BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM VĂN TUẤN
XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA
HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN BY WIRE
Chuyên ngành
Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS PHẠM HỮU NAM
Hà Nội – Năm 2012
LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho học viên cao học)
I. Sơ lược lý lịch:
Họ và tên: Phạm Văn Tuấn
Giới tính: Nam
Sinh ngày: 10 tháng 07 năm 1986
Nơi sinh(Tỉnh mới): Mạo Khê – Đông Triều – Quảng Ninh
Quê quán: Mạo Khê – Đông Triều – Quảng Ninh
Chức vụ: Cán bộ Phòng Bồi Thường
Đơn vị công tác: Công ty Bảo Hiểm Ngân Hàng Thương Mại Cổ Phần Công Thương Việt Nam
Giám định, Bồi thường
IV. Các công trình khoa học đã công bố:
Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật.
Ngày 15 tháng 03 năm 2012
NGƯỜI KHAI KÝ TÊN
Phạm Văn Tuấn
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.
TS Phạm Hữu Nam. Đề tài được thực hiện tại bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng,
trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu kết quả trình bày trong luận văn là
hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác.
Hà Nội, 15/3/2012
Tác giả
Phạm Văn Tuấn
-1MỤC LỤC…………………………………………………………………………...1
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ…………………………………………………..3
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………………7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN………………………………………………………...9
-24.4.2 Khối tính toán góc lệch thân xe………………………………………44
4.4.3 Khối tính toán góc xoay thân xe………………………………………45
4.4.4 Khối tính toán tọa độ trọng tâm ô tô và góc quay bánh xe dẫn hướng 46
4.4.5 Khối tính toán tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe…………………..47
4.4.6 Khối tính toán gia tốc bánh xe…………………………………………49
4.4.7 Khối tính toán độ trượt và góc lệch bên các bánh xe………………….52
4.4.8 Khối tính toán lực dọc và lực ngang tại các bánh xe…………………..55
4.4.9 Khối tính toán động học chuyển động của xe………………………….57
4.4.10 Khối tính toán mô men kéo tại các bánh xe…………………………..58
4.5 Các trường hợp khảo sát
4.5.1 Trường hợp không VSC và có VSC ở vận tốc 60 km/h..................................59
4.5.2 Trường hợp TRC..............................................................................................61
KẾT LUẬN...............................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................71
Luận văn thạc sĩ
-3DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT Chữ viết tắt
Tên đầy đủ
Ý nghĩa
1
ABS
TRC
Traction
Hệ thống chống trượt quay bánh xe
Hệ thống điều khiển ổn định hướng
6
VSC
Vehicle Stability Control
chuyển động của xe
Hệ thống phanh by wire có hỗ trợ
7
EHB
Electric Hydraulic Brake
thủy lực
Hệ thống phanh by wire không hỗ
8
EMB
4
Pc
Lực cản chuyển động
N
5
Pk
Lực kéo
N
6
P
Lực bám
N
7
Pf
Lực cản lăn
ε
Góc quay thân xe
rad
12
L
Chiều dài cơ sở
m
Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu m
13
a
trước
Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu m
14
b
sau
15
19
Fi
Lực dọc tại các bánh xe
N
20
Si
Lực bên tại các bánh xe
N
21
Pfi
Lực cản lăn tại các bánh xe
N
22
Zi
Lực theo phương thẳng đứng tại các bánh xe
Hình 3.2: Các lực tác dụng lên ô tô theo mặt phẳng
Hình 3.3: Quan hệ động học của ô tô trong mô hình phẳng tổng quát
Hình 3.4: Xác định vị trí trọng tâm ô tô tại một thời điểm nhất định
Hình 3.5: Sơ đồ xác định gia tốc trọng tâm
Hình 3.6: Quan hệ động học mô hình động học hai vết
Hình 3.7: Quan hệ động học của bộ vi sai
Hình 3.8: Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh
Hình 3.9: Sự phân chia phản lực thẳng đứng của một cầu
Hình 3.10: Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng của các bánh xe
Hình 3.11: Trạng thái của bánh xe.
Hình 3.12: Sơ đồ tính toán lực tác dụng trên vết với bánh xe chủ động
Hình 3.13: Sơ đồ tính toán lực tác dụng trên vết với bánh xe bị phanh
Hình 4.1: Modul tính toán vận tốc chuyển động ô tô
Hình 4.2: Modul tính toán góc lệch thân xe
Hình 4.3: Modul tính toán góc xoay thân xe
Hình 4.4: Modul tính toán tọa độ trọng tâm xe và góc quay bánh xe
dẫn hướng
Hình 4.5: Modul tính toán tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe
Hình 4.6: Các chương trình con tính toán tải trọng thẳng đứng tác dụng lên
các bánh xe
Hình 4.7: Modul tính toán gia tốc góc tại bánh xe 1
Hình 4.8: Modul tính toán gia tốc góc tại bánh xe 2
Hình 4.9: Modul tính toán gia tốc góc tại bánh xe 3
Hình 4.10: Modul tính toán gia tốc góc tại bánh xe 4
Hình 4.11: Modul tính toán độ trượt và góc lệch bên tại các bánh xe
Hình 4.12: Chương trình con tính toán độ trượt và góc lệch bánh xe số 1
Hình 4.13: Chương trình con tính toán độ trượt và góc lệch bánh xe số 2
Luận văn thạc sĩ
Luận văn thạc sĩ
-7-
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay nền công nghiệp sản xuất ô tô đã chứng kiến sự xuất hiện của
nhiều công nghệ mới rất đáng chú ý. Sự phát triển của công nghệ phần mềm, của
những bộ vi xử lý tốc độ khiến ô tô ngày càng hoàn thiện hơn. Một số công nghệ
gần đây giúp hệ thống phanh ô tô hoạt động hiệu quả hơn và tăng cường sự kiểm
soát khi điều khiển xe trong tình trạng thời tiết xấu. Ba công nghệ an toàn của hệ
thống phanh, bắt đầu xuất hiện từ giữa những năm 1980. Đó là các công nghệ: ABS
(Anti-lock Brakes 1978), Traction control (1985) và hệ thống cân bằng điện tử
Stability control (1995). Ba công nghệ đều liên quan đến vấn đề đảm bảo khả năng
bám giữa lốp xe và mặt đường.
Ngày nay với sự phát triển của ngành cơ điện tử đã thay thế dần các hệ thống
phanh truyền thống bằng các hệ thống cơ điện tử nhưng vẫn đáp ứng được các tính
năng ưu việt của các hệ thống ABS và các liên hợp của nó. Đó là hệ thống phanh
điều khiển “By Wire”. Hệ thống phanh mới này có kết cấu nhỏ gọn, dễ bố trí và có
ưu điểm là thời gian chậm tác dụng của hệ thống là rất nhỏ(có thể coi là tức thời).
Mặt khác hệ thống phanh By Wire hoạt động dựa trên tín hiệu điện, và có thể hoạt
động ngay cả khi không có tác động trực tiếp của người lái. Đây là xu hướng phát
triển hệ thống phanh trong tương lai.
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng việc xây dựng mô
hình động lực học để khảo sát các tính năng ổn định của xe có trang bị hệ thống
phanh điều khiển “By Wire’’. Luận Văn thực hiện các nhiệm vụ sau:
-
Phân tích tính ổn định chuyển động của xe trong các chế độ làm việc.
-9-
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tính ổn định chuyển động của ô tô ở các chế độ làm việc khác nhau
Quá trình chuyển động của ô tô là quá trình tương tác giữa bánh xe và mặt
đường. Lực bám giữa bánh xe và mặt đường được đặc trưng bằng hệ số bám theo
cả hai phương, phương dọc (x) và phương ngang (y). Các kết quả nghiên cứu về
động lực học của bánh xe ô tô chuyển động trên nền đường cứng cho thấy dưới tác
dụng của mô men (phanh hoặc kéo), lốp xe bị biến dạng làm xuất hiện hiện tượng
trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường.
Bằng thực nghiệm, người ta đã xây dựng được đồ thị trượt thể hiện mối
quan hệ giữa các hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y đối với độ trượt tương
đối của bánh xe khi phanh.
Hình 1.1: Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhau
Các hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y đều thay đổi theo độ trượt .
Ban đầu khi tăng độ trượt thì hệ số bám dọc x tăng lên nhanh chóng và đạt giá trị
Luận văn thạc sĩ
-10cực đại trong khoảng độ trượt = 10 ÷ 30%. Nếu độ trượt tiếp tục tăng thì x giảm,
khi độ trượt = 100% (lốp xe bị trượt lết hoàn toàn khi phanh) thì hệ số bám dọc x
giảm 20 ÷ 30% so với hệ số bám cực đại. Khi đường ướt còn có thể giảm nhiều hơn
nữa, đến 50 ÷ 60%. Đối với hệ số bám ngang y sẽ giảm nhanh khi độ trượt tăng, ở
trạng thái trượt lết hoàn toàn thì y giảm xuống gần bằng không.
Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại xmax ở giá trị độ trượt tối ưu 0. Thực
nghiệm chứng tỏ rằng ứng với các loại đường khác nhau thì giá trị 0 thường nằm
xy lanh phanh bánh xe nhằm duy trì độ trượt từ 0,17 đến 0,3 đảm bảo phát huy
được lực phanh tối ưu trong quá trình phanh.
Hệ thống phanh ABS đã tận dụng được tối đa khả năng bám của bánh xe với
mặt đường, tránh hiện tượng trượt lết tại các bánh xe, khi bánh xe bị trượt lết có thể
dẫn đến hiện tượng mất ổn định khi phanh. Tuy nhiên hệ thống ABS còn có một số
mặt hạn chế là hệ thống chỉ hoạt động khi có lực tác động lên bàn đạp của người lái,
trong một số trường hợp phanh khẩn cấp thì hệ thống ABS thông thường chưa đáp
ứng kịp. Để khắc phục điều này thì các nhà thiết kế ô tô đã tích hợp thêm các chức
năng khác trên hệ thống phanh ABS thông thường, như hệ thống hỗ trợ phanh khẩn
cấp BA, hệ thống phân phối lực phanh EBD,...
Luận văn thạc sĩ
-12Ở chế độ kéo (khi tăng tốc hoặc khởi hành) các bánh xe có thể dễ bị trượt quay
nếu xe khởi hành hoặc tăng tốc đột ngột do lực kéo chủ động vượt quá khả năng
bám của bánh xe với mặt đường.
Để khắc phục các hiện tượng này thì các xe ngày nay đã được trang bị thêm
hệ thống kiểm soát lực kéo, thường được gọi là hệ thống TRC. Hệ thống này được
thiết kế dựa trên cơ sở một hệ thống ABS. Khi có hiện tượng trượt quay của bánh
xe, hệ thống Traction sẽ có đồng thời hai tác động: một là giảm mô men xoắn của
động cơ bằng cách đóng bớt bướm ga mà không phụ thuộc vào ý định của người lái,
hai là cùng lúc đó nó kết hợp với hệ thống ABS điều khiển hệ thống phanh tác động
lên các bánh xe chủ động, vì vậy làm giảm mô men kéo truyền xuống bánh xe, giúp
bánh xe tận dụng được tối đa lực kéo. Nhờ đó, xe có thể khởi hành và tăng tốc một
cách nhanh chóng và ổn định.
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống phanh ABS kết hợp TRC
Luận văn thạc sĩ
đường vòng do tác động của lực bám làm bánh xe biến dạng dẫn đến quỹ đạo
Luận văn thạc sĩ
-14chuyển động không trùng với quỹ đạo mong muốn. Để khắc phục hiện tượng này
trên ô tô hiện nay được trang bị hệ thống điều khiển tính ổn định bằng điện tử VSC.
Khi có hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa xảy ra, hệ thống VSC
sẽ nhận biết thông qua các cảm biến góc lái và cảm biến gia tốc ngang, tự động điều
khiển một lực phanh chính xác đến các bánh xe tương ứng ở cầu trước hoặc cầu sau
để duy trì hướng chuyển động của xe theo sự điều khiển của người lái.
Đồng thời với sự điều khiển phanh, hệ thống VSC cũng gửi tín hiệu đến hộp
điều khiển động cơ, điều khiển giảm bớt mô men xoắn của động cơ. Nhờ vậy xe đạt
được tính ổn định cao khi quay vòng.
Hình 1.4: Hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động của ô tô
Hình (1.4 a) cho thấy khi xe có xu hướng quay vòng thiếu thì VSC điều khiển
phanh bánh xe sau trái, còn khi xe có xu hướng quay vòng thừa (hình 1.4 b) thì
VSC điều khiển phanh bánh xe trước phải, nhờ vậy giúp cho xe ổn định khi quay
vòng.
ABS và các liên hợp mở rộng từ hệ thống ABS đã đáp ứng được các chỉ tiêu
hiệu quả khi phanh, ổn định hướng khi phanh, nâng cao khả năng an toàn của xe.
Luận văn thạc sĩ
-15Tuy nhiên để đảm bảo được các chi tiêu an toàn đó thì kết cấu của hệ thống phanh
ngày càng phức tạp hơn, mỗi một phần kết cấu sẽ đảm nhận chức năng riêng biệt.
Hệ thống phanh chỉ hoạt động khi người lái có tác động lên bàn đạp phanh. Vì vậy
với xu hướng phát triển của ngành công nghiệp điện tử thì hệ thống phanh ngày
-16định thông số xây dựng bộ điều khiển, các giá trị ngưỡng trong điều khiển chưa
được kiểm nghiệm cả trong tính toán lý thuyết cũng như thực nghiệm.
Về phanh hệ thống phanh By Wire thì hiện nay chưa có đề tài nào thực hiện và
là kiến thức cần được bổ sung trong quá trình đào tạo, khai thác, điều khiển, ổn định
của ôtô.
1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài
Hệ thống phanh điều khiển By Wire là một hệ thống mới được trang bị trên ô
tô. Hệ thống này cải thiện được các tính năng ổn định chuyển động của xe trong
các trường hợp xe đi trên đường có hệ số bám thấp, tăng tốc hoặc xe đi vào đường
vòng. Trên cơ sở đó thì đề tài chủ yếu tập trung vào nghiên cứu tính năng động lực
học của xe khi sử dụng hệ thống phanh điều khiển By Wire ở các chế độ VSC và
TRC. Từ đó đánh giá được tính năng ổn định hướng chuyển động của ô tô khi sử
dụng hệ thống phanh By Wire.
Các nội dung thực hiện trong đề tài bao gồm
1. Phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh By Wire để hiểu được
các ưu điểm của hệ thống.
2. Xây dựng mô hình nghiên cứu các chức năng VSC và TRC đặc trưng của
hệ thống phanh By Wire.
3. Tính toán, mô phỏng số để đánh giá được các chức năng của hệ thống
phanh điều khiển By Wire.
Luận văn thạc sĩ
-17CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN
BY WIRE
2.1. Đặc điểm chung hệ thống phanh điều khiển By Wire
Hệ thống phanh điều khiển By Wire là một trong những hệ thống điều khiển
điện tử. Trong đó lực tác động của người lái không tác động trực tiếp để tạo mô
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống phanh EHB
Hệ thống EHB hoàn toàn đáp ứng khả năng làm việc của hệ thống phanh
thủy lực ABS và các liên hợp của xe, nhưng về mặt cấu trúc có những thay đổi đáng
kể. EHB không dùng bộ trợ lực trên xy lanh chính. Cụm bàn đạp xy lanh chính chỉ
làm nhiệm vụ cấp tín hiệu khi phanh từ bàn đạp, đồng thời đảm nhận chức năng
phanh xe dự phòng khi có sự cố trong hệ thống điện điều khiển. Năng lượng phanh
Luận văn thạc sĩ
-19thực hiện thông qua bơm dầu DC (với nguồn điện 1 chiều cấp từ bình điện của xe).
Hệ thống truyền năng lượng tiến hành phanh và điều chỉnh một phần lực kéo bánh
xe thực hiện nhờ các mạch thủy lực truyền dẫn từ bơm dầu tới các van điều áp bố trí
trong khối thủy lực.
Hệ thống phanh EMB
Hình 2.3 : Sơ đồ hệ thống phanh EMB
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống phanh EMB
Sơ đồ của hệ thống phanh EMB dược thể hiện trên hình 2.2. Sơ đồ trên cho
thấy kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống này có rất nhiều thay đổi so với
các hệ thống phanh trước đây:
+ EMB không có xi lanh chính cũng như bộ trợ lực phanh.
+ Cụm bàn đạp phanh không có bất cứ liên kết cơ khí nào với cơ cấu chấp
hành và cơ cấu phanh tại bánh xe.
+ EMB không sử dụng bất cứ năng lượng thủy lực nào cả vì thế không cần
đến các đường ống thủy lực, các cảm biến áp suất dầu, các bình chứa dầu, bình tích
áp và các van thủy lực.
+ Ở EMB, xy lanh phanh tại các bánh xe được thay thế bằng mô tơ bước.
Hình 2.6: Tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe
Khi bánh xe quay, vành răng quay theo, khe hở A giữa đầu lõi từ và vành răng
thay đổi, từ thông biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động xoay
chiều hình sin có biên độ và tần số thay đổi tỉ lệ theo tốc độ góc của bánh xe.
+ Cảm biến gia tốc dọc(cảm biến giảm tốc): bao gồm hai cặp đèn LED và
phototransistor, một đĩa xẻ rảnh và một mạch biến đổi tín hiệu. Đặc điểm của đèn
LED là phát sáng khi cấp điện và phototransistor là dẫn điện khi có ánh sáng chiếu
vào. Khi mức độ giảm tốc của xe thay đổi, đĩa xẻ rãnh lắc theo chiều dọc xe tương
ứng với mức độ giảm tốc.
Luận văn thạc sĩ
Copyright: Tài liệu đại học ©