Luận án tiến sĩ: Điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm nâng cao ổn định quỹ đạo ô tô

Luận án tiến sĩ nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, ứng dụng công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: Đào Mạnh Hùng
• Trường học: Đại học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Cơ khí Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái để tăng ổn định quỹ đạo ô tô
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô
• 1.2. Khái quát về an toàn chuyển động
• 1.3. Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Bánh xe dẫn hướng
• 1.4. Quá trình phát triển hệ thống lái trên ô tô
• 1.5. Tình hình nghiên cứu ngoài và trong nước
• 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.6. Xác định mục tiêu, đối tượng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của luận án
• 1.6.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.6.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6.3. Nội dung nghiên cứu của đề tài
• 1.7. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ VÀ HỆ THỐNG LÁI
• 2.1. Xây dựng mô hình chuyển động của ô tô
• 2.2. Mô hình động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng
• 2.3. Mô hình động lực học của bánh xe đàn hồi
• 2.4. Mô hình xác định tải trọng tác dụng lên các bánh xe
• 2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô
• 2.5.1. Sơ đồ khối mô phỏng chuyển động ô tô trong mặt phẳng
• 2.5.2. Sơ đồ mô phỏng Matlab - Simulink
• 2.6. Xây dựng mô hình hệ thống lái ô tô
• 2.6.1. Mô hình hệ thống lái tích cực
• 2.6.2. Mô hình toán học hệ thống lái tích cực
• 2.6.3. Mô hình mô phỏng hệ thống lái
• 2.6.4. Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng với hệ thống lái
• 2.6.5. Sơ đồ thuật toán mô phỏng hệ thống lái tích cực
• 2.6.6. Sơ đồ Matlab - Simulink mô phỏng hệ thống lái
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ VỚI HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC
• 3.1. Thiết kế bộ điều khiển
• 3.1.1. Sơ đồ khối động lực học chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực
• 3.1.2. Thiết kế bộ điều khiển AFS - Fuzzy Logic
• 3.1.3. Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy logic của mô tơ với hệ thống lái tích cực
• 3.2. Mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô với tác động điều khiển tỉ số truyền của hệ thống lái
• 3.2.1. Khảo sát chuyển động của ô tô khi quay vòng trong các điều kiện khai thác khác nhau
• 3.2.2. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển động thẳng
• 3.2.3. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển làn
• 3.3. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 4.1. Mục đích, nhiệm vụ và đối tượng thí nghiệm
• 4.1.1. Mục đích thí nghiệm
• 4.1.2. Đối tượng thí nghiệm
• 4.1.3. Điều kiện thí nghiệm
• 4.2. Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống lái tích cực AFS
• 4.2.1. Kết cấu cơ khí hệ thống lái và cầu trước
• 4.2.2. Bộ phận tạo tải
• 4.2.3. Cụm đo góc quay bánh xe dẫn hướng
• 4.2.4. Cảm biến đo góc quay
• 4.2.5. Máy tính kết nối
• 4.2.6. Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều không chổi than (BLDCM)
• 4.2.7. Chế tạo bộ điều khiển mô tơ của hệ thống lái tích cực
• 4.3. Quy trình thí nghiệm khảo sát chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực
• 4.3.1. Kết quả thí nghiệm khảo sát chuyển động quay vòng của ô tô (J-turn)
• 4.3.1.1. Khi độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn độ cứng ngang lốp sau
• 4.3.1.2. Khi độ cứng ngang lốp trước lớn hơn độ cứng ngang lốp sau
• 4.3.2. Kết quả khảo sát quỹ đạo của ô tô khi chuyển động thẳng
• 4.3.3. Quỹ đạo chuyển động của ô tô dưới tác động của lực gió ngang
• 4.3.4. Khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô khi thay đổi tốc độ
• 4.3.5. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển làn
• 4.3.6. Phương pháp đánh giá sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm
• 4.3.7. So sánh đánh giá kết quả giữa thực nghiệm với mô phỏng lý thuyết
• 4.4. Kết luận chương 4
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Nghiên cứu về ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. An toàn chuyển động được chia thành hai loại: an toàn thụ động và an toàn chủ động. An toàn thụ động bao gồm các biện pháp như dây an toàn và túi khí, trong khi an toàn chủ động liên quan đến các hệ thống hỗ trợ người lái như ABS và ESP. Những hệ thống này giúp duy trì quỹ đạo chuyển động ổn định, đặc biệt trong các tình huống khẩn cấp. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong hệ thống lái tích cực (AFS) là cần thiết để nâng cao tính an toàn và ổn định cho ô tô. Theo một nghiên cứu, việc cải thiện hệ thống lái có thể giảm thiểu rủi ro tai nạn giao thông, đồng thời nâng cao trải nghiệm lái xe.

1.1 Khái quát về an toàn chuyển động

An toàn chuyển động là một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế ô tô. Các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách trong quá trình di chuyển. An toàn thụ động và an toàn chủ động là hai khía cạnh chính trong việc đảm bảo an toàn. An toàn thụ động giúp giảm thiểu thiệt hại khi xảy ra tai nạn, trong khi an toàn chủ động giúp ngăn chặn tai nạn xảy ra. Hệ thống lái tích cực (AFS) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì quỹ đạo chuyển động ổn định, giúp người lái kiểm soát tốt hơn trong các tình huống khó khăn. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển và cải tiến các công nghệ trong hệ thống lái để nâng cao tính an toàn và ổn định cho ô tô.

1.2 Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Quá trình ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm lực tác động từ mặt đường, biến dạng của lốp và tốc độ di chuyển. Khi ô tô di chuyển, quỹ đạo có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như gió ngang và điều kiện mặt đường. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh tỷ số truyền của hệ thống lái có thể cải thiện đáng kể khả năng ổn định quỹ đạo. Hệ thống lái tích cực cho phép thay đổi tỷ số truyền theo điều kiện di chuyển, từ đó giúp ô tô duy trì quỹ đạo mong muốn ngay cả trong các tình huống khẩn cấp. Điều này không chỉ nâng cao tính an toàn mà còn cải thiện trải nghiệm lái xe cho người sử dụng.

II. Xây dựng mô hình động lực học của ô tô và hệ thống lái

Mô hình động lực học của ô tô là cơ sở để phân tích và thiết kế hệ thống lái tích cực. Việc xây dựng mô hình này bao gồm việc xác định các lực tác động lên ô tô trong quá trình di chuyển. Mô hình động lực học giúp hiểu rõ hơn về cách mà các yếu tố như trọng lượng, lực ma sát và lực cản không khí ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động. Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink, mô hình động lực học có thể được mô phỏng để đánh giá hiệu suất của hệ thống lái trong các điều kiện khác nhau. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà các yếu tố này tương tác và ảnh hưởng đến tính ổn định của ô tô.

2.1 Xây dựng mô hình chuyển động của ô tô

Mô hình chuyển động của ô tô được xây dựng dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản. Các yếu tố như trọng tâm, chiều dài cơ sở và các lực tác động từ mặt đường được xem xét kỹ lưỡng. Mô hình này cho phép phân tích các tình huống khác nhau mà ô tô có thể gặp phải trong quá trình di chuyển. Việc sử dụng mô hình động lực học giúp xác định các thông số quan trọng như tỷ số truyền và lực tác động lên các bánh xe. Điều này rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống lái tích cực, nhằm đảm bảo rằng ô tô có thể duy trì quỹ đạo chuyển động ổn định trong mọi điều kiện.

2.2 Mô hình động lực học của bánh xe đàn hồi

Mô hình động lực học của bánh xe đàn hồi là một phần quan trọng trong việc phân tích quỹ đạo chuyển động của ô tô. Bánh xe không chỉ chịu lực từ mặt đường mà còn phải đối mặt với các lực tác động từ trọng lực và lực quán tính. Mô hình này giúp xác định cách mà bánh xe phản ứng với các lực tác động, từ đó ảnh hưởng đến khả năng ổn định của ô tô. Việc nghiên cứu mô hình động lực học của bánh xe đàn hồi cho phép cải thiện thiết kế của hệ thống lái, giúp ô tô duy trì quỹ đạo chuyển động mong muốn ngay cả trong các tình huống khó khăn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đã có sự phát triển đáng kể trong hơn hai thập niên qua, tuy nhiên vẫn còn nhiều hạn chế về quy mô và công nghệ. Phần lớn các doanh nghiệp trong nước chủ yếu lắp ráp ô tô từ linh kiện nhập khẩu, với tỷ lệ nội địa hóa thấp. Theo các quyết định chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025 và 2035, việc nâng cao công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực hệ thống lái, là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu thị trường nội địa và phát triển công nghiệp phụ trợ.

Tính an toàn chuyển động của ô tô ngày càng được chú trọng khi số lượng xe và tốc độ trung bình tăng lên. Hệ thống lái đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển và ổn định hướng chuyển động, góp phần nâng cao an toàn chủ động. Hệ thống lái tích cực (Active Front Steering - AFS) là công nghệ mới giúp kiểm soát các tình huống mất ổn định, cải thiện quỹ đạo chuyển động của xe, đặc biệt ở tốc độ cao.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình động lực học ô tô và hệ thống lái tích cực, thiết kế bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động, đồng thời kiểm chứng bằng mô hình bán thực nghiệm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống lái tích cực trên ô tô con, với các chế độ chuyển động quay vòng, chuyển làn, chuyển động thẳng và tác động của gió ngang. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc làm chủ công nghệ hệ thống lái tích cực, góp phần phát triển ngành công nghiệp ô tô và đào tạo kỹ thuật ô tô tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng: Mô hình hai vết bánh xe (two-track model) mô tả chuyển động ô tô với ba bậc tự do (vận tốc ngang, dọc và góc quay thân xe), bao gồm các lực tác dụng như lực gió ngang, lực cản không khí và phản lực từ mặt đường lên bánh xe.

• Mô hình động lực học bánh xe đàn hồi: Xác định phản lực ngang tác dụng lên bánh xe dựa trên góc lệch bên của lốp, sử dụng công thức thực nghiệm Magic Formula của Pacejka để mô phỏng đặc tính lực bám của lốp.

• Mô hình xác định tải trọng thẳng đứng lên bánh xe: Tính toán tải trọng phân bố trên từng bánh xe dựa trên các lực quán tính, trọng lượng xe và lực ngoại vi như gió ngang, lực cản không khí.

• Mô hình hệ thống lái tích cực: Bao gồm hệ thống lái bị động và cơ cấu chấp hành Harmonic với mô tơ điều khiển, cho phép thay đổi tỷ số truyền góc lái theo vận tốc xe nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động.

Các khái niệm chính bao gồm: góc quay bánh xe dẫn hướng, góc lệch bên lốp, tỷ số truyền hệ thống lái, gia tốc hướng tâm, lực quán tính ly tâm, và các trạng thái quay vòng (quay vòng đúng, quay vòng thừa, quay vòng thiếu).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Số liệu thu thập từ mô hình bán thực nghiệm hệ thống lái tích cực trên ô tô Lexus LX470, các thông số kỹ thuật của xe và lốp, dữ liệu mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học động lực học ô tô và hệ thống lái tích cực, mô phỏng chuyển động ô tô trong các điều kiện khác nhau (quay vòng, chuyển làn, chuyển động thẳng, tác động gió ngang). Thiết kế bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái sử dụng thuật toán logic mờ (Fuzzy Logic). Thực hiện thí nghiệm kiểm chứng trên mô hình bán thực nghiệm để đánh giá hiệu quả điều khiển.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm.

Cỡ mẫu thực nghiệm là mô hình bán thực nghiệm của hệ thống lái tích cực trên xe Lexus LX470, được lựa chọn do tính khả thi và độ chính xác trong việc kiểm chứng các thuật toán điều khiển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình động lực học ô tô và hệ thống lái tích cực được xây dựng thành công: Mô hình hai vết bánh xe kết hợp với mô hình bánh xe đàn hồi và mô hình tải trọng thẳng đứng cho phép mô phỏng chính xác quỹ đạo chuyển động và các lực tác dụng lên bánh xe. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số góc quay bánh xe dẫn hướng giữa lý thuyết và thực nghiệm dưới 5%, đảm bảo độ tin cậy của mô hình.

2. Bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái tích cực sử dụng thuật toán logic mờ cải thiện ổn định quỹ đạo chuyển động: Khi vận tốc xe tăng từ 20 km/h đến 80 km/h, tỷ số truyền hệ thống lái được điều chỉnh từ 20:1 xuống khoảng 10:1, giúp giảm hiện tượng quay vòng thừa và quay vòng thiếu. Mô phỏng và thí nghiệm cho thấy gia tốc góc quay thân xe giảm trung bình 15% so với hệ thống lái bị động.

3. Ảnh hưởng của lực gió ngang được giảm thiểu đáng kể nhờ hệ thống lái tích cực: Thí nghiệm với lực gió ngang khoảng 50 N cho thấy quỹ đạo chuyển động của xe ổn định hơn, sai lệch quỹ đạo giảm khoảng 12% so với khi không sử dụng hệ thống lái tích cực.

4. Khả năng chuyển làn và quay vòng được cải thiện rõ rệt: Trong các bài thử nghiệm chuyển làn theo tiêu chuẩn ISO 3888, hệ thống lái tích cực giúp giảm thời gian chuyển làn trung bình 0.3 giây và giảm sai số góc quay bánh xe dẫn hướng khoảng 8% so với hệ thống lái truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải thiện trên là do bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái tích cực điều chỉnh linh hoạt góc quay bánh xe dẫn hướng theo vận tốc và điều kiện chuyển động, giúp xe duy trì quỹ đạo mong muốn. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với các báo cáo về hiệu quả của hệ thống lái tích cực trong việc giảm lực đánh lái và tăng tính ổn định chuyển động.

Việc mô phỏng kết hợp với thí nghiệm bán thực nghiệm giúp kiểm chứng tính khả thi của thuật toán điều khiển trong điều kiện thực tế, đồng thời cung cấp dữ liệu để tối ưu hóa thiết kế bộ điều khiển. Các biểu đồ so sánh góc quay bánh xe, gia tốc góc quay thân xe và quỹ đạo chuyển động minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa hệ thống lái tích cực và hệ thống lái bị động, làm nổi bật hiệu quả của giải pháp.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ hệ thống lái tích cực tại Việt Nam, góp phần nâng cao an toàn chủ động cho ô tô, đồng thời hỗ trợ phát triển công nghiệp phụ trợ và đào tạo kỹ thuật ô tô.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái tích cực trên các dòng ô tô con phổ biến tại Việt Nam: Đề xuất các nhà sản xuất ô tô trong nước tích hợp công nghệ này nhằm nâng cao tính an toàn và ổn định chuyển động, với mục tiêu giảm tai nạn giao thông do mất ổn định quỹ đạo trong vòng 3-5 năm tới.

2. Phát triển công nghiệp phụ trợ sản xuất các bộ phận cơ khí và điện tử cho hệ thống lái tích cực: Khuyến khích các doanh nghiệp trong nước đầu tư nghiên cứu và sản xuất các cơ cấu chấp hành như bánh răng hành tinh, mô tơ BLDC, cảm biến góc quay, nhằm tăng tỷ lệ nội địa hóa và giảm chi phí sản xuất trong 5 năm tới.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ kỹ sư ngành công nghệ kỹ thuật ô tô: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, điều khiển và thử nghiệm hệ thống lái tích cực, giúp nâng cao trình độ chuyên môn và khả năng làm chủ công nghệ trong 2-3 năm tới.

4. Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng hệ thống lái tích cực kết hợp với các hệ thống an toàn chủ động khác như ABS, ESP: Phát triển các thuật toán điều khiển tích hợp nhằm tối ưu hóa hiệu quả an toàn và ổn định chuyển động, tiến hành thử nghiệm thực tế trên các điều kiện đường sá đa dạng trong vòng 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật ô tô: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình thực nghiệm về hệ thống lái tích cực, hỗ trợ nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ mới trong ngành ô tô.

2. Doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô trong nước: Tài liệu giúp hiểu rõ về thiết kế và điều khiển hệ thống lái tích cực, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng tỷ lệ nội địa hóa linh kiện.

3. Các trường đại học và viện nghiên cứu kỹ thuật ô tô: Là tài liệu tham khảo quý giá trong đào tạo và nghiên cứu khoa học, giúp sinh viên và giảng viên cập nhật kiến thức về công nghệ hệ thống lái hiện đại.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách ngành công nghiệp ô tô: Cung cấp thông tin khoa học để xây dựng các chính sách phát triển công nghiệp phụ trợ và thúc đẩy ứng dụng công nghệ an toàn chủ động trong ô tô.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống lái tích cực khác gì so với hệ thống lái truyền thống?
   Hệ thống lái tích cực có khả năng thay đổi tỷ số truyền góc lái theo vận tốc và điều kiện chuyển động, giúp ổn định quỹ đạo chuyển động và giảm lực đánh lái, trong khi hệ thống truyền thống có tỷ số truyền cố định.

2. Bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái tích cực sử dụng thuật toán nào?
   Luận văn thiết kế bộ điều khiển sử dụng thuật toán logic mờ (Fuzzy Logic), cho phép điều chỉnh linh hoạt tỷ số truyền dựa trên các thông số vận tốc và góc quay bánh xe.

3. Mô hình bán thực nghiệm được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   Mô hình bán thực nghiệm là mô hình hệ thống lái tích cực trên xe Lexus LX470 được thiết kế và chế tạo để kiểm chứng các thuật toán điều khiển thông qua các bài thử nghiệm quay vòng, chuyển làn và chịu tác động gió ngang.

4. Hiệu quả của hệ thống lái tích cực trong điều kiện gió ngang ra sao?
   Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống lái tích cực giúp giảm sai lệch quỹ đạo chuyển động khoảng 12% khi chịu lực gió ngang khoảng 50 N, cải thiện tính ổn định và an toàn.

5. Luận văn có thể áp dụng cho các loại xe nào?
   Nghiên cứu tập trung trên ô tô con, tuy nhiên phương pháp và mô hình có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các loại xe khác như ô tô tải nhẹ hoặc xe khách nhỏ, tùy theo đặc tính kỹ thuật và yêu cầu vận hành.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình động lực học ô tô và hệ thống lái tích cực, mô phỏng chính xác quỹ đạo chuyển động và các lực tác dụng lên bánh xe.
• Thiết kế bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái tích cực sử dụng thuật toán logic mờ, cải thiện đáng kể tính ổn định quỹ đạo chuyển động trong các điều kiện vận hành khác nhau.
• Thí nghiệm bán thực nghiệm trên mô hình hệ thống lái tích cực của xe Lexus LX470 xác nhận hiệu quả của giải pháp trong việc giảm sai số góc quay bánh xe và gia tốc góc quay thân xe.
• Nghiên cứu góp phần làm chủ công nghệ hệ thống lái tích cực, hỗ trợ phát triển công nghiệp ô tô và đào tạo kỹ thuật ô tô tại Việt Nam.
• Đề xuất các giải pháp ứng dụng và phát triển công nghiệp phụ trợ nhằm nâng cao tỷ lệ nội địa hóa và an toàn chủ động cho ô tô trong tương lai.

Tiếp theo, cần triển khai ứng dụng bộ điều khiển trên các dòng xe thực tế, mở rộng nghiên cứu tích hợp với các hệ thống an toàn khác và đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu. Đề nghị các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý phối hợp để thúc đẩy phát triển công nghệ hệ thống lái tích cực tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô 1. Khái quát về an toàn chuyển động An toàn chuyển động là những giải pháp kỹ thuật đảm bảo an toàn cho con người và ô tô trong quá trình chuyển động là một trong những vấn đề đang được rất nhiều các nhà khoa học quan tâm hiện nay. An toàn chuyển động được chia thành hai loại là an toàn thụ động và chủ động.

An toàn thụ động là các biện pháp kỹ thuật cần thiết để giảm thiệt hại về người và phương tiện khi xảy ra tai nạn như dây an toàn, túi khí (SRS)… An toàn chủ động là những giải pháp kỹ thuật và thiết kế chế tạo ô tô để ngăn chặn và tránh được tai nạn giao thông, tính năng ổn định quỹ đạo để hỗ trợ người lái như hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe (ABS), hệ thống kiểm soát lực kéo (TRC), hệ thống kiểm soát hoạt động trượt (ESP)… giúp cho ô tô luôn đảm bảo được quỹ đạo chuyển động như mong muốn. Trong xu thế này tác giả sẽ nghiên cứu điều khiển hệ thống lái tích cực trên ô tô (AFS) 1. Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Khi ô tô chuyển động trên đường, quỹ đạo chuyển động rất phức tạp. Do tác động của lực bên và biến dạng của lốp…nên quỹ đạo chuyển động của ô tô không như mong muốn đặc biệt là ở tốc độ cao.

Các hiện tượng này làm cho ô tô chuyển động mất ổn định có thể dẫn tới tai nạn. Trong những năm gần đây các nhà khoa học đã đưa ra nhiều nghiên cứu nhằm ổn định chuyển động của ô tô. Các hướng nghiên cứu tập trung vào điều chỉnh mô men quay thân xe trực tiếp bằng hệ thống phanh hoặc hệ thống lái để ổn định quỹ đạo chuyển động. Sự mất ổn định hướng chuyển động của ô tô có thể xảy ra trong các trường hợp điển hình như sau: a.

Mất ổn định hướng khi quay vòng Khi ô tô quay vòng, do ảnh hưởng biến dạng bên của lốp nên bán kính quay vòng thực tế khác với bán kính quay vòng mong muốn, gây mất ổn định chuyển động của ô tô. Trong trường hợp lốp xe không biến dạng (ô tô quay vòng với tốc độ thấp, không chịu ảnh hưởng của lực quán tính ly tâm), bán kính quay vòng thực tế của ô tô trùng với 5 bán kính quay vòng lý thuyết R và được xác định gần đúng theo góc quay của bánh xe dẫn hướng δ và chiều dài cơ sở L của ô tô theo công thức, (Hình 1.1 tan   Trong trường hợp này, trạng thái quay vòng của ô tô được gọi là quay vòng đúng. Tuy nhiên trong thực tế, do đặc tính đàn hồi của lốp nên các phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe khi ô tô quay vòng Fyf, Fyr sẽ khiến các bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau lăn lệch khỏi phương chuyển động ban đầu dưới các góc lệch bên αf và αr (Hình 1.2  C f C r Trong đó Cαf và Cαr là độ cứng bên tổng cộng của các bánh xe cầu trước và cầu sau. Với các góc quay nhỏ δ, αf, αr<<1, bán kính quay vòng thực tế của ô tô được xác định gần đúng như sau: L L Rt   .3 tan   1   tan  r    f   r  vf δ δ vf αf Fyf Fyf a1 Flt a1 v v C Tâm quay Flt δ – αf Rt C L vòng R αr R a2 L vr a2 vr δ αr δ Tâm quay vòng Fyr Fyr a) b) Hình 1.

Mô hình ô tô một vết a) Quay vòng khi lốp xe không biến dạng b) Quay vòng khi lốp xe biến dạng bên Từ công thức (1.3), tùy thuộc vào giá trị của 1   2  có thể xác định ba trạng thái quay vòng của ô tô khi lốp biến dạng như sau: 6 - Nếu αf = αr → Rt = R: quay vòng đúng (neutral steering); - Nếu αf < αr → Rt < R: quay vòng thừa (over steering); - Nếu αf > αr→ Rt > R: quay vòng thiếu (under steering). Hiện tượng quay vòng thừa xảy ra khi bán kính quay vòng thực tế của xe nhỏ hơn bán kính quay vòng mong muốn tính theo góc quay vành tay lái thì Rt < R. Trong trường hợp này người lái phải kịp thời đánh trả tay lái để đưa ô tô trở về quỹ đạo chuyển động mong muốn, thao tác chậm trễ sẽ làm tăng đột biến giá trị lực quán tính ly tâm. Do sự di chuyển tải trọng giữa các bánh xe phía trong và ngoài tâm quay vòng, phản lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe phía trong giảm, làm giảm khả năng bám ngang của ô tô khiến ô tô bị trượt ra khỏi quỹ đạo chuyển động ban đầu.

Nếu mặt đường có hệ số bám lớn ô tô có thể bị lật quanh vết tiếp xúc giữa các bánh xe phía ngoài với mặt đường. Trái với quay vòng thừa, hiện tượng quay vòng thiếu xảy ra khi bán kính quay vòng thực tế của xe lớn hơn bán kính quay vòng mong muốn tính theo góc quay vành tay lái Rt > R. Khi quay vòng thiếu, các phản lực bên tác dụng lên bánh xe sau có xu hướng làm cho phần đuôi xe lệch về phía trong. Để ô tô chuyển động đúng quỹ đạo mong muốn, người lái phải đánh thêm tay lái một góc quay phù hợp.

Từ phương trình cân bằng mô men với trọng tâm C, Hình 1.1b, các phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau có thể được xác định gần đúng theo công thức: a2 mv 2 a2 a Fyf  Flt .  ma y 2 L Rt L L  L  a2   mv2. a1  ma a1 Fyr  Flt y 1.4  L Rt L L với m là khối lượng của ô tô và ay là gia tốc hướng tâm xuất hiện khi ô tô quay vòng. Từ phương trình (1.4), ta có: mv 2  a2 a1  ma y  C r a2  C f a1   f  r      Rt L  C f C r   L  C rC f   1.5  Như vậy trạng thái quay vòng của ô tô sẽ phụ thuộc vào độ cứng bên của lốp và vị trí tọa độ trọng tâm theo biểu thức  C r a2  C f a1  .2 thể hiện ảnh hưởng của 7 vị trí tọa độ trọng tâm và độ cứng bên của lốp đến trạng thái quay vòng khi ô tô quay vòng với bán kính không đổi.

δ δ Cαf < Cαr: quay vòng thiếu L1 < L2: Quay vòng thiếu Cαf = Cαr: Quay vòng đúng L1 = L2: Quay vòng đúng L/R L/R L1 > L2: Quay vòng thừa Cαf > Cαr: Quay vòng thừa a) af = ar; R = const. Quan hệ giữa các trạng thái quay vòng với độ cứng bên của lốp và tọa độ trọng tâm ô tô Từ phương trình (1.3), quan hệ giữa góc quay lý thuyết δ0 (không kể đến biến dạng bên của lốp, Ackermann steering angle) và góc quay thực tế δ (có kể đến biến dạng bên của lốp) của bánh xe dẫn hướng với các góc lệch bên của lốp có thể được biểu diễn như sau:  L R     f  r  0   f  r           .6 Từ các phương trình (1.6), ta có:  m2     0    m1   ay  Ks ay , 1.7   C f C r  trong đó: m  a2 a  Ks    1  ,  rad/m/s2  1.8 L  C f C r    Ks được gọi là hệ số quay vòng [16], giá trị của Ks xác định trạng thái quay vòng của ô tô, m1 và m2 là khối lượng phân bố lên cầu trước và cầu sau.3 biểu diễn ảnh hưởng của hệ số quay vòng Ks đến mối quan hệ giữa góc quay thực tế của các bánh xe dẫn hướng δ và gia tốc hướng tâm ay khi ô tô quay vòng với bán kính không đổi. 8 δ Ks > 0: Quay vòng thiếu 2δ0 Ks = 0: Quay vòng đúng δ0 = L/R0 Ks < 0: Quay vòng thừa 0 -L/ L/ (KsR0) a y = v 2 / R0 Hình 1. Ảnh hưởng của Ks đến quan hệ giữa góc quay thực tế và gia tốc hướng tâm với bán kính quay vòng R = const.

- Khi Ks = 0: δ = δ0 , ô tô quay vòng đúng, góc quay thực tế của bánh xe dẫn hướng luôn cân bằng với góc quay vòng Ackermann và không thay đổi theo sự tăng của gia tốc hướng tâm hay tốc độ chuyển động của ô tô, đảm bảo ô tô chuyển động theo đúng quỹ đạo mong muốn; - Khi Ks > 0: δ > δ0, ô tô quay vòng thiếu, góc quay thực tế của bánh xe dẫn hướng tăng theo sự tăng của gia tốc hướng tâm hay tốc độ chuyển động của ô tô khiến ô tô chuyển động ra ngoài quỹ đạo mong muốn; - Khi Ks < 0: δ < δ0, ô tô quay vòng thừa, góc quay thực tế của bánh xe dẫn hướng giảm khi gia tốc hướng tâm hay tốc độ chuyển động của ô tô tăng, khiến ô tô chuyển động vào phía trong quỹ đạo mong muốn. Mất ổn định hướng do tác dụng của gió ngang Khi ô tô đang chuyển động thẳng, giá trị lực gió ngang lớn sẽ làm các lốp xe bị biến dạng bên và lăn lệch khỏi hướng chuyển động thẳng. Tùy theo giá trị độ lớn của các góc lệch bên bánh xe cầu trước và cầu sau có thể xảy ra các tình huống sau: 9 αf αf vf vf v v β Flt β Fw Fw αr αr vr Flt vr a) αf > αr: Flt ↑↓ Fw b) αf < αr: Flt ↑↑ Fw Hình 1. Ảnh hưởng của gió ngang và biến dạng của lốp đến ổn định hướng chuyển động - Khi αf > αr xuất hiện lực quán tính ly tâm Flt ngược chiều với lực gió ngang Fw có xu hướng ổn định quỹ đạo chuyển động ban đầu của ô tô (Hình 1.

- Nếu αf < αr lực quán tính ly tâm Flt cùng chiều với Fw làm tăng giá trị lực ngang gây mất ổn định quỹ đạo chuyển động (Hình 1. Khi ô tô đang chuyển động thẳng, giá trị lực gió ngang lớn sẽ làm các lốp xe bị biến dạng bên và lăn lệch khỏi hướng chuyển động thẳng.