Thực tế có nhiều nguyên nhân làm cho xe thiếu lái hoặc thừa lái khi quay vòng. Chẳng hạn như độ đàn hồi của lốp, khả năng bám đường của các bánh xe trước hoặc sau hay do lực quán tính, lực ngang của gió, độ nghiêng mặt đường, v.v…
Quay vòng trung tính (Intended Path – Đủ lái) là trường hợp xe quay vòng mà bán kính quay vòng thực tế của xe bằng với bán kính lý thuyết. Hay nói cách khác xe quay vòng đúng với quỹ đạo cong của đường.
Hình 3.7. Quỹ đạo chuyển động của xe trong 3 trường hợp quay vòng: Intended Path – Trung tính, Understeer – Thiếu, Oversteer – Thừa
Quay vòng thiếu (UnderSteering – Thiếu lái) được hiểu đơn giản là khi vào cua chiếc xe không ôm theo ý muốn của người lái, mà có xu hướng mở rộng vòng cua do góc đánh lái vô lăng của bạn chưa đủ con số xe cần để đi đúng như ý muốn. Nghĩa là bán kính quay vòng thực tế của xe lớn hơn bán kính lý thuyết (Hình 3.7).
Quay vòng thừa (OverSteering – Thừa lái) là được hiểu đơn giản là khi vào cua chiếc xe không ôm theo ý muốn của người lái, mà có xu hướng thu hẹp bán kính vòng cua do góc đánh lái vô lăng của người lái lớn hơn con số xe cần để đi đúng như ý muốn. Nghĩa là bán kính quay vòng thực tế của xe nhỏ hơn bán kính lý thuyết (Hình 3.7).
19 Xét trường hợp: xe đang chuyển động thẳng, người lái giữ vô lăng ở vị trí trung gian. Sau đó, có lực ngang tác dụng lên thân xe (chẳng hạn như gió thổi tạt ngang hay xe di chuyển vào đường nghiêng ngang). Xe xuất hiện phản lực ngang phản ứng lại, phản lực này làm lốp xe biến dạng ngang xuất hiện các góc lệch hướng làm biến đổi hướng chuyển động của xe mặc dù người lái không đánh lái. Dựa vào phản ứng của xe có thể chia thành ba trạng thái:
Một, véc-tơ vận tốc 𝑣𝑇 lệch với hướng chuyển động ban đầu một góc bằng 𝛽 (Hình 3.8). Góc này cũng bằng với góc hợp bởi véc-tơ 𝑣1 hoặc véc-tơ 𝑣2 với hướng chuyển động ban đầu (𝛽 = 𝛼𝑓 = 𝛼𝑟). Do đó, ta không thể dựng được tâm quay vòng. Hay nói cách khác, bán kính quay vòng của xe 𝑅𝑣1 ⟶ ∞. Điều này chứng tỏ, ngay khi có lực ngang tác dụng thì hướng chuyển động của xe có lệch đi một góc 𝛼𝑓 (𝛼𝑟) nhưng sau đó xe vẫn tiếp tục chuyển động thẳng. Đây là trường hợp xe có tính chất quay vòng trung tính.
Hình 3.8. Sơ đồ chuyển động ô tô có tính chất đủ lái
𝛼𝑓
𝛼𝑟 𝛽
20 Hai, véc-tơ vận tốc 𝑣𝑇 lệch với hướng chuyển động ban đầu một góc bằng 𝛽 (Hình 3.9). Góc hợp bởi véc-tơ 𝑣1 với hướng chuyển động ban đầu lớn hơn góc hợp bởi véc-tơ 𝑣2 với hướng chuyển động ban đầu (α𝑓 > α𝑟). Bằng phương pháp dựng hình ta được tâm quay vòng tức thời 𝑂1 và bán kính quay vòng 𝑅𝑣1. Xe sẽ tiếp tục đi thẳng do lực ngang 𝑌 cân bằng với lực quán tính 𝐹𝑗𝑙𝑦 có chiều ngược lại. Thực tế, không ngoại trừ khả năng 𝑌 > 𝐹𝑗𝑙𝑦, cho nên xe sẽ có quỹ đạo lệch sang trái nhưng không nhiều do 𝑌 và 𝐹𝑗𝑙𝑦 ngược chiều nhau. Đây là trường hợp xe có tính chất quay vòng thiếu.
Hình 3.9. Sơ đồ chuyển động ô tô có tính chất thiếu lái
𝛼𝑓
𝛽
𝛼𝑟
21 Ba, véc-tơ vận tốc 𝑣𝑇 lệch với hướng chuyển động ban đầu một góc bằng 𝛿 (Hình 3.10). Góc hợp bởi véc-tơ 𝑣1 với hướng chuyển động ban đầu nhỏ hơn góc hợp bởi véc-tơ 𝑣2 với hướng chuyển động ban đầu (𝛼𝑓 < 𝛼𝑟). Tương tự như trạng thái hai, ta cũng dựng được tâm quay vòng tức thời 𝑂1 và bán kính quay vòng 𝑅𝑣1. Tuy nhiên ở trạng thái này, 𝑌 và 𝐹𝑗𝑙𝑦 cùng chiều nhau dẫn đến hợp lực của chúng tăng lên, làm cho 𝛼𝑓, 𝛼𝑟 cũng tăng lên (𝑅𝑣1 càng giảm). Quỹ đạo lệch của xe càng cong và nếu xe chuyển động với vận tốc lớn, khả năng lật đổ là khó tránh khỏi. Đây là trường hợp xe có tính chất quay vòng thừa.
Hình 3.10. Sơ đồ chuyển động ô tô có tính chất thừa lái
𝑅𝑣1 𝛼𝑓
𝛽
22
TỔNG KẾT CHƯƠNG 3:
Chương 3 trình cơ sở lý thuyết về động lực học chuyển động ô tô mà chúng em đã được học ở môn học Lý thuyết ô tô:
- Khi ô tô chuyển động các lực và mô-men tác dụng lên nó liên hệ mật thiết với nhau. Nếu một lực (hoặc mô-men) nào đó thay đổi đồng nghĩa với việc chuyển động ô tô cũng thay đổi. Sự thay đổi quá lớn có thể làm ô tô không điều khiển được (mất khả năng lái).
- Lực (hoặc mô-men) phanh cần thiết để giảm tốc một chiếc xe không được ảnh hưởng đến khả năng bám đường của chiếc xe đó và phải đảm bảo quá trình phanh phải tối ưu, khi đó gia tốc phanh đạt cực đại ứng với quãng đường và thời gian phanh là nhỏ nhất.
- Khi quay vòng, đường vuông góc với véc-tơ vận tốc mỗi bánh xe phải gặp nhau tại tâm quay vòng, đồng thời phải kiểm soát được quán tính thân xe ứng với khối lượng, vận tốc và bánh kính quay vòng. Có như thế, các bánh xe mới không bị trượt và sự cân bằng thân xe được đảm bảo.
- Thiếu lái và thừa lái là hai hiện tượng có hại cho xe khi quay vòng. Bằng cách kiểm soát góc trượt ở bánh xe ở cầu trước và cầu sau, chúng ta sẽ kiểm soát được hai hiện tượng này.
Các cơ sở lý thuyết này là nền tảng để chúng em nghiên cứu về động lực cũng như cách thức điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ESP.
23
Chương 4. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP) 4.1. BA HỆ THỐNG CHỦ LỰC HỖ TRỢ HOẠT ĐỘNG ESP
4.1.1. ABS, TCS và EBD
Hệ thống phanh chống bó cứng ABS (Viết tắt của từ Anti – Lock Brake System) là hệ thống an toàn trên xe ô tô. ABS là hệ thống phanh điều khiển điện tử có tính năng ngăn ngừa hãm cứng bánh xe trong những tình huống khẩn cấp cần giảm tốc. Điều này sẽ tránh được hiện tượng văng trượt đồng thời giúp người lái kiểm soát hướng lái dễ dàng hơn. Đảm bảo ổn định cho thân xe ô tô [8].
Hình 4.1. Đồ thị thể hiện tỷ lệ trượt giữa bánh xe với mặt đường khi có sự can thiệp của ABS
Nói một cách dễ hiểu, hệ thống ABS thực hiện chu trình phanh-nhả liên tục, một khi bánh xe sắp bị hãm cứng lập tức lực phanh giảm xuống, và ngay sau đó lực phanh lại tăng lên khi bánh xe quay lại. Quá trình này sẽ diễn ra liên tục cho đến khi bánh xe ngừng hẳn hoặc người lái thôi không phanh nữa. Hình 4.1 cho thấy rõ nhất quá trình phanh-nhả liên tục khi ABS làm việc, nó điều chỉnh lực phanh để duy trì sự trượt cục bộ của bánh xe quanh vùng có hệ số bám cao nhất tương ứng với tỷ lệ trượt là 0.2.
24
Hình 4.2. Tốc độ xe và tốc độ bánh xe tương ứng khi phanh với ABS
TCS (Traction Control System) là hệ thống chống trượt trên xe ô tô, được dùng để làm giảm sự trơn trượt của bánh xe, đồng thời tăng tối đa khả năng bám đường của bộ phận này. Tùy theo cách đặt tên của từng hãng sản xuất, hệ thống TCS còn được gọi là TRC, ASR hay DSC [9].
EBD là viết tắt của cụm từ "Electronic Brake-force Distribution" (Hệ thống phân phối lực phanh điện tử). Khác với ABS, EBD thực hiện nhiệm vụ điều khiển phân phối lực phanh đến từng bánh xe dựa theo điều kiện tải trọng, góc lái cũng như điều kiện mặt đường để đảm bảo đạt được hiệu quả phanh cao nhất trên từng bảnh xe. Vì vậy, trên những chiếc xe có sự tham gia của hệ thống EBD thì lực phanh trên mỗi bánh xe là khác nhau [10].
4.1.2. Sự can thiệp của ESP vào ba hệ thống ABS, TCS và EBD
Với ABS, ESP dựa trên phương pháp phanh xe độc lập từng bánh mà kiểm soát hệ thống này thông qua ECU điều khiển và cơ cấu chấp hành gồm một hệ thống van điện từ. Tùy theo trường hợp mà các van điện từ này thực hiện các chế độ: tăng, giữ và giảm áp để các bánh xe không bị bó cứng.
25 ABS là công cụ để ESP ngăn cản hiện tượng thiếu lái hoặc thừa lái trên ô tô, cụ thể:
- Thiếu lái (Understeer) – Hình 4.3 (A): Cầu trước của xe bị trượt nhiều hơn so với cầu sau của xe khiến chiếc xe có một xu hướng đi thẳng thay vì theo đường cong. ESP sẽ can thiệp vào hệ thống phanh bánh xe ở phía trong của cầu sau để điều chỉnh lực phanh cho phù hợp.
- Thừa lái (Oversteer) – Hình 4.3 (B): Cầu sau bị trượt nhiều hơn cầu trước, xe có thể có nguy cơ bị lật. ESP sẽ gửi tín hiệu đến ECU can thiệp vào hệ thống phanh bánh xe ở phía ngoài cầu trước để điều chỉnh lực phanh cho phù hợp.
Hình 4.3. ESP ngăn cản hiện tượng Thiếu lái (A) và Thừa lái (B) bằng ABS
Ngoài ra, trong trường hợp người lái vẫn tiếp tục tăng tốc sau khi mất lái: ESP cũng có thể làm giảm mô-men xoắn động cơ bằng cách điều chỉnh việc nạp nhiên liệu của động cơ.
Với TCS, trong quá trình tăng tốc nếu TCS phát hiện thấy bánh xe chủ động nào bị trượt cảm biến tốc độ của bánh xe sẽ gửi tín hiệu này đến bộ ECU. ECU sẽ ra lệnh cho hệ thống phanh tác động vào bánh xe và làm giảm việc quay trơn bánh xe. Hệ thống ESP cũng gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ để đóng bớt bướm ga lại hoặc làm chậm thời điểm đánh lửa nhằm giảm mô-men xoắn của động cơ.
26 Tương tự như ABS, EBD cũng được ESP lợi dụng phanh để làm ổn định chiếc xe. Tuy nhiên EBD thông minh hơn ở chỗ, nó có thể điều hòa được lực phanh sao cho đạt hiệu quả phanh cao nhất trên từng bánh xe ứng với tải trọng, góc lái và điều kiện mặt đường.
4.2. CÁC CHỨC NĂNG KHÁC CỦA ESP
Ngoài các chức năng cơ bản của một hệ thống ESP đã trình bày ở mục 4.1, một số các chức năng mới này cũng cho thấy ESP có thể làm được nhiều hơn và dần trở thành tiêu chuẩn tích hợp vào hệ thống cân bằng điện tử trên các xe ô tô hiện đại:
- Khả năng chống “tuột” dốc
Khi xe khởi động ở các địa hình dốc, việc giữ phanh tay để chuyển từ chân phanh sang chân ga để chống “tuột” đã không phải thực hiện nữa. ESP sẽ vẫn duy trì áp lực phanh trong khoảng thời gian từ 2 – 3 giây sau khi người lái nhấc chân khỏi bàn đạp phanh.
- Trợ giúp phanh khẩn cấp
ESP sẽ kết hợp với ECU để nhận biết được khi nào người lái cần phanh khẩn cấp thông qua việc thay đổi đột áp suất phanh. Đôi khi người lái chưa cung cấp đủ lực để phanh khẩn cấp. Do đó, chức năng trợ giúp phanh khẩn cấp sẽ làm cho lực phanh tăng tối đa và rút ngắn quãng đường phanh, tránh được sự va chạm.
- Thích ứng với tải trọng
Tải trọng thay đổi thì lực phanh, độ bám đường và sự cân bằng của xe ít nhiều cũng bị ảnh hưởng. ESP sẽ dựa vào những thay đổi về khối lượng và trọng tâm xe mà có những điều chỉnh tương ứng phù hợp với mọi tải trọng.
- Ngăn cản lật xe
Chức năng ngăn cản lật xe hoạt động khi các cảm biến của hệ thống ESP thông báo chiếc xe có nguy cơ lật. ECU sẽ điều khiển tác động lên từng bánh xe riêng rẽ hay làm giảm lực tác dụng của động cơ để ngăn chặn xe bị lật và giữ xe cân bằng.
27
4.3. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ
ESC so sánh ý định đánh lái của người lái với hướng thực tế của xe và thực hiện can thiệp được lập trình trên từng bánh xe để điều chỉnh cho bất kỳ sai lệch nào. Hệ thống này liên tục giám sát các động thái của xe. Hệ thống ESC sử dụng một số cảm biến để đo một số thông số động và sau đó ước tính nhiều thông số hơn từ các giá trị đo được. Từ các phép đo và ước tính này, hệ thống sẽ phát hiện ra sự mất kiểm soát như thiếu lái hoặc thừa lái. Sau khi phát hiện sự không ổn định, hệ thống ESC sẽ tự động khôi phục hướng của xe bằng cách sử dụng các thiết bị truyền động. Hành động có thể được thực hiện theo ba cách khác nhau; điều khiển dựa trên trên phanh vi sai, điều khiển dựa trên hệ thống lái điện tử hoặc điều khiển dựa trên phân phối mô-men xoắn chủ động.
1) Hệ thống phanh vi sai (Differential Braking) sử dụng hệ thống phanh ABS trên xe để áp dụng phanh vi sai giữa bánh xe bên phải và bên trái để kiểm soát thời điểm lệch hướng.
2) Hệ thống lái điện tử (Steer-by-wire hay Hệ thống lái không trục lái) điều chỉnh đầu vào góc lái của người lái và thêm góc lái hiệu chỉnh cho bánh xe.
3) Hệ thống phân phối mô-men xoắn chủ động (Active Torque Distribution) sử dụng vi sai chủ động và tất cả công nghệ dẫn động bánh xe để kiểm soát độc lập mô- men xoắn truyền động được phân phối đến từng bánh xe và do đó cung cấp khả năng kiểm soát chủ động cả lực kéo và mô-men lệch.
Nhìn chung, hệ thống phanh vi sai đã nhận được sự quan tâm nhiều nhất từ các nhà nghiên cứu và đã được triển khai trên một số phương tiện sản xuất. Hệ thống lái điện tử đã nhận được sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu hàn lâm (Ackermann, 1994 [13], Ackermann, 1997 [14]). Hệ thống phân phối mô-men xoắn chủ động đã nhận được sự quan tâm trong thời gian gần đây và có khả năng sẽ xuất hiện trên các xe sản xuất trong tương lai.
Hệ thống phanh vi sai là trọng tâm chính được đề cập trong chương 4. Chúng được thảo luận trong phần 4.3.1. Hệ thống lái điện tử được thảo luận trong phần 4.3.2 và hệ thống phân phối mô-men xoắn chủ động được thảo luận trong phần 4.3.3.
28
4.3.1. Hệ thống phanh vi sai
Hệ thống phanh vi sai thường sử dụng bộ điều biến thủy lực dựa trên điện từ để thay đổi áp suất phanh ở bốn bánh. Tạo ra phanh vi sai bằng cách tăng áp suất phanh ở bánh xe bên trái so với bánh xe bên phải, một mô-men quay ngược chiều kim đồng hồ được tạo ra. Tương tự như vậy, việc tăng áp suất phanh ở các bánh bên phải so với các bánh bên trái sẽ tạo ra một mô-men quay theo chiều kim đồng hồ. Bộ cảm biến được sử dụng bởi hệ thống phanh vi sai thường bao gồm bốn cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến vận tốc lệch hướng, cảm biến góc lái, cảm biến gia tốc ngang và cảm biến áp suất phanh.
4.3.1.1. Mô hình xe
Mô hình xe được sử dụng để nghiên cứu hệ thống kiểm soát ổn định lệch hướng dựa trên phanh vi sai thường sẽ có bảy bậc tự do. Vận tốc ngang và dọc của xe (tương ứng là 𝑥̇ và 𝑦̇) và vận tốc lệch 𝜓̇ tạo thành ba bậc tự do liên quan đến thân xe. Vận tốc quay của bốn bánh xe (𝜔𝑓ℓ, 𝜔𝑓𝑟, 𝜔𝑟ℓ và 𝜔𝑟𝑟) tạo thành bốn bậc tự do còn lại. Chỉ số phụ đầu tiên trong các ký hiệu vận tốc bánh xe được sử dụng để biểu thị bánh trước hoặc bánh sau và chỉ số phụ thứ hai được sử dụng để biểu thị bánh xe bên trái hoặc bên phải. Hình 4.4 cho thấy bảy bậc tự do của mô hình xe.
29
Phương trình thân xe
Gọi góc đánh lái của bánh trước được ký hiệu là 𝛿. Đặt lực dọc của lốp ở các lốp trước trái, trước phải, sau trái và sau phải lần lượt là 𝐹𝑥𝑓ℓ, 𝐹𝑥𝑓𝑟, 𝐹𝑥𝑟ℓ và 𝐹𝑥𝑟𝑟. Gọi lực ngang tại các lốp trước bên trái, trước bên phải, bên trái phía sau và phía sau bên phải lần lượt được ký hiệu là 𝐹𝑦𝑓ℓ, 𝐹𝑦𝑓𝑟, 𝐹𝑦𝑟ℓ và 𝐹𝑦𝑟𝑟.
Hình 4.5. Sơ đồ động lực học thân xe
Hãy xem xét một mô hình “xe đạp” của phương tiện như trong Hình 4.5. Trong mô