phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung luận án đƣợc trình bày trong bốn chƣơng: CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2 Trình bày tổng hợp các nghiên cứu về điều khiển hạn chế hiện tƣợng trƣợt quay trên thế giới và tình hình nghiên cứu trong nƣớc qua đó xác định giải pháp nghiên cứu phù hợp với điều kiện thực tế của đề tài. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA Ô TÔ Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô có tính đến mô hình động cơ. Thực nghiệm đặc tính cục bộ, đặc tính ngoài và mô hình bộ điều tốc.
Thực hiện khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên đƣờng có hệ số bám khác nhau với các mức tải động cơ khác nhau. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Đề xuất cấu trúc của hệ thống, lựa chọn và xác định các thông số của bộ điều khiển. Khảo sát vùng làm việc hiệu quả của hệ thống tƣơng ứng trên các loại đƣờng xấu khác nhau. THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG Trình bày các bƣớc thiết kế chế tạo và lắp đặt các cảm biến, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển điện tử.
Tiến hành thực nghiệm hiệu quả làm việc của hệ thống. Phần kết luận và kiến nghị: Đánh giá các kết quả của luận án, đề xuất hƣớng nghiên cứu phát triển tiếp theo để từng bƣớc hoàn thiện hệ thống hạn chế trƣợt quay bánh xe chủ động. Các kết quả nghiên cứu mới của luận án Luận án trình bày các kết quả nghiên cứu mới sau: - Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô có xét đến đặc tính động cơ đốt trong sử dụng bơm cao áp dãy. - Thuật toán điều khiển và giá trị các tham số của bộ điều khiển hạn chế trƣợt quay bánh xe bằng phƣơng pháp điều khiển công suất động cơ.
- Các kết quả mô phỏng lý thuyết hoạt động của hệ thống hạn chế trƣợt quay bánh xe. - Mẫu bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành (chế tạo thử nghiệm lần đầu) của hệ thống hạn chế trƣợt quay bánh xe chủ động. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các hệ thống an toàn trên ô tô ngày càng phát triển hoàn thiện về kết cấu và quá trình điều khiển. Các hệ thống này có vai trò hỗ trợ tích cực cho ngƣời điều khiển ô tô hiệu quả và an toàn.
Hệ thống hạn chế trƣợt quay bánh xe chủ động của ô tô có vai trò hỗ trợ ngƣời lái điều khiển xe vƣợt qua những đoạn đƣờng xấu trơn trƣợt. Trong chƣơng này, luận án sẽ tìm hiểu tình hình các nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam, từ đó đề xuất phạm vi, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu.1 Hiện tƣợng trƣợt quay bánh xe và cơ sở lý thuyết hạn chế hiện tƣợng trƣợt quay Hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động: Hiện tƣợng trƣợt quay xẩy ra với các bánh xe chủ động là do sự biến dạng tiếp tuyến của lốp theo chiều ngƣợc với chiều quay của bánh xe và biến dạng tiếp tuyến của mặt đƣờng theo chiều ngƣợc với chiều chuyển động của ô tô. Kết quả của các biến dạng đó làm mất vận tốc của ô tô. Tại vùng tiếp xúc, lốp xe dịch chuyển tƣơng đối với mặt đƣờng theo chiều ngƣợc với chiều chuyển động của ô tô.
Từ hai nguyên nhân trên cho thấy hiện tƣợng trƣợt quay của bánh xe chủ động luôn tồn tại. Trong trƣờng hợp không đủ bám, bánh xe chủ động sẽ bị trƣợt quay hoàn toàn. Hiện tƣợng trƣợt quay bánh xe chủ động gây ảnh hƣởng xấu đến tính năng động lực học, tính ổn định hƣớng chuyển động, gây tổn hao nhiên liệu và hao mòn lốp của ô tô. Khi chuyển động, độ trƣợt λ của bánh xe chủ động có thể xác định theo vận tốc ô tô vx, vận tốc góc của các bánh xe chủ động và bán kính bánh xe.
Khi xe chuyển động trên đƣờng thẳng với vận tốc vx, độ trƣợt (quay) của bánh xe có thể xác định theo công thức:[55] v v v l x .1) vl vl Trong đó: vl là vận tốc tiếp tuyến của bánh xe chủ động: Vận tốc tiếp tuyến của bánh xe chủ động vl đƣợc xác định theo công thức sau: vl s .2) là vận tốc góc của bánh xe chủ động; rd là bán kính động lực học của bánh xe. Từ đó, độ trƣợt (quay) của bánh xe có thể xác định từ vận tốc góc bánh xe chủ động và vận tốc chuyển động của ô tô vx nhƣ sau: s .rd Cơ sở lý thuyết hạn chế trượt quay: Trong quá trình chuyển động, giả thiết không xét đến lực ngang và các mô men do góc đặt bánh xe gây nên. 4 Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động đƣợc thể hiện trên Hình 1.1 nhƣ sau [26]: Mfs : Mô men cản lăn trên bánh xe chủ động; Fxs: Tổng hợp phản lực dọc do mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe chủ động; Mx: Mô men chủ động (truyền từ động cơ); Fzs: Phản lực pháp tuyến của mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động Tổng hợp phản lực dọc do mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe chủ động phụ thuộc vào độ trƣợt của bánh xe và đƣợc xác định nhƣ sau: Fxs Fzs .5) Trong đó : Fzs: Phản lực thẳng đứng của mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe chủ động; x (s ) : Hàm biểu diễn quan hệ giữa hệ số bám dọc (tức thời) theo độ trƣợt.
Lực kéo lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám giữa bánh xe và mặt đƣờng, đƣợc đặc trƣng bởi hệ số bám xmax thông qua mối quan hệ sau: Fxs max F max Gbs .6) Mô men kéo đƣợc xác định nhƣ sau: M x Fxs .7) Mô men kéo lớn nhất bị hạn chế bởi điều kiện bám và giá trị lớn nhất của nó bằng mô men bám cực đại M max : M max Fx max .8) Trong đó: x max : Hệ số bám dọc cực đại; Fφmax: Lực bám dọc cực đại.itl Khi mô men của động cơ truyền đến bánh xe chủ động nhỏ hơn M max , mô 2 men kéo bánh xe đƣợc xác định theo công thức (1.7) và bánh xe chỉ bị trƣợt với độ trƣợt nhỏ do sự biến dạng của lốp với mặt đƣờng. 5 Khi mô men của động cơ truyền đến bánh xe lớn hơn mô men bám cực đại ( M e .itl M max ) bánh xe sẽ bị trƣợt quay đến mức gây hại. 2 Hệ số bám dọc, hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đƣờng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tình trạng mặt đƣờng, kiểu lốp, chất lƣợng lốp, nhiệt độ, vận tốc, độ trƣợt. Quy luật điển hình giữa hệ số bám dọc, hệ số bám ngang và độ trƣợt của bánh xe đƣợc thể hiện trên Hình 1.
Sự thay đổi hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt bánh xe. Với φx và φy là hệ số bám dọc và hệ số bám ngang của bánh xe. Nhiều nghiên cứu cho thấy khi độ trƣợt nằm trong khoảng 10% - 30% thì hệ số bám theo phƣơng dọc φx lớn và đạt giá trị lớn nhất [3]; [7]; [18]; [38] trong khi đó hệ số bám ngang đang có xu hƣớng giảm nhƣng vẫn ở giá trị cao. Vƣợt ra ngoài khoảng này các hệ số bám dọc và bám ngang đều giảm nhanh chóng, nhƣ vậy lực bám giữa lốp và đƣờng cũng giảm.
Dựa vào tín hiệu độ trƣợt λ thu đƣợc, cần điều khiển lực phanh tác động vào bánh xe bị trƣợt hoặc cơ cấu điều khiển mô men. Mục tiêu của hệ thống hạn chế trƣợt quay là điều khiển mô men truyền đến bánh xe chủ động vừa đủ để bánh xe làm việc trong vùng có mô men bám lớn qua đó giúp ô tô có thể chuyển động. Để tận dụng tối đa khả năng bám, độ trƣợt (λ) cần thay đổi trong phạm vi hẹp quanh giá trị trƣợt tối ƣu (10-30)%, tại đó mô men bánh xe cần đƣợc giảm một lƣợng nhất định để lực kéo (Fx) đạt giá trị cực đại, đồng thời cải thiện tính ổn định và tính dẫn hƣớng của ô tô [6];[15]. Trên thực tế, khi hiện tƣợng trƣợt quay xảy ra ngƣời lái xe khó cảm nhận đƣợc tình trạng trƣợt quay cụ thể của bánh xe chủ động.
Điều này có thể dẫn đến việc điều khiển xe không hợp lý làm xe vẫn trƣợt hoặc trƣợt dữ dội hơn. Có nhiều giải pháp để hạn chế hiện tƣợng trƣợt quay của bánh xe chủ động nhƣ: điều khiển giảm công suất động cơ, tạo mô men phanh tại các bánh xe một cách thích hợp hoặc kết hợp điều khiển giảm công suất động cơ và tạo mô men hợp lý tại các bánh xe. 6 Các giải pháp này sẽ đƣợc trình bày r hơn trong phần tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống hạn chế hiện tƣợng trƣợt quay. Có thể kể đến các công trình nghiên cứu nổi trội nhƣ sau: - Năm 1989, hai tác giả ngƣời Mỹ là Michael H.Quinn và Paul H.
Quinn [42] đã sử dụng bột đá cẩm thạch đƣợc nằm trong một thùng chứa hình phễu (số 8 trên Hình 1.3) đặt ở gần bánh xe. Hệ thống hoạt động nhờ một solenoid điều khiển nắp 6 đóng mở qua một công tắc (số 1 trên Hình 1.3) trên vôlăng. Trong những điều kiện đƣờng trơn trƣợt, băng tuyết ngƣời lái ô tô có thể ấn công tắc kích hoạt hệ thống hoạt động, bột đá sẽ làm thay đổi hệ số bám của đƣờng và qua đó làm tăng lực bám giữa bánh xe và mặt đƣờng nhƣ Hình 1. Hệ thống tuy đơn giản nhƣng khó có thể ứng dụng vào trong thực tế vì không thể bố trí đƣợc thùng đựng bột đá gần với bánh xe, hơn thế phƣơng pháp này mang lại hiệu quả không cao, không điều khiển đƣợc lực bám phù hợp với từng bánh xe và dẫn tới ô tô mất ổn định.
Hệ thống hạn chế trượt bằng phương pháp thay đổi độ bám đường - Renpei Matsumoto đã công bố công trình nghiên cứu “Kiểm soát lực kéo để ngăn trƣợt ô tô trên đƣờng cong và khi quay vòng” năm 1990 [46]. Nghiên cứu sử dụng các cảm biến: vận tốc xe (vehicle speed sensor), vận tốc góc các bánh xe, góc đánh lái, trạng thái lốp, gia tốc xe từ đó điều khiển mô tơ bƣớm ga (số 40 trên Hình 1.4) và cơ cấu phanh trong trƣờng hợp phát hiện sự trƣợt quay của bánh xe.