42 Những nhiễu động như “lốp xẹp” hoặc hệ số bám không đều giữa bánh trái và bánh phải tạo ra một mô-men xoắn 𝑀𝑧𝐷 không mong muốn. Mô-men nhiễu này làm cho vận tốc lệch hướng khơng tn theo sự kích thích của gia tốc ngang 𝑎𝑦𝑃 mà người lái tác dụng. Như vậy ngồi nhiệm vụ chính là “đi theo đường dẫn”, người lái có nhiệm vụ thứ hai là "giảm nhiễu", tức là chống lại mô-men nhiễu loạn 𝑀𝑧𝐷.
Thông thường, người lái xe phải bù mô-men xoắn nhiễu loạn bằng cách sử dụng vơ lăng. Đây là một nhiệm vụ khó khăn đối với người lái xe vì anh ấy khơng quen chống lại những nhiễu động như vậy và cũng do anh ấy khơng có biện pháp đo lường những nhiễu động này nên do đó phản ứng của anh ấy có khả năng xảy ra chậm hơn. Người lái xe thường mất thời gian để nhận ra tình huống đó và sự cần thiết của việc “giảm nhiễu”.
Trong Ackermann (1997) [14], hệ thống điều khiển ổn định lái điện tử (ESC) được thiết kế để thực hiện nhiệm vụ giảm sự nhiễu này để người lái xe có thể tập trung vào nhiệm vụ chính của mình là “đi theo đường dẫn”. Như vậy, cần phải tách sao cho vận tốc lệch hướng 𝜓̇ không được can thiệp vào việc “đi theo đường dẫn” của người lái xe. Hay nói cách khác, vận tốc lệch hướng 𝜓̇ không được can thiệp vào gia tốc ngang 𝑎𝑦𝑃. Chỉ khi đó, người lái xe mới có thể điều khiển xe đi theo một con đường. Việc tách này phải được thực hiện một cách cẩn thận. Đặc biệt, nó phải chắc chắn đối với vận tốc xe và điều kiện mặt đường.
Để thực hiện việc tách, một câu hỏi cần được trả lời là "Gia tốc ngang nên được sử dụng tại điểm nào của xe?" Thay vì đặt tại trọng tâm, gia tốc ngang được đặt tại điểm 𝑃 bất kì ở giữa trọng tâm xe và cầu trước, khi đó:
𝑎𝑦𝑃 = 𝑎𝑦−𝑐𝑔 + ℓ𝑃𝜓̈ (4.53)
trong đó 𝑎𝑦−𝑐𝑔 là gia tốc ngang tại trọng tâm của xe và ℓ𝑃 là khoảng cách dọc từ điểm 𝑃 đến trọng tâm của xe.
Từ 𝑎𝑦−𝑐𝑔 = 𝐹𝑦𝑓+𝐹𝑦𝑟 𝑚 , chúng ta có 𝑎𝑦𝑃 = 1 𝑚(𝐹𝑦𝑓 + 𝐹𝑦𝑟) + ℓ𝑃𝜓̈ hoặc là 𝑎𝑦𝑃 = 1 𝑚(𝐹𝑦𝑓 + 𝐹𝑦𝑟) + ℓ𝑃 1 𝐼𝑧(ℓ𝑓𝐹𝑦𝑓 − ℓ𝑟𝐹𝑦𝑟)
43 hoặc là 𝑎𝑦𝑃 = 𝐹𝑦𝑓 (1 𝑚+ ℓ𝑃ℓ𝑓 𝐼𝑧 ) + 𝐹𝑦𝑟 (1 𝑚 −ℓ𝑃ℓ𝑟 𝐼𝑧 ) (4.54) Chọn vị trí điểm P là ℓ𝑃 = 𝐼𝑧 𝑚ℓ𝑟 (4.55)
Sự lựa chọn vị trí điểm đặt gia tốc ngang này đảm bảo rằng gia tốc không phụ thuộc vào lực lốp ngang phía sau 𝐹𝑦𝑟. Do đó, sự khơng chắc chắn liên quan đến một số lực lốp khi phân tách được loại bỏ và có thể đạt được sự tách rời chính xác hơn.
Thay phương trình (4.55) vào phương trình (4.54)
𝑎𝑦𝑃 = 𝐹𝑦𝑓(1 𝑚 + ℓ𝑓 𝑚ℓ𝑟) 𝑎𝑦𝑃 = 𝐹𝑦𝑓 (ℓ𝑟+ℓ𝑓 𝑚ℓ𝑟 ) = 𝐿 𝑚ℓ𝑟𝐹𝑦𝑓 (4.56)
4.3.2.3.Thiết kế bộ điều khiển
Tổng góc lái được đưa ra bởi
𝛿 = 𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 + 𝛿𝑠𝑏𝑤 (4.57)
trong đó 𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 là đầu vào góc lái của người lái xe và 𝛿𝑠𝑏𝑤 là đầu vào góc lái của hệ thống kiểm soát giảm nhiễu (𝑠𝑏𝑤: steer-by-wire).
Đầu tiên, lưu ý rằng lực ngang ở bánh trước phụ thuộc vào góc trượt ở bánh trước. Vì thế
𝑎𝑦𝑃(𝛼𝑓) = 𝐿
𝑚ℓ𝑟𝐹𝑦𝑓(𝛼𝑓) (4.58)
Do đó vận tốc lệch 𝜓̇ khơng ảnh hưởng đến 𝑎𝑦𝑃 nếu và chỉ khi 𝜓̇ không ảnh hưởng đến 𝛼𝑓. Do đó bộ điều khiển phải được thiết kế sao cho góc trượt của lốp trước không phụ thuộc vào vận tốc lệch.
Gọi vận tốc góc của xe ở lốp trước là 𝜃𝑣𝑓. Đây là góc giữa trục dọc của xe và vectơ vận tốc ở bánh trước. Sau đó
𝛼𝑓 = 𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 + 𝛿𝑠𝑏𝑤 − 𝜃𝑣𝑓 (4.59)
Khơng có cách nào dễ dàng để đo được 𝜃𝑣𝑓. Nếu khơng, luật điều khiển có thể được chọn là 𝛿𝑠𝑏𝑤 = 𝜃𝑣𝑓. Khi đó góc trượt sẽ khơng phụ thuộc vào vận tốc lệch. Nó sẽ chỉ phụ
44 thuộc vào góc lái của bánh trước được điều khiển bởi người lái xe và sẽ không phụ thuộc vào bất kỳ biến trạng thái nào khác.
Phương trình trạng thái của 𝜃𝑣𝑓 là (Ackermann, 1994 [13])
𝜃̇𝑣𝑓 = −𝜓̇ +cos 2(𝜃𝑣𝑓) 𝑉𝑥 𝑎𝑦𝑃(𝛼𝑓) + 𝑔(𝜓̇) (4.60) Khi đó 𝑔(𝜓̇) = cos(𝜃𝑣𝑓) 𝑉𝑥 [(ℓ𝑓 − ℓ𝑃)𝜓̈cos (𝜃𝑣𝑓) + (ℓ𝑓𝜓̇2 − 𝑎𝑥)sin (𝜃𝑣𝑓)] (4.61) trong đó 𝑎𝑥 là gia tốc dọc và có thể được đo bằng gia tốc kế.
Phương trình đạo hàm (4.59)
𝛼̇𝑓 = 𝛿̇𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 + 𝛿̇𝑠𝑏𝑤 − 𝜃̇𝑣𝑓 (4.62)
Thay phương trình (4.60) vào phương trình (4.62), rõ ràng là nếu luật điều khiển được chọn là 𝛿̇𝑠𝑏𝑤 = −𝜓̇ + 𝑔(𝜓̇) + 𝐹(𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟) (4.63) thì động lực học góc trượt ở lốp trước sẽ là 𝛼̇𝑓 = −cos 2(𝜃𝑣𝑓) 𝑉𝑥 𝑎𝑦𝑃(𝛼𝑓) + 𝛿̇𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 + 𝐹(𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟) (4.64) Ở đây 𝐹(𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟) chỉ được chọn làm chức năng của đầu vào người lái và có thể được hiểu là vận tốc lệch mong muốn tương ứng với đầu vào góc lái của người lái xe 𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟. Do đó, sai số trong vận tốc lệch hướng 𝐹(𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟) − 𝜓̇ được sử dụng như một thuật ngữ phản hồi trong tính tốn của hệ thống lái điện tử trong phương trình (4.63).
Giả sử vận tốc góc của xe ở lốp trước 𝜃𝑣𝑓 ≈ 0, dẫn đến
𝛼̇𝑓 = − 𝐿
𝑚ℓ𝑟𝑉𝑥𝐹𝑦𝑓(𝛼𝑓) + 𝛿̇𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 + 𝐹(𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟) (4.65) Do đó, động lực học góc trượt của bánh trước chỉ phụ thuộc vào góc lái của người lái 𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 và không phụ thuộc vào vận tốc lệch 𝜓̇. Như chúng ta đã thấy, điều này cũng ngụ ý rằng gia tốc ngang 𝑎𝑦𝑃 không phụ thuộc vào vận tốc lệch 𝜓̇.
45 Một câu hỏi vẫn cần được giải quyết là tính ổn định của hệ thống tổng thể. Q trình tách khơng tự động đảm bảo sự ổn định. Tuy nhiên, sử dụng hàm Lyapunov 𝑉 = 𝛼𝑓2 và thực tế là
𝛼𝑓𝐹𝑦𝑓(𝛼𝑓) > 0 (4.66) có thể chứng tỏ rằng hệ con 𝛼𝑓 ổn định khi 𝛿𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 = 0. Nó cũng chỉ ra rằng hệ thống lái kiểm soát lệch điện tử này là ổn định (Ackermann, 1994 [13]).
Các vấn đề triển khai thực tế hơn và đơn giản hóa bộ điều khiển được thảo luận trong Ackermann (1997) [14]. Kết quả thực nghiệm được trình bày trong Ackermann (1994) [13]
và Ackermann (1997) [14].
4.3.3.Phân bổ mô-men xoắn dẫn động đến tất cả bánh xe độc lập
4.3.3.1.Hệ thống dẫn động bốn bánh truyền thống
Nếu hệ thống cân bằng điện tử dựa trên phanh vi sai để kiểm sốt ổn định lệch hướng thì có thể gia tốc xe sẽ bị giảm đi chút ít và có thể chiếc xe sẽ khơng cung cấp đủ phản ứng dọc mà người lái mong muốn. Một giải pháp cho vấn đề này đã được nghiên cứu và phát triển tích cực trong ngành cơng nghiệp ô tô là sử dụng điều khiển mô-men xoắn truyền động độc lập với công nghệ dẫn động tất cả các bánh để tăng cường cả lực kéo và khả năng xử lý (Sawase và Sano, 1999 [29], Osborn và Shim, 2004 [30]).
Các thuật ngữ "Four Wheel Drive" và "All Wheel Drive" là minh chứng cho sự ra đời của công nghệ này. Trong “Four Wheel Drive” (4 bánh dẫn động), mô-men xoắn truyền động được truyền đến cả bốn bánh (khác với 2 bánh dẫn động, mô-men xoắn chỉ được truyền đến hai bánh trước hoặc hai bánh sau).
Ưu điểm của hệ 4 bánh dẫn động (4WD) là lực kéo dọc lốp được tạo ra ở cả 4 bánh giúp xe chuyển động. Điều này rất hữu ích trong các tình huống có vấn đề về mất độ bám đường, chẳng hạn như trong tuyết, địa hình khơng bằng phẳng (off-road) và leo lên những ngọn đồi trơn trượt. Tuy nhiên, hệ thống truyền động bốn bánh khơng mang lại lợi ích gì khi dừng lại trên bề mặt trơn trượt. Điều này được xác định hồn tồn bởi hệ thống phanh chứ khơng phải loại hệ thống truyền động.
46
Hình 4.11. Hệ 4 bánh dẫn động (4WD)
1- Động cơ; 2- Ly hợp (biến mô); 3- Hộp số; 4- Hộp truyền động; 5- bộ vi sai trung tâm; 6- bộ vi sai cầu sau; 7- bộ vi sai cầu trước.
Các bộ phận chính cho phép dẫn động 4 bánh hoạt động là bộ vi sai ở cầu trước, cầu sau và hộp số. Bộ vi sai ở cầu trước (hoặc cầu sau) cho phép các bánh xe bên trái và bên phải quay với các tốc độ khác nhau. Điều này là cần thiết khi xe chuyển hướng hoặc quay vòng, bánh xe bên ngoài xe sẽ quay nhanh hơn bánh xe bên trong vịng trịn quay vịng. Hộp truyền động truyền mơ-men xoắn từ hộp số đến cả cầu trước và cầu sau. Tùy thuộc vào thiết kế, hộp truyền động có thể cung cấp lượng mơ-men xoắn bằng nhau cho trục trước và trục sau, hoặc khác nhau theo tỷ lệ. Hộp truyền động truyền mơ-men xoắn tới phía trước và phía sau bằng cách sử dụng một bộ vi sai gọi là bộ vi sai trung tâm. Trong hệ dẫn động 4 bánh, các trục truyền động trước và sau được khóa chặt với nhau để hai trục phải quay cùng tốc độ.
Hệ dẫn động bốn bánh có thể là hệ thống toàn thời gian hoặc bán thời gian. Trong hệ dẫn động 4 bánh bán thời gian, người lái có thể lựa chọn hoạt động dẫn động 4 bánh hoặc 2 bánh bằng cách sử dụng cần gạt hoặc cơng tắc. Người lái xe có thể “chuyển cần khi đang phóng” (chuyển đổi giữa 2WD và 4WD khi đang lái xe). Điều này cho phép sử dụng dẫn động 2 bánh trên đường khô ráo thông thường và dẫn động 4 bánh trên bề mặt trơn trượt, nơi cần nhiều lực kéo hơn.
Mặt khác, hệ thống 4WD toàn thời gian cho phép xe vận hành ở chế độ 2WD (phía trước hoặc phía sau) cho đến khi hệ thống nhận định rằng cần 4WD. Sau đó, nó sẽ tự động truyền lực đến cả bốn bánh, thay đổi tỷ lệ giữa cầu trước và cầu sau khi cần thiết. Thơng
47 thường, việc kích hoạt tự động này bắt đầu khi hệ thống phát hiện một trong các bánh của xe bị trượt. Tuy nhiên, một số hệ thống mới và phức tạp hơn sử dụng phần mềm để chuyển hệ thống sang 4WD trong các điều kiện lái xe cụ thể, ngay cả trước khi bánh xe bắt đầu trượt. Hệ dẫn động 4 bánh tồn thời gian cịn được gọi là "All Wheel Drive" (AWD).
4.3.3.2.Chuyển mô-men xoắn giữa bánh trái và bánh phải bằng bộ vi sai
Như đã mô tả ở trên trong phần 4.3.3.1, một bộ vi sai truyền thống cho phép các bánh xe bên trái và bên phải của trục truyền động quay với các tốc độ khác nhau. Điều này là cần thiết để cho phép xe quay vòng. Vi sai truyền thống còn được gọi là vi sai “mở”.
Một bộ vi sai mở chia đều mô-men xoắn giữa hai bánh xe mà nó được nối với nhau. Nếu một trong hai bánh xe đó bị trượt khỏi mặt đất, hoặc trên bề mặt rất trơn, thì cần có rất ít mơ-men xoắn để dẫn động bánh xe đó. Bởi vì mơ-men xoắn được chia đều, điều này có nghĩa là bánh xe kia cũng nhận được rất ít mơ-men xoắn. Vì vậy, ngay cả khi bánh xe kia bám đường tốt cũng khơng có mơ-men xoắn nào được truyền sang nó. Đây là một nhược điểm lớn của bộ vi sai mở.
Một cải tiến trên vi sai mở là vi sai khóa. Trong bộ vi sai khóa, người lái có thể vận hành một cơng tắc để khóa bánh trái và bánh phải lại với nhau. Điều này đảm bảo rằng cả hai bánh xe cùng nhận được tổng mô-men xoắn. Nếu một trong hai bánh xe nằm trên bề mặt trơn trượt, bánh xe kia vẫn có thể nhận đủ mơ-men xoắn và cung cấp lực kéo dọc. Do đó, một khóa vi sai cung cấp khả năng bám đường tốt hơn trên các bề mặt trơn trượt và có thể được sử dụng khi người lái xe yêu cầu.
Tuy nhiên, một loại vi sai khác là vi sai hạn chế trượt (LSD). Trong bộ vi sai hạn chế trượt, ly hợp sẽ khóa dần các bánh xe trái và phải với nhau nhưng ban đầu cho phép một số trượt giữa chúng. Điều này cho phép bánh xe bên trong và bên ngoài quay với tốc độ khác nhau trong khi rẽ nhưng tự động khóa hai bánh lại với nhau khi chênh lệch tốc độ lớn để giúp tạo lực kéo trên các bề mặt trơn trượt.
Từ những thảo luận ở trên về bộ vi sai, rõ ràng là tỷ số mô-men xoắn truyền đến bánh trái và bánh phải được xác định bởi loại vi sai. Trong bộ vi sai mở, mô-men quay truyền đến cả hai bánh luôn bằng nhau. Trong một bộ vi sai có khóa, tốc độ của cả hai bánh bằng nhau và cả hai bánh cùng nhận tổng mô-men xoắn như một hệ thống tích hợp. Trong bộ vi sai hạn chế trượt (LSD), nhiều mơ-men xoắn hơn có thể được truyền đến bánh xe chậm hơn. Sự gia tăng mô-men xoắn tới bánh xe chậm hơn này bằng với mô-men xoắn cần thiết để chế ngự ly hợp được sử dụng trong LSD.
48
4.3.3.3.Kiểm soát chủ động việc truyền mô-men xoắn tới tất cả các bánh xe
Hệ thống dẫn động bốn bánh cuối cùng là hệ thống trong đó việc truyền mơ-men xoắn đến từng bánh trong số 4 bánh có thể được điều khiển độc lập. Bộ vi sai xu hướng mô-men xoắn ly hợp kép gần đây đã được phát triển trong ngành cơng nghiệp ơ tơ, trong đó mơ- men xoắn có thể được truyền đến các bánh xe bên trong hoặc bên ngoài theo nhiều tỷ lệ khác nhau theo yêu cầu của hệ thống điều khiển chủ động (Sawase và Sano, 1999 [29]), xem Hình 4.12. Việc truyền mơ-men xoắn giữa bánh trước và bánh sau có thể được điều khiển độc lập tương tự bằng cách sử dụng vi sai trung tâm trong hộp truyền động. Bằng cách kiểm sốt độc lập mơ-men xoắn truyền động được truyền đến từng bánh trong số 4 bánh xe, có thể đạt được sự ổn định cả lực kéo và độ lệch hướng. Do đó, có thể kiểm sốt được độ ổn định lệch hướng trong q trình tăng tốc của xe mà khơng u cầu kích hoạt phanh vi sai, điều này có thể dẫn đến giảm gia tốc thực.
Hình 4.12. Ví dụ một trường hợp bộ vi sai truyền mô-men xoắn ly hợp kép sử dụng cho cầu trước, cầu sau và hộp truyền động.
49
Hình 4.13. Các loại hệ thống kiểm soát ổn định lệch và đặc điểm của chúng trong quá trình tăng tốc của xe
Hình 4.13cho thấy ba loại hệ thống kiểm sốt độ ổn định khác nhau có thể được sử dụng trong q trình tăng tốc của xe và các đặc tính tương ứng của chúng.
Một bộ vi sai truyền mô-men xoắn ly hợp kép được mô tả trong Sawase và Sano (1999) [29] cho phép bất kỳ tỷ lệ mô-men truyền động nào giữa các bánh xe bên trái và bên phải. Các phương trình sau có thể được sử dụng để mơ hình hóa mơ-men xoắn được truyền đến mỗi bánh xe với bộ vi sai chủ động ly hợp kép như vậy:
Khi ly hợp phải được tác động với mô-men ly hợp 𝑇𝑐ℓ𝑢𝑡𝑐ℎ, mô-men truyền động truyền đến bánh trái là
𝑇𝑑ℓ = 1
2𝑇𝑑 − 𝑞𝑇𝑐ℓ𝑢𝑡𝑐ℎ (4.67)
trong khi mô-men truyền động truyền đến bánh xe bên phải là
𝑇𝑑𝑟 =1
2𝑇𝑑+ 𝑞𝑇𝑐ℓ𝑢𝑡𝑐ℎ (4.68)
trong đó 𝑞 là tỷ số được xác định bởi hệ thống truyền lực trong bộ vi sai ly hợp kép và 𝑇𝑑 là tổng mô-men xoắn được truyền tới trục đang xét.
50 Tương tự, khi ly hợp trái được tác động với mô-men xoắn ly hợp 𝑇𝑐ℓ𝑢𝑡𝑐ℎ, mô-men xoắn truyền động đến bánh trái là
𝑇𝑑ℓ = 1
2𝑇𝑑 + 𝑞𝑇𝑐ℓ𝑢𝑡𝑐ℎ (4.69)
trong khi mô-men truyền động truyền đến bánh xe bên phải là
𝑇𝑑𝑟 =1
2𝑇𝑑− 𝑞𝑇𝑐ℓ𝑢𝑡𝑐ℎ (4.70)
Do đó, bằng cách kiểm sốt mơ-men xoắn ly hợp, tỷ lệ mô-men xoắn truyền động đến các bánh xe bên trái và bên phải có thể được kiểm sốt.
Các mơ hình động lực bao gồm phản ứng nhất thời và ổn định trong truyền mô-men xoắn khi ly hợp đang ăn khớp với bộ vi sai hạn chế trượt hoặc bộ vi sai ly hợp kép có thể được tìm thấy trong Piyabongkarn, et. cộng sự, 2007 [31] và Piyabongkarn, et. al., 2010
[32].
Cấu hình tốt nhất để kiểm sốt độc lập mơ-men xoắn đến từng bánh xe sẽ là một hệ thống bao gồm bộ vi sai truyền mô-men xoắn ly hợp kép ở cả hai bánh trước và bánh sau và một hộp truyền động tất cả các bánh được trang bị vi sai trung tâm. Tuy nhiên, cân nhắc về trọng lượng và giá cả có thể khiến cấu hình này trở thành một lựa chọn kém hấp dẫn. Một giải pháp thay thế là sử dụng một bộ vi sai trung tâm và chỉ một bộ vi sai truyền mô-