CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống lái với vấn đề quay vòng và ổn định hướng chuyển động ô tô Các kết quả thống kê và nghiên cứu thực nghiệm [10],[11],[12] cho thấy: Tỷ lệ tai nạn giảm đáng kể đối với các phương tiện được trang bị hệ thống cân bằng điện tử (ESC). Khi có vấn đề mất ổn định, hệ thống này sẽ can thiệp vào hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS) nhằm điều chỉnh góc xoay và tốc độ của từng bánh xe sao cho cân bằng với góc trượt quán tính của xe, nhờ vậy mà xe không bị chệch hướng đột ngột hay lật xe. Tuy nhiên sự tham gia của chúng đôi khi làm ảnh hưởng đến sự linh hoạt cũng như giới hạn sự hoạt động của xe, nhưng với hệ thống lái lại cho khả năng tốt hơn để thỏa mãn các vấn đề nêu trên: Trong một số trường hợp, việc sử dụng hệ thống lái thay vì phanh sẽ an toàn hơn bởi vì việc đánh lái phát sinh ít ma sát hơn giữa lốp xe và mặt đường.
Trường hợp lốp xe phía sau đã đạt đến giới hạn độ bám của chúng khi xe đang chạy, lúc này kiểm soát duy nhất là bánh xe phía trước, nếu phanh trong tình huống này thường dẫn đến xe bị mất hướng và quay tròn không thể kiểm soát được [13].3: Lực tác động lên bánh xe DH:(a) Lực tạo ra do phanh Fx, (b) Lực tạo ra khi lái Fy 𝑡 Trên Hình 1.3 mô men tạo ra do phanh: 𝑀𝑃 = 𝐹𝑥 , mô men tạo ra do lái: 𝑀𝐿 = 2 2𝐹𝑦 𝑎. Lực bên Fy ở mỗi lốp xe chỉ bằng một phần tư lực theo chiều dọc Fx, tạo ra luan an 7 𝐹 𝑎 trong cùng một khoảng thời gian: 𝐹𝑦 = 𝑥 vì vậy 𝑀𝐿 = 𝐹𝑥. Kết quả này cho thấy hệ 4 2 thống lái đặc biệt hữu ích để kiểm soát một chiếc xe khi lực 𝐹𝑥 đã đến giới hạn bám. Đối với thiết kế trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu, chính vì vậy quỹ đạo chuyển động của ô tô được khảo sát một cách chặt chẽ trong nhiều tình huống khẩn cấp và tình trạng đường thay đổi [14].4: Các bậc tự do của ô tô trong không gian Quỹ đạo chuyển động của ô tô là tổng hợp kết quả tương tác giữa hệ thống lái, động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống treo, phanh, lốp xe và tình trạng mặt đường.
Ồn định quỹ đạo chuyển động thường được khảo sát qua động lực học theo phương dọc, động lực học theo phương ngang và động lực học theo phương thẳng đứng (Hình 1. Tổng hợp tác động của ba quỹ đạo này được phản ánh qua tương tác lốp với mặt đường. Do vậy, trên tất cả các khảo sát về quỹ đạo mô hình toán học của lốp được đưa vào một cách phù hợp. Các nhà thiết kế và người sử dụng quan tâm đến độ ổn định của thân xe nhằm đảm bảo tính an toàn và êm dịu của thân xe.
Hay nói cách khác, để ổn định quy đạo chuyển động của thân xe cần khảo sát tình trạng mặt đường thông qua tác động của lốp lên thân xe. Một cách chung nhất, quỹ đạo chuyển động của xe được thể hiện qua ba tính chất: Tính năng động lực (performance), tính điều khiển (handling), và dao động theo phương thẳng đứng (ride) [15]. Tính năng động lực là khả năng ô tô có vận tốc trung bình lớn nhất trong điều kiện đường cụ thể, được đánh giá thông qua gia tốc của xe, góc dốc lớn nhất có thể vượt, thời gian, quãng đường tăng tốc và vận tốc lớn nhất. Chất lượng của việc điều khiển được thể hiện chính trong việc ổn định trạng thái cân bằng xe trước những tác động bên ngoài ngẫu nhiên.
Tính điều khiển chuyển động là tình trạng thay đổi về không gian trạng thái của hành khách hay người sử dụng theo luan an 8 những ảnh hưởng ngẫu nhiên từ mặt đường. Khi khảo sát đảm bảo hướng chuyển động của ô tô thì phải xem xét đến cả ba tình trạng trên và mối quan hệ giữa chúng. Có thể thấy sự tương tác giữa xe và môi trường chuyển động qua Hình 1.5: Sơ đồ tương tác giữa ô tô, người lái và môi trường Khi khảo sát đảm bảo hướng chuyển động ô tô hay bất kì trạng thái khác một cách đầy đủ thì ta đều phải quan tâm đến động lực học của xe [16]. Động lực học xe được phân thành ba nhánh chính Hình 1.6: Động lực học theo phương dọc (Longgitudinal), động lực học theo phương ngang (Lateral), động lực học theo phương thẳng (Vertical).6: Động lực học điều khiển ô tô luan an 9 Động lực học theo phương ngang chủ yếu tập trung khảo sát quá trình quay vòng của xe.
Khi ô tô chuyển động quay vòng, trạng thái động lực học theo phương ngang cần được khảo sát một cách kỹ lưỡng nhằm đảm bảo an toàn cũng như cảm giác thoải mái cho người sử dụng. Động lực học theo phương thẳng đứng khảo sát chuyển động lắc ngang của khung xe, trạng thái quay vòng, biến dạng bánh xe theo phương ngang, tình trạng mất ổn định hướng khi phanh. Hay nói cách khác, khi khảo sát hệ thống lái thì ngoài việc khảo sát động lực học bản thân hệ thống lái thì ta cần xem xét mối quan hệ trực tiếp đến động lực học theo phương ngang Hình 1.7: Mô hình nghiên cứu chuyển dịch theo phương ngang a) Mô hình lắc ngang thân xe; b) Mô hình phân tích lực bánh xe Tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là khả năng ô tô giữ được trạng thái chuyển động theo yêu cầu trong nhiều điều kiện chuyển động khác nhau. Tùy thuộc vào các trạng thái chuyển động khác nhau, ô tô có thể mất ổn định hướng chuyển động khi có tác dụng của lực ngang (do tác dụng của gió hoặc mặt đường nghiêng), khi quay vòng hoặc phanh gấp trên đường có hệ số bám khác nhau ở hai bên bánh xe.
Trong những điều kiện sử dụng phức tạp như vậy, ô tô phải giữ được quỹ đạo chuyển động mong muốn theo tín hiệu điều khiển của người lái. Khi ô tô quay vòng, do ảnh hưởng lực quán tính ly tâm gây nên sự biến dạng bên của lốp. Do sự biến dạng của lốp, bán kính quay vòng thực tế của ô tô có thể khác với bán kính quay vòng mong muốn của lái xe. Điều này dẫn đến mất ổn định quỹ đạo chuyển động gây nguy hiểm cho người và phương tiện.
Trong trường hợp lốp xe không luan an 10 biến dạng (ô tô quay vòng với tốc độ thấp xem như không chịu ảnh hưởng của lực quán tính ly tâm), bán kính quay vòng thực tế của ô tô trùng với 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 (1.1) tan Trong trường hợp này, trạng thái quay vòng của ô tô được gọi là quay vòng đúng (neutral steering). Tuy nhiên trong thực tế, do tính đàn hồi của lốp, các phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe khi ô tô quay vòng nên có các góc lệch bên trước (αf ) và sau (αr) như Hình 1.8: Mô hình quay vòng ô tô a) Quay vòng khi lốp xe không biến dạng; b) Quay vòng khi lốp xe biến dạng bên Các góc lệch bên được xác định như sau: Fyf Fyr f ; r (1.2) C f C r Các lực 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. Trong đó Cαf và Cαr: 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: luan an 11 L L Rt tan f tan r f r (1.3) Từ công thức (1.3), tùy thuộc vào giá trị của f r có thể xác định ba trạng thái quay vòng của ô tô khi lốp biến dạng như sau: - 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 theo góc quay vành lái, nghĩa là Rt<R. Trong trường hợp này người lái phải kịp thời trả tay lái để đưa ô tô trở về quỹ đạo chuyển động mong muốn. Nếu thao tác chậm sẽ làm tăng đột biến giá trị lực quán tính ly tâm tạo nên ảnh hưởng đến quá trình quay vòng. Do sự thay đổi tải trọng giữa các bánh xe trong và ngoài tâm quay vòng, phản lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe 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 ngoài với mặt đường. Hiện tượng quay vòng thiếu: Xảy ra khi bán kính quay vòng thực tế của xe lớn hơn bán kính quay vòng mong muốn so với góc quay vành tay lái, nghĩa là 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.2 Hệ thống lái Steer by wire (SBW) Việc thay thế các điều khiển điện tử cho các điều khiển cơ học được gọi là công nghệ “X - by wire”.
Công nghệ này không còn mới mẻ trong lĩnh vực kỹ thuật hàng không [19]. Nhiều máy bay cả thương mại và quân sự, đều dựa hoàn toàn vào hệ thống kiểm soát bay bằng công nghệ “Fly by wire”: Ngày 25 tháng 5 năm 1972 tại Trung tâm nghiên cứu bay NASA Dryden Edwards CA, đã thực hiện chuyến bay thử nghiệm đầu tiên của một chiếc máy bay kỹ thuật số sử dụng công nghệ “fly-by-wire”, đó là một chiếc máy bay hải quân cải tiến F-8C Crusader với phi công thử nghiệm luan an 12 Gary Krier [13], đã khởi đầu cho công nghệ X-by-wire được phát triển mạnh mẽ sau này.