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 cơng 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 không 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 quá 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 vòng 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.
2.3 Kết quả thu được
2.3.1 Đồ thị tỷ số trượt của các bánh xe trong quá trình tăng tốc
Hình 2.36: Đồ thị tỷ số trượt
Nhận xét: Vì xe TOYOTA VIOS 2019 có cầu chủ động phía trước nên nhìn vào đồ thị thì sẽ thấy hai đường đặc tính tỷ số trượt ở hai bánh trước giao động lên xuống nhiều hơn. Với bộ điều khiển PID thì đường đặc tính của bốn bánh xe bám sát vào hệ số trượt mong muốn trong khoảng 0 đến 0.15. Trong đó đường đặc tính của hai bánh trước sẽ giao động sát 0.15 do hai bánh trước đi vào đường có hệ số bám khác và là cầu chủ động của xe.
2.3.2 Đồ thị vận tốc của các bánh xe trong quá trình tăng tốc
Hình 2.37: Đồ thị vận tốc
Nhận xét: Nhờ bộ điều khiển TCS mà khi đi vào đường có hai hệ số bám khác nhau, vận tốc của các bánh xe và vận tốc xe luôn bám sát nhau, đồng thời không xảy ra hiện tượng trượt trơn. Vì vậy, trong quá trình đi vào đường trơn giúp xe luôn giữ ổn định.
2.3.3 Đồ thị áp suất phanh tại các bánh xe
Hình 2.38: Đồ thị áp suất phanh tại các bánh xe
Nhận xét: Đối với xe có TCS khi đường thẳng, thì hệ thống TCS sẽ can thiệp và bắt đầu tăng (hoặc giảm) áp suất phanh đến các bánh xe bị trượt (các bánh xe ở cầu
chủ động) nhằm giảm tốc độ bánh xe, tăng lực kéo của bánh xe chủ động tác dụng lên mặt đường.
2.3.4 Đồ thị so sánh gia tốc của hai xe
Hình 2.39 Đồ thị gia tốc
Nhận xét: Trong khoảng thời gian ( 0;1.15s) cả hai xe duy chuyển với gia tốc giống nhau. Bắt đầu từ giây 1.15s xe khơng có TCS xảy ra hiện tượng trượt trơn khiến cho gia tốc của xe mất ổn
định không thể tăng qua 0.12 Km/h2 , cịn với xe có TCS thì gia tốc ổn
định và tăng lên đến 0.175 Km/h2. Vì vậy, xe có bộ điều khiển TCS
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận
Phần mềm Carsim là một cơng cụ hữu ích, hiệu quả trong việc hỗ trợ cho việc học tập và nghiên cứu. Qua đề tài “MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TCS TRÊN CARSIM”, nhóm thực hiện đã phần nào hiểu rõ hơn về Carsim, cách sử dụng nó để mơ phỏng một động cơ hay hệ thống của ơ tơ. Với những nghiên cứu của nhóm qua việc phân tích video và các đồ thị đặc tính của hệ thống TCS, nhóm thực hiện đã có một cái nhìn tổng quan nhất về hệ thống này, nó là một hệ thống cơ động đầy đủ mang lại một sự ổn định, những tính năng cơ động cần thiết cho xe ở một khía cạnh khác việc xây dựng dựa trên những phần cứng sẵn có của 2 hệ thống ổn định lớn là ABS và ESC nhưng TCS lại tỏ ra ưu điểm không kém cạnh giải quyết những vấn đề làm khó khăn, gây mất ổn định cho xe mà hai hệ thống trên còn chưa giải quyết được. Nhưng cũng chính vì ưu điểm đó của mình mà TCS lại phải sử dụng như là một cơng tắc an tồn thay vì là một hệ thống an toàn được lắp đặt sẵn cố định trên xe ở một số trường hợp hi hữu. Mặt khác TCS, ESC và ABS vẫn thường được gọi chung với nhau là bộ ba hộ mệnh của chiếc xe giúp giữ an tồn cho chiếc xe trên những điều kiện đường khơng tốt, giảm thiểu tính mất ổn định và mất lái, tạo cảm giác an toàn cho người lái xe.
Hướng phát triển
Trong đề tài này, nhóm đã thực hiện mơ phỏng trên một số các thông số và điều kiện có sẵn, nên kết quả thu được sẽ có tính sai số. Bên cạnh có là hạn chế về kiến thức sử dụng phần mềm Carsim nên khơng thể tìm và phân tích một số đặc tính quan trọng khác của hệ thống TCS như TCS có can thiệp đến góc mở bướm ga khi xe tăng tốc để giảm độ trượt, tuy nhiên khơng có biểu đồ nào trong Carsim để làm rõ vấn đề này.
Trong tương lai, nhóm thực hiện sẽ tìm cách khắc phục điểm hạn chế trên để đề tài hoàn thiện hơn, đồng thời can thiệp cũng như thay đổi một số thuộc tính của xe phù hợp với điều kiện đường xá, môi trường ở Việt Nam, giúp hệ thống TCS hoạt động hiệu quả nhất.
Tài liệu tham khảo
[1] File hướng dẫn (pdf) sử dụng phần mềm carsim: Mechanical Simulation (CarSim
Quick Start Guide).
[2]: Đặng Q. Giáo trình Ơ tơ 1, Tp. HCM.: ĐH Sư phạm Kỹ thuật, 2010.
[3]: https://oto.com.vn/thong-so-ky-thuat/toyota-vios-2019-the- he-moi-vua-mo-ban-tai-viet-nam-articleid-55uwk74
[4]: Konrad Reif Ed, Brakes, Brake Control and Driver Assistance Systems Konrad Reif
Ed. Function, Regulation and Components
[5]: Bentley_Publishers, Bosch_Automotive_Handbook(b-ok.org) [6]: Automatic Control Systems-B.C.Kuo