Nghiên cứu mô phỏng và khảo sát hệ thống phanh xe con trong carsim

Hệ thống sẽ điều khiển chống bó cứng các bánh xe trong quá trình phanh, giúp tăng độ ổn định của xe, rút ngắn quãng đường phanh, tăng khả năng điều khiển quay vòng ô tô trong trường hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

 TRẦN MINH ĐỨC

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT

HỆ THỐNG PHANH XE CON TRONG CARSIM

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

LỜI MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 8

1.1 Các vấn đề về hệ thống phanh ABS 8

1.1.1 Sự kết hợp giữa ABS và các hệ thống khác 10

1.1.2 Cấu tạo của hệ thống ABS 17

1.1.3 Nguyên lí làm việc của ABS 20

1.2 Tình hình nghiên cứu 29

1.3 Nội dung, phương pháp nghiên cứu 31

1.3.1 Nội dung nghiên cứu 31

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 32

1.3.3.Ý nghĩa thực tế của đề tài 32

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CARSIM VÀ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CHO BÀI TOÁN MÔ PHỎNG 33

2.1 Giới thiệu Carsim 33

2.1.1 Các mô hình trong CarSim 33

2.1.2 Mô hình chủng loại xe sử dụng trong CarSim 41

2.2.Một số ứng dụng điển hình của CarSim 44

2.2.1 Đánh giá các bộ phận cấu thành của xe bằng mô phỏng HIL kết hợp phần mềm hiển thị thời gian thực Labview 44

2.2.2.Mô phỏng động lực học của xe 46

2.3.Hệ thống phanh trong CarSim 47

2.4 Xác định các thông số đầu vào cho bài toán mô phỏng hệ thống phanh 49

2.4.1 Xác định mô men phanh cần thiết tại các bánh xe 49

2.4.2 Tính toán cơ cấu phanh đĩa 51

2.4.3 Xác định các kích thước má phanh 52

2

2.4.4 Tính toán dẫn động phanh 54

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH 58

3.1 Khảo sát hệ thống phanh khi không có ABS 58

3.1.1 Xe thực hiện phanh khi không đánh lái 61

3.1.2 Khảo sát quá trình phanh khi khảo sát quá trình phanh khi đánh lái nhằm tránh tai nạn 63

3.2 Khảo sát hệ thống phanh khi sử dụng bộ điều khiển ABS 66

3.2.1 Khi xe tăng tốc và phanh trên đường thẳng 66

3.2.2 Phanh có ABS khi thay đổi hệ số bám bằng 0,6 70

3.2.3 Phanh có ABS khi thay đổi hệ số bám bằng 0,8 71

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

3

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CarSim Car Simulation

TruckSim Truck Simulation

MSC Mechanical Simulation Corporation ABC Active Body Control

SUV Sport Utility Vehicle

HIL Hardware In the Loop

hg Chiều cao trọng tâm ô tô

jmax Gia tốc chậm dần cực đại

g Gia tốc trọng trường

rbx Bán kính lăn bánh xe

x0 Góc ôm tấm ma sát

A Diện tích má phanh

4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Đồ thị so sánh lực phanh khi có và không có trợ lực phanh khẩn cấp 11

Hình 1 2: Sơ đồ hệ thống ABS và TRC 13

Hình 1 3: Các trạng thái của cánh bướm ga phụ 14

Hình 1 4: Sơ đồ vị trí hệ thống ESP trên xe Mercedes 15

Hình 1 5: ESP điều khiển phanh chống hiện tượng quay vòng thừa 16

Hình 1 6: Sơ đồ bố trí các cơ cấu trong hệ thống phanh ABS 17

Hình 1 7: Sơ đồ cảm biến tốc độ loại điện từ và bố trí trên xe 18

Hình 1 8: Tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe 19

Hình 1 9: Bơm dầu trong hệ thống phanh ABS 19

Hình 1 10: Sơ đồ cụm van phân phối 20

Hình 1 11: Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS 21

Hình 1 12: Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe 22

Hình 1 13: Chu trình điều khiển kín của ABS 23

Hình 1 14: Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS 24

Hình 1 15: Quá trình điều khiển của ABS 26

Hình 1 16: Sự thay đổi của mô men phanh Mp, áp suất dẫn động phanh p và gia tốc a của bánh xe khi phanh có ABS 28

Hình 1 17: Sự thay đổi tốc độ góc b của bánh xe, tốc độ dài v của ô tô và độ trượt  theo thời gian t khi phanh có hệ thống chống hãm cứng bánh xe 29

Hình 2 1: Các thông số của mô hình hệ thống treo 35

Hình 2 2: Các thông số của mô hình hệ thống lái 36

Hình 2 3: Các thông số của mô hình hệ thống phanh 37

Hình 2 4: Các thông số của mô hình lốp 38

Hình 2 5: Các thông số của mô hình hệ thống động lực 39

Hình 2 6: Các thông số của mô hình hệ chiếu sáng 40

Hình 2 7 : Mô hình các xe sử dụng trong CarSim (Hatch back, Sport Car) 41

5

Hình 2 8: Mô hình xe sử dụng trong CarSim (hatchback, sedan, sportcar, SUV, GT,

minivan) 42

Hình 2 9: Mô hình xe sử dụng trong CarSim (tractor, wheeler, utility, axle boat trailer, pickup, fomula, stock car) 43

Hình 2 10: Sơ đồ mô phỏng HIL 44

Hình 2 11: Kết quả mô phỏng hiển thị trên labview 45

Hình 2 12: Các bước mô phỏng động lực học của xe 46

Hình 2 13: Bảng thông số cấu hình hệ thống phanh 47

Hình 2 14: Xây dựng hàm phụ thuộc của mô men phanh với áp suất dầu tại xylanh 48

Hình 2 15: Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô khi phanh 49

Hình 2 16: Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động phanh bằng thủy lực 55

Hình 3 1: Cấu hình các thông số xe khảo sát 58

Hình 3 2: Kích thước hình học của xe Vios 59

Hình 3 3: Đặc tính của động cơ đốt trong 60

Hình 3 4: Bảng cấu hình hệ thống phanh 61

Hình 3 5: Cài đặt thông số đường thí nghiệm 61

Hình 3 6: Vận tốc của xe và vận góc của các bánh xe 62

Hình 3 7: Đồ thị gia tốc phanh 63

Hình 3 8: Quỹ đạo người lái cần tuân theo 64

Hình 3 9: Vận tốc của xe và các bánh xe khi đánh lái 65

Hình 3 10: Quỹ đạo chuyển động của xe 65

Hình 3 11: Vận tốc xe và các bánh xe khi phanh có đánh lái, sử dụng ABS 66

Hình 3 12: Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh có đánh lái, sử dụng ABS 66

Hình 3 13: Cấu hình các thông số bộ điều khiển ABS 67

Hình 3 14: Đồ thị vận tốc của xe và các bánh khi phanh sử dụng ABS 68

Hình 3 15: Gia tốc của xe khi phanh 69

Hình 3 16: Vận tốc của xe và vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường có hệ số bám bằng 0,6 70

6

Hình 3 17: Gia tốc chậm dần của xe khi phanh trên đường có hệ số bám bằng 0,6 71Hình 3 18: Đồ thị vận tốc dài tại các bánh xe và của xe khi phanh có ABS 72Hình 3 19: Đồ thị gia tốc chậm dần của xe khi phanh 72

7

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay các hệ thống an toàn và tiện nghi trên xe đang được phát triển

và ngày càng hoàn thiện Việc mô phỏng nguyên lý và tính năng làm việc có vai trò quan trọng trong khâu chế tạo và hoàn thiện sản phẩm Hiện nay có nhiều phần mềm hỗ trợ công việc nêu trên, mức độ tác động sâu vào mô hình yêu cầu nhiều kỹ năng về xây dựng mô hình cũng như các giả thiết để mô hình có độ tin cậy cao Phần mềm mô phỏng CarSim đơn giản, dễ sử dụng, có

độ chính xác cao, được xây dựng trên các mô hình toán học mô tả chuyển động của xe…đáp ứng được các yêu cầu nêu trên

Hệ thống phanh nhằm đảm bảo duy trì tốc độ xe theo yêu cầu của người lái trên các địa hình khác nhau Việc nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh để hoàn thiện tính năng điều khiển trước khi ứng dụng thực tế là cần thiết và vô cùng quan trọng Luận văn nghiên cứu về mô phỏng hệ thống phanh trên CarSim bao gồm các nội dung sau:

- Nghiên cứu tổng quan về đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng CarSim

- Khảo sát hệ thống phanh trên phần mềm CarSim

Đề tài được thực hiện tại bộ môn ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn trực tiếp của

TS Hoàng Thăng Bình Đề tài cũng nhận được sự hỗ trợ của các thầy trong

bộ môn và các anh chị đồng nghiệp

Hà Nội, Ngày tháng năm 2014

Tác giả

- Giảm dần tốc độ hoặc dừng hẳn xe khi xe đang chuyển động

- Giữ xe đứng yên trên đường dốc trong khoảng thời gian dài mà không cần sự

có mặt của người lái xe

Hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti-lock Braking Systems) nằm trong

hệ thống an toàn chủ động của ô tô hiện đại Hệ thống sẽ điều khiển chống bó cứng các bánh xe trong quá trình phanh, giúp tăng độ ổn định của xe, rút ngắn quãng đường phanh, tăng khả năng điều khiển quay vòng ô tô trong trường hợp cần thiết phải tránh chướng ngại vật

Lịch sử phát triển của hệ thống phanh và phanh ABS qua các thời kì sau: Năm 1924: Khai sinh hệ thống phanh thủy lực và đến năm 1931 thì tăng tính

an toàn phanh với dẫn động hai dòng;

Năm 1951: Ứng dụng dạng phanh đĩa;

Năm 1952 đến 1963 là thời kỳ ứng dụng trợ lực thủy lực và chân không; Năm 1978: Hệ thống phanh ABS bắt đầu có ứng dụng thương mại trên ô tô ABS tác động vào hệ thống dẫn động thủy lực nhằm giữ, giảm hoặc tăng áp suất phanh dẫn đến các xi lanh phanh bánh xe để chống trượt lết trong quá trình phanh

Năm 1989: Hệ thống phanh ABS được kết hợp với hệ thống chống trượt quay TSC Hệ thống này điều khiển bằng cách điều chỉnh giá trị của mô men phanh

và mô men được truyền từ động cơ đến các bánh xe Hệ thống này còn có khả năng điều khiển lượng nhiên liệu cấp cho động cơ nhằm hạn chế trượt quay bánh xe do thừa mô men Tuy nhiên, tại thời điểm đó, số kênh điều khiển hệ thống còn ít, chỉ

9

điều khiển một kênh, hoặc hai kênh cho toàn bộ các cầu hoặc một cầu xe và sử dụng van điều hòa lực phanh bằng cơ khí để phân phối áp suất phanh đến các bánh

Năm 1994: Hệ thống phanh ABS được kết hợp với hệ thống cân bằng điện

tử EBD Hệ thống điện tử dần thay thế các hệ thống cơ khí, hệ thống phanh ABS trong hệ thống đã bắt đầu điều khiển nhiều kênh, điều khiển từng bánh xe độc lập

Những năm sau đó là quá trình hoàn thiện, tối ưu hóa hiệu quả làm việc của

- Hệ thống phải khai thác tối đa khả năng phanh của các bánh xe trên đường nhằm tăng tính ổn định điều khiển và giảm quãng đường phanh Điều này không phụ thuộc vào việc phanh đột ngột hay phanh từ từ của người lái xe;

- Khi phanh xe trên đường có các hệ số bám khác nhau (ví dụ hai bánh xe bên phải chạy trên đường có dính dầu nhớt và hai bánh bên trái chạy trên đường nhựa khô) thì mô men xoay xe quanh trục đứng đi qua trọng tâm của xe luôn luôn xảy ra, lúc này hệ thống ABS cần hỗ trợ làm mô men quay đó tăng chậm để người lái xe có

đủ thời gian điều chỉnh thông qua hệ thống lái;

- Phải duy trì độ ổn định và khả năng lái khi phanh gấp trong lúc đang quay vòng;

10

- Hệ thống phải có chế độ tự kiểm tra, chẩn đoán và an toàn Một mạch kiểm soát phải liên tục kiểm tra sự hoạt động của hệ thống một cách đầy đủ Nếu phát hiện một lỗi nào đó có thể làm hư hỏng việc ứng xử của ABS thì hệ thống sẽ thông báo cho lái xe biết thông qua đèn báo và khi đó hệ thống phanh sẽ làm việc như một

hệ thống phanh bình thường

1.1.1 Sự kết hợp giữa ABS và các hệ thống khác

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển điện tử và tự động hóa, các hệ thống điều khiển trên ô tô ngày càng được phát triển hoàn thiện hơn, nâng cao tính tiện nghi và an toàn sử dụng của ô tô

Nhằm nâng cao tốc độ chuyển động và tính an toàn chủ động của ô tô, hệ thống phanh là một trong những mục tiêu được đầu tư và phát triển nhiều Trên cơ

sở một hệ thống ABS, hệ thống phanh có thể kết hợp với một số hệ thống khác, và đến nay, một hệ thống phanh hiện đại đã có rất nhiều chức năng ưu việt Ngoài tác dụng cơ bản là giảm tốc độ hay dừng xe, hệ thống phanh còn can thiệp cả trong quá trình khởi động và tăng tốc của ô tô, khống chế các hiện tượng quay vòng thiếu, quay vòng thừa, làm tăng tính ổn định của xe khi đi vào đường vòng

Một số sự kết hợp của ABS với các hệ thống khác:

- ABS kết hợp với hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử (Electronic Brake-force Distribution – EBD) và hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp (Brake Assist System – BAS)

- ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo (Traction Control (TRC) hay Acceleration Slip Regulator (ASR)

- ABS kết hợp với hệ thống điều khiển ổn định ô tô (Electronic Stability Program – ESP)

1.1.1.1 Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống EBD và BAS

Để phát huy tối đa hiệu quả phanh, lực phanh lý tưởng được phân phối ở các bánh xe tỉ lệ với sự phân bố tải trọng tác dụng lên chúng Phần lớn các xe ô tô du lịch có động cơ đặt ở phía trước, tải trọng tác dụng lên các bánh xe trước lớn hơn các bánh xe phía sau Đồng thời khi phanh, do lực quán tính nên tải trọng cũng

11

được phân bố lại, càng làm tăng ở các bánh xe trước và giảm đi ở các bánh xe sau

Vì vậy lực phanh ở các bánh xe sau cần được phân phối nhỏ hơn so với bánh trước, đặc biệt là trong quá trình phanh để chống hiện tượng sớm bị bó cứng bánh xe sau Mặt khác, khi xe có tải thì tải trọng ở các bánh sau tăng lên, lúc này cần phải tăng lực phanh ở các bánh sau lớn hơn so với trường hợp xe không có tải Việc phân phối lực phanh này trước đây được thực hiện hoàn toàn bởi các van cơ khí như van điều hoà lực phanh, van bù tải, van giảm tốc… Trên các hệ thống ABS đơn giản vẫn tồn tại van điều hòa lực phanh bằng cơ khí

Khi xe quay vòng, tải trọng cũng tăng lên ở các bánh xe phía ngoài, còn phía trong giảm đi, nên lực phanh cũng cần phải phân phối lại, nhưng các van điều hòa lực phanh cơ khí không giải quyết được vấn đề này Vì vậy hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD) được hình thành và được ứng dụng trên xe để khắc phục những tồn tại của hệ thống phân phối lực phanh truyền thống bằng cơ khí Việc phân phối lực phanh bằng điện tử này cho độ chính xác và hiệu quả cao hơn

Hình 1 1: Đồ thị so sánh lực phanh khi có và không có trợ lực phanh khẩn cấp

Trong trường hợp phanh khẩn cấp như gặp chướng ngại vật đột ngột, người lái

xe - đặc biệt là những người thiếu kinh nghiệm, thường đạp phanh không đủ mạnh,

do đó không tạo đủ lực phanh tối đa để dừng xe khẩn cấp Để tăng tối đa hiệu quả phanh trong những tình huống này, hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp đã được tích hợp vào hệ thống phanh Bằng cách nhận biết tốc độ và lực tác dụng lên bàn đạp phanh của người lái xe, một hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp (BAS) sẽ tự động cung cấp thêm một lực phanh lớn hơn nhiều so với lực phanh do người lái tạo ra để dừng

- Hệ thống EBD sẽ phân phối lực phanh đến các bánh xe phù hợp với sự phân

bố tải trọng và các chế độ lái xe

- Hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp giúp tạo ra một lực phanh lớn để dừng gấp

xe trong trường hợp phanh khẩn cấp

1.1.1.2 Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo (TRC)

Ở đường có hệ số bám  thấp, các bánh xe chủ động sẽ dễ bị trượt quay nếu

xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột (do lực kéo chủ động P k vượt quá giới hạn khả

năng bám P giữa bánh xe và mặt đường), làm mất mát công suất và xe bị mất ổn định Để khắc phục hiện tượng này, phần lớn các xe ngày nay được trang bị hệ thống kiểm soát lực kéo (Traction Control System – 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 TRC sẽ có đồng thời hai tác động:

- Giảm mô men xoắn của động cơ bằng cách đóng bớt cánh bướm ga mà không phụ thuộc vào ý định của người lái

- Hệ thống TRC kết hợp với hệ thống ABS điều khiển hệ thống phanh tác động lên các bánh xe chủ động

Nhờ đó làm giảm mô men kéo truyền đến mặt đường tới một giá trị phù hợp khiến xe có thể khởi hành và tăng tốc một cách nhanh chóng, ổn định mà các bánh

xe chủ động không bị trượt quay

Sơ đồ một hệ thống TRC như hình 1.2 sau đây:

13

Hình 1 2: Sơ đồ hệ thống ABS và TRC

Hệ thống TRC điều khiển công suất động cơ theo nguyên lí điều khiển bướm

ga phụ Cánh bướm ga phụ được dẫn động bằng một động cơ bước

Hệ thống điều khiển là TRC ECU và ABS ECU sẽ đánh giá trạng thái chuyển động của xe dựa trên tín hiệu từ các cảm biến tốc độ bánh xe, dựa vào tín hiệu vị trí bướm ga từ hộp điều khiển động cơ (ECU) … rồi gửi tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành cánh bướm ga phụ và bộ chấp hành phanh TRC Cùng lúc đó gửi tín hiệu đến ECU động cơ và ECT để báo TRC đang hoạt động

Khi TRC chưa làm việc: cánh bướm ga phụ mở hoàn toàn Trong trường hợp

này lượng hòa khí đi vào động cơ hoàn toàn phụ thuộc vào độ mở của cánh bướm

ga chính

Khi TRC làm việc: Để giảm mô men kéo truyền đến bánh xe, TRC ECU điều

khiển động cơ bước đóng bớt cánh bướm ga phụ để giảm công suất động cơ Ở trạng thái TRC hoạt động hoàn toàn cánh bướm ga phụ đóng hoàn toàn

14

Hình 1 3: Các trạng thái của cánh bướm ga phụ

1.1.1.3 Hệ thống ổn định xe bằng điện tử

Hệ thống ổn định xe bằng điện tử (Electronic Stability Program – ESP) là một

hệ thống an toàn chủ động, cải thiện tính ổn định của xe trong tất cả các tình huống

chuyển động Hệ thống này được trang bị trên các xe hiện đại hiện nay như

Mercedes, BMW …

Hệ thống ESP làm việc bằng cách can thiệp vào hệ thống phanh, có thể tác

động riêng rẽ trên từng bánh xe ESP giúp ổn định xe khi phanh, khi quay vòng, khi

khởi hành và tăng tốc Để tăng cường cho việc điều khiển phanh có hiệu quả, thì

ESP tác động đến cả động cơ và hộp số

Hệ thống ESP bao gồm sự liên kết và tích hợp các hệ thống và chức năng sau:

- Hệ thống ABS chống hãm cứng bánh xe khi phanh, vì vậy duy trì khả năng

lái và tính ổn định của xe trong lúc phanh gấp

15

- Hệ thống ASR (Acceleration Slip Regulator) khắc phục hiện tượng trượt quay của các bánh xe chủ động khi khởi hành và tăng tốc đột ngột bằng cách phanh bớt bánh xe có hiện tượng trượt quay Điều đó sẽ làm gia tăng tính ổn định của xe trong quá trình tăng tốc

1.Cảm biến tốc độ bánh xe; 2 Cụm giắc chẩn đoán;

3 Hộp điều khiển điện tử ESP; 4 Công tắc ESP OFF;

5 Đèn báo ABS; 6 Đèn báo ESP;

7 Đèn báo EPC (E –gas) 8 Cảm biến gia tốc ngang;

9 Hộp điều khiển làm trễ mô men xoay xe; 10 Đèn báo lỗi ESP;

11 Cảm biến góc lái; 12 Công tắc báo phanh;

13 Bơm cung cấp ESP; 14 Công tắc phanh đậu xe;

15 Cảm biến áp suất xi lanh chính; 16 Xi lanh chính;

17 Bộ chấp hành thủy lực ESP

Hình 1 4: Sơ đồ vị trí hệ thống ESP trên xe Mercedes

16

Đồng thời với sự điều khiển phanh, hệ thống ESP cũng gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ, điều khiển đóng bớt bướm ga lại hoặc làm chậm thời điểm đánh lửa để giảm bớt mô men xoắn của động cơ

ESP còn khắc phục hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa Trong mọi tình huống, nó đảm bảo xe không bị lệch ra khỏi quỹ đạo điều khiển của người lái xe

Hình 1 5: ESP điều khiển phanh chống hiện tượng quay vòng thừa

hoặc quay vòng thiếu Khi có hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa (understeering or oversteering) xảy ra, hệ thống ESP 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 Khi xe quay vòng thừa hoặc thiếu thì ESP sẽ điều khiển phanh các bánh xe tương ứng như trên hình 1.5 Đồng thời với sự điều khiển phanh,

hệ thống ESP 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

17

1.1.2 Cấu tạo của hệ thống ABS

Hệ thống ABS được thiết kế dựa trên cấu tạo của một hệ thống phanh thường Ngoài các cụm bộ phận chính của một hệ thống phanh như cụm xi lanh chính, cơ cấu phanh bánh xe, các van điều hòa lực phanh,… để thực hiện chức năng chống hãm cứng bánh xe khi phanh, hệ thống ABS cần trang bị thêm các bộ phận như cảm biến tốc độ bánh xe, ECU điều khiển quá trình phanh, cơ cấu chấp hành thủy lực, bộ phận chẩn đoán, báo lỗi,… Hình 1.6 giới thiệu sơ đồ cấu tạo một hệ thống ABS trên

xe

Hình 1 6: Sơ đồ bố trí các cơ cấu trong hệ thống phanh ABS

Một hệ thống ABS cơ bản bao gồm 3 cụm bộ phận chính:

- Cụm tín hiệu vào bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe, công-tắc báo phanh,… có nhiệm vụ xác định trạng thái vận hành của xe;

- Hộp điều khiển (ECU) có chức năng nhận và xử lý các tín hiệu vào, tính toán

và đưa ra tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thủy lực;

18

- Bộ phận chấp hành gồm có bộ điều khiển thủy lực, đèn báo ABS, bộ phận kiểm tra, chẩn đoán Bộ chấp hành thủy lực nhận tín hiệu điều khiển từ ECU và thực hiện quá trình phân phối áp suất dầu đến các cơ cấu phanh tại từn bánh xe

Cấu tạo cụ thể và đặc tính của các cơ cấu trong hệ thống phanh như sau:

Cảm biến tốc độ bánh xe phổ biến là loại cảm biến điện từ, có cấu tạo như hình 1.7 sau:

Hình 1 7: Sơ đồ cảm biến tốc độ loại điện từ và bố trí trên xe

Cảm biến điện từ gồm một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây cuốn quanh lõi từ, hai đầu cuộn dây được nối với cụm xử lí tín hiệu

Khi bánh xe quay, đĩa răng gắn cùng với bánh xe quay theo, làm khe hở giữa đầu lõi từ và đỉnh răng thay đổi, làm từ thông qua cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn Từ thông biến thiên tuần hoàn trong cuộn dây sẽ làm xuất hiện sức điện

19

động cảm ứng, tạo ra dòng điện xoay chiều dạng hình sin Tần số của dòng điện cảm ứng này thay đổi theo tốc độ quay của vành răng, tức là tỉ lệ với tốc độ của bánh xe

Đồ thị tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe như hình 1.8 sau:

Hình 1 8: Tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe

b) Cụm bơm và van phân phối dầu

Hình 1 9: Bơm dầu trong hệ thống phanh ABS Bơm dầu có nhiệm vụ bổ sung dầu có áp suất cao vào hệ thống thủy lực trong pha tăng áp, bơm hoạt động bằng năng lượng điện, được điều khiển trực tiếp từ

20

ECU trong hệ thống phanh ABS Chỉ trong trường hợp ABS làm việc thì bơm mới được kích hoạt làm việc Dưới đây là hình ảnh về bơm dầu:

Van phân phối được điều khiển từ tín hiệu của ECU, có nhiệm vụ đóng hoặc

mở các đường dầu cấp cho từng xi lanh phanh nhằm tăng, giảm hoặc giữ áp suất dầu để tránh hiện tượng trượt lết bánh xe khi phanh Sơ đồ cụm van phân phối như hình dưới đây:

Hình 1 10: Sơ đồ cụm van phân phối

1.1.3 Nguyên lí làm việc của ABS

1.1.3.1 Phạm vi điều khiển của ABS

Mục tiêu của hệ thống ABS là giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị o ( = 10 - 30%, trên đồ thị đặc tính trượt), gọi là phạm vi điều khiển của hệ thống ABS Khi đó hệ số bám dọc và bám ngang đều có giá trị cao khiến hiệu quả phanh tăng cao, tính ổn định hướng và khả

21

năng điều khiển lái cũng được duy trì ở mức cao Thực tế giới hạn này có thể thay đổi trong phạm vi lớn hơn, có thể bắt đầu sớm hơn hay kết thúc trễ hơn tùy theo điều kiện bám của bánh xe và mặt đường

Hình 1 11: Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS 1/ Lốp bố tròn (radial-ply) chạy trên đường bê tông khô;

2/ Lốp bố chéo (bias-ply) chạy trên đường nhựa ướt;

3/ Lốp bố tròn chạy trên đường tuyết;

4/ Lốp bố tròn chạy trên đường đóng băng

Trên hình 1.11 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc x và độ trượt  ứng với các loại lốp khác nhau khi chạy trên các loại đường có hệ số bám khác nhau Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS ứng với từng điều kiện cụ thể là khác nhau Theo đó, đối với loại lốp bố tròn chạy trên đường bê tông khô (đường cong 1) thì giá trị xmax đạt được ứng với độ trượt khoảng 10% so với loại lốp bố chéo chạy

trên đường nhựa ướt (đường cong 2) là 30% Độ trượt tối ưu o để đạt giá trị hệ số

bám cực đại trong hai trường hợp trên là khác nhau Vì vậy, phạm vi điều khiển

22

ABS cũng khác nhau, trường hợp lốp bố tròn chạy trên đường bê tông khô sẽ có quá trình điều khiển ABS xảy ra sớm hơn Tương tự là phạm vi điều khiển của hệ thống ABS đối với loại lốp bố tròn chạy trên đường tuyết và đường đóng băng (đường cong 3 và 4)

Hệ thống ABS còn có khả năng điều khiển theo góc trượt  của bánh xe

Hình 1 12: Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe

Khi phanh trên đường vòng, xe chịu sự tác động của lực ngang nên các bánh

xe sẽ có một góc trượt  Đồ thị hình 2.14 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc

x và hệ số bám ngang y với độ trượt  ứng với góc trượt  = 2o và  =10o Khi góc trượt lớn (ví dụ  =10o) thì tính ổn định của xe giảm đi rất nhiều Trong trường hợp này hệ thống ABS sẽ ưu tiên điều khiển tính ổn định của xe hơn là quãng đường phanh Vì vậy ABS sẽ can thiệp sớm khi hệ số bám dọc x còn giá trị rất nhỏ

(x 0,35), trong khi hệ số bám ngang y đạt được giá trị cực đại của nó là 0,8, quá trình điều khiển này cũng được kéo dài hơn bình thường Nhờ vậy xe giữ được tính

ổn định khi phanh trên đường vòng, mặc dù quãng đường phanh có thể dài hơn so với khi chạy thẳng

23

1.1.3.2 Chu trình điều khiển của ABS

1 Bộ chấp hành thủy lực; 2 Xi lanh phanh chính;

3 Xi lanh làm việc; 4 Bộ điều khiển (ECU);

5 Cảm biến tốc độ bánh xe

Hình 1 13: Chu trình điều khiển kín của ABS

Quá trình điều khiển của hệ thống ABS được thực hiện theo chu trình kín như hình 1.13 Các cụm của chu trình bao gồm:

- Tín hiệu vào là lực tác dụng lên bàn đạp phanh của người lái xe, thể hiện qua

áp suất dầu tạo ra trong xi lanh phanh chính

- Tín hiệu điều khiển bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe Tín hiệu tốc độ các bánh xe và các thông số được tính toán từ nó như gia tốc và độ trượt liên tục được gửi về hộp điều khiển để xử lý

- Tín hiệu tác động được thực hiện bởi bộ chấp hành, thay đổi áp suất dầu cấp đến các xi lanh làm việc ở các cơ cấu phanh bánh xe

- Đối tượng điều khiển: là lực phanh giữa bánh xe và mặt đường ABS hoạt động tạo ra mô men phanh thích hợp ở các bánh xe để duy trì hệ số bám tối ưu giữa bánh xe với mặt đường, tận dụng khả năng bám cực đại để lực phanh là lớn nhất

Đối tượng điều khiển

Tín hiệu điều khiển

Tín hiệu đầu vào

Nhân tố ảnh hhưởng Tín hiệu tác động

Nhân tố ảnh hưởng

Hình 1 14: Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS

Khi phanh chậm, sự giảm tốc của xe thay đổi chậm và nhỏ thì hệ thống ABS không được kích hoạt, hoạt động của hệ thống phanh là bình thường Khi phanh gấp hay phanh trên đường trơn, gia tốc chậm dần của bánh xe tăng nhanh, có hiện tượng

bị hãm cứng ở các bánh xe, thì ABS sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển giảm áp suất phanh để chống sự lại sự hãm cứng các bánh xe Sau đó áp suất phanh sẽ được điều khiển ở các chế độ giữ áp hoặc tăng áp/ giảm áp, thực hiện chế độ tăng áp chậm hay tăng áp nhanh để duy trì độ trượt khi phanh nằm trong khoảng tối ưu Chu kỳ giảm

áp – giữ áp – tăng áp được điều khiển lặp lại phụ thuộc vào tình trạng trượt của các bánh xe, kết quả là giữ cho tốc độ bánh xe có dạng như hình 1.14, và sau đó kết thúc để trở về trạng thái phanh bình thường Tùy vào điều kiện của bề mặt đường,

số chu kỳ điều khiển sẽ dao động từ 4 – 10 lần trong một giây Trên các hệ thống phanh hiện đại, tần số này còn có thể đạt đến 15 Hz

Dừng tác

Giảm áp chậm

Giữ hay tăng, giảm

áp

Giảm

áp

Phanh thường

25

1.1.3.3 Quá trình điều khiển ABS

Trên đồ thị hình 1.15 biểu diễn một quá trình điều khiển điển hình của hệ

thống ABS Đường v F biểu diễn tốc độ xe giảm dần khi phanh; đường v Ref là tốc độ

chuẩn của bánh xe; v R thể hiện tốc độ thực tế của bánh xe khi phanh; đường 1 là

ngưỡng trượt được xác định từ tốc độ chuẩn v Ref Mục tiêu của ABS là điều khiển sao cho trong quá trình phanh giá trị tốc độ thực tế của bánh xe v R càng sát với tốc

độ chuẩn v Ref càng tốt (v Ref là tốc độ bánh xe khi phanh dưới điều kiện phanh tối ưu), tức nó phải nằm trên ngưỡng trượt 1

Trong giai đoạn đầu của quá trình phanh, áp suất dầu ở các xi lanh cơ cấu phanh bánh xe tăng lên và sự giảm tốc của các bánh xe cũng tăng lên Giai đoạn này tương ứng với vùng ổn định (a) trong đường đặc tính trượt, lúc này tốc độ của bánh

xe v R bằng với tốc độ chuẩn v Ref

Ở cuối giai đoạn 1, sự giảm tốc của bánh xe bắt đầu thấp hơn ngưỡng đã chọn

(- a) Lập tức các van điện trong bộ chấp hành ABS chuyển sang chế độ giữ áp suất

Áp suất dầu trong các xi lanh phanh bánh xe chưa ngừng tăng ngay vì sự trễ trong

quá trình điều khiển, nên sự giảm tốc tiếp tục vượt qua ngưỡng (- a)

Ở cuối giai đoạn 2, tốc độ của bánh xe v R giảm xuống dưới ngưỡng 1 Van điện trong bộ chấp hành chuyển sang chế độ giảm áp, kết quả là áp suất phanh giảm

cho đến khi bánh xe tăng tốc trở lại lên gần ngưỡng (- a)

Ở cuối giai đoạn 3, gia tốc của bánh xe vượt lên trên ngưỡng (- a) một lần nữa,

van điện trong bộ chấp hành lại chuyển sang chế độ giữ áp với thời gian dài hơn

Do đó thời điểm này, gia tốc của xe tăng lên và vượt qua ngưỡng (+a) Áp suất

phanh vẫn được giữ không đổi

Ở cuối giai đoạn 4, gia tốc của xe vượt qua ngưỡng giới hạn (+A), lập tức

ECU điều khiển van điện chuyển sang chế độ tăng áp trong giai đoạn 5 Nhưng do quán tính lớn nên vận tốc bánh xe vẫn tiếp tục được tăng thêm

26

Trong giai đoạn 6, áp suất phanh được giữ không đổi một lần nữa vì gia tốc

bánh xe vẫn còn trên ngưỡng (+a) Ở cuối giai đoạn này gia tốc của bánh xe xuống dưới ngưỡng (+a), điều này cho thấy các bánh xe đã đi vào vùng ổn định của đường cong đặc tính trượt, tức đã nằm trên ngưỡng trượt 1

\

vF – Tốc độ xe ; vRef – Tốc độ chuẩn bánh xe;

vR – Tốc độ thực tế của bánh xe; 1 – Ngưỡng trượt

Hình 1 15: Quá trình điều khiển của ABS

Áp suất phanh được tiếp tục tăng lên từng mức một trong giai đoạn 7 để giảm

tốc độ của xe cho đến khi gia tốc giảm dần của bánh xe xuống dưới ngưỡng (- a) ở

cuối giai đoạn 7 Lúc này áp suất phanh lại được điều khiển giảm thông qua van điện

Các chu kỳ mới được tiếp tục điều khiển theo nguyên lý như trên cho đến khi kết thúc quá trình phanh

27

1.1.3.4 Nhiệm vụ của hệ thống ABS

Nhiệm vụ của hệ thống phanh ABS là giữ cho bánh xe trong quá trình phanh

có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị o để tận dụng được hết khả năng bám, khi đó hiệu quả phanh cao nhất (lực phanh đạt cực đại do giá trị xmax) đồng thời tính ổn định và tính dẫn hướng của xe là tốt nhất (y đạt giá trị cao), thỏa

mãn các yêu cầu cơ bản của hệ thống phanh là rút ngắn quãng đường phanh, cải thiện tính ổn định và khả năng dẫn hướng của xe trong khi phanh

Để giữ cho các bánh xe không bị hãm cứng và bảo đảm hiệu quả phanh cao,

hệ thống phanh chống hãm cứng điều khiển áp suất trong dẫn động phanh thông qua cụm van điều khiển sao cho độ trượt của bánh xe với mặt đường thay đổi quanh giá trị o trong giới hạn hẹp

Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe hiện nay thường sử dụng nguyên lý điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh Hoạt động của hệ thống phanh chống hãm cứng theo nguyên lý này như sau:

Khi tác động lên bàn đạp phanh thì áp suất dẫn động tăng lên, nghĩa là mô men phanh M ptăng lên làm tăng giá trị của gia tốc chậm dần của bánh xe và làm tăng độ trượt của nó Sau khi vượt qua điểm cực đại trên đường cong x  f  thì gia tốc chậm dần của bánh xe bắt đầu tăng đột ngột Điều này báo hiệu bánh xe có

xu hướng bị hãm cứng Giai đoạn này của quá trình phanh có ABS sẽ ứng với với các đường cong 0-1 trên hình vẽ a,b,c Giai đoạn này được gọi là pha I (pha bắt đầu phanh hay là pha tăng áp suất trong dẫn động phanh)

Bộ điều khiển của hệ thống ABS lúc này sẽ ghi lại gia tốc tại thời điểm 1 đạt giá trị tới hạn (đoạn C1 trên hình c) và điều khiện bộ chấp hành thủy lực giảm áp suất trong dẫn động phanh Sự giảm áp suất được bắt đầu với độ trễ nhất định do đặc tính của hệ thống Quá trình diễn tiến từ điểm 1 đến điểm 2 được gọi là pha II (pha giảm áp suất trong dẫn động phanh) Gia tốc của bánh xe lúc này giảm dần và tại điểm 2 gia tốc tiến dần đến giá trị 0 Giá trị gia tốc lúc này tương ứng với đoạn C2

28

trên hình c Sau khi đạt giá trị này, ECU sẽ điều khiển bộ chấp hành ổn định áp suất trong dẫn động phanh Lúc này bánh xe sẽ tăng tốc trong chuyển động tương đối và vận tốc của bánh xe tiến gần đến vận tốc của ô tô, nghĩa là độ trượt sẽ giảm và như vậy hệ số bám dọc tăng lên (đoạn 2-3) Giai đoạn này gọi là pha III (pha giữ áp suất

X



0

a) Hình 1 16: Sự thay đổi của mô men phanh

Mp, áp suất dẫn động phanh p và gia tốc a

của bánh xe khi phanh có ABS

a) Sự thay đổi mô men phanh Mp;

b) Áp suất dẫn động phanh;

c) Gia tốc bánh xe

Quá trình điều khiển tiếp tục diễn ra theo chu trình như vậy, sau điểm 3 lại bắt đầu pha I của chu kỳ làm việc tiếp theo Hệ thống ABS điều khiển mô men phanh thay đổi theo chu kỳ khép kín 1-2-3-1 (hình a), lúc đó bánh xe sẽ làm việc ở vùng có hệ số bám dọc cực đại xmax và hệ số bám ngang y cũng có giá trị cao Trong trường hợp bánh xe bị hãm cứng thì các thông số sẽ diễn biến theo đường nét đứt trên hình (a)

Theo cơ chế điều khiển ABS như trên thì tốc độ góc b của bánh xe, tốc độ dài

v của ô tô và độ trượt bánh xe  sẽ thay đổi theo thời gian như các đồ thị sau đây

Hình 1 17: Sự thay đổi tốc độ góc b của bánh xe, tốc độ dài v của ô tô và độ trượt

 theo thời gian t khi phanh có hệ thống chống hãm cứng bánh xe

1.2 Tình hình nghiên cứu

Tại Việt Nam ô tô tăng nhanh cả số lượng, chủng loại, nhãn mác, qua nghiên cứu, xem xét các nhãn ô tô đang sử dụng phổ biến như: Ford, GM Daewoo, Honda, Huyndai, Isuzu, Kia, Mazda, Mercedes - Benz, Mitsubishi, Suzuki, Toyota…, hầu hết nhãn xe đã trang bị hệ thống phanh ABS trên ô tô con Nhiều cơ sở sản xuất ô tô

Công trình nghiên cứu các vấn đề cơ bản về lý thuyết phanh ô tô, về các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh và các thành tựu mới trong tính toán hệ thống phanh của GS.TSKH Nguyễn Hữu Cẩn, PGS.TS Phạm Hữu Nam nghiên cứu bổ sung một

số chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả phanh ô tô ở nước ta Luận án tiến sĩ của Dương Tiến Minh về nâng cao chất lượng phanh ô tô quân sự với hệ thống phanh có lắp bộ điều hòa lực phanh, nhằm nâng cao chất lượng phanh của ô tô quân sự sử dụng trong Quân đội nhân dân Việt Nam

Nghiên cứu của Nguyễn Mạnh Cường, đã nghiên cứu các nguyên lý chung của hệ thống ABS, ảnh hưởng của tương tác lốp - mặt đường và mô hình tính toán phanh, đề cập tới phương pháp điều khiển ABS theo giá trị độ trượt tối ưu.Trong công trình nghiên cứu của Hồ Hữu Hùng, nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển điện

tử hệ thống phanh ABS, sử dụng phương pháp điều khiển theo ngưỡng gia tốc cho

bộ chấp hành loại 4 van 3 vị trí Cũng theo hướng này, Nguyễn Thanh Tùng đã nghiên cứu đề xuất kỹ thuật điều khiển hệ thống phanh ABS, xây dựng mô hình mô

phỏng, mô hình thực nghiệm ¼ xe để đánh giá kết quả Mới đây nhất, Nguyễn Sỹ

Đỉnh, đã đề xuất thiết lập mô hình tính toán động lực học dẫn động phanh thủy lực theo mô hình đàn hồi và lắp đặt, thử nghiệm hệ thống ABS lên xe UAZ - 31512 nhằm nâng cao chất lượng xe chỉ huy trong quân đội

Tác giả Trần Duy Hải đã phát triển thêm quá trình điều khiển ổn định hệ thống, đó là việc mô phỏng được quá trình chuyển động quay vòng của ô tô có trang

31

bị hệ thống ABS + VSC Kết quả mô phỏng kiểm chứng nguyên lí điều khiển của

hệ thống, tuy nhiên không thể mô phỏng được hết các yếu tố bên ngoài tác động lên

hệ thống Do đó, kết quả có thể sai khác nhiều so với thực tế kiểm nghiệm

Tác giả Nguyễn Tiến Vũ Linh mô phỏng được hệ thống ABS + ASR bằng phần mềm Matlab Quá trình mô phỏng trên máy tính chỉ mang tính chất kiểm nghiệm nguyên lí điều khiển, không có các yếu tố tác động thực tế gây nhiễu hệ thống Do đó kết quả nghiên cứu có thể sai khác nhiều so với thực tế kiểm nghiệm Nền công nghiệp ô tô phát triển, các hệ thống an toàn và tiên nghi trên ô tô ngày càng cải thiện theo chiều hướng phát triển chung trên toàn thế giới, bởi vậy mà tại Việt Nam số lượng nghiên cứu về hệ thống phanh trong những thời gian gần đây ngày càng nhiều Một số lượng lớn đề tài nghiên cứu giải quyết bài toán mô hình hóa mô phỏng bằng các công cụ toán học như Matlab - simulink Để có kết quả khảo sát hợp với thực tế thử nghiệm cần phụ thuộc vào giả thiết lập mô hình, hệ thống mô phỏng sẽ phức tạp hơn nếu áp dụng hệ đa biến và có nhiều yếu tố phi tuyến Hiện nay, nhiều trung tâm thử nghiệm trên thế giới, các hãng xe hàng đầu trong nền công nghiệp ô tô đang tiếp cận sử dụng phần mềm CarSim để khảo sát các đáp ứng của xe khi điều khiển ở các chế độ khác nhau Tại Việt Nam, việc áp dụng CarSim trong bài toán nghiên cứu về Ô tô còn nhiều hạn chế Nghiên cứu và

áp dụng Carsim ngày nay mang tính thực tế cao và có nhiều ý nghĩa trong giai đoạn phát triển ngành công nghiệp Ô tô nước nhà

1.3 Nội dung, phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Nội dung nghiên cứu

Hệ thống phanh được nhiều học giả, các nhà nghiên cứu trong nước thiết kế tính toán và mô phỏng trên nhiều phần mềm khác nhau, tuy nhiên chưa có công trình tiêu biểu công bố kết quả khảo sát trên phần mềm mô phỏng CarSim Do đó luận văn tiến hành thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu hệ thống phanh trên xe con

- Tìm hiểu phần mềm Carsim

32

- Mô phỏng hệ thống phanh trong Carsim và khảo sát

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết hiệu quả các nội dung nghiên cứu trên, luận văn tiến hành nghiên cứu lý thuyết về hệ thống phanh kết hợp với phần mềm mô phỏng động lực học ô tô CarSim để mô phỏng và khảo sát

1.3.3 Ý nghĩa thực tế của đề tài

Hệ thống phanh trên xe con hiện nay được ứng dụng rất nhiều công nghệ điện tử để điều khiển hệ thống phanh nhằm nâng cao tính ổn định của xe khi phanh

vì vậy cũng cần phải áp dụng các công nghệ phần mềm để tính toán và thiết kế Tuy nhiên từ việc tính toán, thiết kế đến thử nghiệm và sản xuất sau đó đưa vào ứng dụng đó là một quá trình rất khó khăn, phức tạp và tiêu hao về kinh tế Do vậy

“Nghiên cứu mô phỏng khảo sát hệ thống phanh xe con trong Carsim” sẽ giúp cho chúng ta mô phỏng khảo sát hệ thống phanh dựa trên những điều kiện hoạt động thực tế của hệ thống phanh trên xe con Thông qua đề tài bước đầu xây dựng phương pháp để sử dụng xe con trong CarSim

33

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CARSIM VÀ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CHO BÀI TOÁN MÔ PHỎNG

2.1 Giới thiệu Carsim

Tổng công ty mô phỏng cơ khí MSC (Mechanical Simulation Corporation) dẫn đầu thế giới trong việc phát triển và phân phối các phần mềm tiên tiến được sử dụng để mô phỏng hành vi, phản ứng của xe khi có sự tương tác động lực học theo

3 phương của xe, các bộ điều khiển tiên tiến, dẫn hướng và đường MSC được thành lập năm 1996, công ty cung cấp các gói mô phỏng dành cho xe hơi (CarSim),

xe tải (TruckSim), dành cho các xe gắn máy (BikeSim) Ngoài ra công ty đào tạo và

hỗ trợ liên tục hơn 30 nhà sản xuất OEM, hơn 60 đại lý cấp 1, hơn 150 trường đại học và các nhóm nghiên cứu của chính phủ trên toàn thế giới

Phần mềm có thể sử dụng trên các hệ điều hành 32 bít, 64 bít cho thời gian

mô phỏng nhanh hơn so với thời gian thực Trên hệ thống có tích hợp cho kiểm tra

mô phỏng phần cứng theo vòng kín – Hardware In the Loop (HIL)

2.1.1 Các mô hình trong CarSim

CarSim cung cấp các mô hình toán học mô phỏng các hệ thống trên xe cho phép tùy chỉnh các thông số trong mô hình để đưa bài toán về tối ưu, đồng thời đưa

ra các hành động ứng xử của xe trong quá trình mô phỏng Ngoài ra, CarSim cho phép làm việc cùng một số phần mềm khác như Simulink, labView, ATAS ASCET, chương trình C/C++, Visual Basic,… để tự động hóa hay mở rộng ứng dụng của mô hình

Chức năng của bảng cấu hình

Có khả năng xác định mối quan hệ phi tuyến giữa các biến độc lập với các biến phụ thuộc trong VS (VehicleSim®) Các mối quan hệ này có thể biểu diễn dưới dạng hằng số, hệ số tuyến tính, bảng phi tuyến với phương pháp nội suy đối với một hay hai biến độc lập

34

Nếu lựa chọn các phương pháp đơn giản để cấu hình (Sử dụng hệ số hay nội suy tuyến tính) sẽ rút ngắn được thời gian mô phỏng

Không hạn chế độ dài của bảng khi xác định các hệ số sử dụng bảng

Điều khiển dẫn hướng

Tất cả các mô hình điều khiển dẫn hướng được xác định bằng cách sử dụng

mô hình trong CarSim hay được lập trình từ các phần mềm khác

Một mô hình điều khiển lái cho phép người dùng điều khiển theo một quỹ đạo lập trình sẵn

Các mô hình điều khiển có thể kiểm soát được tốc độ bằng cách đặt trước và khả năng gia tốc giới hạn, đường hình học 3D…

Có thể can thiệp vào hệ thống bằng cách điều khiển vòng kín hoặc vòng hở

Hiệu ứng gió và khí động học

Có 6 lực và mô men khí động được cấu hình cho khối lượng được treo của

xe Các lực và mô men này được cấu hình chức năng cho độ trượt của khí động, khoảng sáng gầm xe và các góc lượn

Tốc độ của gió xung quanh và gió chính diện được thiết lập với các bảng, hàm thời gian hay có thể được nhập từ các phần mềm khác

Hệ thống treo

Các mô hình của hệ thống treo có đầy đủ các chuyển động phi tuyến và bất đối xứng Mỗi hệ treo chịu tác động bởi lực dọc và lực theo phương thẳng đứng góc đặt các bánh xe được xác định bởi góc camber và góc toe Tất cả các thông số

có thể biểu diễn tuyến tính hoặc phi tuyến thông qua bảng cấu hình

Hệ treo cầu trước hay cầu sau có thể khai báo là hệ treo độc lập hoặc phụ thuộc Đối với hệ treo phụ thuộc, khối cầu được coi khối rắn tuyệt đối, sự tương tác

35

giữa các bánh được khởi tạo thông qua tương tác của dầm Đối với hệ treo độc lập,

lò xo và giảm chấn được khai báo phi tuyến có tính đến độ trễ do ma sát

Trong quá trình mô phỏng, người dùng cần khai báo các thông số về khối lượng được treo, độ cứng của lò xo và hệ số giảm chấn, chiều rộng cơ sở của xe, bán kính lăn bánh, các góc đặt bánh xe đồng thời khai báo đặc tính thay đổi của các góc đặt bánh xe khi có sự thay đổi về lực dọc, lực ngang, mô men lái…chi tiết cấc thông số cụ thể được trình bày tại hình 2.1

Hình 2 1: Các thông số của mô hình hệ thống treo

Hệ thống lái

Sự tương tác giữa hệ thống treo, hệ thống lái, lốp xe và mặt đất được xử lý với một mô hình chi tiết đa vật thể (multibody) có xét tới sự ảnh hưởng của góc kingpin

Hình 2 2: Các thông số của mô hình hệ thống lái

Hệ thống phanh

Trong mô hình hệ thống phanh cho phép người sử dụng lựa chọn mô hình phanh thường thủy lực 4 bánh, có sử dụng ABS hoặc không, được phép lựa chọn các chế độ hiệu ứng nhiệt khi phanh và trợ lực phanh

37

Áp suất đầu vào của các xy lanh chính tuyến tính với áp suất bơm Mô men phanh được mô phỏng như một hàm phi tuyến với áp suất bơm Trong mô hình hệ thống cho phép người dùng tùy chọn cho việc có sử dụng ABS hay dùng thuật toán tích hợp sẵn trong bộ điều khiển đơn giản Chất lượng điều khiển hay hiệu quả của

hệ thống phanh có xét tới sự ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt và động lực học trong truyền động của chất lỏng

Trên hình 2.3 khai báo lựa chọn mô hình phanh 4 bánh, bộ ABS có thể tắt để

sử dụng chế độ phanh thường Trên mô hình cho phép người sử dụng khai báo mô men phanh tại các bánh Để thuận lợi trong quá trình khảo sát, mô hình cho phép đặt các ngưỡng điều khiển cho ABS, các ngưỡng này được kiểm soát theo độ trượt Đồng thời cho lựa chọn vùng tốc độ thấp nhất để cắt ABS ra khỏi hệ thống

Hình 2 3: Các thông số của mô hình hệ thống phanh

Mô hình lốp

Trong CarSim gồm nhiều mô hình lốp, luôn sẵn sàng để chạy với mô hình cơ bản sử dụng bảng dữ liệu như các mô hình mở rộng (sử dụng nhiều bảng và hiệu