Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí động lực của tác giả Trần Văn Thoan, thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (năm 2018) dưới sự hướng dẫn của PGS. Hồ Hữu Hải và PGS. Đàm Hoàng Phúc, mang tên: "Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động", mã số chuyên ngành: 9520116.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Tại Việt Nam, ngành công nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô đang phát triển, song phần lớn xe tải hoạt động trong điều kiện đường sá phức tạp như đường nông thôn, đường lâm nghiệp, công trường xây dựng với nền đất bùn hoặc đá cấp phối. Khi di chuyển trên các cung đường xấu, trơn trượt có hệ số bám thấp, ô tô tải rất dễ xảy ra hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động. Hiện tượng này làm suy giảm tính năng động lực học, giảm khả năng ổn định hướng chuyển động, gây tổn hao nhiên liệu, tăng độ hao mòn lốp và suy giảm khả năng điều khiển của người lái.

Trên thế giới, các hệ thống điều khiển lực kéo hay kiểm soát trượt quay (Traction Control System - TCS / Anti-Spin Regulation - ASR) đã được trang bị phổ biến trên các dòng ô tô thương mại. Tuy nhiên, giá thành của các hệ thống này cao và các tài liệu công nghệ của các hãng sản xuất bị hạn chế do yêu cầu bảo mật bản quyền. Trong khi đó, phần lớn ô tô tải đang lưu hành và sản xuất lắp ráp tại Việt Nam sử dụng động cơ diesel trang bị bơm cao áp cơ khí không có điều khiển điện tử và chưa có hệ thống hạn chế trượt quay. Các công trình khoa học trong nước trước đây chỉ tập trung vào hệ thống chống trượt lết bánh xe khi phanh (ABS), chưa có công trình nghiên cứu sâu về kiểm soát hiện tượng trượt quay khi tăng tốc hoặc khởi hành cho ô tô tải sử dụng bơm cao áp cơ khí.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển mức tải động cơ nhằm hạn chế độ trượt quay của bánh xe chủ động trên ô tô tải nhỏ sản xuất lắp ráp tại Việt Nam khi di chuyển trên đường có hệ số bám thấp.

Luận án xác định ba mục tiêu cụ thể:

  1. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô tải nhỏ trang bị động cơ diesel có xét đến đặc tính làm việc của bơm cao áp và bộ điều tốc.
  2. Lựa chọn thuật toán điều khiển và xác định các tham số điều khiển phù hợp, đồng thời xác định vùng làm việc hiệu quả của bộ điều khiển theo điều kiện mặt đường.
  3. Thiết kế, chế tạo mẫu thử nghiệm bộ điều khiển điện tử và cơ cấu chấp hành, tiến hành thực nghiệm đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống trên xe thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Ô tô tải nhỏ tải trọng 2,98 tấn, công thức bánh xe 4x2, sử dụng động cơ diesel trang bị bơm cao áp cơ khí dạng dãy.
  • Phạm vi nghiên cứu: Luận án giới hạn nghiên cứu giải pháp điều khiển giảm công suất động cơ thông qua việc thay đổi mức tải động cơ nhằm hạn chế hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động. Điều kiện khảo sát là ô tô chuyển động thẳng trên mặt đường xấu, trơn trượt và đồng nhất khi khởi hành; bỏ qua quá trình quay vòng, không xét đến vi sai, hệ thống treo và dao động xoắn của hệ thống truyền lực.
Thông số kỹ thuật của xe đối tượng Giá trị Đơn vị
Tải trọng danh nghĩa 29.800 N
Tự trọng xe 45.100 N
Tổng trọng lượng xe 76.850 N
Chiều cao trọng tâm ($h_g$) 980 mm
Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước ($a_3$) 2,2 m
Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau ($b_3$) 1,2 m
Công suất cực đại / số vòng quay ($N_{max}/n_N$) 81 / 3000 kW / (v/p)
Mô men xoắn cực đại / số vòng quay ($M_{max}/n_M$) 320 / 2000 Nm / (v/p)
Tỉ số truyền tay số 1, 2, 3, 4, 5, R 7,31; 4,31; 2,45; 1,54; 1,00; 7,66 -
Tỉ số truyền lực chính ($i_0$) 6,57 -
Ký hiệu kích thước lốp 8.25-16 -

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Tác giả đã điểm lại hệ thống các công trình nghiên cứu quốc tế liên quan đến kiểm soát lực kéo và hạn chế trượt quay:

  • Phương pháp cơ học thay đổi độ bám: Michael H. Quinn và Paul H. Quinn (1989) sử dụng thùng chứa bột đá cẩm thạch gần bánh xe, đóng mở nắp qua van điện từ để rải bột đá lên mặt đường khi phát hiện trượt. Phương pháp này khó bố trí thực tế và không kiểm soát linh hoạt lực bám từng bánh.
  • Phương pháp can thiệp bướm ga và phanh trên động cơ xăng: Renpei Matsumoto (1990) tích hợp cảm biến vận tốc xe, góc lái, gia tốc để điều khiển mô tơ bướm ga và cơ cấu phanh đĩa thủy lực 4 bánh; Toru Ikeda và cs (1998) điều khiển mô tơ bướm ga dựa trên sai lệch vận tốc góc các bánh xe; Tomohiro Fukumura và cs (1998) bố trí thêm bướm ga phụ trên đường nạp; Dong-Chul Shin (2002) điều khiển trượt thông qua cụm dẫn động bướm ga chính MTA ở xe có chân ga điện tử.
  • Phương pháp can thiệp góc đánh lửa, khí xả và đường nạp: Tetsuhiro Yamashita và cs công bố các giải pháp điều khiển góc đánh lửa và nhiên liệu khi quay vòng (1996), điều khiển tăng nhiệt độ khí xả qua bộ xúc tác để buộc ECU giảm nhiên liệu (1997), tác động góc đánh lửa kết hợp thay đổi độ dài đường nạp (2000).
  • Phương pháp can thiệp hệ thống nhiên liệu và hộp số: Hirofumi Michioka và Toshiya Mori (2004) can thiệp ngắt nhiên liệu vòi phun kết hợp điều khiển hộp số tự động; Davor Hrovat và cs (2010) kết hợp phun nhiên liệu, góc đánh lửa và mở bướm ga; Davor Hrovat và cs (2007) đề xuất thay đổi ngưỡng trượt cho phép theo nhiệt độ môi trường.
  • Phương pháp điều khiển mô men và thuật toán: Nathan Ewin (2011) đề xuất bộ điều khiển ước lượng mô men cực đại MTTE; Jan Erik Stellet và cs (2012) dùng thuật toán điều khiển trượt SMC; Jaewon Nah, Kyongsu Yi, Wongun Kim và Yeogiel Yoon (2013) áp dụng bộ điều khiển PID cho xe 6 bánh; Kanghyun Nam, Yoichi Hori, Choonyoung Lee (2015) nghiên cứu luật điều khiển mô men độc lập trên ô tô điện; Kazushi Hosomi và cs thuộc hãng Toyota (2000) kết hợp công suất động cơ, phanh và khóa vi sai; Giorgio Previati, Massimiliano Gobbi và Giampiero Mastinu (2006) thực nghiệm đo lực kéo 2 xe kéo nhau trên đường băng tuyết qua cảm biến lực load cell; Ivan Dunđerski (2014) điều khiển công suất động cơ đốt trong để sang số êm dịu nhưng chưa tính biến dạng đàn hồi của lốp.
  • Hệ thống thương mại cho ô tô tải: Hãng WABCO phát triển hệ thống tác động vào dây ga và thanh răng bơm cao áp bằng xi lanh khí nén có điều khiển, hoặc cụm van điều khiển phanh độc lập.

Tình hình nghiên cứu trong nước và khoảng trống nghiên cứu

Tại Việt Nam, các công bố khoa học trước năm 2018 tập trung chủ yếu vào hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe (ABS) nhằm hạn chế trượt lết. Chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện việc thiết kế, chế tạo bộ điều khiển can thiệp vào mức tải động cơ diesel dùng bơm cao áp cơ khí không có ECU để chống trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách thiết lập mô hình mô phỏng động lực học có tính đến đặc tính thực nghiệm của bơm cao áp và bộ điều tốc ly tâm, từ đó chế tạo mẫu phần cứng điều khiển cơ điện tử thích nghi với điều kiện sản xuất trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán

Hiện tượng trượt quay xuất hiện do sự biến dạng tiếp tuyến của lốp ngược chiều quay bánh xe và biến dạng mặt đường ngược chiều chuyển động ô tô, làm suy giảm vận tốc thực tế của xe. Độ trượt quay $\lambda$ của bánh xe chủ động được tính toán theo quan hệ:

$$\lambda = \frac{v_l - v_x}{v_l} = \frac{\omega_s \cdot r_d - v_x}{\omega_s \cdot r_d}$$

Trong đó $v_l$ là vận tốc tiếp tuyến bánh xe chủ động, $v_x$ là vận tốc chuyển động thẳng của ô tô, $\omega_s$ là vận tốc góc bánh xe chủ động, $r_d$ là bán kính lăn động lực học.

Cơ sở lý thuyết chỉ ra rằng hệ số bám dọc $\varphi_x$ đạt giá trị cực đại khi độ trượt $\lambda$ nằm trong khoảng $10% - 30%$, đồng thời hệ số bám ngang $\varphi_y$ vẫn duy trì ở mức cao. Khi $\lambda > 30%$, cả hệ số bám dọc và ngang đều suy giảm nhanh. Do đó, mục tiêu của hệ thống là can thiệp mô men chủ động để giữ độ trượt trong vùng tối ưu này.

Luận án xây dựng mô hình toán học tích hợp gồm:

  • Đặc tính ngoài động cơ: Tính theo công thức kinh nghiệm Lây Đécman đối với động cơ diesel 4 kỳ buồng cháy xoáy lốc:

$$N_e = N_{max} \left[ a_2 \frac{n_e}{n_N} + b_2 \left( \frac{n_e}{n_N} \right)^2 - c_2 \left( \frac{n_e}{n_N} \right)^3 \right]$$

Với các hệ số thực nghiệm: $a_2 = 0,7$; $b_2 = 1,3$; $c_2 = 1$. Mô men ngoài tính từ công suất qua công thức $M_e = \frac{10^4 \cdot N_e}{\pi \cdot n_e}$.

  • Mô men động cơ thực tế: Được xác lập thông qua tỉ lệ lượng phun nhiên liệu cục bộ $Q_b(n_{bca})$ và lượng phun cực đại $Q_{b max}(n_{bca})$ của bơm cao áp:

$$M_e = M_e^* \cdot \frac{Q_b(n_{bca})}{Q_{b max}(n_{bca})}$$

  • Đặc tính động học bộ điều tốc cơ khí ly tâm: Được mô hình hóa bằng khâu quán tính bậc nhất:

$$W(s) = \frac{1}{a_1 s + b_1}$$

  • Hệ thống truyền lực: Mô men truyền tới bánh xe chủ động là $M_x = \frac{M_e \cdot i_{tl} \cdot k_{LH}}{2}$, trong đó $i_{tl} = i_c \cdot i_h \cdot i_0$, bỏ qua tổn thất ma sát và vi sai; hệ số đóng ly hợp $k_{LH}$ tăng tuyến tính từ 0 đến 1 trong 0,5 giây đầu khởi hành.
  • Động lực học bánh xe và thân xe: Phản lực dọc mặt đường $F_{xs} = F_{zs} \cdot \varphi_x(\lambda)$ được tra từ bảng dữ liệu thực nghiệm nội suy tuyến tính. Chuyển động dọc của xe khi khởi hành ở vận tốc thấp (bỏ qua lực cản không khí $F_{wx} = 0$) tuân theo:

$$m \cdot \dot{v}x = F{xs} - F_{xt}$$

Phản lực pháp tuyến phân bố lên cầu trước và cầu sau có tính đến gia tốc xe $\dot{v}_x$:

$$F_{zt} = \frac{m \cdot g \cdot b_3 - m \cdot \dot{v}x \cdot h_g}{L}; \quad F{zs} = \frac{m \cdot g \cdot a_3 + m \cdot \dot{v}_x \cdot h_g}{L}$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp phương pháp mô phỏng lý thuyết và phương pháp thực nghiệm:

  • Phương pháp mô phỏng: Thực hiện trên môi trường Matlab-Simulink để khảo sát các chế độ khởi hành với các mức tải $P_{in}$ từ $10%$ đến $100%$ trên các bề mặt đường có hệ số bám $\varphi = 0,25 \div 0,55$. Ứng dụng công cụ System Identification Parameters để nhận dạng hàm truyền của bộ điều tốc.
  • Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm: Sử dụng băng thử bơm cao áp chuyên dụng NT 3000 tại Học viện Kỹ thuật Quân sự kết hợp thiết bị đo ghi đa kênh DEWE 2600 và cảm biến Hall AH49E để đo độ dịch chuyển thanh răng theo vận tốc góc bơm cao áp, từ đó xác định các thông số trễ động học $a_1, b_1$.
  • Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Lắp đặt hệ thống điều khiển tự chế tạo trên ô tô tải 2,98 tấn, thử nghiệm tại bãi thử với hai trạng thái mặt đường: nền xưởng bôi mỡ và đường bê tông phủ bùn sét.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 phân tích cơ sở động lực học tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, làm rõ quy luật biến thiên của hệ số bám dọc $\varphi_x$ và hệ số bám ngang $\varphi_y$ theo độ trượt $\lambda$. Nội dung chương hệ thống hóa các sáng chế và công trình quốc tế theo ba nhóm giải pháp: can thiệp hệ thống phanh, can thiệp công suất động cơ, và can thiệp kết hợp cả hai. Từ điều kiện thực tế tại Việt Nam, tác giả xác định đối tượng nghiên cứu là ô tô tải 2,98 tấn dẫn động cầu sau ($4\times2$), trang bị động cơ diesel có bơm cao áp cơ khí dạng dãy. Luận án lựa chọn phương án điều khiển mức tải động cơ thông qua vị trí thanh răng bơm cao áp khi xe chuyển động thẳng trên đường xấu trơn trượt có hệ số bám đồng nhất.

Chương 2: Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình toán học và mô phỏng số trên Matlab-Simulink. Điểm mấu chốt là xác định chính xác mô men xoắn động cơ đốt trong mà không cần tháo rời động cơ lên bệ thử công suất, thông qua việc thử nghiệm bơm cao áp trên băng thử NT 3000 (thông số kỹ thuật: động cơ chính 3 pha 15 kW, dải tốc độ quay 0 - 4000 v/p, nguồn điện 380V/220V).

Từ các dữ liệu thực nghiệm đo ghi bằng hệ thống DEWE 2600 tại các mức tải ga 60%, 80%, 100%, đồ thị dịch chuyển thanh răng cho thấy rõ thời gian trễ $\Delta t$ giữa thay đổi tốc độ góc và hành trình thanh răng. Ứng dụng công cụ System Identification Parameters của Matlab, tác giả xác định được thông số hàm truyền bộ điều tốc bơm cao áp là $a_1 = 0,2$ và $b_1 = 1$. Đặc tính ngoài của động cơ được tính từ công thức Lây Đécman với công suất cực đại 81 kW tại 3000 v/p và mô men cực đại 320 Nm tại 2000 v/p.

Mô phỏng khảo sát chuyển động khởi hành ở tay số 1 ($i_h = 7,31$) khi chưa có bộ điều khiển trên các bề mặt đường có hệ số bám $\varphi = 0,25 \div 0,55$ và mức tải động cơ $P_{in} = 10% \div 100%$ cho thấy: ở mức tải lớn trên đường có hệ số bám thấp ($\varphi = 0,3$), bánh xe chủ động bị trượt quay dữ dội ($\lambda > 30%$) kéo dài trong phần lớn thời gian khởi hành, gia tốc ô tô suy giảm và vận tốc tăng rất chậm.

Mức tải động cơ ($P_{in}$) Hệ số bám mặt đường ($\varphi$) Gia tốc cực đại $a_{max}$ ($\text{m/s}^2$) Độ trượt tại $a_{max}$ ($\lambda_{amax}$)
40% 0,30 1,42 18,5%
70% 0,30 1,51 24,6%
100% 0,30 1,56 68,2%
40% 0,45 2,15 16,8%
70% 0,45 2,34 21,2%
100% 0,45 2,42 31,5%

Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển và mô phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển

Chương 3 đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển mức tải động cơ. Tín hiệu đầu vào gồm vận tốc góc bánh xe chủ động $\omega_s$ và bánh xe bị động $\omega_t$ (đại diện cho vận tốc ô tô $v_x$). Bộ điều khiển tính toán độ trượt thực tế $\lambda_{tt}$, so sánh với độ trượt mong muốn $\lambda_w$ (được đặt trong vùng bám cực đại $15% - 20%$) để tạo sai lệch đưa vào bộ điều khiển PID. Tín hiệu đầu ra là mức điều chỉnh vị trí bàn đạp ga $P_{dk}$, can thiệp làm giảm lượng cấp nhiên liệu của bơm cao áp độc lập với thao tác chân ga của người lái.

Mô phỏng khảo sát các phương án:

  • Phương án PA3: Khởi hành ở tay số 1, xe đầy tải trên đường có hệ số bám $\varphi = 0,3; 0,35; 0,4$ với mức ga người lái thiết lập 80%. Khi có bộ điều khiển PID, độ trượt bánh xe nhanh chóng được kéo giảm từ vùng nguy hiểm ($>60%$) về duy trì ổn định xung quanh $20%$, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trượt quay kéo dài, giúp ô tô rút ngắn thời gian đạt vận tốc $v = 1\text{ m/s}$ và $v = 3\text{ m/s}$.
  • Phương án PA4: Khởi hành ở tay số 2, xe không tải, kết quả cho thấy bộ điều khiển tiếp tục duy trì độ trượt trong vùng tối ưu.
  • Phương án PA5 và PA6: Khảo sát vùng làm việc hiệu quả của bộ điều khiển theo hệ số bám $\varphi$ và hệ số cản lăn $f$. Luận án chỉ ra rằng hệ thống phát huy hiệu quả rõ rệt nhất trên đường có hệ số bám thấp ($\varphi \le 0,4$) và lực cản lăn nhỏ đến trung bình. Khi hệ số bám cao ($\varphi \ge 0,6$), mô men bám của đường đủ lớn nên hiện tượng trượt quay không xuất hiện, bộ điều khiển không cần can thiệp.

Chương 4: Thiết kế chế tạo và thực nghiệm hệ thống

Chương 4 trình bày quá trình chế tạo phần cứng và thử nghiệm thực tế:

  • Cảm biến vận tốc góc: Sử dụng cảm biến tiệm cận Autonics PRT08-1 kết hợp vành răng chế tạo riêng gắn đồng trục với moay-ơ bánh xe (cả cầu trước bị động và cầu sau chủ động) để phát xung tần số về bộ xử lý.
  • Cơ cấu chấp hành: Sử dụng động cơ bước hai pha YH42BYGH47 kết hợp bộ truyền vít me - đai ốc, thanh ray và con trượt cơ khí, điều khiển thông qua mô đun công suất TB6600-4A. Cơ cấu này nối trung gian vào dây kéo ga từ bàn đạp tới thanh răng bơm cao áp, cho phép tự động kéo giảm hành trình ga khi nhận lệnh từ ECU.
  • Bộ điều khiển điện tử (ECU): Tự thiết kế và gia công mạch in, sử dụng vi điều khiển để tiếp nhận xung cảm biến, thuật toán PID tính toán thời gian thực và xuất xung điều khiển động cơ bước.
  • Kết quả thực nghiệm: Tiến hành thử nghiệm trên ô tô tải 2,98 tấn với hai điều kiện mặt đường:
    1. Nền xưởng công nghiệp bôi mỡ: Khi không có điều khiển, người lái đạp ga làm bánh xe chủ động quay tít tại chỗ, độ trượt đạt xấp xỉ $100%$, xe gần như không di chuyển. Khi kích hoạt bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành tự động giảm mức ga thực tế dù người lái vẫn giữ nguyên bàn đạp ga, đưa độ trượt bánh xe về giới hạn dưới $30%$, xe bắt đầu chuyển động về phía trước.
    2. Đường bê tông cứng có bùn sét: Khi có bộ điều khiển, hiện tượng trượt xoay giật cục bị triệt tiêu, thời gian bánh xe bị trượt lớn giảm rõ rệt, cải thiện khả năng tăng tốc của xe.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

Luận án đã công bố 4 đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật:

  1. Xây dựng thành công mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô tải có xét đến đặc tính động cơ đốt trong sử dụng bơm cao áp dãy, thông qua việc kết hợp thực nghiệm đặc tính bơm cao áp với công thức kinh nghiệm Lây Đécman và mô hình động học bậc nhất của bộ điều tốc.
  2. Xác định thuật toán điều khiển PID và các tham số điều khiển phù hợp cho hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động bằng phương pháp điều khiển công suất/mức tải động cơ.
  3. Đưa ra các kết quả mô phỏng lý thuyết làm rõ quy luật động lực học của quá trình trượt quay và xác định được vùng làm việc có hiệu quả của hệ thống điều khiển trên các loại đường có hệ số bám và hệ số cản lăn khác nhau.
  4. Thiết kế, chế tạo thành công mẫu thử nghiệm đầu tiên của bộ điều khiển điện tử và cụm cơ cấu chấp hành dẫn động cơ điện can thiệp dây ga; tiến hành lắp đặt và thử nghiệm kiểm chứng thành công trên ô tô tải thực tế tải trọng 2,98 tấn.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất ứng dụng kết cấu cơ cấu chấp hành động cơ bước điều khiển dây ga vào các dòng xe tải diesel đang lưu hành tại Việt Nam nhằm cải thiện tính năng an toàn với chi phí thấp.
  • Đề xuất tích hợp thêm cơ cấu chấp hành can thiệp vào hệ thống phanh để kiểm soát độc lập từng bánh xe khi đi vào đường có hệ số bám hai bên không đều.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của công trình

  • Mô hình mô phỏng và thực nghiệm chỉ giới hạn ở chuyển động thẳng trên mặt đường có hệ số bám đồng nhất hai bên bánh xe; chưa xét đến quá trình quay vòng, hiện tượng trượt ngang và sự làm việc của bộ vi sai.
  • Chưa tính đến ảnh hưởng của hệ thống treo, dao động xoắn của hệ thống truyền lực và quá trình đóng ly hợp phi tuyến phức tạp trong thực tế.
  • Cơ cấu chấp hành cơ điện sử dụng động cơ bước và bộ truyền trục vít kéo dây ga có độ trễ cơ học nhất định, chưa đạt tốc độ đáp ứng nhanh như các hệ thống van điều khiển điện tử trên động cơ Common Rail hiện đại.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo

  • Mở rộng thuật toán điều khiển cho trường hợp ô tô chuyển động quay vòng và ô tô di chuyển trên đường có hệ số bám khác nhau ở hai vệt bánh xe (đường $\mu$-split).
  • Nghiên cứu kết hợp điều khiển đồng thời giữa việc giảm công suất động cơ và tạo mô men phanh chủ động tại từng bánh xe để nâng cao tính ổn định hướng chuyển động.
  • Nâng cấp cơ cấu chấp hành sang dạng tác động trực tiếp vào thanh răng bơm cao áp hoặc ứng dụng trên động cơ diesel có hệ thống phun nhiên liệu điện tử.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp nhận dạng đặc tính động cơ diesel thông qua băng thử bơm cao áp và cách thiết lập mô hình mô phỏng động lực học dọc trên Matlab-Simulink.
  • Giảng viên và các viện nghiên cứu chuyên ngành: Cung cấp tài liệu giảng dạy thực tế cho các môn học Động lực học ô tô, Hệ thống điều khiển điện tử trên ô tô, và các chuyên đề về an toàn chủ động.
  • Kỹ sư tại các nhà máy sản xuất, lắp ráp ô tô trong nước: Cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính khả thi cao về việc thiết kế, chế tạo các module điều khiển điện tử can thiệp cơ khí, giúp nâng cấp tính năng an toàn cho các dòng xe tải giá rẻ mà không làm thay đổi kết cấu cơ bản của động cơ.

Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật

  • Quy trình thực nghiệm xác định đặc tính động học bộ điều tốc cơ khí ly tâm trên băng thử NT 3000 kết hợp thiết bị DEWE 2600 (Mục 2.1.3).
  • Phương pháp phối hợp giữa đặc tính ngoài Lây Đécman và ma trận dữ liệu thực nghiệm bơm cao áp để mô phỏng mô men động cơ (Mục 2.1.1 và 2.1.4).
  • Bản vẽ thiết kế, sơ đồ nguyên lý mạch in ECU và kết cấu cơ cấu chấp hành động cơ bước điều khiển dây ga (Mục 4.1).

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án lựa chọn giải pháp nào trong số các phương pháp hạn chế trượt quay bánh xe chủ động?

Trong ba giải pháp phổ biến trên thế giới (điều khiển hệ thống phanh, điều khiển giảm công suất động cơ, và kết hợp cả hai), luận án chọn nghiên cứu giải pháp điều khiển giảm công suất động cơ thông qua việc thay đổi mức tải động cơ. Cụ thể, hệ thống can thiệp tự động vào vị trí dây ga/thanh răng bơm cao áp để giảm lượng nhiên liệu cấp vào xilanh khi phát hiện bánh xe chủ động bị trượt quay vượt ngưỡng cho phép.

2. Vì sao tác giả không đo đặc tính ngoài trực tiếp trên toàn bộ động cơ mà chọn đo qua bơm cao áp?

Việc thực nghiệm đo trực tiếp trên động cơ đòi hỏi bệ thử công suất chuyên dụng cỡ lớn, phải tháo động cơ ra khỏi xe tải để lắp lên bệ thử, quy trình phức tạp và chi phí rất tốn kém. Do đó, tác giả chọn phương án thực nghiệm đặc tính bơm cao áp trên băng thử NT 3000, sau đó kết hợp với đường đặc tính ngoài giải tích tính theo công thức kinh nghiệm Lây Đécman. Cách tiếp cận này vừa đảm bảo độ tin cậy vừa phù hợp với điều kiện trang thiết bị thực tế.

3. Hàm truyền mô tả đặc tính động học của bộ điều tốc bơm cao áp có thông số như thế nào?

Qua thực nghiệm đo dịch chuyển thanh răng bằng cảm biến AH49E và thiết bị DEWE 2600 trên băng thử NT 3000, kết hợp xử lý dữ liệu bằng công cụ System Identification Parameters trên Matlab, tác giả xác định được hàm truyền quán tính bậc nhất của bộ điều tốc cơ khí ly tâm có dạng $W(s) = \frac{1}{a_1 s + b_1}$ với các hệ số là $a_1 = 0,2$ và $b_1 = 1$.

4. Cơ cấu chấp hành điều khiển mức tải động cơ được chế tạo từ những linh kiện phần cứng nào?

Cơ cấu chấp hành được thiết kế độc lập, gồm một động cơ bước hai pha mã hiệu YH42BYGH47, một mô đun công suất điều khiển TB6600-4A, hệ thống truyền động cơ khí gồm trục vít me - đai ốc, thanh ray và con trượt. Cụm cơ cấu này được gá đặt trung gian trên khung xe để kéo cáp dẫn động bàn đạp ga, điều chỉnh vị trí thanh răng bơm cao áp.

5. Kết quả thử nghiệm trên hai loại mặt đường thực tế chứng minh điều gì?

Trên cả hai loại mặt đường thử nghiệm (nền xưởng bôi mỡ và đường bê tông phủ bùn sét), khi không có bộ điều khiển, người lái đạp ga khiến bánh xe chủ động trượt quay hoàn toàn ($\lambda \approx 100%$), xe không thể chuyển động hoặc bị giật cục. Khi hệ thống điều khiển kích hoạt, cơ cấu chấp hành tự động giảm mức ga, đưa độ trượt bánh xe về vùng tối ưu ($10% - 30%$), triệt tiêu hiện tượng trượt quay và giúp xe chuyển động ổn định về phía trước.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Văn Thoan đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu đề ra thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa lý thuyết và chế tạo thử nghiệm thực tế. Tác giả đã xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô tải 2,98 tấn có tính đến đặc tính phi tuyến của động cơ diesel sử dụng bơm cao áp cơ khí, xác định các thông số trễ của bộ điều tốc ly tâm thông qua thực nghiệm trên băng thử NT 3000. Dựa trên thuật toán điều khiển PID, luận án đã chế tạo thành công mẫu phần cứng gồm cảm biến tiệm cận PRT08-1, bộ điều khiển ECU và cơ cấu chấp hành động cơ bước YH42BYGH47 điều khiển vị trí dây ga. Các thử nghiệm trên đường bôi mỡ và đường bùn đất khẳng định hệ thống có khả năng tự động can thiệp giảm mức tải động cơ, khống chế độ trượt bánh xe trong vùng làm việc tối ưu $10% - 30%$, mang lại đóng góp thiết thực cho quá trình nội địa hóa và nâng cao an toàn chủ động cho ô tô tải sản xuất tại Việt Nam.