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

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 CĨ ABS Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2018 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hồ Hữu Hải 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 bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường, họp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Hệ thống chống trượt quay bánh xe hệ thống tự động điều khiển vận tốc góc bánh xe chủ động nhằm tận dụng tối đa hệ số bám dọc bám ngang bánh xe chủ động đường có hệ số bám hai bên khác Hệ thống nâng cao hiệu sử dụng tăng tính an tồn chuyển động tô Xuất phát từ nhu cầu trên, nghiên cứu sinh chọn hướng nghiên cứu phát triển hệ thống phanh ABS khí nén xe tải nhỏ có bổ sung hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động đường có hệ số bám khơng đồng nhằm góp phần làm chủ cơng nghệ chế tạo phục vụ chiến lược nội địa hóa cơng nghiệp ô tô Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tượng trượt quay bánh xe chủ động xe tải 4x2 đường có hệ số bám khác (2 bên bánh xe chủ động) từ đề xuất chế tạo mẫu (ban đầu) hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe với giải pháp tác động phanh bánh xe bị trượt quay sở hệ thống phanh khí nén có ABS nhằm nâng cao tính động lực học cho tơ Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2 trang bị hệ thống phanh khí nén có ABS 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 bên bánh xe chủ động tơ đường có hệ số bám khơng đồng Phương pháp nghiên cứu sản phẩm - Nghiên cứu mơ máy tính - Nghiên cứu thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Luận án đề xuất phương án phát triển từ hệ thống phanh khí nén ABS có bổ sung hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động Điều cho phép gợi mở hướng nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm áp dụng với sản phẩm nội địa với điều kiện có Hệ thống chế tạo phù hợp với điều kiện công nghệ chế tạo áp dụng Việt Nam, cho phép thử nghiệm để tiến tới sản xuất hàng loạt nhằm giảm chi phí sản xuất thực tế đại hóa tơ sản xuất Việt Nam Sự thành cơng đề tài góp phần hốn cải sản xuất tơ tải có sử dụng phanh khí có hiệu quả, giảm thiểu giá thành ô tô để tăng lực cạnh tranh với ô tô nhập ngoại Nội dung bố cục luận án: Luận án tiến hành nội dung nghiên cứu sau: - Khảo sát ảnh hưởng mơ men phanh tới đặc tính tăng tốc ô tô tải đường có hệ số bám không đồng nhất; - Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển xác định 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 hoạt động toàn hệ thống Các kết nghiên cứu luận án Luận án trình bày kết nghiên cứu gồm: - Đề xuất mơ hình hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động 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 tơ tải có trạng bị hệ thống phanh ABS khí nén; - Thiết kế, chế tạo mẫu ban đầu hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động thực nghiệm ô tô nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam phát triển lĩnh vực sản xuất ô tô tải Trong bối cảnh chung ngành công nghiệp ô tô vậy, lĩnh vực sản xuất ô tô tải, hưởng nhiều sách ưu đãi Chính phủ tình trạng khơng khả quan Hầu hết doanh nghiệp ô tô Việt Nam sản xuất số sản phẩm khung vỏ, thùng bệ, ca bin số chi tiết khác Tồn phần máy móc từ động cơ, hệ thống truyền lực đến hệ thống điều khiển… nhập từ nước ngoài, phần lớn từ Trung Quốc 1.2 Hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động Sự trượt dọc bánh xe gắn liền với biến dạng theo chu vi lốp Do tác dụng mô men xoắn bánh xe, lớp lốp vùng tiếp xúc bị biến dạng, gây nên dịch chuyển tương xác định độ trượt dọc Độ trượt (hệ số trượt) bánh xe chủ động biểu thị tỷ lệ phần trăm vận tốc ô tơ chạy với vận tốc góc bánh xe xác định theo công thức:  v0  v 100% v0 (1.1) Hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe sử dụng hệ thống phanh nghiên cứu, theo dõi điều khiển áp suất phanh cho bên bánh xe nhằm trì độ trượt biến đổi phạm vi giá trị trượt tối ưu nhằm giảm thiểu tượng trượt quay, tăng tính an tồn cho tơ bánh xe vùng có hệ số bám thấp Do vậy, luận án tiến hành tìm hiểu phương pháp điều khiển mô men phanh bánh xe nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động ô tô 1.3 Tình hình nghiên cứu giới Hiện giới, hệ thống phanh có điều khiển tích hợp với hệ thống điều khiển chống trượt quay với nhiều tên gọi TCS (Traction control system), ASR (Anti Spin Regulator - Antriebsschlupfregelung), ATC (Automatic traction control) [24] Các hệ thống áp dụng rộng dãi nhằm nâng cao lực kéo, tính ổn định tính an tồn tơ chế độ hoạt động ô tô nhiều loại đường có hệ số bám khác hay trường hợp làm việc khẩn cấp [14], [15], [22], [42], [62] 1.4 Tình hình nghiên cứu Việt Nam Hiện mức độ sử dụng hệ thống phanh khí có điều khiển đại Việt Nam hạn chế, tập trung chủ yếu ô tô buýt, khách ô tô tải hạng nặng đa phần ô tô nhập nguyên Các cơng trình nghiên cứu hệ thống chống trượt quay bánh xe dừng lại mơ hình mô nên tồn sai khác kết thu so với việc nghiên cứu ô tô thật [3], [34] Do đó, việc nghiên cứu phát triển hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động sở hệ thống phanh khí nén có ABS nhằm nâng cao hiệu làm việc ô tô thật cần thiết nghiên cứu sản xuất chế tạo ô tô Việt Nam 1.5 Mục tiêu, phạm vi, đối tượng phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tượng trượt quay bánh xe chủ động xe tải 4x2 đường có hệ số bám khác (2 bên bánh xe chủ động) từ đề xuất chế tạo mẫu (ban đầu) hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe với giải pháp tác động phanh bánh xe bị trượt quay sở hệ thống phanh khí nén có ABS nhằm nâng cao tính động lực học cho ô tô 1.5.2 Nội dung nghiên cứu - Khảo sát ảnh hưởng mô men phanh tới đặc tính tăng tốc tơ tải đường có hệ số bám khơng đồng nhất; - Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển xác định ngưỡng điều khiển theo độ trượt phù hợp với tơ 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 áp suất khí nén cho tơ nghiên cứu; - Thực nghiệm, nhận xét hoạt động toàn hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe 1.5.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2 trang bị hệ thống phanh khí nén có ABS Phạm vi nghiên cứu luận án hệ thống hạn chế trượt quay bên bánh xe chủ động tơ đường có hệ số bám khác 1.5.4 Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu mơ máy tính nhằm xác định sơ giá trị ngưỡng điều khiển kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm nhằm hoàn thiện thêm hệ thống đánh giá phần khả hoạt động hệ thống 1.6 Bố cục luận án Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương Xây dựng mơ hình mơ hệ thống Chương Nghiên cứu điều khiển mô hoạt động hệ thống Chương Thiết kế, chế tạo thực nghiệm hệ thống Kết luận 1.7 Kết luận chương Các nghiên cứu giới hoàn thiện hệ thống chống trượt quay bánh xe có sử dụng hệ thống phanh, nâng cao tính kinh tế kỹ thuật, an tồn sử dụng tơ ngày nhiều có nhiều thành tựu Ở Việt Nam, có cơng trình nghiên cứu hệ thống chống trượt bánh xe sử dụng hệ thống phanh khí, đa phần cơng bố kết mơ hình mơ Từ u cầu cấp thiết trên, luận án nghiên cứu đề xuất mơ hình hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe điều khiển tác động phanh bánh xe chủ động, mơ hình hóa hệ thống, xác định ngưỡng điều khiển, chế tạo - thực nghiệm cấu chấp hành, điều khiển hệ thống, chế tạo thiết bị đo, thực nghiệm tổng hợp kết ô tô cụ thể nhận xét kết theo mục tiêu đề CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG Mơ hình mơ hệ thống gồm mơ đun: Hệ thống động lực (từ động qua hộp số, truyền lực vi sai đến bánh xe chủ động), bánh xe, chuyển động thẳng ô tô, hệ thống dẫn động khí nén có ABS, cấu phanh hình 2.1 Hình 2.1 Sơ đồ tổng thể mơ hình mơ hệ thống 2.1 Mơ đun mơ hình mơ chuyển động thẳng tơ Khi ô tô chuyển động thẳng, lực mô men tác dụng lên tơ mơ tả hình 2.2 Hình 2.2 Các lực tác dụng lên tơ trình chuyển động Phương trình chuyển động ô tô theo phương dọc viết sau: m x  Fx  Fx1 – Fwx (2.1) Tổng hợp lực tiếp tuyến từ đường tác dụng lên bánh xe giúp ô tô chuyển động tổng hợp từ bánh xe chủ động xác định: Fx  Fxp2  Fxt2 (2.4) 2.2 Mô đun mơ hình mơ hệ thống truyền lực có vi sai Hệ thống truyền lực ô tô nghiên cứu loại truyền lực có hộp số khí thường, động đặt trước, dẫn động cầu sau Mô men từ động qua hộp số, trục đăng, cầu xe đến bánh xe chủ động phía sau mơ tả hình 2.3 Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống truyền lực Khi mô men cản hai bên bánh xe nhau, bánh xe bên phải bên trái quay vận tốc góc (ωt = ωp= ω0) mô men chủ động truyền đến hai bánh xe nhau: M xp  M xt  M vs (2.5) Khi mô men cản hai bên bánh xe nhau, lực bám hai bên bánh xe khác nhau, làm cho hai bánh xe quay với vận tốc khác (giả sử ωt > ωp) mô men truyền đến bên bánh xe xác định: M xt   M vs  M ms  (2.10) M xp   M vs  M ms  (2.11) 2.3 Mô đun mơ hình mơ bánh xe 2.3.1 Phương trình chuyển động quay bánh xe bị động Khi bánh xe chuyển động (trường hợp tổng quát), lực mô men tác dụng hình 2.5 Hình 2.5 Lực mô men tác dụng lên bánh xe bị động Phương trình chuyển động quay bánh xe: J bx   Fx1.rd  M f (2.17) 2.3.2 Phương trình chuyển động quay bánh xe chủ động Khi bánh xe chuyển động (trường hợp tổng quát) có lực mơ men tác dụng hình 2.6 Hình 2.6 Lực mơ men tác dụng lên bánh xe chủ động Phương trình chuyển động quay bánh xe bên trái phải: J bx 2t  M xt – M  M tf  Fxt2 rd (2.19) J bx 2p  M xp – M pp2  M fp2  Fxp2 rd (2.20) 2.3.3 Phản lực tiếp tuyến bánh xe Để xác định lực liên kết lốp đường, ta sử dụng mô hình lốp, có mơ hình lốp thơng dụng sau: Mơ hình lốp Burckhardt, mơ hình lốp Dugoff, mơ hình Pacejka, mơ hình lốp Ammon Trên sở đó, độ trượt bánh xe tính sau:  bx rd  vx 100% bx rd (2.42) Trên sở độ trượt tính được, hệ số bám dọc tức thời nội suy tuyến tính (lookup table): Sơ đồ tình tốn lực dọc Matlab Simulink [9], [13] thể hình 2.7 Hình 2.7 Sơ đồ tính lực dọc Xét trường hợp tơ thẳng đường, phản lực tiếp tuyến mặt đường tác động lên ô tô (thông qua bánh xe) lực Fx2 xác định [12]: Fx  Fxp2  Fxt2  Fzp2 xp  Fzt2 xt (2.43) 2.4 Mơ đun mơ hình mơ hệ thống phanh khí nén 2.4.1 Mơ hình mơ cấu phanh bánh xe Mô men phanh bánh xe phụ thuộc áp suất khí nén (biến thiên theo thời gian) bầu phanh bánh xe, Mp = f(pbau) Mô men phanh bánh xe Mp [N.m] [4] xác định: Mp  ( ht hs Fpt  Fps ) .rt a1  .rt a1  .rt (2.47) Fpt, Fps- lực tác động từ tâm cam quay tới guốc phanh xiết nhả 2.4.2 Mơ hình mơ dẫn động phanh Luận án thực nghiên cứu xây dựng mơ hình hóa hệ đẫn động khí nén từ bình khí qua van chia 3/2, van ABS tới bầu phanh tác động lên cấu phanh bánh xe hình 2.12 Hình 2.12 Sơ đồ mơ dẫn động phanh khí nén hệ thống Lưu lượng khối xác định sau [40]: Qw = γ.u.A (2.51) Lưu lượng khối chất khí chảy qua tiết lưu xác định theo cơng thức [40]: Qra =K g Cv p.(pd  pa ) G.Tu (2.52) Phương trình mơ tả mối liên hệ áp suất chất khí lưu lượng vào dung tích: dpd = Qvao - Qra  dt Cn (2.53) Như vậy, giải pháp tăng mô men phanh bên bánh xe bị trượt quay phụ thuộc rõ rệt hệ số bám thực tế bánh xe với mặt đường Kết mô cho thấy vùng hệ số bám thấp tác động phanh bánh xe mang lại hiệu tăng tốc tơ, với vùng có hệ số bám cao không cần thiết tác động phanh, chí tơ tự vượt qua Các kết khảo sát bảng 2.6 thu sở việc xây dựng thuật toán điều khiển 2.7 Kết luận chương Đã xây dựng mơ hình mơ động lực học phương dọc tơ 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 mơ luận án xây dựng phần mềm Matlab Simulink Kết mô số trường hợp làm việc ô tô phù hợp với quy luật vật lý thực tế, cho thấy mô hình tin cậy Tiến hành khảo sát ảnh hưởng mơ men phanh tới đặc tính tăng tốc ô tô tải nhằm xác định giới hạn vùng hệ số bám thấp cần tác động phanh (đối với hệ số cản lăn đường đất sau mưa 0,12, vùng hệ số bám bên bánh xe nhỏ 0.35 tác động phanh hiệu quả, vùng hệ số bám bên bánh xe từ 0.35 đến 0,45 hiệu với lực phanh nhỏ, vùng hệ số bám bên bánh xe lớn 0,45 tác động phanh làm cản chở chuyển động) để giảm thiểu khả trượt quay bánh xe, giúp cho việc thiết lập thuật tốn điều khiển phù hợp cho tơ nghiên cứu CHƯƠNG NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 3.1 Cấu trúc hệ thống Hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động nghiên cứu đề xuất trình bày hình 3.2 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe phanh khí nén 11 ECU nhận tín hiệu vận tốc góc bánh xe cầu trước sau, tính tốn độ lệch vận tốc góc bánh xe từ đưa tín hiệu điều khiển riêng rẽ đến van chia 3/2 để cấp khí cho van ABS [55] Đồng thời ECU điều khiển trạng thái van ABS (tăng, giữ, giảm áp) nhằm điều khiển mô men phanh cục bên bánh xe chủ động bị trượt quay để trì khả bám tốt bánh xe chủ động với mặt đường 3.2 Trạng thái làm việc van chấp hành Các trạng thái làm việc van chấp hành mô tả hình 3.5 Hình 3.5 Trạng thái làm việc van chấp hành Hệ thống điều khiển theo ngưỡng trượt λ1 λ2 (với λ2> λ1) Dựa vào giá trị ngưỡng trượt để ECU điều khiển tăng, giữ giảm áp suất bầu phanh 3.3 Thuật tốn điều khiển Sơ đồ thuật tốn trình bày hình 3.6 Hình 3.6 Thuật tốn điều khiển hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe Bộ điều khiển ECU theo dõi tốc độ bánh xe cầu trước sau xác định độ trượt cho bánh xe Tốc độ bánh xe cảm biến gửi tín hiệu ECU để so sánh với tốc độ tơ tính tốn, bánh xe bị trượt quay ECU đưa tín hiệu điều khiển đến cấu chấp hành thực việc tác động phanh nhằm đảm bảo độ trượt bánh xe khoảng ngưỡng trượt (λ1- λ2) tính tốn [44] 12 3.4 Mơ đun mô điều khiển hệ thống 3.4.1 Sơ đồ điều khiển Để điều khiển hoạt động hiệu cần thiết xây dựng điều khiển nhận biết vận tốc tơ, vận tốc góc bánh xe chủ động tính tốn độ trượt bên bánh xe chủ động cung cấp biến điều khiển đến van chấp hành thực chu trình làm việc tương ứng độ trượt thời Hình 3.8 Sơ đồ mơ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động 3.4.2 Mô điều khiển cấu chấp hành Luận án tiến hành mơ phỏng, khảo sát áp suất khí nén bầu phanh mơ men phanh bánh xe theo tín hiệu điều khiển van chia 3/2, van ABS với thông số đầu vào bảng 2.4 Các tín hiệu điều khiển ECU tới van chia 3/2 van ABS tương ứng với trạng thái điều khiển tăng, giữ giảm áp suất khí nén bầu phanh bánh xe Hình 3.10 Các biến điều khiển van 3/2, van ABS, áp suất bầu phanh mô men phanh bánh xe bên bánh xe bị trượt quay 13 Từ kết cho thấy, trình tăng áp bầu phanh mô men phanh tuân theo trạng thái điều khiển tín hiệu tăng giảm áp 3.4.3 Mô điều khiển Bộ điều khiển xây dựng gồm mô dun nhỏ tượng tự nhau, điều khiển tác động mô men phanh cho bên bánh xe Trong mô đun điều khiển này, đầu vào độ trượt bánh xe điều khiển tăng - giữ - giảm áp suất bầu phanh, thể hình 3.11 Hình 3.11 Sơ đồ mô tả mô đun điều khiển Sau xây dựng mô đun điều khiển cho hệ thống, sơ đồ mơ tồn hệ thống mơ tả hình 3.12 Hình 3.12 Sơ đồ mơ tả mơ hình mơ hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe 14 Vấn đề đặt cần kiểm tra, đánh giá thông số vận tốc ô tô, gia tốc tơ, vận tốc góc bánh xe chủ động độ trượt bánh xe chủ động để làm khoa học cho việc lựa chọn ngưỡng trượt 3.5 Nghiên cứu xác định ngưỡng điều khiển theo độ trượt bánh xe Quá trình xác định ngưỡng điều khiển theo phương pháp minh họa sơ đồ hình 3.13 Hình 3.13 Sơ đồ mô tả phương pháp xác định ngưỡng điều khiển Hiện nay, chưa có cơng trình cơng bố chi tiết phương pháp xác định giá trị ngưỡng điều khiển cho hệ thống hạn chế trượt quay ô tơ tải sử dụng phanh khí nén Nhiều nghiên cứu cho trì độ trượt bánh xe khoảng 10 ÷ 30% đảm bảo khả bám với đường tốt Do đó, luận án tiến hành xác định giá trị ngưỡng sơ mô Tổng hợp phương án mô khảo sát trình bày bảng 3.1 Bảng Tổng hợp phương án mô xác định ngưỡng trượt điều khiển Bảng Giá trị độ trượt trung bình thu mơ q trình khởi hành với số giá trị ngưỡng hệ số bám đường khác 15 Từ bảng 3.2 nhận xét sơ cặp ngưỡng phù hợp cho đối tượng nghiên cứu luận án (λ2=0,36; λ1 =0,1), đảm bảo giá trị độ trượt trung bình nằm khoảng [0,19 - 0,33] cho loại đường có hệ số bám từ 0,2 đến 0,45 Kết mơ q trình khởi hành tơ đường có bên bánh xe bám tốt (φp =0,8) bên bánh xe bám có khơng có tác động điều khiển theo cặp giá trị ngưỡng trình Van toc (km/h) Do truot (x100%) Van toc goc (rad/s) 15 Gia toc (m/s2) bày hình: 10 0 10 10 10 10 0.5 0 30 20 10 0 0.5 0 Thoi gian(s) Khong dieu khien Co dieu khien Hình 3.18 Vận tốc, gia tốc tơ vận tốc góc bánh xe, độ trượt bánh xe Tong luc doc (N) Luc doc ben phai (N) Luc doc ben trai (N) bên bánh xe chủ động đường có hệ số bám 0.2 (φt=0,2, φp =0,8) 2000 1000 x 10 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 0.5 1.5 2.5 Thoi gian(s) 3.5 4.5 x 10 0 Khong dieu khien Co dieu khien Hình 3.22 Lực kéo ô tô bên bánh xe chủ động đường có hệ số bám 0.1 (φt=0,1, φp =0,8) Các kết mô chuyển động ô tô điều kiện đường cụ thể thể quy luật phù hợp với thực tế chuyển động ô tô Qua đó, nhận xét việc tác động 16 tăng mô men phanh bánh xe bị trượt quay theo thuật toán giá trị ngưỡng điều khiển xác định chương giúp cải thiện tình trạng trượt quay bánh xe, tăng lực kéo tăng khả động lực học chuyển động ô tô 3.6 Kết luận chương Trên sở tơ có sẵn hệ thống phanh khí nén có ABS, đề xuất cấu trúc hệ thống phanh hạn chế trượt quay việc bổ sung thêm van chia 3/2 bánh xe Đề xuất thuật toán điều khiển sơ đồ điều khiển hệ thống thông qua điều khiển trạng thái làm việc van chấp hành dựa vào tín hiệu đầu vào cung cấp vận tốc góc bánh xe cầu trước cầu sau, áp suất khí nén hệ dẫn động phanh, vận tốc ô tô Đề xuất phương pháp xác định cặp ngưỡng điều khiển mô sử dụng số độ trượt trung bình để đánh giá hiệu hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe Đã tìm cặp ngưỡng λ1 = 0,1; λ2=0,36 phù hợp với đối tượng luận án, đáp ứng tốt khả hạn chế trượt quay xe đường có hệ số bám bên bánh xe từ 0,1 ÷ 0,45, bên bánh xe cịn lại bên đường có hệ số bám 0,8 Việc xác định cặp ngưỡng sơ điều khiển vùng tác động phanh hiệu giúp tiết kiệm chi phí giảm thời gian nghiên cứu thực nghiệm trình phát triển hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe Nội dung chương trình bày việc chế tạo, thử nghiệm đánh giá hoạt động hệ thống sở ngưỡng điều khiển đề xuất CHƯƠNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG 4.1 Thiết kế chế tạo hệ thống 4.1.1 Mục đích đối tượng Mục đích: Lựa chọn, thiết kế, chế tạo vị trí lắp ráp chi tiết hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động ô tô tải 4x2 thực nghiệm hệ thống Đối tượng: Luận án xây dựng hệ thống ô tô tải 4x2 (tải trọng tấn) sử dụng hệ thống phanh khí nén 4.1.2 Cảm biến sử dụng hệ thống Trên thị trường có nhiều loại cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ làm việc với nguyên lý tốc độ kế xung [47], với tần số đáp ứng cao, khoảng cách phát nhỏ phù hợp với yêu cầu đo tốc độ ô tô giá thành phù hợp, cảm biến tiệm cận hãng 17 Omron, Sensys…Luận án lựa chọn cảm biến loại E2A-S08-KS02-WP-C1 tính số vành đảm bảo hoạt động ổn định 4.1.3 Cụm van chấp hành a Kết cấu cụm van chấp hành Trên sở hệ thống phanh khí nén có ABS, luận án nghiên cứu lắp đặt kết cấu cụm van gồm van chia 3/2 kết hợp với van ABS hình 4.3 Hình 4.3 Sơ đồ lắp ghép cụm van chấp hành hạn chế trượt quay chế tạo thử 4.1.4 Thí nghiệm kiểm tra làm việc cụm van chấp hành Luận án tiến hành thí nghiệm kiểm tra tương thích cụm van chấp hành hệ dẫn động khí nén tơ nghiên cứu, nhằm lựa chọn loại van phù hợp với hệ thống, làm sở việc chế tạo bố trí tơ Mục đích Nội dung thí nghiệm Nhận xét Đánh giá ảnh hưởng Thí nghiệm xác định thời gian tăng Thời gian tăng áp van chấp hành đến độ trễ áp suất bầu phanh có suất bầu phanh hệ thống khơng có van chấp hành Qua thí nghiệm cho thấy cụm van lắp ráp lên ô tô hoạt động ổn định với độ trễ thời gian tăng áp suất tương đối nhỏ 0,01s Việc lắp bổ sung van chia 3/2 không làm ảnh hưởng đáng kể đến khả làm việc thời gian chậm tác dụng hệ thống 4.1.5 Bộ điều khiển điện tử Hệ thống thiết kế cho ô tô nghiên cứu sử dụng cảm biến để đo vận tốc góc bánh xe, sở để điều khiển cụm van chấp hành độc lập cho bên bánh xe chủ động [18] Hình 4.10 Bảng mạch hồn thiện điều khiển 18 Tồn chương trình điều khiển điều khiển hệ thống viết ngôn ngữ C, trình biên dịch AVR Studio Sau chương trình chuyển thành mã máy nạp vào vi điều khiển bên điều khiển 4.2 Thực nghiệm hệ thống 4.2.1 Mục đích phương pháp thực nghiệm Mục đích: Thực nghiệm nhận xét hiệu hệ thống thông qua giá trị vận tốc ô tô giá trị lực dọc ô tô Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành đo vận tốc góc bánh xe ô tô trường hợp có khơng có điều khiển hệ thống chế tạo với hai bên bánh xe chủ động làm việc bề mặt có hệ số bám khơng đồng 4.2.2 Chế tạo thiết bị thực nghiệm Ngoài thiết bị cảm biến, cặp van chấp hành điều khiển hệ thống trang bị mô tả mục 4.1 luận án sử dụng thiết bị đo - ghi vận tốc góc bánh xe, lực dọc ô tô biến thiên áp suất bầu phanh – bình khí nén Hình 4.12 Hình 4.12 Thiết bị đo – ghi liệu Giao diện máy tính thiết bị đo hình 4.17 Hình 4.17 Giao diện phần mềm đo, ghi liệu Giao diện thiết bị đo bố trí mục: Panel thao tác, thông số đo, Đồ thị thời gian thực, kết nối, hiệu chỉnh cuối lưu file Để đo lực dọc, luận án dùng dây cáp để nối đầu vào phía sau khung ô tô (sát xi), đầu vào cảm biến đo lực (loadcell) Đầu lại cảm biến giữ cố định dây cáp khác 19 Hình 4.22 Mơ tả thực nghiệm đo lực dọc ô tô 4.2.3 Trình tự thực nghiệm + Thực nghiêm đo vận tốc góc bánh xe xưởng cơng nghiệp với p = 0,11; t = 0,55; ψ = 0,09 + Thực nghiêm đo lực dọc ô tô đường bê tông khô với p = 0,2; t = 0,75 + Thực nghiêm đo áp suất khí nén với p = 0,11; t = 0,55 p = 0,2; t = 0,75 4.2.4 Kết thực nghiệm Thực nghiêm đo vận tốc góc bánh xe, độ trượt biến thiên áp suất bầu phanh Hình 4.27 Vận tốc bánh xe xưởng công nghiệp Van toc oto (m/s) 170 172 174 176 178 180 182 184 186 188 190 Hình 4.28 Vận tốc tơ có điều khiển 1.2 Do truot 0.8 0.6 0.4 0.2 170 172 174 176 178 180 Thoi gian (s) 182 184 186 188 Hình 4.29 Độ trượt bánh xe có điều khiển 20 190 Hình 4.30 Áp suất khí nén bầu phanh bình chứa Bảng tổng hợp kết quả: Bảng Tổng hợp kết trượt quay bánh xe TT Thông số kiểm tra Khi chưa điều khiển Vận tốc góc bánh xe trước trái phải Vận tốc góc bánh xe sau phải Vận tốc góc bánh xe sau trái Khi điều khiển Vận tốc góc bánh xe trước trái phải Kết đo Nhận xét (Rad/s) 19 (Rad/s) Vì tơ khơng chuyển động nên vận tốc góc bánh xe bị động 0, bánh xe chủ động bên đường có hệ số bám cao 0, bánh xe chủ động bên đường có hệ số bám thấp có giá trị lớn (bị trượt quay hoàn toàn chỗ) (Rad/s) (Rad/s) Vận tốc góc bánh xe bị động nhau, bánh xe chủ động bên đường có hệ ÷10 Vận tốc góc bánh xe sau phải số bám cao tăng dần, bánh xe chủ động (Rad/s) bên đường có hệ số bám thấp giảm dần ÷ 14 (do tác động phanh) Vận tốc góc bánh xe sau trái (Rad/s) Thực nghiệm đo lực dọc ô tô biến thiên áp suất bầu phanh Hình 4.31 Vận tốc bánh xe lắp cảm biến lực vào sau tơ Hình 4.32 Giá trị tổng lực dọc ô tô 21 105 (Pa) 105 (Pa) X X Hình 4.33 Áp suất khí nén bầu phanh bình chứa đo lực dọc Bảng tổng hợp kết quả: Bảng 4.7 Tổng hợp kết lực dọc ô tô TT Thông số kiểm tra Nhận xét (rad/s) 11,5 (rad/s) (rad/s) 5000 (N) Vì tơ khơng chuyển động nên vận tốc góc bánh xe bị động vận tốc góc bánh xe chủ động bên đường có hệ số bám cao 0, vận tốc góc bánh xe chủ động bên đường có hệ số bám thấp có giá trị lớn (bị trượt quay hoàn toàn chỗ) Lực dọc nhỏ tỷ lệ với lực bám bên bánh xe trượt quay (rad/s) Vì tơ khơng chuyển động nên vận tốc góc bánh xe bị động vận tốc góc bánh xe chủ động bên đường có hệ số bám cao tăng lên, vận tốc góc bánh xe chủ động bên đường có hệ số bám thấp giảm xuống (do tác động phanh) Lực dọc ô tô tăng lên rõ rệt điều khiển phù hợp với tình trạng bám thực tế đường Khơng kích hoạt hệ thống Bánh xe trước trái phải Bánh xe sau phải Bánh xe sau trái Tổng lực dọc trung bình Kết đo Kích hoạt hệ thống Bánh xe trước trái phải Bánh xe sau phải Bánh xe sau trái Tổng lực dọc trung bình 4÷ (rad/s) 6÷8 (rad/s) 10000 (N) 4.3 Kết luận chương Luận án thiết kế, chế tạo mẫu đầu hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động sở kế hệ thống phanh ABS khí nén lắp đặt hợp lý xe nghiên cứu Xây dựng phương pháp thực nghiệm, đo lưu trữ số liệu phục vụ thực nghiệm nhằm đánh giá hệ thống Bên cạnh đó, điều kiện thực nghiệm (đường thử, tơ, kỹ người lái), trình tự thực nghiệm phù hợp với điều kiện làm việc thực tế tơ chuẩn hóa giá trị ngưỡng điều khiển hợp lý, từ giá trị ngưỡng mơ máy tính (giá trị ngưỡng mô λ1 = 0,1; λ2 = 0,36 Giá trị ngưỡng theo thực nghiệm hiệu chỉnh lại λ1 = 0,1 ; λ2 = 0,35) 22 Hệ thống hạn chế quay bánh xe chủ động cải thiện lực kéo tăng khả tăng tốc (gia tốc tơ) Kết thực nghiệm đường có hệ số bám không đồng (p = 0,2; t = 0,75) cho thấy hệ thống giúp ô tô tăng gấp đôi lực dọc (lực kéo ô tô cải thiện từ 5000 N lên khoảng 10000 N), giúp ô tô vượt qua đường có hệ số bám bên bánh xe 0,11 (p = 0,11; t = 0,55) với gia tốc cực đại 0,5m/s2, không điều khiển gia tốc có giá trị khơng Các kết thu từ thực nghiệm có quy luật biến thiên tương đồng với mô lý thuyết KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động hệ thống tiện ích cho người sử dụng góp phần nâng cao tính an tồn, khả chuyển động phát huy lực kéo bánh xe chủ động cho ô tô tính khác Nghiên cứu hệ thống nhằm bước làm chủ kỹ thuật, tiến gần với công nghệ đại, ứng dụng khoa học nhằm cải tiến, hồn thiện kỹ thuật tô đáp ứng nhu cầu nhà máy sản xuất, lắp ráp nước thực mục tiêu tăng suất, vận tốc, tải trọng có ích, tăng tính kinh tế, giảm cường độ làm việc cho người lái, giảm tối ưu lượng nhiên liệu giảm lượng khí thải độc hại, độ an toàn cho người sử dụng Hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe tích hợp với hệ thống khác ABS, EBD, ESP… Thực tế, vấn đề nghiên cứu phức tạp, đòi hỏi nhiều nghiên cứu nối tiếp địi hỏi kinh phí, thời gian lớn Luận án, chưa thể thỏa mãn yêu cầu mà xét đến vấn đề hạn chế trượt quay bánh xe cách tạo mô men phanh, đề xuất hệ thống hoạt động riêng rẽ (chưa hợp với giải pháp điều khiển giảm công suất động hợp với điều khiển chung hệ thống phanh ABS) Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết (mơ hình khảo sát hệ thống máy tính) để xác định sơ giá trị ngưỡng trượt điều khiển thuật toán điều khiển) kết hợp với phương pháp thực nghiệm để kiểm nghiệm làm việc hệ thống đề xuất chế tạo thử phương pháp sử dụng phổ biến phù hợp với điều kiện nghiên cứu Kết nghiên cứu luận án kể đến sau: Luận án nghiên cứu đề xuất cấu trúc hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe ô tơ sở hệ thống phanh khí nén có ABS Luận án sử dụng Matlab – Simulink xây dựng mơ hình mơ chuyển động ô tô mô hình mô 23 dẫn động phanh khí nén có điều khiển với giả thiết đơn giản hóa mơ hình Kết mơ số trường hợp làm việc ô tô cho thấy mơ hình mơ phản ánh quy luật thực tế sử dụng kế thừa q trình nghiên cứu hồn thiện hệ thống ABS, TCS, ESP cho tơ tải sử dụng phanh khí nén Đề xuất thuật toán điều khiển theo lơ gíc sơ đồ điều khiển hệ thống thơng qua điều khiển trạng thái làm việc van chấp hành (đóng – mở) Thơng qua mơ phỏng, luận án xác định cặp giá trị ngưỡng điều khiển (λ1 = 0,1; λ2=0,36), kết ngưỡng điều khiển (theo độ trượt) xác định cụ thể kết luận chương Các giá trị ngưỡng sơ giúp tiết kiệm thời gian công sức trình nghiên cứu thực nghiệm Luận án thiết kế, chế tạo mẫu ban đầu hệ thống Thông qua thực nghiệm hiệu chuẩn giá trị ngưỡng điều khiển (λ1 = 0,1; λ2=0,35) cho phù hợp thực tế kết luận chương Luận án chưa có điều kiện tiến hành nhiều thực nghiệm điều kiện chuyển động khác nhau, nhiên kết đo hệ thống ô tô thực nghiệm thực cho thấy hệ thống hoạt động tốt, giúp cải thiện rõ rệt độ trượt bánh xe khả tận dụng lực kéo tơ đường có hệ số bám hai bên bánh xe khơng đồng (một bên có hệ số bám thấp) Mức độ cải thiện lực kéo khả tăng tốc (gia tốc) ô tô có hệ thống số thực nghiệm cụ thể kết luận chương (giá trị lực dọc chênh gấp khoảng lần so với không điều khiển; gia tốc cực đại 0,5m/s2 có điều khiển, khơng điều khiển gia tốc khơng) Các kết thực nghiệm phù hợp với quy luật vật lý Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo: Tiếp tục nghiên cứu mở rộng, nhiều trạng thái làm việc chuyên sâu để hoàn thiện hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động với nhiều điều kiện làm việc khác ô tô; khả đáp ứng tần số điều khiển đối tượng điều khiển; thêm thơng tin tín hiệu đầu vào cho hệ thống gia tốc dọc, gia tốc ngang, lực ngang, thông số động cơ, thông số hệ thống treo, thông số hệ thống lái…nhằm nâng cao chất lượng hệ thống Nghiên cứu độ xác điều khiển, đánh giá sai số Tích hợp hệ thống vào hệ thống khác ô tô ABS, ESP Nghiên cứu hệ thống cho nhiều chủng loại ô tơ khác nhằm làm tăng tính đa dạng sử dụng theo nhu cầu thực tế 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA LUẬN ÁN [1] Lê Anh Vũ, Hồ Hữu Hải, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hồng Phúc (2017) Mơ hình mơ chuyển động tơ tải đường có hệ số bám khơng đồng Tạp chí Giao thông vận tải số tháng 6/2017, trang 121-123 [2] Lê Anh Vũ, Hồ Hữu Hải, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hồng Phúc (2017) Khảo sát ảnh hưởng mơ men phanh tới đặc tính tăng tốc tơ tải vào đường có hệ số bám khơng đồng đều, Tạp chí Cơ khí Việt nam số 9/2017, trang 25-30 [3] Lê Anh Vũ, Hồ Hữu Hải, Đàm Hoàng Phúc, Dương Ngọc Khánh (2017) Nghiên cứu đề xuất mô hình hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động dựa hệ thống phanh khí nén có ABS Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 3/2018, trang 67-70 [4] Lê Anh Vũ, Hồ Hữu Hải, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc (2017) Nghiên cứu xác định giá trị ngưỡng điều khiển cho điều khiển chống trượt quay bánh xe chủ động sở hệ thống phanh khí nén có ABS Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 9/2018, trang 98-101 25 ... hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tơ tải có trạng bị hệ thống phanh ABS khí nén; - Thiết kế, chế tạo mẫu ban đầu hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động thực nghiệm ô tô nghiên cứu. .. hạn chế trượt quay bánh xe với giải pháp tác động phanh bánh xe bị trượt quay sở hệ thống phanh khí nén có ABS nhằm nâng cao tính động lực học cho ô tô Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu. .. trượt quay bánh xe 1.5.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2 trang bị hệ thống phanh khí nén có ABS Phạm vi nghiên