Luận án về thiết kế bộ điều khiển và khảo sát chuyển động ô tô với hệ thống lái tích cực

Tài liệu chuyên sâu Thiết kế bộ điều khiển ô tô với hệ thống lái tích cực, phân tích đa chiều, cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc cho chuyên ngành

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Ô Tô Với Hệ Thống Lái Tích Cực
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô
• 1.1.1. Khái quát về an toàn chuyển động
• 1.1.2. Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô
• 1.1.2.1. Mất ổn định hướng khi quay vòng
• 1.1.2.2. Mất ổn định hướng do tác dụng của gió ngang
• 1.1.2.3. Mất ổn định hướng khi phanh
• 1.1.3. Bánh xe dẫn hướng
• 1.1.4. Quá trình phát triển hệ thống lái trên ô tô
• 1.1.4.1. Hệ thống lái cơ khí
• 1.1.4.2. Hệ thống lái trợ lực thủy lực
• 1.1.4.3. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử
• 1.1.4.4. Hệ thống lái trợ lực điện
• 1.1.4.5. Hệ thống lái tích cực

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bộ điều khiển ô tô và hệ thống lái tích cực

Bộ điều khiển ô tô là một phần quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu suất của xe. Hệ thống lái ô tô, đặc biệt là hệ thống lái tích cực, đóng vai trò quyết định trong việc điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe. Công nghệ lái tích cực giúp người lái kiểm soát tốt hơn các tình huống mất ổn định, từ đó nâng cao tính an toàn giao thông. Việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái tích cực không chỉ giúp cải thiện hiệu suất lái mà còn góp phần vào việc giảm thiểu tai nạn giao thông. Theo nghiên cứu, công nghệ lái tích cực có thể điều chỉnh tỷ số truyền của hệ thống lái theo tốc độ, giúp xe ổn định hơn khi di chuyển ở tốc độ cao.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống lái ô tô

Hệ thống lái ô tô là một trong những yếu tố quan trọng nhất đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách. Hệ thống lái tích cực không chỉ giúp xe dễ dàng điều khiển mà còn tăng cường khả năng phản ứng của xe trong các tình huống khẩn cấp. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ lái tích cực là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về an toàn giao thông. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc cải tiến hệ thống lái có thể giảm thiểu đáng kể tỷ lệ tai nạn giao thông, đặc biệt là trong các tình huống phức tạp như quay vòng hoặc khi có gió ngang.

II. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái tích cực

Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái tích cực yêu cầu sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Mô hình động lực học của ô tô cần được xây dựng để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của hệ thống lái. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của bộ điều khiển. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng cảm biến ô tô để thu thập dữ liệu về trạng thái chuyển động của xe là rất quan trọng. Dữ liệu này sẽ được sử dụng để điều chỉnh tỷ số truyền của hệ thống lái, từ đó đảm bảo quỹ đạo chuyển động ổn định.

2.1. Mô hình động lực học ô tô

Mô hình động lực học của ô tô là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển. Mô hình này giúp phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động của xe, bao gồm lực tác động từ mặt đường, trọng lượng xe và các yếu tố khí động học. Việc xây dựng mô hình này cần phải sử dụng các phần mềm mô phỏng như Matlab Simulink để kiểm tra và tối ưu hóa các thông số. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng mô hình động lực học có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống lái tích cực.

III. Khảo sát và thí nghiệm hệ thống lái tích cực

Khảo sát và thí nghiệm là bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển được thiết kế. Việc thực hiện các thí nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm sẽ giúp xác định tính khả thi của các giải pháp đã đề xuất. Các chế độ chuyển động như quay vòng ổn định, chuyển làn và chuyển động thẳng cần được kiểm tra để đảm bảo rằng hệ thống lái tích cực hoạt động hiệu quả trong mọi tình huống. Kết quả từ các thí nghiệm sẽ cung cấp thông tin quý giá để điều chỉnh và hoàn thiện bộ điều khiển.

3.1. Thiết kế mô hình thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm cần được thiết kế sao cho phản ánh chính xác các điều kiện thực tế mà ô tô sẽ gặp phải. Việc sử dụng các cảm biến để thu thập dữ liệu trong quá trình thí nghiệm là rất quan trọng. Các thông số như tốc độ, góc quay và lực tác động sẽ được ghi lại để phân tích. Kết quả từ thí nghiệm sẽ giúp đánh giá hiệu quả của hệ thống lái tích cực và đưa ra các điều chỉnh cần thiết cho bộ điều khiển.

IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu về thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái tích cực không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc phát triển các sản phẩm ô tô mới, giúp nâng cao tính an toàn và hiệu suất của xe. Hơn nữa, nghiên cứu này cũng góp phần vào việc đào tạo nguồn nhân lực cho ngành công nghệ kỹ thuật ô tô tại Việt Nam. Việc áp dụng công nghệ lái tích cực sẽ giúp ngành công nghiệp ô tô trong nước phát triển bền vững và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc thiết kế và sản xuất các loại ô tô mới với hệ thống lái tích cực. Điều này không chỉ giúp nâng cao tính an toàn mà còn cải thiện trải nghiệm lái xe cho người sử dụng. Các nhà sản xuất ô tô có thể sử dụng các giải pháp từ nghiên cứu này để phát triển các sản phẩm cạnh tranh hơn trên thị trường. Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ lái tích cực cũng sẽ giúp giảm thiểu tai nạn giao thông, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp ô tô.

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 thie7steering 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.