Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Báo cáo Nghiên cứu khoa học sinh viên
Đề tài: Nghiên cứu hệ thống ổn định quỹ
đạo chuyển động của ôtô ESC
(Electronic stability control)
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên lớp Cơ khí ô tô A-K45
1. Nguyễn Văn Hiệp
2. Nguyễn Bình Dơng
3. Trịnh Trọng Tuấn
4. Nhâm Ngọc Tuấn
năm 2008
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 1 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Mục lục
Mục lục2
Lời nói đầu..4
Chơng I tổng quan về đề tài .6
i- đặt vấn để...6
II- mục đích, phơng hớng nghiên cứu và nhiệm vụ
của đề tài....8
1- mục đích của đề tài8
2- Phơng hớng nghiên cứu của đề tài..9
3- Nhiệm vụ của đề tài9
II- TổNG QUAN Về Hệ ThốNG ESC..............................................9
1- Qúa trình hình thành và phát triển..10
2- Cơ sở cho sự ra đời của hệ thống ESC11
Chơng ii Cơ sở lý thuyết của hệ thống ESC.......15
I- Động lực học ô tô khi phanh.............................................15
việc sản xuất và lắp ráp ô tô tạo điều kiện cho các nhà thiết kế nghiên cứu, chế
tạo các cụm, các hệ thống trên ô tô trong nớc trong đó có các hệ thống nâng
cao tính năng an toàn cho ngời sử dụng. Vấn đề nghiên cứu nâng cao tính
năng an toàn cho ngời sử dụng thông qua kết cấu và điều khiển là vô cùng
quan trọng. Do đờng xá ngày càng đợc cải thiện tốt hơn, tốc độ phát triển
nghành giao thông vận tải tăng nhanh cho nên tốc độ chuyển động của ô tô
cũng ngày càng đợc nâng cao. Tuy nhiên, cùng với những sự phát triển đó mật
độ phơng tiện cơ giới trên đờng ngày càng cao, vấn đề tai nạn giao thông trên
đờng là vấn đề quan tâm hàng đầu. Chính vì vậy, chúng em chọn nghiên cứu
về đề tài:
Nghiên cứu hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ESC
(Electronic Stability Control)
Với tình hình hiện nay ngành công nghiệp ô tô của ta chủ yếu là lắp ráp
nên để có thể độc lập chế tạo trong tơng lai rất cần những nghiên cứu ứng
dụng trong thực tiễn. Đây là một hệ thống khá mới và hiện đại đợc ứng dụng
trên ô tô, đặc biệt với nghành công nghiệp ô tô Việt Nam. Mặt khác, tài liệu
chuyên sâu về hệ thống của các nhà sản xuất không đợc công khai rộng rãi,
cùng với trình độ chuyên môn cha sâu rộng, do vậy mà việc nghiên cứu cụ thể
kết cấu, cấu tạo và nguyên lý của hệ thống gặp nhiều khó khăn và có nhiều
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 4 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
thiếu xót. Rất mong sự phê bình, đóng góp ý kiến của các thầy trong hội đồng
giám khảo và những ngời quan tâm đến đề tài.
Xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Tuấn Anh là ngời đã trực tiếp hớng
dẫn và giúp đỡ chúng em nghiên cứu đề tài. Chân thành cảm ơn các thầy trong
Bộ môn Cơ khí ô tô - Khoa Cơ khí Trờng Đại học G.T.V.T Hà nội đã giúp
đỡ và góp ý cho đề tài trong quá trình thực hiện.
Nhóm Sinh viên:
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 6 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
giới đều đã dành những khoản kinh phí rất lớn cho việc nghiên cứu tích hợp
các hệ thống an toàn trên các dòng xe của mình. Ngày nay, gần nh toàn bộ các
hệ thống, tổng thành trên ô tô đã đợc can thiệp bởi các hệ thống tích hợp cơ
khí hay điện tử nhằm tạo ra sự tiện nghi và an toàn cao nhất cho ngời sử dụng.
Hiện tại, đã có rất nhiều hệ thống đợc nghiên cứu và ứng dụng trên xe
của các hãng sản xuất ô tô và chúng mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc đảm
bảo an toàn cho ngời sử dụng nh :
+ Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh - ABS (Anti-lock Braking
System).
+ Hệ thống phân phối lực phanh điện tử - EBD (Electronic Brake force
Distribution)
+ Hệ thống kiểm soát lực kéo - TRC (Traction Control System).
+ Hệ thống điều khiển góc quay của xe quanh trục dọc xe AYC (Active
Yaw Control).
+ Hệ thống túi khí....vv...
Và còn rất nhiều các hệ thống đợc ứng dụng trên nhiều xe khác nhau.
Các hệ thống trên hỗ trợ ngời lái trong quá trình phanh, quá trình khởi hành
hay khi chuyển động trên các loại đờng trơn trợt có hệ số bám thay đổi, chúng
chủ yếu tác động đến lực phanh, lực kéo nhằm kiểm soát sự trợt của các bánh
xe và chúng thờng đợc ứng dụng một cách độc lập trên xe.
Tuy nhiên nguyên nhân gây tai nạn không chỉ đơn thuần là do sự trợt của
các bánh xe trên đờng, trên thực tế đã có rất nhiều những tai nạn đáng tiếc xảy
ra do hiệu quả phanh kém hoặc khi phanh xảy ra hiện tợng bó cứng bánh xe
làm mất khả năng điều khiển hoặc khi ô tô khởi hành hay tăng tốc độ đột ngột
trên đờng có hệ số bám thấp thì rất có thể các bánh xe chủ động bị trợt quay
tại chỗ dẫn đến làm mất mát mô men chủ động và có thể làm trợt xe. Đặc biệt
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
Mercedes-Benz, BMW, Toyota, Honda...Và một số tài liệu khác, đề tài tập
trung vào giới thiệu một cách tổng quan nhất về hệ thống, để có những hiểu
biết cơ bản về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cũng nh các tác dụng mà hệ thống
mang lại cho chúng ta.
3- Nhiệm vụ của đề tài.
Giới thiệu tổng quan về hệ thống ESC.
Xây dựng cơ sở lý thuyết cho hoạt động của hệ thống ESC
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống.
III- Tổng quan về hệ thống ESC
1- Quá trình hình thành và phát triển.
ESC là tên viết tắt của Electronic Stability Control, là một trong những hệ
thống an toàn đợc trang bị trên ô tô hiện đại ngày nay. Hệ thống này đợc một
kỹ s ngời Đức triển khai đầu tiên với tên gọi Elektronisches Stabilitọts
Program (ESP) và đợc hai hãng sản xuất ô tô là Mercedes-Benz và BMW ứng
dụng lần đầu tiên trên ô tô vào năm 1995. Sau đó nó đợc giới thiệu tại hội trợ
triển lãm ô tô Mỹ với cái tên ESC (Electronic Stability Control) và sau này tên
gọi ESC trở thành thông dụng với sự chấp nhận của hiệp hội kỹ s ô tô Mỹ, mặc
dù cũng có rất nhiều tên gọi khác nhau tuỳ theo nhà sản xuất.
Có thể nói ESC là hệ thống còn rất mới mẻ đối với nớc ta nhng trên thế giới
thì ESC đã trở thành một hệ thống khá quen thuộc đối với ngành công nghiệp
ô tô nói riêng và với ngời sử dụng ô tô nói chung. Sự phổ biến của hệ thống
này có thể thấy rõ qua những số liệu sau: ESC là tiêu chuẩn trên 40% xe khách
năm 2006 và tuỳ chọn trên 15% với các loại xe khác tại Đức. Nó là tiêu chuẩn
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 9 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
trên mọi xe: Audi 2006, BMW, Infiniti, Mercedes-Benz, Porsche. Tám hãng
chế tạo ô tô khác là: Cadillac , Jaguard, Randrover, Lexus, Mini, Toyota,
Volkswagen, Volvo cũng đã đa ra ít nhất là tùy chọn trên tất cả các mẫu xe.
+) Lexus: Vehicle Stability Control (VSC) and Traction
Control (TRAC) systems
+) Lincoln: AdvanceTrak
+) Mazda: Dynamic Stability Control
+) Mercedes: Electronic Stability Program (ESP)
+) Nissan: Vehicle Dynamic Control (VDC)
+) Porsche: Porsche Stability Management (PSM)
+) Suzuki: Vehicle Stability Control (VSC)
+) Toyota: Vehicle Dynamics Integrated Management
(VDIM) with Vehicle Stability Control (VSC)
2- Cơ sở cho sự ra đời của hệ thống ESC
Trớc hết chúng ta cần hiểu thế nào là tính ổn định của ô tô. Nói một
cách khái quát, tính ổn định của ô tô là khả năng đảm bảo giữ đợc quỹ đạo
chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau. Tùy
thuộc điều kiện sử dụng, ô tô có thể đứng yên, chuyển động trên đờng dốc (đ-
ờng có góc nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang), có thể quay vòng hoặc phanh ở
các loại đờng khác nhau (đờng tốt, đờng xấu, đờng trơn trợt...). Trong những
điều kiện chuyển động phức tạp nh vậy, ô tô phải giữ đợc quỹ đạo chuyển
động của nó sao cho không bị lật đổ, không bị trợt hoăc xe không bị nghiêng,
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 11 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
cầu xe bị quay lệch trong giới hạn cho phép để đảm bảo cho xe chuyển động
an toàn. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, rất nhiều hệ thống
tích hợp trên ô tô cũng đợc nghiên cứu và phát triển nhằm đảm bảo sự ổn định
cho xe.
Năm 1949 bộ chống hãm cứng bánh xe ABS đợc sử dụng đầu tiên trong
ngành hàng không, ABS lúc đó là loại cơ khí. Trong quá trình phát triển, ABS
đã đợc cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và nay là loại điện tử. Trong ngành
làm giảm mô mên xoắn của động cơ bằng cách đóng bớt bớm ga mà không
phụ thuộc vào ý định của ngời lái và cùng lúc đó kết hợp với hệ thống ABS
điều khiển hệ thống phanh tác dụng lên các bánh xe chủ động,vì vậy làm giảm
mô men kéo truyền tới mặt đờng tới một giá trị phù hợp. Nhờ đó xe có thể
khởi động và tăng tốc một cách nhanh chóng và ổn định.
Trên một số xe hiện nay trongtrờng hợp phanh khẩn cấp nh gặp chơng
ngại vật độ ngột ngời lái xe đặc biệt là ngờithiếu kinhnghiệm , thờng hoang
mang va phản ứng không kịp thời nên đạp chân lên bàn phanh không đủ
mạnh , do đó không đủ lục phanh để dừng xe,. Lực phanh tác dụng lên bàn
đạp cũng yếu dần đi trong quá trình phanh làm giảm tác dụng phanh.
Bằng cách nhận biết tốc độ và lực tác dụng lên bàn đạp phanh của ngời
lái xe, một hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp BAS Brake Assist System sẽ tự
động cung cấp thêmmọt lực phanh lớn hơn nhiều so với lực phanh do ngời lái
tạo ra để dừng hẳn xe.
Do sự phát triển , ngày nay ESC la kết hợp của tất cả các hệ thống trên.
ESC ngày càng đợc tích hợp nhiều hệ thống đi cùng để nhằm tăng tính an toàn
cho xe.
Có thể nói hệ thống ổn định điện tử ESC là một thành tựu mới của
nghành công nghiệp ô tô trong việc nâng cao tính an toàn cho ngời sử dụng.
Sự ra đời của ESC gắn liền với quá trình hoàn thiện của các hệ thống điện tử
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 13 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
khác liên quan đến tính an toàn đó là: Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi
phanh ABS (Anti-lock Braking Sytem), hệ thống kiểm soát lực kéo TRC. Và
ESC chính là sự kết hợp của hai hệ thống này, nó làm việc dựa trên cơ sở kế
thừa và phát huy nhng u điểm của cả hai hệ thống và kết hợp chúng một cách
hoàn hảo. Ta có thể tóm tắt qua sơ đồ sau:
Từ sơ đồ trên ta có thể thấy hệ thống ESC làm việc dựa trên nền tảng sự
td
G
- Tải trọng tĩnh và động đặt lên bánh xe.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 15 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Hệ số bám giữa lốp và đờng không phải là một hằng số mà là một hàm của
các nhân tố, nó phụ thuộc vào loại bề mặt đờng cũng nh mức độ trợt dọc giữa
lốp và mặt đờng. Các đờng cong quan hệ giữa hệ số bám dọc với độ trợt bánh
xe trên các bề mặt đờng khác nhau trình bày trên hình 1-1.
Lực phanh sinh ra phụ thuộc vào mức độ trợt bánh xe. Nếu bánh xe trợt
hoàn toàn, không có lực phanh. Mối quan hệ này là nguyên tắc cơ bản để
hiểu quá trình phanh và không dễ quan sát khi độ trợt gần 100% (bánh xe
trợt lết hoàn toàn) khó nhận thấy khi không có thiết bị chuyên dùng.
Lực phanh cao nhất có đợc khi mức độ trợt nhỏ. Khi cung cấp lực phanh
quá lớn sẽ gây ra trợt 100 % và nh thế sẽ không sinh ra lực phanh cực đại,
vì vậy cần điều khiển áp suất phanh cung cấp bằng kỹ năng của ngời lái
hoặc thông qua bộ điều khiển chống hãm cứng để quãng đờng phanh ngắn
nhất trên hầu hết các bề mặt.
Lực phanh sinh ra biến đổi nhiều theo bề mặt đờng. Quãng đờng phanh
và gia tốc phanh rất dễ nhận ra khi phanh trên đờng asphalt khô so sánh với
phanh trên đờng đóng băng.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 16 -
20
0.2
0.4
0.6
- lực bên.
y
- hệ số bám ngang giữa lốp và mặt đờng.
Hệ số bám ngang giảm nhanh khi một bánh xe bắt đầu trợt dọc. Khi
bánh sau trợt quá lớn dẫn đến mất lực bên sẽ góp phần làm không ổn định
phần đuôi xe dẫn đến sự trợt ngang khi có lực bên nhỏ tác động vào xe.
Bánh xe trợt quá lớn dẫn đến mất lực bên tác động lên các bánh trớc của xe
làm tăng khả năng mất lái; hiện tợng mất lái này thờng xảy ra khi phanh
gấp trên đờng có hệ số bám thấp nh đờng đóng băng, tác dụng lực phanh
quá lớn làm cho lốp ở trạng thái trợt 100%.
Trong quá trình phanh ô tô thờng xảy ra sự trợt tơng đối của bánh xe với
mặt đờng , mà hệ số bám của bánh xe và mắt đờng lại phụ thuộc rất nhiều
vào độ trợt này, do dố làm ảnh hởng đến chất lợng phanh.sự thay đổi của lực
bám theo độ trợt đợc chỉ rõ trên đồ thị thực nghiệm sau:
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 17 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Đồ thị thay đổi hệ số bám dọc và ngang
theo độ trợt tơng đối của bánh xe khi phanh
+ Độ trợt tơng đối đợc xác định theo công thức sau:
.
bx bx
V r
V
lực phạnh tạo ra do lái xe thờng lớn hơn lực phanh tối u, điều này dẫn điến
bó cứng bánh xe, làm mất khả năng kiểm soát cua lái xe cả về hớng và khả
năng điều khiển phanh dẫn đến gây ra tai nạn. Để giúp cho lái xe có thể
phanh với hiệu quả phanh tối u, tức là phanh trong trạng thái gấp với hệ số
trợt tối u thì các ô tô hiện đại ngày nay đã đợc trang bị hệ thống chống bố
cứng phanh ABS. Hệ thống này dùng một bộ vi xử lý để xác định tình trạng
quay của 4 bánh xe trong khi phanh và có thể tự động điều khiển tăng giảm
lực phanh để đảm bảo cho quá trình phanh không xảy ra hiện tợng bó cứng
bánh xe.
Để đánh giá tính ổn định dẫn hớng của ôtô khi phanh ngời ta dùng một
số chỉ tiêu sau:
- Góc lệch của ôtô khi phanh, về mặt lý thuyết góc này xác định đợc.
- Hành lang cho phép mà ôtô không đợc vợt ra ngoài ở cuối quá trình
phanh.
- Hệ số không đồng đều lực phanh.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 19 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
II. Động lực học ôtô khi khởi hành hoặc tăng tốc
ở
đờng có hệ số bám thấp, chẳng hạn nh đờng băng, tuyết hay đờng ớt,
bánh xe chủ động sẽ bị quay tại chỗ nếu xe khởi hành hay tăng tốc nhanh,
làm mất mát mômen chủ động và có thể làm trợt xe. Mômen cực đại có thể
truyền đến các bánh xe đợc quyết định bởi hệ số ma sát giữa lốp xe và mặt
đờng. Nếu cố truyền mômen đến các bánh xe vợt quá mức này, nó sẽ làm
bánh xe dễ bị trợt quay. Việc đảm bảo mômen phù hợp với hệ số ma sát
trong các trờng hợp này đôi khi không dễ dàng với cả ngời lái. ở phần lớn
các trờng hợp, khi khởi hành xe đột ngột, ngời lái đạp chân ga quá mạnh và
ợc truyền lực kéo nh nhau, tơng ứng với khả năng bám ở bánh xe có lực bám
thấp và vì vậy khả năng bám bên ở các bánh xe có độ bám dọc lớn sẽ lớn
hơn. Khi khả năng bám xấp xỉ ở tất cả các bánh chủ động, hệ thống làm tăng
tính ổn định của xe (điều khiển tính dẫn hớng). Khi tăng lực kéo, các bánh
xe trợt lết nên có thể không điều khiển đợc xe. Hệ thống điều khiển lực kéo
kết hợp chặt chẽ với bộ điều khiển mô men động cơ và bổ sung thêm phanh
(hoặc điều khiển vi sai) có thể áp dụng đồng thời để đảm bảo tính ổn định
của xe (điều khiển tính dẫn hớng) và tối u sự tăng tốc. Bộ điều khiển mômen
động cơ là phơng pháp đợc u tiên trên các mặt đờng có đủ điều kiện bám
đồng nhất, trong khi tác dụng lực phanh (hoặc điều khiển vi sai) cung cấp sự
tăng tốc tối u ở tất cả các bánh xe chủ động.
Hình 2.2 trình bày lực tác động lên các bánh xe khi tăng tốc trên đờng có
bề mặt không đồng nhất.
Lực kéo cực đại có thể đơc tính nh sau:
BLLH
FFFFF
+=+=
2
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 21 -
F
B
F
L
L
F
H
F
=
+ Độ trợt khi tăng tốc
V
Vr
R
A
=
với
R
r V
+ Trong đó:
A
và
B
lần lợt là độ trợt khi tăng tốc và khi phanh.
Độ trợt khi tăng tốc có thể nằm trong khoảng từ 0 tới rất cao và thờng đợc
sử dụng để mô tả các điều kiện có thể xảy ra khi các bánh chủ động trợt
quay khi tăng tốc lúc khởi hành. Hình 2.3 tới hình 2.6 mô tả quá trình tăng
tốc và hệ số bám bên là một hàm của độ trợt khi tăng tốc.
Hình dới đây cung cấp mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và độ trợt khi
tăng tốc trên đờng thẳng. Yêu cầu duy trì độ bám bên nhỏ ở những điều kiện
này (ví dụ sự bù gió bên), sự duy trì lực kéo mới là nhân tố chính.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 22 -
,
1.00.60.2 0.4 0.8
Độ trượt giữa lốp và mặt đường
A
(%)
0.2
0.4
0.8
0.6
1.0
=4
0
=8
0
=4
0
=8
0
Hình 2.5- Hệ số bám dọc và hệ số bám
ngang ở các góc trượt khác nhau trên đư
ờng khô.
à
S
à
A
Hình 2.4- Đồ thị hệ số bám ngang theo góc
trượt
0.2
0.4
0.6
và
bá
m
ng
an
g
x
,
y
Độ trượt giữa lốp và mặt đường
A
= 0.5
0
0.4 0.6 0.8
0.05
1.0
0.15
= 1
0
= 1
0
= 0.5
0
x
y
0.2
..
2
=
(3-1)
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 25 -
Copyright: Tài liệu đại học ©