Để mô phỏng động lực phanh của một chiếc xe, tơi sẽ thực hiện các mơ hình tốn học đơn giản (mơ hình một phần tư xe) cho cả xe và bánh xe.
4.2.1 Mơ hình xe
Hình 4. 1 Mơ hình xe
Nếu ta coi một xe chuyển động thẳng đều trong điều kiện hãm, ta có thể viết phương trình cân bằng:
- đối với phương ngang:
f i
F F (4.1)
Trong đó:
Ff [N] - là lực ma sát giữa bánh xe và mặt đất
Fi [N] - là lực quán tính của xe
- đối với phương dọc:
N P (4.2)
Trong đó :
N [N] - lực pháp tuyến (phản lực đường)
P [N] - trọng lượng xe
Ta có thể viết biểu thức của lực ma sát là:
. f F N (4.3) Trong đó: μ [-] hệ số ma sát giữa bánh xe và đường. Trọng lượng của xe là:
x.
P m g (4.4)
Thay (4.2) và (4.4) vào (4.3) ta được biểu thức của lực ma sát là:
x
. .
f
F m g (4.5)
Trong đó:
Mx [kg] - là tổng khối lượng của xe
g [m/s2] - là gia tốc trọng trường
Lực quán tính là tích giữa khối lượng của xe mx [kg] và gia tốc của xe ax [m/s2]: . . x x i x x F t m a m d v d (4.6) Trong đó: vx [m/s] là tốc độ của xe.
Từ các phương trình (4.1), (4.5) và (4.6) ta có thể rút ra biểu thức của gia tốc xe: ) 1 .( . . x x x d v m g dt m (4.7)
Tốc độ của xe có được bằng tích phân của phương trình (4.7).
4.2.2 Mơ hình bánh xe
Trong q trình phanh, thơng qua hệ thống phanh, người lái xe tác dụng mômen phanh Tb [Nm] lên các bánh xe. Lực ma sát Ff [N] giữa bánh xe và đường tạo ra một mômen ngược chiều với bán kính bánh xe rb [m].
Để đơn giản hóa, chúng ta sẽ xem xét rằng bánh xe cứng và lực bình thường (phản lực của mặt đường) truyền qua trục bánh xe, do đó khơng tạo thêm mơ-men xoắn.
Chúng ta có thể viết phương trình cân bằng của bánh xe như sau:
. . 0 b f b b b d T F r J d t (4.8) Trong đó: Jb [kg.m2] - là mơmen qn tính của bánh xe ωb [rad/s] - là tốc độ góc của bánh xe
Từ phương trình (4.8) ta có thể rút ra biểu thức của gia tốc bánh xe:
1 .( b f . )b b b d T F r dt J (4.9)
Tốc độ của bánh xe thu được bằng tích phân của phương trình (4.9).
4.2.3 Trượt bánh xe
Hệ thống ABS phải kiểm soát độ trượt của bánh xe [-] quanh một mục tiêu tối ưu. Độ trượt của bánh xe được tính như sau:
1 b x (4.10)
Trong đó ωx [rad/s] là tốc độ góc tương đương của xe, bằng:
x x b v r (4.11)
4.2.4 Hệ số ma sát
Hệ số ma sát giữa bánh xe và đường phụ thuộc vào một số yếu tố, như:
- bánh xe trượt
- tốc độ phương tiện
- loại mặt đường
- điều kiện môi trường (độ ẩm, nhiệt độ, v.v.)
Đối với mục đích mơ phỏng của chúng tơi, chúng tơi sẽ chỉ tính đến sự biến thiên của hàm hệ số ma sát trên độ trượt dọc của bánh xe.
Hình 4. 3 Vùng của hệ số trượt
Trong quá trình phanh, nếu bánh xe bị trượt thì 100% bánh xe bị khóa cứng nhưng xe vẫn chuyển động. Tại độ trượt 0%, bánh xe và xe có cùng vận tốc.
Hệ số ma sát tối ưu (giá trị cao nhất) đạt được khi độ trượt của bánh xe là 20%. Như bạn có thể thấy, đường cong hệ số ma sát được chia thành hai khu vực:
- vùng không ổn định: nơi hệ số ma sát giảm khi độ trượt của bánh xe tăng lên.
Nếu bánh xe trượt vào vùng không ổn định, hệ số ma sát sẽ giảm và bánh xe sẽ bị khóa gây trượt bánh và xe mất ổn định.
Đối với ví dụ cụ thể này, hệ thống ABS sẽ phải giữ cho bánh xe trượt khoảng 20%, nơi hệ số ma sát có giá trị cao nhất.
4.3 Xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống ABS trên Simulink
Mơ hình xe và bánh xe được sử dụng để mô phỏng được biết đến trong đồ án này là mơ hình một phần tư xe. Điều này có nghĩa là một phần tư khối lượng xe được coi là chỉ có một bánh xe. Ngồi ra, chỉ xem xét động lực dọc của xe, khơng tính đến tác động của hệ thống treo.
Sơ đồ khối của mơ hình mơ phỏng hệ thống ABS
Hình 4. 4 Sơ đồ khối của mơ hình hệ thống ABS
4.3.1 Mơ hình xe
Mơ hình phương tiện đang thực hiện phương trình (4.7). Vì tơi đang sử dụng mơ hình một phần tư xe, tổng trọng lượng của xe được chia cho 4, giả sử phân bổ đều trên mỗi bánh xe.
Khối tích phân có giá trị ban đầu v0 và nó được bão hòa đến cực đại 1000 m/s và nhỏ nhất 0 m/s. Để tránh những bất ổn về số trong tính tốn độ trượt của bánh xe, khối bão hòa giới hạn tốc độ tối thiểu của xe là 0,001 m/s giữ nguyên giới hạn tối đa.
Khoảng cách được bao phủ bởi xe được tính tốn bằng cách tích phân tốc độ của xe.
Hình 4. 5 Sơ đồ khối của mơ hình xe
4.3.2 Mơ hình bánh xe
Mơ hình bánh xe đang thực hiện phương trình (4.9). Tích phân tốc độ bánh xe (góc) ωb [rad/s] được khởi tạo với v0/rb [rad/s] và bão hòa đến cực đại 1000 rad/s và nhỏ nhất 0 rad/s. Tốc độ bánh xe tuyến tính vb [m/s] nhận được bằng cách nhân tốc độ góc với bán kính bánh xe rb [m]. Khoảng cách được bao phủ bởi bánh xe db [m] nhận được bằng cách tích phân tốc độ tuyến tính.
Hình 4. 6 Sơ đồ khối của mơ hình bánh xe
4.3.3 Độ trượt
Độ trượt của bánh xe được tính theo phương trình (4.10). Khi tốc độ xe bằng 0, để tránh chia hết cho 0, hằng số ε được dùng làm mẫu số. Giá trị trượt tính tốn được tiếp tục bão hịa đến giá trị lớn nhất là 1 và nhỏ nhất là 0.
Hình 4. 7 Khối trượt
4.4 Khởi chạy mơ hình mơ phỏng
Trong nghiên cứu này, khoảng cách và thời gian phanh được khảo sát từ khi bắt đầu phanh đến khi xe dừng lại mà khơng tính đến thời gian phản ứng của người lái. Góc trượt của bánh xe được giả định bằng 0, tức là chỉ chạy thẳng trên mặt đường phẳng đồng nhất mới được sử dụng. Lực cản của khơng khí, khí động học và rung động của hệ thống treo bị bỏ qua. Các thông số được sử dụng trong nghiên cứu mơ hình mơ phỏng hệ thống ABS được liệt kê trong bảng 5.1. Tốc độ ban đầu được chọn là 60 km/h. Thời gian lấy mẫu hệ thống ∆t được đặt thành 0,02 giây. Đối với trường hợp không bật ABS, xe sẽ phanh từ tốc độ ban đầu 30 m/s.
Bảng 4. 1 Thông số mô phỏng cho hệ thống ABS
Thông số Mô Tả Giá trị m Khối lượng (kg) 1250 rb Bán kính bánh xe (m) 0.27 g Gia tốc trọng trường (m/s2) 9.81 v0 Vận tốc ban đầu (m/s) 30 Kf Hệ số thực 1
Jb Quán tính quay của bánh xe (kg.m2) 4.5
Ctrl Biến điều khiển 1 hoặc 0
Sau khi khai báo xong các thơng số cần thiết cho mơ hình, kiểm tra các lỗi của mơ hình thơng qua dịng thơng báo phía dưới màn hình chúng ta bắt đầu
cho chạy mơ hình bằng việc nhấn vào dấu tam giác phía trên thanh cơng cụ của màn hình cửa sổ Simulink. Trên hình thể hiện quá trình bắt đầu khởi động và theo dõi quá trình mơ phỏng.
4.5 Kết quả, phân tích và đánh giá
Mơ hình được mơ phỏng trong hai trường hợp cụ thể:
- Trường hợp khơng có ABS: bộ điều khiển fuzzy logic bị vơ hiệu hóa bằng cách cài đặt thơng số Ctrl = 0.
- Trường hợp có ABS: bộ điều khiển fuzzy logic được kích hoạt bằng cách cài đặt thơng số Ctrl = 1.
Mô phỏng Simulink sẽ chạy trong 20 giây. Kết quả mơ phỏng được trình bày dưới dạng đồ thị của các biến số quan trọng của xe và ABS.
Khi hệ thống ABS bị vô hiệu hóa, mơmen phanh tăng lên giá trị cực đại (270 Nm) chỉ trong chưa đến 5s. Với hệ thống ABS đang hoạt động (kiểm sốt trượt), mơmen phanh được điều chỉnh để giữ cho bánh xe trượt quanh giá trị mong muốn (20%).
Khi hệ thống ABS bị vô hiệu hóa, thì mơmen phanh tăng lên, bánh xe sẽ trượt lên nhanh chóng về phía 1 (bó cứng bánh xe). Với hệ thống ABS hoạt động, độ trượt của bánh xe được điều chỉnh nằm trong khoảng 20%. Vì hệ thống kiểm sốt độ trượt bánh xe khơng hoạt động dưới 1,4 m/s, bánh xe sẽ khóa và độ trượt chuyển thành 1.
Hình 4. 9 Đồ thị độ trượt bánh xe
Khi hệ thống ABS bị vơ hiệu hóa, bánh xe sẽ bị bó cứng trước khi xe dừng hẳn. Ngoài ra, đáng chú ý là độ dốc của vận tốc thay đổi sau khi bánh xe bị bó cứng. Điều này xảy ra do lực ma sát trở nên nhỏ hơn và quãng đường phanh và thời gian phanh tăng lên. Khi hệ thống ABS hoạt động, bộ điều khiển fuzzy logic kiểm soát độ trượt làm thay đổi liên tục lực phanh vào bánh xe làm cho bánh xe khơng bị bó cứng và làm giảm qng đường và thời gian phanh.
Với hệ thống ABS hoạt động, bánh xe sẽ được kiểm sốt và khơng bị bó cứng. Việc đặt độ trượt của bánh xe xung quanh giá trị tối ưu sẽ cung cấp lực ma sát cao hơn giữa bánh xe và đường, do đó quãng đường phanh ngắn hơn (xe dừng nhanh hơn).
Hình 4. 10 Đồ thị vận tốc xe và vận tốc bánh xe
Khi phanh khơng có ABS, qng đường phanh để xe dừng hẳn là khoảng 290 m. Khi có ABS độ trượt của bánh xe được kiểm soát, quãng đường phanh sẽ giảm xuống khoảng 30 m, khá đáng kể.
Kết quả của việc áp dụng bộ điều khiển Fuzzy Logic cho ABS về thời gian và khoảng cách dừng được trình bày trong bảng 4.2.
Bảng 4. 2 So sánh khi có ABS sử dụng bộ điều khiển Fuzzy Logic và khi khơng có ABS
Thời gian dừng (s) Khoảng cách dừng (m)
Có ABS 15 260
Khơng có ABS 18.3 290
Từ kết quả trình bày trong bảng 4.2, bộ điều khiển logic mờ cho thấy hiệu quả tốt hơn khi khơng có ABS. Thời gian và khoảng cách dừng là thấp nhất trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển logic mờ.
Kết quả so sánh khi có ABS và khi khơng có ABS cho thấy hiệu suất của bộ điều khiển Fuzzy được cải thiện so với khi khơng có ABS với tiêu chí qng đường phanh và thời gian phanh lần lượt là 10.34% và 18.3%.
Từ mơ phỏng, chúng ta có thể thấy rằng hệ thống ABS đang giảm quãng đường phanh của xe. Ngồi ra, việc ngăn chặn tình trạng bó cứng bánh xe cho phép lái xe đánh lái và tránh các mối nguy hiểm trên đường.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận chung
Việc mô phỏng và biểu diễn một cách đầy đủ, chi tiết chính xác so với mơ hình thực tế khơng phải là một vấn đề hồn tồn đơn giản. Có thể nói từ trước đến nay có rất nhiều các nhà khoa học đã nghiên cứu, thí nghiệm nhằm đưa ra một cách nào đó mơ phỏng các hệ thống trên ơ tơ để có thể biểu diễn tất cả các q trình và trạng thái của xe một các chính xác, và cho đến ngày nay họ vẫn đang nghiên cứu để cho các mơ hình thêm hồn thiện. Nhưng nói chung việc mơ hình hóa cho đến thời điểm hiện nay có thể nói đã đạt được nhiều thành cơng, nó đã giúp cho khơng ít các nhà nghiên cứu, các nhà chế tạo hồn thiện các sản phẩm của mình. Phương pháp nghiên cứu thơng qua mơ phỏng đã giúp rút ngắn thời gian, thiết kế, thí nghiệm, giảm số lượng các mẫu thực nghiệm trong quá trình sản xuất.
Cùng với xu hướng đó thì ở nước ta cũng đã bắt đầu có sự nghiên cứu chuyên sâu về các phần mềm mô phỏng các hệ thống trên xe ô tô. Việc khai thác phần mềm này nhằm mang lại cho các sinh viên đại học, học viên cao học và các nghiên cứu sinh có cái nhìn trực quan, tổng thể hơn về các q trình, tiêu chí đánh giá phanh, khảo sát các nhân tố ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật, kinh tế đến chất lượng phanh.
Sau một thời gian nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu tài liệu trong và ngồi nước cùng với sự hướng dẫn của các thầy, cô trong khoa đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Vũ Hải Quân. Đồ án của em đã hoàn thiện và đạt được một số kết quả như sau:
Hiểu rõ hơn về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS trên ô tô hiện nay. Và tiếp cận được một số công nghệ được áp dụng cho hệ thống phanh trong tương lai.
Nắm được các cơ sở lý thuyết, ứng dụng các phần mềm mô phỏng để khảo sát các thơng số của hệ thống phanh trong q trình di chuyển, việc ứng dụng
các phần mềm chuyên dụng trong mơ phỏng và thiết kế có ý nghĩa hết sức quan trọng, thông qua nghiên cứu em đã dần nắm bắt và có khả năng sử dụng phần mềm Matlab – Simulink này.
Tìm hiểu và tiếp cận với việc thiết kế một bộ điều khiển cho hệ thống phanh ABS. Từ đó đã giúp em hiểu được thêm phần nào về các ngôn ngữ điều khiển, các thuật toán điều khiển và đặc biệt là điều khiển thông minh được ứng dụng trong ngành cơng nghiệp ơ tơ nói riêng và ngành cơng nghiệp Việt Nam nói chung.
Thơng qua q trình nghiên cứu lý thuyết em đã xây dựng được mơ hình mơ phỏng hệ thống phanh ABS trên ơ tơ với một bộ điều khiển mới được sử dụng (Logic mờ). Mơ hình được thiết kế với 03 mơ hình con khác nhau bao gồm: Mơ hình xe, mơ hình bánh xe, độ trượt thực tế. Mơ hình xây dựng được trong nghiên cứu đã khẳng định được hướng tiếp cận và thiết kế ban đầu của em là đúng.
Hướng phát triển
Trong thời gian tới đề tài cần bổ sung và hoàn thiện những nghiên cứu sau đây:
Em dự kiến phát triển thêm các bộ điều khiển khác cho mơ hình hệ thống phanh ABS và sau đó so sánh mức độ cải thiện hiệu suất phanh trên từng bộ điều khiển ở cùng một thông số đầu vào sẽ như thế nào, từ đó đưa ra được một bộ điều khiển tối ưu nhất cho mơ hình mơ phỏng. Trong thời gian tới em sẽ cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu để sớm đưa ra được một bài báo khoa học với độ chính xác cao, sát với thực tế hơn nhằm mục tiêu giúp cho sinh viên, nhà khoa học, đọc giả có thể hình dung rõ hơn về mơ hình và nhìn thấy được khả năng ứng dụng của đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn Khoa Cơng nghệ Ơ tơ và nhà trường đã tạo điều kiện cho em được học tập ở một môi trường năng động, sáng tạo như vậy. Cảm ơn các thầy cô trong khoa cũng như các thầy cô trong trường đã chỉ bảo,
giúp đỡ tận tình trong quá trình em theo học tại trường. Đặc biệt là đã tạo điều kiện cho em được hoàn thiện đồ án tốt nghiệp này một cách thành công. Và cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS. Vũ Hải Quân đã trực tiếp chỉ bảo em trong suốt q trình hồn thiện đồ án này cũng như học tập tại trường.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng (2003), “Lý thuyết ôtô máy kéo”, Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.
[2] Nguyễn Cát Hổ, Nguyễn Công Hào (2009), “ Logic mờ và ứng dụng”, Đại học Khoa Học Huế, Huế.
[3] OTO-HUI (2021), Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS, news.oto-hui, URL < https://news.oto-hui.com/cau-tao-va-nguyen-ly-hoat-
dong-cua-he-thong-phanh-abs/ >
[4] Nguyễn Khắc Trai, Nguyễn Trọng Hoan, Hồ Hữu Hải, Phạm Huy Hường, Nguyễn Văn Chưởng, Trịnh Minh Hồng (2010), “Kết cấu ơ tơ”, Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội.
[5] Angad Anil Aras (2013), Design of a controller for abs anti-lock braking