Hình 3. 17: Đồ thị biểu diễn góc quay bánh xe DH mơ phỏng 𝜃𝐹𝑊 và mong muốn 𝜃𝐹𝑊𝑑
Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn điện áp điều khiển cấp cho động cơ DCM2
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn trợ lực thủy lực 𝐹𝐵
3.3.4 Mô phỏng đổi hướng chuyển động ô tô
Mô phỏng tại các vận tốc: 5 m/s (17,8 km/h), 10 m/s (35,7 km/h), 15 m/s (53,6 km/h):
Hình 3.21 biểu diễn góc quay vành lái 𝜃𝑠𝑤, đây là đầu vào của mơ hình đổi hướng chuyển động của ơ tơ: ở 2(s) bắt đầu đánh lái đến góc 1 (rad) đến giây thứ 4, giữ nguyên đến giây thứ 6 và trả lái về 0 (rad) ở giây thứ 8; Hình 3.22 biểu diễn dịch chuyển thân xe theo phương ngang được mô phỏng ở ba vận tốc 5m/s, 10 m/s, 15 m/s cho thấy khi vận tốc tăng thì dịch chuyển ngang thân xe cũng tăng: với cùng góc đánh lái và thời gian đánh lái dịch chuyển xe theo phương ngang lớn nhất ở giây thứ 8 với vận tốc 5 m/s là 0,9 (m); với vận tốc 10 m/s là 2,2 (m) và 15 m/s là 5,1 (m); Hình 3.23 biểu diễn góc quay thân xe 𝜃𝑉 được mô phỏng ở ba vận tốc 5m/s, 10 m/s, 15 m/s cho thấy khi vận tốc tăng thì góc quay thân xe cũng tăng: với cùng góc đánh lái và thời gian đánh lái góc quay thân xe lớn nhất ở giây thứ 8 với vận tốc 5 m/s là 0,18 (rad); với vận tốc 10 m/s là 0,34 (rad) và 15 m/s là 0,52 (rad); Hình 3.24 biểu diễn mô men cản của hệ thống lái, mô men cản tăng khi vận tốc tăng: ở vận tốc 5 m/s mô men cản lớn nhất là 22 Nm; vận tốc 10 m/s là 32 Nm; vận tốc 15 m/s là 42 Nm.
Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn góc quay vành lái
Hình 3.22: Đồ thị dịch chuyển ngang thân xe
Hình 3.23: Đồ thị góc quay thân xe
Mô phỏng ở vận tốc cực đại Vmax = 30,5 m/s (109 km/h):
Tại vận tốc cực đại Vmax = 30,5 m/s (109 km/h) với đầu vào là góc quay vành lái 𝜃𝑠𝑤 biểu diễn như Hình 3.21; Hình 3.25 biểu diễn dịch chuyển thân xe theo phương ngang lớn nhất ở giây thứ 8 là 33 (m); Hình 3.26 biểu diễn góc quay thân xe lớn nhất ở giây thứ 8 là 1,3 (rad); Hình 3.27 biểu diễn mơ men cản của hệ thống lái lớn nhất là 140 Nm.
Hình 3.25: Đồ thị dịch chuyển ngang thân xe
Hình 3.26: Đồ thị góc quay thân xe
Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn mô men cản hệ thống lái
3.4 Kết luận chương
Trong chương này các kết quả đạt được bao gồm:
- Đã lựa chọn phương pháp điều khiển SMC và nghiên cứu lý thuyết của phương pháp này để ứng dụng trong nội dung luận án.
- Đã xây dựng mơ hình điều khiển cho tồn hệ thống gồm: Mơ hình điều khiển tạo cảm giác lái và mơ hình điều khiển chấp hành dẫn hướng.
- Kết quả mô phỏng:
Sai lêch 𝑒1 giữa góc quay trục ĐC DCM1 mơ phỏng 𝜃𝑚1 và góc quay mong muốn
𝜃𝑚1𝑑 = 𝜃𝑠𝑤. 𝑖𝑚1 𝑒1𝑚𝑎𝑥 = 0.0144 (𝑟𝑎𝑑) sai lệch RMS 𝑒1= 0.0021 (rad) rất nhỏ hay
𝑒1 → 0.
Sai lêch 𝑒2 giữa góc quay đầu ra ĐC DCM2 mơ phỏng 𝜃𝑚2 và góc quay mong muốn 𝜃𝑚2𝑑 𝑒2𝑚𝑎𝑥 = 0.0273 (𝑟𝑎𝑑) sai lệch RMS 𝑒2= 0.0105 (rad) rất nhỏ hay 𝑒2 →
0 (góc quay của trục ra hộp giảm tốc 𝜃𝑚2𝑖
𝑚2 bám theo góc quay vành lái 𝜃𝑠𝑤).
Sai lêch 𝑒3 giữa góc quay bánh xe DH mơ phỏng 𝜃𝐹𝑊 và góc quay bánh xe DH mong muốn 𝜃𝐹𝑊𝑑 𝑒3𝑚𝑎𝑥 = 0.009 (𝑟𝑎𝑑) sai lệch RMS 𝑒3= 0.0053 (rad) rất nhỏ hay
𝑒3 → 0 cho thấy độ chính xác cao của mơ hình.
Điện áp điều khiển lớn nhất = 9,8 (V) phù hợp với điện áp định mức 12 (V). Bộ trợ lực thủy lực đảm nhiệm mô men cản trong hệ thống lái trung bình 401,88 (N), trợ lực 55,89% mơ men cản theo tính tốn lý thuyết.
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Thực nghiệm là một bước trong nghiên cứu khoa học để làm sáng tỏ mơ hình khoa học hay giả thuyết. Có thể nói phương pháp thực nghiệm là chân lý (đúng đắn), nó được dùng làm chuẩn mực để đánh giá sự đúng đắn của phương pháp lý thuyết. Thực tiễn đặt ra nhu cầu nghiên cứu và cuối cùng thực tiễn cũng chính là thước đo để đánh giá vấn đề nghiên cứu.
4.1.1 Mục đích thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được tiến hành qua hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Thực nghiệm trên ô tô HINO 300Series với hệ thống lái trợ lực thủy lực và giai đoạn 2: Thực nghiệm trên ô tô HINO 300Series với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực.
Thực nghiệm trên ô tô HINO 300Series với hệ thống lái trợ lực thủy lực với mục đích: Đo đạc, đánh giá các thơng số (các góc đặt BXDH, góc quay bánh xe dẫn hướng, các thơng số kích thước xe, thơng số lốp xe…) và xác định tỉ số truyền góc của hệ thống lái.
Thực nghiệm trên ô tô HINO 300Series với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được tiến hành trong 03 trường hợp: Trạng thái tĩnh; vận hành trên đường giao thông; thực nghiệm quỹ đạo chuyển động (trên sa bàn) và quay vịng với bán kính quay vịng nhỏ nhất. Việc thực hiện các trường hợp này nhằm các mục đích sau đây: - Thực nghiệm ở trạng thái tĩnh; vận hành trên đường giao thông nhằm đánh giá sự hoạt động chính xác, tin cậy của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được thiết kế trên xe HINO 300Series. Để khẳng định hệ thống hoạt động chính xác, tin cậy thì góc quay của động cơ DCM2 (𝜃𝑚2
𝑖𝑚2) phải bám theo góc quay vành lái (𝜃𝑠𝑤), điều này được thể hiện khi sai lệch 𝑒4 → 0.
- Thực nghiệm quỹ đạo chuyển động (trên sa bàn) và quay vịng với bán kính quay vịng nhỏ nhất (đánh lái đến điểm giới hạn về một bên), việc thực nghiệm được tiến hành nhiều vòng liên tục (3÷5 vịng) trong cùng điều kiện như: người lái, đường thử, góc đánh lái, tốc độ, tọa độ GPS…nhằm đánh giá sự hoạt động liên tục, ổn định của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được thiết kế trên xe HINO 300Series. Điều
này được thể hiện thơng qua hình dạng của các đường biểu diễn quỹ đạo trên đồ thị: Các đường quỹ đạo phù hợp về hình dạng, đều (khơng bị gãy, gấp khúc), đường quỹ đạo liên tục (không bị đứt, hở) và có sự trùng khít tương đối giữa các đường quỹ đạo. - Cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình lý thuyết để kiểm nghiệm, đánh giá sự tin cậy, chính xác của mơ hình lý thuyết nghiên cứu đối với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực. Điều này được thể hiện khi kết quả đầu ra của mơ hình lý thuyết và kết quả thực nghiệm có sai lệch nhỏ 𝑒5 → 0.
4.1.2 Phương pháp thực nghiệm
Một số phương pháp thực nghiệm hiện nay như:
- Thực nghiệm gián tiếp trên mơ hình đồng dạng: Trong nhiều trường hợp, không thể tiến hành thí nghiệm trực tiếp trên ơ tơ thực do chi phí cho thí nghiệm quá lớn, hoặc do tính chất nguy hiểm của thí nghiệm (ví dụ thí nghiệm va chạm, thí nghiệm lật…), hoặc vì một lý do nào đó người ta khơng thể tiến hành thí nghiệm trên đối tượng thực, thì thí nghiệm trên mơ hình là một giải pháp thích hợp.
- Thực nghiệm gián tiếp trên mơ hình tốn học: Thí nghiệm gián tiếp trên mơ hình tốn học là phương pháp nghiên cứu mà ơ tơ thực và các thơng số của nó được thay bằng các mơ hình tốn học, việc thí nghiệm thực hiện hồn tồn trên máy tính với sự tham gia của các phần mềm tính tốn, mơ phỏng. Hiện nay có nhiều phần mềm có thể sử dụng để tính tốn mơ phỏng các quá trình làm việc của các hệ thống hoặc tồn bộ ơ tơ như: Matlab/Simulink, Catia, ANSYS Workbench… hoặc các phần mềm chuyên dùng cho thí nghiệm ô tô.
- Thực nghiệm trực tiếp trên ô tơ thực: Việc thí nghiệm được thực hiện trực tiếp trên ơ tơ thực. Có thể tiến hành làm thí nghiệm ơ tơ trên đường, thí nghiệm ơ tơ trong phịng thí nghiệm hoặc trên các băng thử chuyên dùng. Việc thí nghiệm trên ơ tơ thực địi hỏi các điều kiện về phương tiện, thiết bị thí nghiệm, người lái, thời gian, địa điểm làm thí nghiệm, các vấn đềđảm bảo an toàn…
Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng hai phương pháp:
- Thực nghiệm gián tiếp trên mơ hình tốn học: Tiến hành xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực, mơ phỏng các q trình hoạt động của hệ thống bằng phần mềm Matlab/Simulink (được thực hiện trong chương 2, 3).
- Thực nghiệm trực tiếp trên ô tô thực (được thực hiện trong chương 4): Việc thực nghiệm được thực hiện trực tiếp trên ô tô HINO 300Series ở các chế độ tĩnh, hoạt động trên đường giao thơng nội bộ, quay vịng với bán kính quay vịng nhỏ nhất.
4.2 Nghiên cứu thực nghiệm trên ô tô với hệ thống lái trợ lực thủy lực
Mục đích của thực nghiệm trên ơ tơ HINO 300Series với hệ thống lái trợ lực thủy lực là đo đạc, đánh giá các thơng số (các góc đặt BXDH, góc quay bánh xe dẫn hướng, các thơng số kích thước xe, thơng số lốp xe…) và xác định tỉ số truyền góc trung bình của hệ thống lái.
4.2.1 Các bước chuẩn bị thực nghiệm
Xe thí nghiệm: Nhóm nghiên cứu và Xe HINO 300Series như Hình 4.1.
Hình 4.1: Nhóm nghiên cứu và xe thí nghiệm HINO 300Series
Chiếc xe để thực nghiệm là xe tải cỡ nhỏ có nhãn hiệu HINO 300Series như Hình 4.2, thuộc quản lý của Bộ mơn Cơ khí ơ tơ - Trường ĐH Giao thơng vận tải.
Hình 4.2: Xe ơ tơ tải HINO 300Series
Xe ô tô tải HINO 300Series được chọn để nghiên cứu thực nghiệm bởi các lý do sau:
- Chiếc xe có hệ thống lái được trang bị hệ thống trợ lực thủy lực phù hợp với hướng nghiên cứu;
- Đây là chiếc xe mới 100% của nhà sản xuất do đó các thơng số đo đạc, tính tốn đảm bảo chính xác, các đặc tính của hệ thống lái đảm bảo độ tin cậy cao;
- Không phải thay đổi cấu trúc của xe nhiều và thuận lợi cho việc lắp đặt thiết bị thí nghiệm;
- Cuối cùng là phù hợp với mục đích sử dụng xe trong việc nghiên cứu, đào tạo. Các thông số kỹ thuật của xe ô tô HINO 300Series và hệ thống lái được trình bày trong bảng 4.1 (tài liệu kỹ thuật của xe xem chi tiết trong Phụ lục 1).
Bảng 4.1: Các thông số kỹ thuật của xe HINO 300Series
STT Tên thông số Giá trị
1 Kích thước: Dài x Rộng x Cao (mm) (OL x OW x OH)
4710 x 1850 x 2100
2 Chiều dài cơ sở (WB) (mm) 2525
3 Vết bánh xe trước (FT) (mm) 1400
5 Trọng lượng bản thân (kg) 2245 6 Trọng lượng tác dụng lên cầu trước (kg) 1420 7 Trọng lượng tác dụng lên cầu sau (kg) 825
8 Tỉ số truyền cơ cấu lái 20,9
9 Bán kính quay vịng nhỏ nhất (m) 9,6
10 Lốp xe trước/sau 7.00R-16
(185/85R16)
11 Nguồn điện ắc quy 12Vx60AH
55D23L x 2
12 Tốc độ lớn nhất (km/h) 113
Thiết bị, dụng cụ thực nghiệm:
- Thiết bị đo các góc đặt bánh xe dẫn hướng:
Hình 4.3: Thiết bị đo góc đặt bánh xe dẫn hướng
- Thiết bịđo góc quay bánh xe dẫn hướng:
- Dụng cụ đo độ dơ vành lái:
Hình 4.5: Dụng cụđo độdơ vành lái
Hình 4.6: Lắp đặt các dụng cụđo lên ơ tơ
4.2.2 Phương pháp thực hiện
- Tiến hành thí nghiệm hệ thống lái trợ lực thủy lực: Đo góc vành lái θ, góc quay bánh xe dẫn hướng α, β.
- Thực hiện đánh lái lần lượt mỗi góc 90 độ cho đến khi hết lái về hai bên, đọc các giá trị góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải.
- Thực nghiệm được lặp lại 04 lần để lấy kết quả trung bình.
4.2.3 Kết quả thực nghiệm
- Trường hợp đánh lái sang phải
Bảng 4.2: Thông sốđo đạc khi đánh lái sang phải STT STT Góc quay vành lái (độ) Lực đánh lái (Nm) Góc quay bánh xe phía trong β (độ) Góc quay bánh xe phía ngồi α (độ) lần 1 lần 2 lần 3 lần 4 lần 1 lần 2 lần 3 lần 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 90 2.4 4 3 3 3.5 3 3 3 3.5 3 180 2.3 8 7.5 8 7.5 6.5 6.5 7 7 4 270 1.7 12 11.5 11.5 12 10 10 10 10.5 5 360 2.4 16 16 16 16 14 14 14 14 6 450 3 20 20 20 20 17 16.5 17 17 7 540 2.6 24.5 24.5 24.5 24.5 20 20 20 20 8 630 2.8 29 29 29 29 23 23 23 23 9 720 2.8 33.5 33.5 33 34 26 26 25 26 10 740 3 35 35 35 35 27 27 26.5 26.5 Quan hệ giữa góc quay vành tay lái và góc quay bánh xe dẫn hướng được biểu diễn như Hình 4.7:
Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ góc quay VL và góc quay BXDH khi đánh lái bên phải
- Đánh lái sang trái
Tiến hành quay vành tay lái mỗi góc 90o, ta được các giá trị như bảng 4.3: 0 10 20 30 40 0 0 90 180 270 360 450 540 630 720 740 Gó c q ua y bá nh xe DH (đ ộ) Góc quay vành lái (độ) bánh trong bánh ngồi
Bảng 4.3: Thông sốđo đạc khi đánh lái sang tráiSTT STT Góc quay vành lái (độ) Lực đánh lái (Nm) Góc quay bánh xe phía ngồi α (độ) Góc quay bánh xe phía trong β (độ) lần 1 lần 2 lần 3 lần 4 lần 1 lần 2 lần 3 lần 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 90 2.6 3 3 3 3 3.5 3.5 3.5 3.5 3 180 2.1 7 7 6.5 7 6.5 7.5 7.5 7.5 4 270 2.4 10.5 10.5 10.5 10.5 11.5 12 11 11.5 5 360 2.5 14 14 14 14 16 16 16 16 6 450 3 17.5 17.5 17.5 17.5 21 21 21 21 7 540 2.8 21 21 21 21 25.5 26 26 26 8 630 3 24 24 24 24 30.5 31 30.5 30.5 9 660 3 25 25 25 25 33.5 33 33 33
Hình 4.8 biều diễn quan hệ giữa góc quay vành tay lái và góc quay bánh xe dẫn hướng:
Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn mối quan hệgóc quay VL và góc quay BXDH khi đánh lái bên trái
Hình 4.9 biễu diễn quan hệ giữa góc , và góc thực nghiệm: - 10 20 30 40 0 3 90 180 270 360 450 540 630 660 Gó c q ua y BX DH (đ ộ) Góc quay vành lái (độ) bánh trong bánh ngồi
Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa góc , và góc thực tế
Hình 4.10 biểu diễn quan hệ góc , và góc theo cơng thức lý thuyết và thực nghiệm:
Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa góc , và góc theo lý thuyết và thực tế
Trên đồ thị cho thấy sai số lớn nhất giữa đường biểu diễn góc quay bánh xe dẫn hướng lý thuyết và thực nghiệm là 0,74 (độ) < 1 (độ) đảm bảo yêu cầu [9].
Tỉ số truyền góc của hệ thống lái:
Từ các giá trị trong Bảng 4.2 và Bảng 4.3, tính tỉ số truyền trung bình của hệ thống lái theo công thức sau:
2. vl 24.7 htl i
Tỉ số truyền trung bình của hệ thống lái = 24,7.
4.3 Chuyển đổi hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực
Mặc dù một số công ty ô tô đã nghiên cứu phát triển hệ thống lái SBW, tuy nhiên ứng dụng thực tế trên các xe là rất ít. Các nghiên cứu học thuật đối với hệ thống lái SBW đã tương đối đầy đủ về lý thuyết và được thực hiện trong mô phỏng mà chưa ứng dụng trên các xe thực tế, nguyên nhân chủ yếu là do chi phí của việc mua một chiếc xe và phức tạp về pháp lý khi chuyển đổi sang hệ thống lái SBW [48]–[52]. Với
0 5 10 15 20 25 30 G óc q u ay (đ ộ) Góc quay (độ) 0 5 10 15 20 25 30 0 3.375 7.75 11.75 16 20 24.5 29 33.5 35 G ó c q u ay (độ ) Góc quay (độ) thực tế lý thuyết
mong muốn của tác giả khi nghiên cứu hệ thống SBW là phát triển một hệ thống lái