tượng trượt quay bánh xe sở lý thuyết hạn chế tượng trượt quay 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 18 1.3 Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu 18 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 18 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 18 1.4 Mục tiêu phương pháp nghiên cứu 19 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 19 1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 19 1.5 Nội dung nghiên cứu 20 1.6 Kết luận chương 20 CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH MƠ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA Ô TÔ 22 2.1 Xây dựng mơ hình mơ 22 2.1.1 Xây dựng đặc tính tốc độ động diezen 22 2.1.2 Mô tả hệ thống truyền lực 31 2.1.3 Mơ hình mơ bánh xe 32 2.1.4 Mơ hình mơ chuyển động thẳng xe 38 2.2 Khảo sát đặc tính tăng tốc tơ hệ số bám thay đổi 39 2.2.1 Khảo sát đặc tính tăng tốc ô tô đường có hệ số bám thấp cao 40 2.2.2 Khảo sát đặc tính tăng tốc tơ đường xấu có hệ số bám thấp 43 2.3 Kết luận chương 47 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 48 iii 3.1 Đề xuất cấu trúc hệ thống 48 3.2 Bộ điều khiển phương pháp xác định tham số điều khiển 50 3.3 Mô hoạt động hệ thống có điều khiển 54 3.3.1 Kết mơ q trình khởi hành tay số 1, xe đầy tải (PA3) 55 3.3.2 Kết mơ q trình khởi hành tay số 2, xe không tải (PA4) 60 3.4 Nghiên cứu xác định vùng điều khiển có hiệu đường khác 64 3.4.1 Kết mô khảo sát xác định vùng làm việc điều khiển (PA5) 64 3.4.2 Kết mô khảo sát ảnh hưởng hệ số cản lăn tới vùng làm việc hiệu điều khiển (PA6) 66 3.5 Kết luận chương 68 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG 70 4.1 Thiết kế chế tạo hệ thống 70 4.1.1 Cảm biến vận tốc góc bánh xe tơ 70 4.1.2 Cơ cấu chấp hành 72 4.1.3 Bộ điều khiển 79 4.2 Thực nghiệm hệ thống 83 4.2.1 Mục đích phương pháp thực nghiệm 83 4.2.2 Đối tượng thực nghiệm 83 4.2.3 Thiết bị thử nghiệm 84 4.2.4 Trình tự kết thực nghiệm 89 4.3 Kết luận chương 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA LUẬN ÁN 105 PHỤ LỤC 106 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu chữ La tinh Ký hiệu Giải thích a, b, c Hệ số đặc tính đáp ứng điều tốc có dạng bậc hai a1, b1 Hệ số đặc tính đáp ứng điều tốc có dạng bậc a2, b2, c2 a3 amax Đơn vị Các hệ số thực nghiệm động Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước Gia tốc lớn b3 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau f Hệ số cản lăn m m/s2 m Fk Lực đẩy từ khung xe lên bánh xe N Fwx Lực cản không khí tâm diện xe N Fx Tổng hợp phản lực dọc mặt đường tác dụng lên bánh xe N Fxs Tổng hợp phản lực dọc mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động N Fxt Tổng hợp phản lực dọc mặt đường tác dụng lên bánh xe bị N động Fz Phản lực thẳng đứng mặt đường tác dụng lên bánh xe N Fzs Phản lực thẳng đứng đường tác dụng lên bánh xe chủ động N Fzt Phản lực thẳng đứng đường tác dụng lên bánh xe bị động N Lực bám cực đại N Fφs Lực bám sinh bánh xe chủ động N G Tải trọng xe N g Gia tốc trọng trường Fφmax m/s2 Gbs Tải trọng tác dụng lên bánh xe chủ động N Gbt Tải trọng tác dụng lên bánh xe bị động N hg Chiều cao trọng tâm xe m i0 Tỉ số truyền truyền lực ic Tỉ số truyền ly hợp ih Tỉ số truyền hộp số itl Tỉ số truyền chung hệ thống truyền lực Jbxs Mơ men qn tính khối lượng bánh xe chủ động kg.m2 Jbxt Mơ men qn tính khối lượng bánh xe bị động kg.m2 Jqd Mô men quán tính bánh xe chi tiết liên quan quy dẫn bánh xe kg.m2 kLH Hệ số thể mức độ đóng ly hợp v L Chiều dài sở xe m m Khối lượng xe kg Me Mô men động N.m Mfs Mô men cản lăn bánh xe chủ động N.m Mft Mô men cản lăn bánh xe bị động N.m Mx Mô men chủ động từ động truyền đến bánh xe chủ động N.m M e* Mô men xoắn xác định theo đặc tính ngồi động N.m nbca Vận tốc góc bơm cao áp v/p ne Vận tốc góc động v/p Ne Cơng suất có ích động kW Cơng suất có ích cực đại kW nN Vận tốc góc trục khuỷu ứng với cơng suất có ích cực đại v/p nr Số xung đo từ cảm biến Nr Số vấu vành cảm biến p Bước ren trục vít Nmax pdk Mức tải động hiệu chỉnh điều khiển Pin Mức tải thực tế động Plv Công suất làm việc động Pnl Mức tải động người lái thiết lập (thơng qua vị trí bàn đạp chân ga) mm W Qb (nbca ) Đặc tính phun nhiên liệu cục bơm cao áp g/chu trình Qb max(nbca ) Đặc tính phun nhiên liệu ngồi bơm cao áp g/chu trình rd Bán kính lăn bánh xe m Tr Khoảng thời gian đếm xung từ cảm biến s Tt Mô men xoắn trục động bước N.m vl Vận tốc tiếp tuyến bánh xe chủ động m/s vx Vận tốc ô tô m/s z Số mối ren trục vít Ký hiệu chữ Hy Lạp λ Độ trượt bánh xe % Độ trượt thời điểm gia tốc lớn % tt Độ trượt thực tế % w Độ trượt mong ước % t Vận tốc góc bánh xe bị động rad/s s Vận tốc góc bánh xe chủ động rad/s λamax vi Gia tốc góc bánh xe chủ động rad/s2 t Gia tốc góc bánh xe bị động rad/s2 e Vận tốc góc động v/p e* Vận tốc góc động có kể đến ảnh hưởng độ trễ (đặc tính động học) điều tốc v/p 0 Vận tốc góc ban đầu động rad/s obx Vận tốc góc ban đầu bánh xe rad/s s φ Hệ số bám bánh xe mặt đường φx Hệ số bám dọc bánh xe mặt đường φy Hệ số bám ngang bánh xe mặt đường  x max  Hệ số bám dọc cực đại Hệ số cản tổng cộng Các chữ viết tắt Ký hiệu Giải thích TCS Hệ thống điều khiển lực kéo (Traction Control System) PID Bộ điều khiển theo quy luật tỉ lệ-tích phân-vi phân (Proportional Integral Derivative) ECU Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit) CCCH ESP Cơ cấu chấp hành Hệ thống cân điện tử (Electronic Stability Program) vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thông số đối tƣợng nghiên cứu 18 Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật băng thử NT 3000 27 Bảng 2.2: Quy trình thí nghiệm xác định đặc tính điều tốc 28 Bảng 2.3: Các phƣơng án mô khảo sát ảnh hƣởng mức tải động 40 Tiếp tục khảo sát mô đƣờng có hệ số bám thấp (φ=0,25:0,05:0,55) với mức tải động Pin=(10:10:100)% theo phƣơng án PA2, luận án tổng hợp giá trị gia tốc lớn amax độ trƣợt λamax thời điểm ô tô đạt gia tốc amax Bảng 2.4.Bảng 2.4: Gia tốc cực đại, độ trƣợt thời điểm gia tốc đạt cực đại (amax, λamax) trình khởi hành với mức tải động (Pin) hệ số bám (φ) khác 44 Bảng 3.1: Thông số xác định tham số điều khiển 53 Bảng 3.2: Giá trị tham số điều khiển 53 Bảng 3.3: Phƣơng án mô nhằm đánh giá hiệu điều khiển 55 Bảng 3.4: Các phƣơng án mô vùng điều khiển 64 Bảng 3.5: Các giá trị hệ số cản lăn hệ số bám mô 67 Bảng 4.1: Thơng số kỹ thuật cảm biến đo vận tốc góc bánh xe 71 Bảng 4.2: Các giá trị thơng số tính chọn động 74 Bảng 4.3: Thông số động bƣớc YH42BYGH47 75 Bảng 4.4: Các thống số mô đun TB6600-4A 76 Bảng 4.5: Thực nghiệm kiểm tra hoạt động cấu chấp hành 89 Bảng 4.6: Thực nghiệm hoạt động hệ thống điều khiển 91 Bảng 4.7: Tổng hợp kết thí nghiệm TN1 95 Bảng 4.8: Tổng hợp kết thí nghiệm TN2 98 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ lực mô men tác dụng lên bánh xe chủ động Hình 1.2 Sự thay đổi hệ số bám dọc ngang theo độ trƣợt bánh xe Hình 1.3 Hệ thống hạn chế trƣợt phƣơng pháp thay đổi độ bám đƣờng Hình 1.4 Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm sốt lực kéo Hình 1.5 Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm sốt lực kéo Tetsuhiro Yamashita Hình 1.6 Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm sốt lực kéo điều khiển hệ thống phanh nhiệt độ khí xả 10 Hình 1.7 Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo cách tác động vào góc đánh lửa thay đổi độ dài đƣờng nạp 11 Hình 1.8 Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo thơng qua điều khiển bƣớm ga 11 Hình 1.9 Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo thông qua bƣớm ga phụ 12 Hình 1.10 Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo thơng qua điều khiển bƣớm ga 12 Hình 1.11 Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm sốt lực kéo hệ thống nhiên liệu 13 Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển hạn chế trƣợt quay theo nhiệt độ môi trƣờng 14 Hình 1.13 Hệ thống hạn chế trƣợt quay cho tô tải hãng Wabco 15 Hình 1.14 Bộ điều khiển MTTE 15 Hình 1.15 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển theo thuật tốn điều khiển trƣợt (SMC) 16 Hình 1.16 Sơ đồ khối điều khiển lực kéo bánh xe chủ động bánh xe 16 Hình 1.17 Thí nghiệm đo lực kéo đƣờng tuyết 17 Hình 1.18 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mô men đƣờng tuyết băng 17 Hình 2.1 Sơ đồ mơ hình mơ chuyển động tơ 22 Hình 2.2 Sơ đồ mơ hình xác định mơ men động đốt 24 Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu băng thử 24 Hình 2.4 Thiết bị thử nghiệm ví trí lắp đặt bơm cao áp 25 viii 960 0 0 34.2 34.6 34.4 36 36 36 980 0 0 33.8 35 34 35 36 36 1000 0 0 32 35 34.4 34.8 36 37 1020 0 0 27.4 34.4 34.2 34.8 36 37 1040 0 0 24.4 35 36 35 36 37 1060 0 0 20.6 35 37 36 37 38 1080 0 0 17 34.6 38 37 37 38 1100 0 0 14 32 38 37 38 38 1120 0 0 9.8 27 38 37 38 38 1140 0 0 5.2 22 38 37 38 39 1160 0 0 19 39 38 38 39 1180 0 0 0 16.8 35 38 39 39 1200 0 0 0 13.2 28.2 39 39 39 1220 0 0 0 9.4 22.6 39 40 40 1240 0 0 0 5.6 19 40 40 40 1260 0 0 0 0.8 17 40 40 40 1280 0 0 0 12.6 40 40 40 1300 0 0 0 7.4 40 40 40 1320 0 0 0 2.6 31.4 41 41 1340 0 0 0 0 24.2 41 41 1360 0 0 0 0 20 42 41 1380 0 0 0 0 17.2 42 42 1400 0 0 0 0 14.2 39 42 1420 0 0 0 0 8.4 31 42 1440 0 0 0 0 0.6 22 42 1460 0 0 0 0 18.4 41 1480 0 0 0 0 16.8 36 1500 0 0 0 0 10.6 23.4 1520 0 0 0 0 4.2 19.4 1540 0 0 0 0 0 16.8 1560 0 0 0 0 0 11.2 1580 0 0 0 0 0 4.6 1600 0 0 0 0 0 107 Phụ lục 2: Quá trình thử nghiệm bơm cao áp Thử nghiệm bơm cao áp băng thử NT3000 trƣờng HVKTQS Thử nghiệm bơm cao áp băng thử EPS604 trƣờng ĐH SPKT Hƣng Yên 108 Phụ lục 3: Một số hình ảnh trình thử nghiệm xe Quá trình báo cáo phƣơng án thực nghiệm Tạo thử bê tơng có bùn sét 109 Thực nghiệm xƣởng cơng nghiệp Thử nghiệm xe đƣờng bê tơng có bùn sét 110 Thực đo ghi kết thử nghiệm máy tính 111 ... ô tô, độ trƣợt bánh xe ô tô chủ động, mức tải động khơng có điều khiển hệ số cản lăn f=0,06 65 Hình 3.25 Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trƣợt bánh xe ô tô chủ động, mức tải động có điều. .. hạn chế trượt quay bánh xe chủ động? ?? nhằm đề xuất hệ thống hạn chế tƣợng trƣợt quay bánh xe chủ động áp dụng cho ô tô tải nhỏ Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển mức tải. .. bánh xe ô tô Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển nhằm hạn chế tƣợng trƣợt quay bánh xe chủ động ô tô cần đƣợc nghiên cứu nhằm tiến tới ứng dụng ô tô sản xuất lắp ráp nƣớc 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu