Trong quá trình tăng tốc (TCS hoạt động)
Nếu bánh sau bị trượt quay trong quá trình tăng tốc, ECU, ABS và TCS điều khiển mômen xoắn của động cơ và phanh các bánh sau để tránh hiện tượng này. Áp suất dầu trong xy lanh phanh bánh sau bên phải và trái được điều khiển riêng rẽ theo 3 chế độ (“tăng áp”, “giữ áp”, “giảm áp”), như mô tả sau đây:
Chế độ “tăng áp”:
Khi đạp ga hoặc tăng tốc một bánh sau bắt đầu trượt, ECU phát tín hiệu để bật tất cả các van điện của bộ chấp hành TCS.
Cùng lúc đó van điện 3 vị trí của bộ chấp hành ABS cũng chuyển sang chế độ “tăng áp” tăng áp suất dầu đến các bánh xe. Ở chế độ này, van điện cắt xylanh phanh chính bật (đóng) và van điện cắt bình tích năng bật (mở). Nó làm cho dầu cao áp trong
bình tích năng tác dụng lên xy lanh phanh bánh xe qua van điện cắt bình tích năng và van điện 3 vị trí trong ABS.
Khi cơng tắc áp suất phát hiện có sự giảm áp bình tích năng (khơng phụ thuộc vào hoạt động của TCS), ECU bật bơm TCS để tăng áp suất dầu.
Hình 1.14: Sơ đồ làm việc của TCS khi tăng tốc ở chế độ tăng áp
Tên chi tiết Van điện Van
Van điện cắt xy lanh phanh chính Bật Đóng Van điện cắt bình tích năng Bật Mở Van điện cắt bình dầu Bật Mở
Van điện 3 vị trí ABS Tắt (0 A) Cửa “A” mở, cửa B” đóng Bảng 1.2: Làm việc của TCS khi khi tăng tốc ở chế độ tăng áp
Chế độ “giữ”:
Khi áp suất dầu trong các xy lanh phanh bánh sau tăng hay giảm đến giá trị yêu cầu, để giảm số vòng quay của bánh xe xuống một giới hạn nhất định, hạn chế sự trượt của bánh xe, ta cần giữ cho áp suất dầu ở một áp suất nhất định, hệ thống được chuyển đến chế độ “giữ áp”.
Sự thay đổi chế độ được thực hiện bằng cách thay đổi trang thái van điện 3 vị trí của bộ chấp hành ABS. Kết quả là áp suất trong bình tích năng bị ngăn khơng cho xả ra ngoài, giữ nguyên áp suất dầu trong xy lanh bánh xe.
Hình 1.15: Sơ đồ làm việc của TCS khi tăng tốc ở chế độ giữ áp
Tên chi tiết Van điện Van
Van điện cắt xy lanh phanh chính Bật Đóng Van điện cắt bình tích năng Bật Mở Van điện cắt bình dầu Bật Mở
Van điện 3 vị trí ABS Mở (2 A) Cửa “A” đóng, cửa B” đóng Bảng 1.3: Làm việc của TCS khi giữ áp
Chế độ “giảm áp”:
Khi tốc độ ổn định và hết trượt quay ta cần giảm áp suất dầu trong các xy lanh phanh bánh sau để tăng từ từ số vòng quay và lưu thơng bình thường, ECU ABS và TCS chuyển van điện 3 vị trí của bộ chấp hành ABS đến chế độ “giảm áp”. Nó làm cho áp suất dầu trong xy lanh phanh bánh xe hồi về bình dầu của xy lanh phanh chính qua van điện 3 vị trí của ABS và van điện cắt bình dầu. Kết quả là áp suất dầu giảm. Lúc này, bộ bơm chấp hành vẫn khơng hoạt động.
Hình 1.16: Sơ đồ làm việc của TCS khi tăng tốc ở chế độ giảm áp
Tên chi tiết Van điện Van
Van điện cắt xy lanh phanh chính Bật Đóng Van điện cắt bình tích năng Bật Mở Van điện cắt bình dầu Bật Mở
Van điện 3 vị trí ABS Mở (5 A) Cửa “A” đóng, cửa B” mở Bảng 1.4: Làm việc của TCS khi tăng tốc ở chế độ giảm áp
Loại khơng bình tích năng (LS400) thì trạng thái của mỗi cửa van và mơtơ bơm.
Chế Độ Hoạt
Động Van Điện Cắt Xi LanhPhanh Chính
Van Điện Cắt Đường Dầu
Van Điện 3 Vị Trí
Của ABS Bơm TCS
Cửa A Cửa B Cửa C Cửa D Cửa E
Khi phanh bình thường Đóng Mở Đóng Mở Đóng OFF Khi xe tăng tốc Chế độ tăng áp Mở Đóng Mở Mở Đóng ON Chế độ giữ áp Mở Đóng Mở Đóng Đóng ON Chế độ giả m áp Mở Đóng Mở Đóng Mở ON
Bảng 1.5: Làm việc của TCS loại khơng có bình tích năng (LS400)
Hình 1.19: Cách bố trí hệ thống TCS trên xe
Hình 1.20: Bố trí thực hệ thống TCS trên xe
Vai trò của hệ thống TCS:
Khi xe tăng tốc thường hay xảy ra hiện tượng bánh xe mất ma sát với mặt đường. Nguyên nhân được cho là vịng xoay của bánh xe và cơng suất của động cơ khơng tương thích với tốc độ. Lúc này, hệ thống TCS sẽ điều chỉnh phanh ABS giảm tốc các bánh xe đang bị mất ma sát và giảm công suất tác động lên bánh xe để khắc phục tình trạng trượt bánh, từ đó giúp cho bánh xe tiếp xúc 1 cách tốt nhất với mặt đường.
Hoặc trong trường hợp xe leo dốc và địa hình đường xấu, trơn trượt do bùn lầy, nếu như không trang bị hệ thống chống trượt TCS, các bánh xe sẽ bị mất độ bám và khiến xe trôi xuống dốc khi nhấn ga. Trong khi đó, nếu được trang bị TCS, các bánh
xe sẽ được hoạt động theo cơ chế ngắt – nhả liên tục và linh hoạt, giúp bánh xe bám đường tốt và di chuyển về phía trước 1 cách thuận lợi.
Như vậy có thể thấy rằng, hệ thống TCS đóng vai trị quan trọng trong việc giúp xe bám đường tốt hơn và chống trượt. Ngoài ra, TCS tác động đến hệ thống chống bó cứng phanh ABS, hệ thống bướm ga hay có thể điều chỉnh cơng suất, từ đó điều chỉnh lực kéo để xe di chuyển mượt mà, ổn định hơn. Quy trình hoạt động này được diễn giải như sau: Các cảm biến trọng lực, gia tốc, vòng quay của bánh xe, bướm ga, chân ga sẽ phát ra tín hiệu và TCS sẽ thu nhận những tín hiệu này về ECU, ECU sau khi tổng hợp tín hiệu và thơng qua van thủy lực sẽ điều khiển hệ thống phanh ABS giảm tốc các bánh xe, trong khi đó bướm ga sẽ điều chỉnh công suất động cơ nhằm thay đổi sức kéo cho xe.
Hình 1.21: Hoạt động TCS trên đường băng
Thực tế, khá nhiều người nhầm lần giữa hệ thống TCS, EBD và ESC bởi đây đều là những hệ thống hỗ trợ khả năng di chuyển ổn định cho xe. Tuy nhiên, theo các chuyên gia về ô tô. ESC giúp xe di chuyển cân bằng ở tốc độ cao hoặc khi vào của hay đánh lái đột ngột. Còn TCS là hệ thống hộ mệnh cho tài xế trong trường hợp bánh xe bị trượt khi tăng tốc hay đi trên đường trơn trượt ở tốc độ thấp.
Tuy nhiên, Vì được phát triển trên cơ cấu chống bó cứng phanh ABS và hệ thống cân bằng điện tử ESC nên nếu như đèn cảnh báo TCS sáng, tài xế nên kiểm tra thực trạng của cả 2 hệ thống này:
Với tác dụng kể trên, hệ thống chống trượt TCS đặc biệt quan trọng đối với các dịng xe có công suất lớn, gia tốc cao hay các loại xe thường xuyên phải di chuyển
đường trường và trên các loại địa hình xấu, hay bị trơn trượt. Sự xuất hiện của hệ thống TCS sẽ giúp cho tài xế kiểm soát được tay lái tốt hơn, xe chạy ổn định và đảm bảo an toàn.
1.3 Giới thiệu Carsim Tổng quan về CarSim
Phần mềm CarSim được xây dựng và phát triển bởi cơng ty Mechanical Simulation Corporation có trụ sở tại Ann Arbor, Michigan, chuyên cung cấp các ứng dụng mô phỏng tương tác 3D. Ra đời vào năm 1996, đến nay CarSim cùng với các phần mềm tính tốn TruckSim, BikeSim được cung cấp cho hơn 30 nhà sản xuất, 150 trường đại học và các nhóm nghiên cứu trên tồn thế giới. CarSim mơ phỏng các chuyển động của xe đua, xe chở khách, xe tải nhẹ, và các loại xe tiện ích. Được dùng để thiết kế, phát triển và kiểm định các hệ thống trên xe, CarSim cho phép người dùng thay đổi các thơng số, lựa chọn và phân tích tốt nhất về khí động học, kiểm nghiệm khung sườn, và các ảnh hưởng đến xe của những hệ thống treo, lái, thắng. CarSim phân tích hiệu suất của xe ứng với sự thay đổi của các hệ thống trên xe bao gồm hệ thống lái, phanh, ga, hộp số và ly hợp trong một mơi trường nhất định nào đó bằng các chuyển động, lực và moment tác động lên quá trình tăng tốc, ổn định, hay phanh xe.
Carsim với hệ thống dữ liệu hình ảnh mơ phỏng sống động, hơn 800 phương trình phân tích tính tốn, đồ thị và có khả năng xuất ra dưới dạng file Mathlab, Excel. Với giao diện hiện đại, người dùng có thể chạy một thử nghiệm mơ phỏng, hay xem đồ thị đặc tính với chỉ một Click chuột. Các đồ thị và mơ phỏng là cơng cụ phân tích linh hoạt và tương tác cao, có thể dễ dàng xuất và chèn vào các bản báo cáo, hay thuyết trình PowerPoint. Các phép tốn được sử dụng trong CarSim được xây dựng từ cơ sở lý thuyết cũng như đã qua kiểm nghiệm thực tế chặt chẽ. CarSim sử dụng chương trình VehicleSim Lisp để tổng hợp, phân tích các phương trình tính tốn, cung cấp các phương trình phi tuyến tính chính xác cho các mơ phỏng phức tạp để tối ưu hóa tính tốn. Ngồi ra, các cơng cụ hỗ trợ và mở rộng như MathLab/Simunlink, LabVIEW, viết trên nền Visual Basic, C+, Mathlab, và các ngơn ngữ lập trình khác giúp người dùng có thể dễ dàng sử dụng các tùy chọn, hoặc mô phỏng các thành phần như lốp xe, phanh, hệ thống dẫn động.
Xây dựng nghiên cứu và mơ hình hố để mơ phỏng, tính tốn thử nghiệm. Phân tích những điều kiện nhất định của mơi trường và các ảnh hưởng vật lí lên xe từ đó đưa ra các tính tốn phù hợp.
Các mơ hình tốn học trong VehicleSim (VS) được xây dựng bao gồm một số của các biến có thể được đưa ra các giá trị với phương trình đó đã khơng tồn tại khi các mơ hình được xây dựng. Chúng bao gồm lực tác dụng, những thời điểm, điều khiển, đặc tính mặt đường. Chúng ta có thể nhập các giá trị này thông qua các môi trường mô phỏng khác như Matlab, Simulink hoặc sử dụng trực tiếp trên màn hình để đưa các thơng số vào các biến số nhập và để chúng được kết hợp với các biến đã có sẵn trong mơ hình tốn học từ đó đưa ra các mơ phỏng.
Lưu ý: Để chỉnh sửa các thơng số mà mình muốn thay đổi chúng ta phải sử dụng lệnh Duplicate để tạo một bản sao mới để chỉnh sửa nhằm không gây mất các dữ liệu gốc có sẵn trong CarSim
1.4 Giới thiệu về xe Toyota Vios 2019
Thơng số kỹ thuật: Kích thước
Thơng số Toyota Vios 2019
Kích thước tổng thể D x R x C
(mm) 4.425 x 1.730 x 1.475 Kích thước tổng thể bên trong D x
R x C (mm) 1.895 x 1.420 x 1.205 Chiều dài cơ sở (mm) 2.550
Chiều rộng cơ sở trước/sau (mm) 1.475 / 1.460 Khoảng sáng gầm xe (mm) 133 Bán kính vịng quay tối thiểu
(mm) 5,1
Khối lượng khơng tải (kg) 1.110 - G CVT/ 1.105 - E CVT/ 1.075 E MT Khối lượng tồn tải (kg) 1.550 Dung tích khoang hàng lý (lít) 506 Dung tích bình chứa nhiên liệu
(lít) 42
Thơng số kỹ thuật: Khung gầm
Thông số 1.5G CVT 1.5E CVT 1.5E MT Hệ thống treo trước Độc lập MacPherson Hệ thống treo sau Dầm xoắn
Hệ thống phanh
trước Đĩa thơng gió
Đĩa thơng gió
Hệ thống phanh
sau Đĩa đặc Tang trống Lốp xe 185/60R15
Mâm xe Mâm đúc
2 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TCS 2.1 Xây dựng mơ hình
Hình 2.22: Mơ hình hệ thống TCS Nguyên lý hoạt động:
Điều khiển momen xoắn động cơ: ECU TCS liên tục nhận cảm biến tốc độ bánh xe và nó cũng liên tục tính tốc độ của từng bánh xe. Cùng lúc đó nó ước lượng tốc độ xe trên cơ sở tốc độ của 2 bánh bị động và đặt ra một tốc độ điều khiển tiêu chuẩn. Đối với can thiệp thông qua các đơn vị điều khiển động cơ, TCS đã xác định được mô-men xoắn thực tế của động cơ để tính tốn một mơ-men xoắn lý thuyết của động cơ. Điều này được chuyển đến các đơn vị điều khiển động cơ như bướm ga phụ, hệ thống phun xăng đánh lửa, có thể cả hộp số…
Điều khiển q trình phanh: Khi nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe ECU ABS sẽ tính tốn và đưa ra tín hiệu tới bộ chấp hành phanh khi có độ trượt. Khi đó bộ chấp hành phanh sẽ tăng giảm áp suất dầu phanh để phanh cái bánh xe sao cho xe hoạt động ổn định nhất. Qua ba chế độ tăng áp, giảm áp, giữ áp.
Hình 2.23: Sơ đồ hệ thống TCS
2.2 Mô phỏng hệ thống TCS trên Simulink / Carsim
Mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
2.2.1 Điều khiển hệ thống TCS qua Simulink
Hình 2.24: Sơ đồ bộ điều khiển qua PID Controller
Đầu vào:
Hình 2.25: Các tín hiệu đầu vào điều khiển PID Đầu ra:
Hình 2.26: Các tín hiệu đầu ra điều khiển PID
Đối tượng điều khiển:
* Khối Relative slip:
Tính tốn tỷ số trượt quay của xe:
-Vo: tốc độ của bánh xe -V: tốc độ thực tế của xe
Theo cơng thức ta có sơ đồ khối Simulink như hình 2.16.
Hình 2.28 Sơ đồ khối Slip Ratio Caculator
*Bộ controller:
- Từ tỷ số trượt thực tế ta tính được qua khối Relative Slip, ta trừ tỷ số trượt mong muốn là 0.15 ta được sự chênh lệch tỷ số trượt.
- Theo sơ đồ đặc tính trượt hình 1.15 ta có tỷ số trượt nằm trong khoảng từ 0.1 đến 0.3 thì xe đảm bảo được hiệu suất tốt nhất khi di chuyển trên các loại đường có hệ số bám thấp. Vậy nên ở đây nhóm có chọn tỷ số trượt mong muốn là 0.15 để xe hoạt động ổn định nhất.
- Sau đó qua khối saturation để giới hạn sự sai lệch này trong khoản từ 0 đến 0.05.
- Tiếp theo là qua bộ điều khiển PID:
Hình 2.30: Sơ đồ bộ điều khiển PID + Với hai bánh trước:
Bánh trước bên trái: Kp = 50, Ki = 3, Kd = 0.38
Bánh trước bên phải: Kp = 60, Ki = 1.75, Kd = 0.12 + Với hai bánh sau:
Các hệ số 2 bánh sau giống nhau, với Kp = 10, Ki =1, Kd = 0.3, khối Gain là 5. Đây là các thông số đã được chọn lọc qua nhiều lần thử nghiệm.
Và tín hiệu đầu ra của PID ta nhân cho hệ số 5 để cải thiện tín hiệu ra từ bộ điều khiển này.
- Tín hiệu ra từ bộ điều khiển PID sẽ qua khối Saturation để giới hạn tín hiệu từ 0 đến 1 để điều khiển hệ thống phanh trên xe.
- Khối Speed limit: Nếu vận tốc của xe dưới 1.5 km/h thì hệ thống này sẽ cho tín hiệu đầu ra là 0 và hệ thống TCS khơng hoạt động.
Hình 2.31: Khối Speed Limit
*Brake Actuator:
Hình 2.32: Sơ đồ khối Brake Actuator
Sau khi nhận được tín hiệu điều khiển từ bộ controller, khối thực thi sẽ nhân từng tín hiệu điều khiển từ từng bánh xe tương ứng với các tỷ lệ moment phanh của từng bánh xe và áp suất xylanh chính. Tiếp theo qua khối Transfer Fcn để chuyển đổi
và điều khiển áp suất phanh đến các bánh xe.Khối Transfer Fcn thể hiện độ trễ của hệ thống thuỷ lực khi phanh hoặc đó là độ trễ cơ khí của Selenoid trong hệ thống phanh.
2.2.2 Thực hiện mô phỏng hệ thống TCS trên Carsim Thiết lập chế độ làm việc cho xe:
Hình 2.33: Chế độ làm việc
*Chú thích:
1. Vận tốc xe lúc bắt đầu mô phỏng : 10 Km/h 2. Mở hết bướm ga trong vịng 10s
3. Áp suất phanh tại xylanh chính là: 10 MPa 4. Loại đường mơ phỏng
Hình 2.34: Chế độ mở hết bướm ga trong 10s và chạy hết bướm ga thêm 5s
Thiết lập loại đường xe cần mô phỏng:
Ở đây nhóm thực hiện sẽ chọn đường có chia 2 làn với độ bám 2 bên là khác nhau để thể hiện được rõ đặc tính của xe và chọn đường cong có bán kính lớn để xe thể hiện được đặc tính cân bằng.