- Hê ̣ thống điều khiển ổn định xe VSC làm tăng tính an toàn chủ động trong các tình huống đánh lái khi có chướng ngại vật đột ngột nhờ tăng tính ổn định của xe.
- Đặc biệt khi xe quay vòng, VSC giúp ổn định xe và giữ cho xe không đi lê ̣ch khỏi làn đường. Hê ̣ thống ABS và TRC chỉ làm cho xe ổn đi ̣nh do ̣c. VSC nhâ ̣n biết được điều kiê ̣n hoa ̣t đô ̣ng nguy hiểm của xe thông qua các cảm biến và nó điều khiển ổn định xe bằng cách phanh từng bánh xe.
- VSC điều khiển khi người lái không thể kiểm soát được, và tự động điều chỉnh xe trở lại đúng hướng bằng cách sử du ̣ng chức năng của hệ thống phanh.
- VSC đảm bảo xe chuyển động ổn đi ̣nh ngay cả trong những tình huống nguy hiểm nhất.
7.2. Quay vòng của ô tô
7.2.1 Mối quan hê ̣ giữa các lực
Mối quan hệ giữa lực hướng tâm và lực ly tâm khi xe quay vòng:
- Khi xe quay vòng, chiều lực ly tâm hướng ra ngoài tâm quay vòng. Phản lực của lực ly tâm là lực hướng tâm, lực hướng tâm hoa ̣t đô ̣ng như lực ly tâm nhưng nó được sinh ra từ các lốp xe.
- Xe quay vòng ổn đi ̣nh khi các lực ly tâm và lực lượng hướng tâm cân bằng.
- Mối quan hê ̣ giữa lực ly tâm và tốc đô ̣ quay vòng: lực ly tâm tăng khi tốc độ quay vòng lớn.
51
Hình 7.3 Sơ đờ biểu diễn lực khi xe quay vòng
Thiếu lái và thừa lái.
- Giữ vơ lăng ở một góc cố định và di chủn với tốc độ khơng đổi làm cho xe chuyển đô ̣ng theo mô ̣t cung tròn với bán kính quay vòng không đổi.
- Xe tăng tốc đô ̣ tại những điểm mà lực ly tâm lớn hơn lực hướng tâm làm cho: + Xe di chuyển lệch vào trong so với cung ban đầu go ̣i là thừa lái (quay vòng thừa). + Xe di chuyển lệch bên ngoài so với cung ban đầu go ̣i là thiếu lái (quay vòng thiếu). + Nếu xe vẫn giữ nguyên cung ban đầu thì go ̣i là quay vòng đủ (trung tính).
- Các đă ̣c tính quay vòng này của xe phu ̣ thuô ̣c sự phân bố trọng lượng giữa bánh trước và bánh sau, tình tra ̣ng lốp xe, hệ thống treo và hệ thống lái.
+ Quay vòng trung tính: Lực hướng tâm và lực ly tâm cân bằng.
+ Quay vòng thừa: Bán kính quay vòng nhỏ dần khi xe tiếp tu ̣c quay vòng. + Quay vòng thiếu: Bán kính quay vòng lớn dần khi xe tiếp tục quay vòng.
52
7.3. Chu trình điều khiển hê ̣ thớng VSC
Hình 7.4 Chu trình điều khiển hê ̣ thống VSC
- Mong muốn của tài xế được nhâ ̣n biết thơng qua cảm biến góc lái .
- Những giá trị đầu vào được so sánh với các tín hiệu của các cảm biến gia tốc ngang và cảm biến góc lệch thân xe
+ Nếu hướng chuyển đô ̣ng thực tế của xe phù hợp với mong muốn của tài xế, thì tình h́ng được đánh giá là hoạt động bình thường và VSC sẽ khơng hoạt động. + Nếu có một sự khác biệt lớn giữa chủn đợng thực tế của xe và mong muốn của tài xế, thì trường hợp này được đánh giá là tình trạng xe khơng ổn định.
+ Trong trường hợp thừa lái, ECU kiểm soát trượt điều khiển phanh một trong các bánh xe tạo ra mô men quay theo hướ ng ngược la ̣i với hướng quay của xe.
+ Trong trường hợp thiếu lái, ECU kiểm soát trượt điều khiển phanh một trong các bánh xe tạo ra mô men quay theo hướng quay của xe.
- Mô men quay được tạo ra bằng cách tác du ̣ng lực phanh riêng biê ̣t lên từng bánh xe. Khi lực phanh trên mỗi bánh xe khác nhau, một mô men quay xuất hiê ̣n trên thân xe và làm cho xe quay theo hướng điều khiển của người lái.
53
- Đối với viê ̣c ta ̣o ra thêm mô men quay trong điều kiê ̣n người lái đánh lái về bên phải, quay vòng thiếu, lực phanh được áp du ̣ng:
+ Bánh xe bên trong phía sau. + Bánh xe bên trong phía trước.
- Đối với viê ̣c ta ̣o ra thêm mô men quay trong điều kiê ̣n người lái đánh lái về bên phải, quay vòng thừa, lực phanh được áp du ̣ng:
+ Bánh xe bên ngoài phía trước. + Bánh xe bên ngoài phía sau.
7.4. Cấu tạo và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của hê ̣ thống VSC 7.4.1. Cấu tạo củ a hê ̣ thống VSC 7.4.1. Cấu tạo củ a hê ̣ thống VSC
- Hệ thống cân bằng điện tử trên Toyota Innova 2016 2.0V gồm có các bộ phận sau: + ECU kiểm soát trượt và bộ điều khiển thủy lực: tiếp nhận thơng tin từ cảm biến, tính tốn, gửi tín hiệu điều khiển bộ chấp hành thủy lực để phanh các bánh xe ở các chế độ khác nhau, gửi tín hiệu đến ECM động cơ để điều khiển bộ chấp hành bướm ga, thay đổi công suất động cơ.
+ Cảm biến tốc độ bánh xe: bốn bộ cảm biến tốc độ bánh xe dù ng để đo tốc độ của từng bánh xe, do đó cho phép các hệ thống thực hiện chức năng chớng bó cứng, điều khiển lực kéo và điều khiển ổn đi ̣nh xe.
+ Cảm biến góc lái : đo vị trí hướ ng lái thực tế của xe, các tín hiệu này được gửi tới ECU kiểm sốt trượt thơng qua mạng CAN.
+ Cảm biến góc xoay xe kết hợp cảm biến gia tốc xe: đo góc xoay, gia tốc theo phương ngang và phương dọc của xe. Các tín hiệu được gửi đến các mơ đun điều khiển VSC qua mạng CAN.
+ ECM điều khiển động cơ: tiếp nhận thông tin từ ECU kiểm sốt trượt, thơng tin từ cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến độ lệch xe và cảm biến gia tốc thơng qua hệ thống mạng CAN, từ đó điều khiển bộ chấp hành bướm ga, thay đổi công suất động cơ chu phù hợp với từng chế độ điều khiển của VSC.
+ Bộ chấp hành bướm ga: đóng mở bướm ga, thay đổi lượng khí nạp và vì vậy thay đổi mô men xoắn của động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau của hệ thống VSC. + Công tắc VSC OFF: bằng cách nhấn công tắc VSC OFF, chức năng điều khiển ổn định xe và kiểm sốt lực kéo bị vơ hiệu hóa.
54 + Đèn báo trượt: đèn nhấp nháy khi xe di chuyển trên đường trơn trượt, báo hiệu hệ thống kiểm soát lực kéo đang làm việc. Đèn sáng khi phát hiện lỗi
+ Đèn báo VSC OFF: Đèn sáng khoảng 3s sau khi bâ ̣t công tắc IG hoặc liên tục trong trường hợp hê ̣ thớng VSC bi ̣ lỡi. Nó cho biết tình trạng làm việc hay tắt kích hoạt hệ thống VSC
Hình 7.5 Các bộ phận của hệ thống VSC
7.4.2. Nguyên lý hoa ̣t đơ ̣ng của hê ̣ thớng VSC
Các tín hiệu đầu vào – cảm biến
55 ECU kiểm sốt trượt nhận tín hiệu từ các cảm biến:
- Cảm biến xoay xe kết hợp với cảm biến gia tốc (1) (Yaw rate sensor with lateral – acceleration sensor) truyền tín hiệu điện áp về cho bộ điều khiển ECU kiểm soát trượt (4).
- Cảm biến góc vơ lăng (2) (Steering wheel angle sensor ) giao tiếp với bộ điều khiển của hệ thống VSC (4) bằng mạng CAN
- Cảm biến tốc độ bánh xe (3) (Wheel speed sensor) truyền tín hiệu dạng xung về cho bộ điều khiển của VSC (4)
- Khi nhận các tín hiệu từ các cảm biến , ECU kiểm sốt trượt sẽ tính tốn và giao tiếp với bộ điều khiển của hệ thống động và hệ thống lái, sau khi tính tốn xong ECU kiểm soát trượt xác định được quỹ đạo chuyển động theo ý muốn của người lái và quỹ đạo chuyển động của xe, nếu xe mất ổn định thì bộ điều khiển của hệ thống VSC đưa tín hiệu điện áp đến bộ chấp hành thủy lực điều khiển lực phanh tới các bánh xe (6) một cách độc lập và ECU kiểm sốt trượt truyền tín hiệu bằng mạng CAN tới ECM động cơ để ECM động cơ điều khiển góc mở bướm ga nhằm giảm cơng suất của động cơ.
Quá trình xử lý và điều khiển
- Để xác định hướng điều khiển xe theo ý của người lái thì cần các tín hiệu từ cảm biến góc vơ lăng (1) và cảm biến tốc độ bánh xe (2).
- Để xác định hướng chuyển động của xe thì cần tín hiệu của các cảm biến góc xoay xe (3) và cảm biến gia tốc (4).
- Các tín hiệu từ các cảm biến sẽ được gửi về ECU kiểm soát trượt xử lý: Nếu sự đánh lái của người lái tương ứng với sự di chuyển của xe thì hệ thống VSC sẽ khơng hoạt động.
56 Các trường hợp điều khiển cụ thể của hệ thống.
Thiếu lái
Hình 7.7 Mơ tả khi ơ tơ quay vịng thiếu
- Nhìn vào hình vẽ trên chúng ta có thể thấy: khi xe vào cua ở tốc độ cao nếu người lái đánh lái thiếu, xe sẽ có xu hướng bị văng ngang (đường màu đỏ) ra khỏi cung đường điều khiển mong muốn (đường màu xanh) điều đó sẽ dễ dàng gây ra hiện tượng lật, trượt ngang xe mất an tồn và có thể gây ra tai nạn. Khi xe bắt đầu có xu hướng trượt ngang, cảm biến trượt ngang và góc lái xe gửi tín hiệu về hộp điều khiển VSC, dựa vào các tín hiệu đó VSC sẽ tính tốn và đưa ra tín hiệu điều khiển thực hiện việc chủ động phanh bánh phía đối diện với hướng xe bị trượt (bánh sau bên phải), lực phanh tạo ra tại bánh xe có tác dụng như một tâm quay để tạo ra mô men bù lại lực trượt ngang giữ cho xe có thể ổn định và tiến về phía trước theo đúng cung đường mong muốn.
Quay vòng thừa.
57
- Khi xe vào cua ở tốc độ cao và đánh lái thừa
- Tình huống này do người lái thực hiện việc đánh lái thừa khi vào cua gấp dẫn đến hiện tượng xe có thể bị văng đi và chệch khỏi quỹ đạo của cung đường mong muốn. Khi xe bắt đầu có xu hướng trượt ngang, cảm biến trượt ngang và góc lái xe gửi tín hiệu về hộp điều khiển VSC, dựa vào các tín hiệu đó rồi tính tốn, VSC cũng sẽ gửi tín hiệu điều khiển thực hiện việc phanh bánh trước bên lái, lực phanh tạo thành tâm quay (vì khi đó các bánh bên phải vẫn quay bình thường) và sinh ra mô men bù để giữ cho xe cân bằng, ổn định và tiến về phía trước theo đúng cung đường mong muốn.
Tránh chướng ngại vật.
Hình 7.9 Mô tả khi ô tô tránh chướng ngại vật
- Để tránh một vật cản xuất hiện bất ngờ thì người lái đầu tiên đánh lái sang trái rồi đánh lái sang phải làm xe mất ổn định lượn qua lượn lại trong suốt quá trình đánh lái và làm cho xe bị trượt phần phía sau xe. Người lái khơng cịn kiểm soát được nữa, kết quả là xe sẽ quay quanh một trục thẳng đứng.
- Khi người lái thấy chướng ngại vật sẽ cố gắng tránh. Từ các dữ liệu được cung cấp bởi các cảm biến, ECU kiểm soát trượt sẽ nhận ra rằng xe đang chuyển động mất ổn định. Hệ thống tính tốn và đưa ra các biện pháp tác động ngược lại sự chuyện động mất ổn định của xe bằng cách VSC đưa ra các tín hiệu nhằm phanh bánh xe sau bên trái, sự phanh này thúc đấy chuyển động xoay của xe, các lực bên tác động lên các bánh trước thì được giữ lại
58
- Khi xe lượn sang bên trái thì người lái sẽ đánh lái sang phải. Để giúp đỡ người lái trong trường hợp này thì ECU kiểm sốt trượt điều khiển lực phanh bánh trước bên phải nhằm hãm lại. Cịn các bánh sau thì quay tự do để đảm bảo tối ưu lực ngang tác dụng lên trục sau.
- Trước khi thay đổi làn đường có thể gây ra sự quay của xe quanh trục thẳng đứng. Để ngăn chặn sự trượt phía sau xe do trượt ngang khi quay vòng, bánh xe trước bên trái được phanh lại .
- Khi tất cả các hoạt động không ổn định của xe được điều chỉnh để xe về quỹ đạo chuyển động ổn định ,thì hệ thống VSC ngừng can thiệp.
So sánh tổng quát giữa xe có VSC và xe khơng có VSC
Hình 7.10 So sánh tổng qt giữa xe có VSC và xe khơng có VSC
- Có 2 hình: hình đầu tiên là sơ đồ mơ phỏng giữa xe có VSC và xe khơng có VSC khi vào cua, hình thứ hai là các đồ thị nói về q trình vào cua của 2 xe, gồm các đồ thị lần lượt là đồ thị góc đánh lái, đồ thị gia tốc ngang, đồ thị vận tốc xoay xe theo chiều thẳng đứng, đồ thị góc trượt ngang.
59
- Hình đầu tiên mơ phỏng q trình vào cua của hai xe có các điều kiện giống nhau là cùng ở tốc độ cao, trong trường hợp cả hai xe không phanh, hệ số ma sát giữa bánh xe với mặt đường là như nhau và được chia làm 4 giai đoạn:
- Trong trường 1-3 là xe khơng có VSC: ở giai đoạn đầu xe bắt đầu vào cua đột ngột và tới giai đoạn sau thì xe bắt đầu mất ổn định do lúc này xuất hiện một lực ngang lớn ở hai bánh xe sau, làm cho xe có xu hướng xoay theo chiều kim đống hồ, kết quả là xe mất kiểm sốt và trượt lếch hồn tồn.
- Trong trưởng hợp 2 với xe có VSC: ở giai đoạn đầu xe vào cua đột ngột, tới giai đoạn sau thì VSC là việc phanh bánh trước bên trái lại để giúp xe ổn định, lúc này VSC tự động điều khiển phanh mà không cần sự can thiệp của người lái, kết quả là làm giảm vận tốc xoay xe và góc trượt ngang bị giới hạn lại, tương tự thì VSC cũng điều khiển phanh bánh trước bên phải lại làm giảm mô men xoay xe, giúp xe ổn định trên quỹ đạo của mình.
- Hình thứ hai là các đồ thị góc đánh lái, đồ thị gia tốc ngang, đồ thị vận tốc xoay xe theo chiều thẳng đứng, đồ thị góc trượt ngang. Đường số 1 là đường đứt khúc với xe khơng có VSC, đường số 2 là đường nét liền với xe có VSC
+ Đồ thị đầu tiên là đồ thị góc đánh lái của tài xế, do xét hai xe ở các điều kiện giống nhau khi vào cua nên góc đánh lái là giống nhau.
+ Đồ thị thứ hai là đồ thị gia tốc ngang của hai xe sinh ra do lực ly tâm khi xe vào cua, ta thấy xe có VSC hay đường số 2 khi vào cua bên phải thì gia tốc dương sau đó ngoặc xe cua qua bên trái thì gia tốc âm giúp xe ổn định trên quỹ đạo của mình. + Đồ thị thứ ba là đồ thị vận tốc xoay xe theo chiều thẳng đứng của hai xe, ta thấy xe có VSC hay đường số 2 khi vào cua bên phải theo chiều kim đồng hồ nên vận tốc xoay là dương sau đó ngoặc xe cua qua bên trái thì vận tốc xoay xe âm giúp xe ổn định trên quỹ đạo của mình. Cịn xe khơng có VSC hay đường số 1 thì vận tốc xoay xe đều dương khi vào cua chứng tỏ xe bị quay vòng theo chiều kim đồng hồ và mất kiểm soát.
+ Đồ thị thứ bốn là góc trượt bên của xe đây là góc hợp bởi hướng xe chạy thực tế và hướng mà xe bị trượt ngang, ta thấy xe có VSC hay đường số 2 thì góc trượt ngang ổn định và nhỏ, cịn xe khơng có VSC thì mất ổn định và góc rất lớn hay xe bị mất kiểm sốt.
60
7.5. Hoạt động của bộ chấp hành thủy lực
- Hệ thống VSC sẽ sử dụng các van điện từ để điều khiển áp suất thủy lực sinh ra từ bơm và cấp vào xy lanh phanh trên các bánh xe theo 3 chế độ: tăng áp suất, giữ áp