I. Tổng quan kiểm soát phân phối công suất kéo cầu chủ động bằng ABS
Hệ thống truyền lực trên ô tô con đóng vai trò then chốt trong việc phân bổ mô men từ động cơ đến các bánh xe chủ động. Cơ cấu vi sai thông thường cho phép hai bánh xe quay với vận tốc góc khác nhau khi quay vòng. Tuy nhiên, cơ cấu vi sai đối xứng lại có nhược điểm lớn khi xe di chuyển trên bề mặt đường không đồng nhất. Bánh xe rơi vào vùng có hệ số bám thấp sẽ bị quay trượt tự do. Bánh xe phía đối diện có độ bám cao hơn lại không nhận đủ mô men để đẩy xe tiến lên. Tình trạng này làm suy giảm nghiêm trọng lực kéo và tính ổn định hướng của phương tiện. Luận án tiến sĩ của tác giả Phan Tấn Tài tại Trường Đại học Giao thông Vận tải đã giải quyết triệt để bài toán này. Đề tài tập trung nghiên cứu kiểm soát phân phối công suất kéo trên cầu chủ động thông qua việc tích hợp hệ thống chống bó cứng phanh ABS. Giải pháp công nghệ này biến cụm chấp hành ABS thành cơ cấu phanh chủ động từng bánh xe. Hệ thống hỗ trợ tối ưu hóa lực kéo mà không đòi hỏi chi phí đắt đỏ như trang bị vi sai chống trượt cơ khí truyền thống.
1.1. Vai trò của hệ thống vi sai trên cầu chủ động ô tô
Cơ cấu vi sai là bộ phận bắt buộc trên cầu chủ động của mọi dòng ô tô. Bộ phận này phân chia mô men xoắn động cơ thành hai luồng truyền tới hai bánh xe trái và phải. Thiết bị đảm bảo sự chênh lệch tốc độ góc giữa các bánh xe khi xe chuyển hướng vào cua. Nhờ vậy, bánh xe tránh được hiện tượng trượt lết và bảo vệ bề mặt lốp khỏi mòn vẹt. Tuy vậy, nguyên lý cân bằng mô men của vi sai mở khiến lực kéo hai bên luôn tương đương nhau. Khi một bên bánh gặp vũng bùn hoặc băng tuyết, mô men truyền xuống mặt đường bị giới hạn bởi bánh xe bám kém nhất. Xe lập tức mất khả năng tự di chuyển dù động cơ vẫn hoạt động hết công suất.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu kiểm soát công suất kéo của Phan Tấn Tài
Luận án tiến sĩ của Phan Tấn Tài tập trung giải quyết bài toán phân phối công suất kéo khi xe di chuyển trên đường không đồng nhất. Mục tiêu cốt lõi là thiết lập thuật toán điều khiển thông minh dựa trên phần cứng ABS sẵn có. Nghiên cứu khai thác khả năng can thiệp áp suất phanh độc lập tại từng bánh xe chủ động. Khi phát hiện bánh xe bị quay trượt, hệ thống sẽ kích hoạt lực phanh để triệt tiêu mô men dư thừa. Nhờ cơ chế liên kết của vi sai, mô men kéo hữu ích sẽ tự động chuyển dịch sang bánh xe có độ bám cao hơn. Phương pháp này nâng cao chất lượng động lực học và cải thiện độ ổn định chuyển động của xe con một cách bền vững.
II. Phân tích sự cố mất công suất kéo trên cầu chủ động ô tô hiện đại
Khi ô tô vận hành trên mặt đường có hệ số bám không đều giữa hai bánh xe, vi sai đối xứng bộc lộ nhược điểm cố hữu. Tốc độ góc của bánh xe bên mặt đường trơn trượt sẽ tăng vọt nhanh chóng. Hiện tượng này xảy ra do mô men cản lăn tại bánh xe bám kém giảm xuống gần bằng 0. Lúc này, vỏ vi sai tiếp tục quay nhưng bánh răng hành tinh chỉ truyền mô men nhỏ tương đương lực cản của bánh trượt. Hậu quả là tổng công suất kéo phát ra tại cầu chủ động sụt giảm nghiêm trọng. Chiếc xe bị sa lầy và mất hoàn toàn khả năng gia tốc tiến về phía trước. Trong khi đó, các giải pháp cơ khí truyền thống như khóa vi sai hay vi sai hạn chế trượt bộc lộ nhiều điểm hạn chế. Cơ cấu khóa cứng vi sai làm xe khó đánh lái và khiến bề mặt lốp mòn cực nhanh. Việc kiểm soát kéo bằng phương pháp ngắt bướm ga động cơ đơn thuần lại làm giảm công suất chung của toàn bộ xe. Do đó, bài toán đặt ra là phải tìm kiếm một phương án kiểm soát chủ động và linh hoạt hơn cho từng bánh riêng biệt.
2.1. Hiện tượng trượt quay và tổn thất động lực học vi sai
Hiện tượng trượt quay xảy ra khi mô men kéo tại vệt tiếp xúc vượt quá giới hạn bám của lốp xe. Khi một bánh xe rơi vào vùng đường trơn trượt, hệ số bám giảm đột ngột dẫn đến gia tốc góc tăng cao. Theo đặc tính động lực học của vi sai hình nón đối xứng, vận tốc góc của bán trục trượt có thể tăng gấp đôi vận tốc góc vỏ vi sai. Trong khi đó, bán trục bên có độ bám tốt sẽ dừng quay hoàn toàn. Lực kéo phát sinh ở cả hai bánh xe đều bị kéo tụt xuống mức cực tiểu. Tình trạng này khiến xe mất khả năng bám đường và tiềm ẩn rủi ro xoay vòng nguy hiểm khi tăng tốc đột ngột.
2.2. Nhược điểm của các giải pháp khóa vi sai truyền thống
Các giải pháp kiểm soát cơ khí trước đây thường sử dụng cơ cấu khóa vi sai cưỡng bức hoặc ly hợp ma sát. Khóa vi sai cơ khí ép hai bán trục quay cùng tốc độ giúp vượt lầy tốt. Dẫu vậy, giải pháp này triệt tiêu hoàn toàn khả năng quay vòng êm dịu của xe trên đường nhựa. Khi xe ôm cua với vi sai khóa cứng, lốp xe bị cày xới dữ dội và dễ gây gãy trục truyền lực. Vi sai hạn chế trượt cơ khí cũng có độ trễ lớn và sinh nhiệt lượng rất cao. Thiết bị này không thể tự điều chỉnh mô men biến thiên theo điều kiện bám thực tế của mặt đường. Do đó, các hệ thống cơ điện tử thông minh dần thay thế các giải pháp cơ khí thô sơ.
III. Giải pháp kiểm soát phân phối công suất kéo bằng bộ chấp hành ABS
Giải pháp cốt lõi của tác giả Phan Tấn Tài là tận dụng bộ chấp hành thủy lực của hệ thống ABS để điều khiển kéo tích cực. Thay vì chỉ giảm áp suất phanh khi bánh xe bị bó cứng lúc hãm xe, cụm van ABS được lập trình để chủ động tăng áp suất lên bánh xe đang bị trượt quay tự do. Cụm điều khiển điện tử ECU sẽ giám sát chặt chẽ vận tốc góc tại từng cảm biến tốc độ bánh xe. Khi chênh lệch tốc độ giữa hai bánh xe vượt qua ngưỡng quy định, van điện từ sẽ đóng mở để phanh riêng bánh xe mất độ bám. Lực phanh sinh ra một mô men cản nhân tạo tương đương lực cản lăn thực tế. Dưới tác động cơ học của vi sai, mô men dẫn động từ động cơ được chuyển hướng ngay lập tức sang bánh xe còn lại đang bám tốt. Toàn bộ chu trình kiểm soát diễn ra liên tục với tần số cao và thời gian phản hồi chỉ tính bằng mili giây. Phương pháp này đảm bảo ô tô duy trì sức kéo ổn định mà không cần ngắt bớt mô men động cơ hay thay đổi kết cấu cơ khí ban đầu.
3.1. Xây dựng mô hình động lực học hệ thống truyền lực
Tác giả sử dụng phương trình vi phân nhiều vật để mô tả hành vi động lực học của hệ thống truyền lực. Mô hình toán học bao gồm động cơ, trục khuỷu, ly hợp, hộp số, cụm vi sai và hai bán trục chủ động. Tác giả kết hợp phương pháp Newton - Euler và nguyên lý Lagrange loại hai để thiết lập quan hệ mô men xoắn và vận tốc góc. Cơ cấu vi sai được mô phỏng chi tiết có tính đến quán tính của bánh răng hành tinh và bánh răng bán trục. Mô hình được số hóa trên phần mềm Matlab/Simulink nhằm kiểm chứng đáp ứng chuyển động trong các kịch bản mặt đường khác nhau. Kết quả tính toán mô phỏng phản ánh chuẩn xác hiện tượng phân phối lực kéo hai bên bánh xe.
3.2. Thuật toán điều khiển phanh chủ động từng bánh xe
Thuật toán điều khiển thiết lập ngưỡng trượt mục tiêu cho từng bánh xe dựa trên tín hiệu vận tốc góc. Khi bánh xe chủ động bắt đầu vượt ngưỡng trượt cho phép, bộ điều khiển kích hoạt van nạp thủy lực của cụm ABS. Áp suất dầu phanh trong xylanh công tác tăng dần để hãm vận tốc quay của bánh xe trượt. Thuật toán liên tục hiệu chỉnh mức áp suất phanh tương ứng với độ lệch vận tốc góc giữa hai bánh xe. Việc này duy trì bánh xe bám ở vùng trượt tối ưu nhằm tạo lực đẩy tối đa. Khi hai bánh xe đạt trạng thái cân bằng vận tốc, hệ thống xả áp nhanh chóng để bánh xe lăn bình thường. Quá trình kiểm soát diễn ra êm dịu và chính xác.
IV. Đánh giá hiệu quả kiểm soát công suất kéo cầu chủ động bằng ABS
Nghiên cứu của Phan Tấn Tài chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng bộ chấp hành ABS vào kiểm soát phân phối công suất kéo. Thử nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm HIL (Hardware-in-the-Loop) khẳng định độ tin cậy của thuật toán điều khiển trong thời gian thực. Khi bánh xe chủ động bên phải đi vào bề mặt có hệ số bám thấp, hệ thống lập tức can thiệp và thiết lập lại cân bằng động lực học. Tốc độ góc của bánh xe trượt được ghìm giữ ở giá trị an toàn thay vì tăng vọt mất kiểm soát. Nhờ vậy, mô men truyền tới bánh xe bên trái tăng lên đáng kể giúp ô tô dễ dàng vượt qua vùng địa hình trơn trượt. So với việc lắp đặt các bộ vi sai hạn chế trượt chủ động đắt tiền, phương pháp tận dụng cụm ABS tiết kiệm chi phí đáng kể cho các nhà sản xuất xe con. Kết quả này mở ra hướng phát triển hệ thống điều khiển kéo điện tử TCS hiện đại trên cơ sở nâng cấp phần mềm điều khiển.
4.1. Kết quả thử nghiệm trên hệ thống phần cứng HIL
Hệ thống thử nghiệm mô phỏng phần cứng trong vòng lặp HIL kết nối cụm chấp hành ABS thực tế với máy tính mô phỏng thời gian thực. Kết quả đo kiểm cho thấy thời gian phản hồi của van thủy lực diễn ra tức thì ngay khi bánh xe xuất hiện xu hướng trượt. Tốc độ góc của bánh xe trượt giảm về phạm vi làm việc tối ưu trong vòng chưa đầy một giây. Áp suất phanh được duy trì chuẩn xác tương thích với đặc tính lực bám của mặt đường. Mô men xoắn hữu ích nhanh chóng dồn về bánh xe có độ bám cao giúp xe giữ vững quỹ đạo chuyển động. Quá trình kiểm nghiệm HIL xác nhận độ bền và độ an toàn của thuật toán đề xuất.
4.2. Tiềm năng ứng dụng thực tế trong sản xuất ô tô
Nghiên cứu đem lại giá trị thực tiễn to lớn cho ngành sản xuất và lắp ráp ô tô con. Giải pháp giúp các hãng xe nâng cấp tính năng an toàn chủ động mà không phải thiết kế lại khung gầm hay hệ thống cầu truyền lực. Việc sử dụng chính các van thủy lực ABS sẵn có làm giảm chi phí sản xuất linh kiện cơ khí đắt đỏ. Công nghệ kiểm soát phân phối công suất kéo này có thể tích hợp trực tiếp vào hệ thống cân bằng điện tử ESP hoặc kiểm soát lực kéo TCS. Giải pháp mang lại trải nghiệm lái xe mượt mà, giúp phương tiện dễ dàng vận hành trên mặt đường trơn trượt, dốc nghiêng hoặc địa hình lầy lội phức tạp.