Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

 Mục tiêu nghiên cứu + Xây dựng mô hình động lực học của ô tô + Xây dựng mô hình động lực học hệ thống lái tích cực + Xây dựng thuật toán, thiết kế bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi, đề tài được thực hiện tại bộ môn Ô tô, trường Đại học Giao Thông Vận Tải dưới sự hướng dẫn của PGS TS Đào Mạnh Hùng và TS Nguyễn Khắc Huân Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn

là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả

Nguyễn Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Xin trân trọng cảm ơn tới Thầy Đào Mạnh Hùng và Thầy Nguyễn Khắc Huân

đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận án Trân trọng gửi lời cảm ơn đến toàn thể các Thầy tại bộ môn Cơ khí Ô tô đã hướng dẫn, tư vấn, đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận án

Trân trọng cảm ơn các Thầy Cô, đồng nghiệp Trường Đại học Giao Thông vận tải, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Cao đẳng Lý Tự Trọng Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi và góp ý trong quá trình thực hiện luận án

Trân trọng cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè đã động viên hỗ trợ trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô 4

1.1.1 Khái quát về an toàn chuyển động 4

1.1.2 Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô 4

1.1.3 Bánh xe dẫn hướng 10

1.1.4 Quá trình phát triển hệ thống lái trên ô tô 11

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài và trong nước 18

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 18

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 22

1.3 Xác định mục tiêu, đối tượng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của luận án 23 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 23

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 24

1.3.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài 24

1.4 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ VÀ HỆ THỐNG LÁI 26

2.1 Xây dựng mô hình chuyển động của ô tô 26

2.1.1 Mô hình động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng 26

2.1.2 Mô hình động lực học của bánh xe đàn hồi 29

2.1.3 Mô hình xác định tải trọng tác dụng lên các bánh xe 32

2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô 33

2.2.1 Sơ đồ khối mô phỏng chuyển động ô tô trong mặt phẳng 33

2.2.2 Sơ đồ thuật toán 34

2.2.3 Sơ đồ mô phỏng Matlab - Simulink 35

2.3 Xây dựng mô hình hệ thống lái ô tô 37

2.3.1 Mô hình hệ thống lái tích cực 37

2.3.2 Mô hình toán học hệ thống lái tích cực 40

2.4 Mô hình mô phỏng hệ thống lái 49

2.4.1.Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng với hệ thống lái 49

2.4.2 Sơ đồ thuật toán mô phỏng hệ thống lái tích cực 51

2.4.3 Sơ đồ Matlab - Simulink mô phỏng hệ thống lái 52

2.5 Kết luận 53

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ VỚI HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC 54

3.1 Thiết kế bộ điều khiển 54

3.1.1 Đặt vấn đề 54

3.1.2 Sơ đồ khối động lực học chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực 54

3.1.3 Thiết kế bộ điều khiển AFS - Fuzzy Logic 55

3.1.4 Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy logic của mô tơ với hệ thống lái tích cực 61

3.2 Mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô với tác động điều khiển tỉ số truyền của hệ thống lái 62

3.2.1 Khảo sát chuyển động của ô tô khi quay vòng trong các điều kiện khai thác khác nhau 62

3.2.2 Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển động thẳng 69

3.2.3 Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển làn 72

3.3 Kết luận chương 3 75

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 76

4.1 Mục đích, nhiệm vụ và đối tượng thí nghiệm 76

4.1.1 Mục đích thí nghiệm 76

4.1.2 Đối tượng thí nghiệm 76

4.1.3 Điều kiện thí nghiệm 77

4.2 Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống lái tích cực AFS 78

4.2.1 Kết cấu cơ khí hệ thống lái và cầu trước 78

4.2.2 Bộ phận tạo tải 80

4.2.3 Cụm đo góc quay bánh xe dẫn hướng 81

4.2.4 Cảm biến đo góc quay 81

4.2.5 Máy tính kết nối 81

4.2.6 Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều không chổi than (BLDCM) 82

4.2.7 Chế tạo bộ điều khiển mô tơ của hệ thống lái tích cực 87 4.3 Quy trình thí nghiệm khảo sát chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực 93

4.4 Kết quả thí nghiệm khảo sát chuyển động quay vòng của ô tô (J-turn) 94

4.4.1 Khi độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn độ cứng ngang lốp sau 95

4.4.2 Khi độ cứng ngang lốp trước lớn hơn độ cứng ngang lốp sau 97

4.5 Kết quả khảo sát quỹ đạo của ô tô khi chuyển động thẳng 99

4.5.1 Quỹ đạo chuyển động của ô tô dưới tác động của lực gió ngang 99

4.5.2 Khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô khi thay đổi tốc độ 100

4.6 Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển làn 101

4.7 Phương pháp đánh giá sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm 102

4.8 So sánh đánh giá kết quả giữa thực nghiệm với mô phỏng lý thuyết 103

4.9 Kết luận chương 4 105

KẾT LUẬN 106

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 108

PHỤ LỤC 113

PHỤ LỤC 1 114

PHỤ LỤC 2 129

PHỤ LỤC 3 143

PHỤ LỤC 4 148

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình ô tô một vết 5

Hình 1.2 Quan hệ giữa các trạng thái quay vòng với độ cứng bên của lốp và tọa độ trọng tâm ô tô 7

Hình 1.3 Ảnh hưởng của Ks đến quan hệ giữa góc quay thực tế và gia tốc hướng tâm với bán kính quay vòng R = const 8

Hình 1.4 Ảnh hưởng của gió ngang và biến dạng của lốp đến ổn định hướng chuyển động 9

Hình 1.5 Mất ổn định hướng do lực phanh không đều 10

Hình 1.6 Các góc đặt bánh xe 10

Hình 1.7 Sơ đồ tiến trình phát triển của hệ thống lái 11

Hình 1.8 Hệ thống lái cơ khí 11

Hình 1.9 Hệ thống lái thủy lực 12

Hình 1.10 Hệ thống lái thủy lực điều khiển bằng điện tử 12

Hình 1.11 Hệ thống lái trợ lực điện 13

Hình 1.12 Mô hình hệ thống lái AFS 14

Hình 1.13 Cơ cấu chấp hành của hệ thống lái tích cực AFS 14

Hình 1.14 Quan hệ giữa tỷ số truyền của hệ thống lái và tốc độ chuyển động của ô tô 15

Hình 1.15 Bộ chấp hành VGRS 15

Hình 1.16 Cơ cấu VGRS 16

Hình 1.17 Cơ cấu bộ giảm tốc 16

Hình 1.18 Cơ cấu hãm mô tơ 17

Hình 1.19 Quy luật thay đổi tỷ số truyền góc của cơ cấu lái 17

Hình 1.20 Đồ thị tỷ số truyền hệ thống lái tích cực 18

Hình 1.21 Quan hệ giữa tỷ số truyền và vận tốc ô tô 19

Hình 1.22 Đường thử nghiệm chuyển làn của ô tô 20

Hình 1.23 Sơ đồ điều khiển hệ thống AFS 22

Hình 1.24 Mối quan hệ giữa tỷ số truyền và tốc độ 22

Hình 2.1 Mô hình chuyển động của ô tô trong mặt phẳng 27

Hình 2.2 Các lực tác dụng từ mặt đường lên bánh xe 30

Hình 2.3 Các góc quay của bánh xe 30

Hình 2.4 Quan hệ giữa góc lệch bên và phản lực ngang theo công thức Magic Formula 32 Hình 2.5 Mô hình xác định tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe 32

Hình 2.6 Sơ đồ khối mô phỏng chuyển động ô tô trong mặt phẳng 33

Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán khảo sát mô hình chuyển động của ô tô 34

Hình 2.8 Sơ đồ Simulink mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô 35

Hình 2.9 Sơ đồ Simulink mô phỏng bánh xe đàn hồi 36

Hình 2.10 Sơ đồ Simulink mô phỏng chuyển động của ô tô trong mặt phẳng 36

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống lái tích cực 37

Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống lái bị động 39

Hình 2.13 Sơ đồ động học cơ cấu Harmonic 39

Hình 2.14 Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng với hệ thống lái bị động 49

Hình 2.15 Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng với hệ thống lái tích cực 50

Hình 2.16 Sơ đồ thuật toán mô phỏng hệ thống lái tích cực 51

Hình 2.17 Sơ đồ xác định góc quay bánh xe dẫn hướng từ góc quay vành lái 52

Hình 2.18 Sơ đồ xác định mô men của mô tơ điều khiển từ góc bù của các bánh xe dẫn hướng 52

Hình 2.19 Sơ đồ Simulink hệ thống lái tổng quát 53

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống lái tích cực trên ô tô 55

Hình 3.2 Hệ kín, phản hồi âm sử dụng bộ điều khiển mờ 55

Hình 3.3 Sai lệch vận tốc góc quay thân xe 58

Hình 3.4 Sai lệch gia tốc góc quay thân xe 58

Hình 3.5 Góc quay điều chỉnh bánh xe 58

Hình 3.6 Tập luật điều khiển 59

Hình 3.7 Thiết bị hợp thành 60

Hình 3.8 Bộ điều khiển mờ của hệ thống lái tích cực 60

Hình 3.9 Quan hệ truyền đạt của bộ điều khiển mờ 60

Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán điều khiển mô tơ 61

Hình 3.11 Mô hình tổng quát điều khiển mô tơ của hệ thống lái tích cực 62

Hình 3.12 Góc quay vành lái 63

Hình 3.13 Các lực ngang tác dụng lên các lốp 63

Hình 3.14 Góc quay trục lái trước và sau mô tơ lái tích cực 64

Hình 3.15 Góc quay hiệu chỉnh của mô tơ lái tích cực 64

Hình 3.16 Góc quay trung bình bánh xe dẫn hướng 64

Hình 3.17 Gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ô tô 65

Hình 3.18 Quỹ đạo chuyển động của ô tô 65

Hình 3.19 Tỷ số truyền ở tốc độ V= 40 km/h 65

Hình 3.20 Các lực ngang tác dụng lên các lốp 66

Hình 3.21 Góc quay trục lái trước và sau mô tơ lái tích cực 67

Hình 3.22 Góc quay hiệu chỉnh của mô tơ lái tích cực 67

Hình 3.23 Góc quay bánh xe dẫn hướng 67

Hình 3.24 Gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ô tô 68

Hình 3.25 Quỹ đạo chuyển động của ô tô 68

Hình 3.26 Đồ thị tỷ số truyền ở tốc độ V= 40 km/h 68

Hình 3.27 Lực gió ngang 70

Hình 3.28 Các lực ngang tác dụng lên các lốp 70

Hình 3.29 Gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ô tô 70

Hình 3.30 Quỹ đạo chuyển động của ô tô 71

Hình 3.31 Đồ thị tỷ số truyền 71

Hình 3.32 Đồ thị tỷ số truyền theo vận tốc 72

Hình 3.33 Thí nghiệm chuyển làn theo tiêu chuẩn ISO 3888 73

Hình 3.34 Đồ thị góc quay vành lái 73

Hình 3.35 Đồ thị góc quay hiệu chỉnh của mô tơ 73

Hình 3.36 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng 73

Hình 3.37 Đồ thị các lực ngang tác dụng lên các lốp 74

Hình 3.38 Đồ thị gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ô tô 74

Hình 3.39 Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô 74

Hình 3.40 Đồ thị tỷ số truyền 75

Hình 4.1 Lưu đồ bộ điều khiển mô tơ lái tích cực 77

Hình 4.2 Khung mô hình thực nghiệm hệ thống lái 78

Hình 4.3 Cụm cầu trước của xe Lexus LX 470 79

Hình 4.4 Mô tơ một chiều ba pha không chổi than của hệ thống lái tích cực 79

Hình 4.5 Mô hình hệ thống lái tích cực AFS 80

Hình 4.6 Các bộ phận tạo tải cho mô hình AFS 80

Hình 4.7 Cụm đo góc quay bánh xe dẫn hướng 81

Hình 4.8 Cảm biến đo góc quay 81

Hình 4.9 Mô hình mô tơ BLDC 82

Hình 4.10 Sơ đồ cấu tạo mô tơ một chiều không chổi than 83

Hình 4.11 Mô đun điều khiển đồng bộ không chổi quét nam châm vĩnh cửu 86

Hình 4.12 Đồ thị dòng pha và suất điện động phản hồi của motor 86

Hình 4.13 Sơ đồ chức năng mạch điều khiển mô tơ BLDC 87

Hình 4.14 Hộp điều khiển hệ thống lái tích cực AFS 87

Hình 4.15 Sơ đồ chuyển đổi điện áp 12~24DC 88

Hình 4.16 Sơ đồ mạch bộ đọc các giá trị cảm biến 90

Hình 4.17 Sơ đồ mạch điều khiển mô tơ 92

Hình 4.18 Sơ đồ chân card Arduino 92

Hình 4.19 Sơ đồ khối 12V điều khiển khóa mô tơ 93

Hình 4.20 Mạch điều khiển mô tơ một chiều không chổi than 93

Hình 4.21 Đồ thị các lực ngang tác dụng lên lốp 95

Hình 4.22 Đồ thị góc quay trục lái khi quay vòng 95

Hình 4.23 Đồ thị góc quay hiệu chỉnh của mô tơ 96

Hình 4.24 Đồ thị tỷ số truyền khi V = 40 km/h 96

Hình 4.25 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng 96

Hình 4.26 Đồ thị các lực ngang tác dụng lên bánh xe 97

Hình 4.27 Đồ thị góc quay trục lái 97

Hình 4.28 Đồ thị góc quay hiệu chỉnh của mô tơ 98

Hình 4.29 Đồ thị tỷ số truyền 98

Hình 4.30 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng 98

Hình 4.31 Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô khi gió ngang tác động 100

Hình 4.32 Đồ thị tỷ số truyền theo vận tốc 101

Hình 4.33 Đồ thị góc quay trục lái khi chuyển làn 101

Hình 4.34 Đồ thị góc quay hiệu chỉnh của mô tơ 102

Hình 4.35 Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô 102

Hình 4.36 So sánh sai lệch góc quay bánh xe dẫn hướng giữa mong muốn và thực tế 103

Hình 4.37 So sánh sai lệch góc quay mô tơ giữa mong muốn và thực tế 103

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Tập luật của bộ điều khiển logic mờ 59

Bảng 3.2 Các thông số đầu vào của chế độ mô phỏng quay vòng 62

Bảng 3.3 Các thông số đầu vào của chế độ mô phỏng chuyển động thẳng 69

Bảng 4.1 Các thông số của ô tô thí nghiệm Lexus LX 470 76

Bảng 4.2 Các thông số đầu vào của mô hình thí nghiệm quay vòng 94

Bảng 4.3 Các thông số đầu vào của chế độ thí nghiệm chuyển động thẳng 99

Bảng 4.4 Bảng so sánh các thông số của góc góc bánh xe dẫn hướng giữa mong muốn và thực nghiệm 104

Bảng 4.5 Bảng so sánh các thông số của góc mô tơ giữa mong muốn và thực nghiệm………104

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

a1 m Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu trước

a2 m Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu sau

b1 m Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm vết bánh xe bên trái

b2 m Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm vết bánh xe bên phải

V m/s Vận tốc thân ô tô tại trọng tâm ô tô

   rad Góc lệch giữa phương vận tốc v i của bánh xe và phương

chuyển động của ô tô

Ký hiệu Đơn vị Tên gọi

M kg Khối lượng toàn bộ của ô tô

K sc N/rad Độ cứng xoắn của trục lái

B sw N.s/m Hệ số cản xoắn của trục lái

δ sc rad Góc quay của trục lái

sw

T sw N.m Mô men tác dụng lên vành lái

Y m Dịch chuyển ngang của thanh răng

CF R N Lực ma sát khô tác dụng giữa bánh răng và thanh răng

B R N.s/m Hệ số cản dịch chuyển ngang giữa trục bánh răng và

B B N.s/m Hệ số cản giảm chấn của thanh điều chỉnh liên kết bánh

xe bên trái và bên phải

FW1, FW2 rad Góc quay của bánh xe bên trái và bánh xe bên phải

ηF % Hiệu suất của bộ truyền bánh răng

ηB % Hiệu suất phản hồi của bộ truyền bánh răng

RP m Bán kính của bánh răng truyền lực

k f N/m Độ cứng của hệ thống treo một bên cầu trước

c f N.s/m Hệ số cản của giảm chấn một bên cầu trước

KT N/m Độ cứng của lò xo xoắn van trợ lực thủy lực

MR Kg Khối lượng của thước lái

Ký hiệu Đơn vị Tên gọi

NL m Chiều dài của thanh liên kết từ thước lái đến bánh xe

scc

 rad Góc quay của trục lái phía dưới mô tơ

l w m Khoảng cách từ điểm đặt lực gió ngang tới trọng tâm xe

a ht m/s2 Gia tốc hướng tâm của ô tô

m R Kg Khối lượng thước lái

𝜂𝑃𝑆 % Hiệu suất của hệ thống lái trợ lực thủy lực

𝐹𝑃𝑆 N Lực trợ lực của hệ thống lái thủy lực

MỞ ĐẦU

Sau hơn hai thập niên xây dựng, mặc dù ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đã phát triển mạnh so với đầu thập niên 90 nhưng nó vẫn ở mức quy mô nhỏ với công nghệ lạc hậu Đại đa phần các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước có quy mô vừa và nhỏ với công việc chủ yếu là lắp ráp dạng CKD trên cơ sở linh kiện nhập khẩu từ nước ngoài Tỷ lệ nội địa hóa trong sản phẩm ô tô trong nước còn rất thấp Mặc dù đã có nhiều chính sách ưu đãi của Chính phủ đối với dòng ô tô con, ô tô tải vừa và nhỏ nhưng lĩnh vực sản xuất ô tô vẫn còn trong tình trạng không mấy khả quan Chỉ một số ít sản phẩm như khung, vỏ, cabin có thể tự sản xuất được tại các nhà máy lớn như Toyota, Thaco Trường Hải… còn hầu hết các bộ phận chính từ động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống lái đến các hệ thống điều khiển khác đều được nhập ngoại Với bối cảnh đó ngành công nghiệp ô tô phải tăng tốc để trở thành ngành công nghiệp quan trọng, đáp ứng tối

đa nhu cầu thị trường nội địa về các loại ô tô tải, ô tô khách thông dụng, ô tô con và một

số loại ô tô chuyên dùng

Sau Quyết định số 1168/QĐ-TTg phê duyệt Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035, ngày 24 tháng 7 năm

2014, Quyết định số 1211/QĐ-TTg phê duyệt Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp

ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030 Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt Quyết định số 229/QĐ-TTg ngày 04/02/2016 về Cơ chế, chính sách thực hiện Chiến lược và Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, trong đó thể hiện sự quan tâm lớn đến công nghiệp phụ trợ

Để phát triển ngành công nghiệp phụ trợ ô tô Việt Nam nhằm phấn đấu trở thành nhà cung cấp linh kiện, phụ tùng và một số cụm chi tiết có giá trị cao trong chuỗi sản xuất công nghiệp ô tô thế giới sẽ góp phần vào tăng trưởng kinh tế và thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp khác

Khi số lượng ô tô và tốc độ trung bình ngày càng tăng thì tính an toàn chuyển động ngày càng được quan tâm

Hệ thống lái là một trong những hệ thống quan trọng của ô tô, có chức năng thay đổi và ổn định hướng khi ô tô chuyển động, do đó giữ vai trò quyết định đến tính an toàn chuyển động của ô tô Hệ thống lái tích cực giúp người lái kiểm soát được các tình huống mất ổn định, nâng cao tính an toàn chuyển động của ô tô Đây là một trong các công nghệ mới được ứng dụng trong ngành ô tô

Trên thế giới đã có các công trình nghiên cứu về nội dung này, tuy nhiên các tài liệu, kết quả nghiên cứu là tài liệu riêng của các hãng và không được công bố hoặc các công bố chỉ mang tính hướng dẫn, khai thác sử dụng Ở Việt Nam, đã có một vài đề tài

đề cập đến ảnh hưởng của hệ thống lái đến quỹ đạo chuyển động, tuy nhiên các hướng nghiên cứu mới tập trung chủ yếu vào các hệ thống lái có trợ lực, chưa đầu tư nghiên cứu sâu về hệ thống lái tích cực Xuất phát từ các yêu cầu thực tế trên, nghiên cứu sinh

đã chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định

quỹ đạo chuyển động của ô tô” nhằm góp phần tạo dựng cơ sở lý thuyết và kiểm

nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm phục vụ cho việc đánh giá chất lượng của sản phẩm được thiết kế, chế tạo, hoàn thiện qui trình thiết kế bộ điều khiển điện tử trên hệ thống lái tích cực nói chung

 Mục tiêu nghiên cứu

+ Xây dựng mô hình động lực học của ô tô

+ Xây dựng mô hình động lực học hệ thống lái tích cực

+ Xây dựng thuật toán, thiết kế bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô và được kiềm chứng bằng mô hình bán thực nghiệm

 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án: là hệ thống lái tích cực trên ô tô con

Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

+ Đề tài chỉ nghiên cứu điều khiển thay đổi tỷ số truyền góc của hệ thống lái

+ Tiến hành thực nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm với các chế độ quay vòng

ổn định, chuyển làn, chuyển động thẳng vận tốc thay đổi và khi có gió ngang

 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

 Nội dung và bố cục của luận án:

Xuất phát từ mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu, bố cục của luận án gồm có bốn chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về ổn định quỹ đạo chuyển động, hệ thống lái tích cực trên

ô tô Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án; những vấn đề tồn tại; vấn đề luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học ô tô và hệ thống lái

Từ mô hình vật lý của ô tô sử dụng hệ thống lái tích cực, xây dựng mô hình toán

và mô phỏng bằng phần mềm Matlab simulink

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển và khảo sát chuyển động của ô tô

Trình bày việc xây dựng thuật toán điều khiển, tính toán, mô phỏng hoạt động của

hệ thống lái tích cực sử dụng trên ô tô và khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô trên cơ

sở tính toán, thiết kế

Chương 4: Thí nghiệm khảo sát chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực

+ Thiết kế, chế tạo và lắp đặt mô hình hệ thống lái tích cực

+ Tiến hành thí nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm với các chế độ chuyển động khác nhau

 Những kết quả mới của luận án:

Đã thực hiện giải pháp để ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng cách thay đổi tỷ số truyền của hệ thống lái

Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển hệ thống lái tích cực trên mô hình bán thực nghiệm

 Ý nghĩa khoa học của luận án:

- Đã xây dựng được mô hình động lực học ô tô để đưa ra giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng cách thay đổi tỷ số truyền của hệ thống lái

- Đã thiết kế, chế tạo bộ điều khiển thay đổi tỷ số truyền của hệ thống lái tích cực

 Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể giúp chúng ta làm chủ công nghệ trong quá trình thiết kế, cải tạo và khai thác sử dụng ô tô sử dụng hệ thống lái tích cực

- Luận án cũng là tài liệu tham khảo trong quá trình đào tạo ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

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

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)

1.1.2 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

 

1.1 tan

Trong đó C αf và C αr là độ cứng bên tổng cộng của các bánh xe cầu trước và cầu

sau Với các góc quay nhỏ δ, α f , α r<<1, bán kính quay vòng thực tế của ô tô được xác định gần đúng như sau:

Hình 1.1 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:

- Nếu α f = α r → R t = R: quay vòng đúng (neutral steering);

- Nếu α f < α r → R t < R: quay vòng thừa (over steering);

- Nếu α f > α r → R t > 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:

với m là khối lượng của ô tô và a y là gia tốc hướng tâm xuất hiện khi ô tô quay vòng Từ phương trình (1.2) và (1.4), ta có:

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 Hình 1.2 thể hiện ảnh hưởng của

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

Hình 1.2 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:

Từ các phương trình (1.5) và (1.6), ta có:

trong đó:

Ks được gọi là hệ số quay vòng [16], giá trị của K s xác định trạng thái quay vòng

của ô tô, m 1 và m 2 là khối lượng phân bố lên cầu trước và cầu sau Hình 1.3 biểu diễn

ảnh hưởng của hệ số quay vòng K s đến mối quan hệ giữa góc quay thực tế của các bánh

xe dẫn hướng δ và gia tốc hướng tâm a y khi ô tô quay vòng với bán kính không đổi

0 y s y, 1.7

m m

C αf > C αr : Quay vòng thừa L/R

a) a f = a r; R = const b) C αf = C αr , R = const

Hình 1.3 Ảnh hưởng của K s đến quan hệ giữa góc quay thực tế và gia tốc hướng tâm

với bán kính quay vòng R = const

- Khi K s = 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 K s > 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 K s < 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

b 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:

Hình 1.4 Ảnh hưởng của gió ngang và biến dạng của lốp đến ổn định hướng chuyển động

- Khi α f > α r xuất hiện lực quán tính ly tâm F lt ngược chiều với lực gió ngang F w

có xu hướng ổn định quỹ đạo chuyển động ban đầu của ô tô (Hình 1.4a)

- Nếu α f < α r lực quán tính ly tâm F lt cùng chiều với F w làm tăng giá trị lực ngang gây mất ổn định quỹ đạo chuyển động (Hình 1.4b)

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:

- Nếu lực quán tính ly tâm F lt ngược chiều với lực gió ngang F w thì ô tô có xu hướng ổn định quỹ đạo chuyển động ban đầu

- Nếu lực quán tính ly tâm F lt cùng chiều với F w sẽ làm tăng giá trị lực ngang gây mất ổn định quỹ đạo chuyển động

c Mất ổn định hướng khi phanh

Hiện tượng mất ổn định quỹ đạo chuyển động còn có thể xảy ra khi ô tô phanh gấp trên đường có hệ số bám không đều giữa hai bên bánh xe hoặc khi bánh xe giữa các cầu bị bó cứng không đồng thời

Khi tổng lực phanh giữa các bánh xe bên phải và bên trái khác nhau (do khe hở giữa má phanh và trống phanh, do chất lượng bề mặt ma sát, hoặc do giá trị giới hạn bám không đều và các ngoại lực khác), ô tô sẽ chịu tác dụng của mô men xoay thân xe

quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm M z, làm ô tô chuyển động lệch khỏi quỹ đạo ban

Trong thực tế, bánh xe dẫn hướng được bố trí với các góc đặt bánh xe bao gồm: góc nghiêng ngang của bánh xe (camber), góc nghiêng dọc của trụ đứng (caster), góc nghiêng ngang của trụ đứng (kingpin) (Hình 1.6)

Góc nghiêng ngang của bánh xe (camber) có tác dụng giảm nhẹ lực tác dụng lên vành lái, tăng khả năng bám của bánh xe với mặt đường

Góc nghiêng dọc của trụ đứng (caster) giúp xe chạy ổn định trên đường thẳng và

1.1.4 Quá trình phát triển hệ thống lái trên ô tô

Quá trình phát triển các hệ thống lái trên ô tô được bắt đầu từ hệ thống lái cơ khí sau đó phát triển qua hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái bằng dây dẫn, hệ thống lái tự động theo tiến trình phát triển (Hình 1.7)

Hình 1.7 Sơ đồ tiến trình phát triển của hệ thống lái

a Hệ thống lái cơ khí

Hệ thống lái cơ khí được bố trí trên các ô tô được sản xuất từ những năm 1950 Cho đến nay các bộ phận cơ khí đã có nhiều cải tiến Các nghiên cứu về hệ thống lái cơ khí chủ yếu tập trung vào khả năng quay vòng ô tô trong thời gian ngắn nhất trên một diện tích bé, giữ cho ô tô ổn định chuyển động thẳng, đảm bảo được động lực học quay vòng để các bánh xe không bị trượt Hệ thống lái cơ khí chỉ bao gồm 2 thành phần chính

là dẫn động lái và cơ cấu lái (Hình 1.8) Trên ô tô du lịch, hệ thống lái cơ khí đa phần điều khiển bánh xe dẫn hướng phía trước, chỉ có một số ít là được bố trí trên cả bốn bánh dẫn hướng nhằm giảm bán kính quay vòng

Hình 1.8 Hệ thống lái cơ khí [46]

Hệ thống lái cơ khí đáp ứng được yêu cầu ban đầu để ô tô chuyển động trên đường đảm bảo các điều kiện chuyển động quay vòng Hệ thống lái này có các nhược điểm

Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điệntửn tử

Hệ thống lái bằng dây dẫn

Hệ thống lái tích

cực

Hệ thống lái tự

động

như: lực tác dụng trên vành lái lớn đồng thời cũng tiếp nhận những phản lực lớn từ mặt đường nên làm người lái cảm thấy mệt mỏi khi lái ô tô

b Hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống lái trợ lực thủy lực là sự cải tiến của hệ thống cơ khí nhằm giảm nhẹ lực tác dụng lên vành lái Tùy theo thiết kế và chế độ khai thác của ô tô, sự hỗ trợ của bộ trợ lực lái có thể đạt đến 80% Hơn nữa, việc bố trí hệ thống trợ lực nhằm nâng cao được tính năng an toàn khi ô tô gặp sự cố

Hình 1.9 Hệ thống lái thủy lực [46]

Tuy nhiên ở hệ thống lái này vẫn còn một số nhược điểm: cơ cấu lái cồng kềnh, sử dụng công suất của động cơ để dẫn động bơm dầu nên làm tổn hao công suất động cơ (Hình 1.9)

c Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử

Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử là phiên bản cải tiến của hệ thống lái trợ lực thủy lực Đặc điểm quan trọng của hệ thống này là thanh xoắn của cảm biến mô men đánh lái không trực tiếp điều khiển van trợ lực Độ biến dạng của thanh xoắn được chuyển thành tín hiệu điện gửi đến hộp ECU để điều khiển trợ lực lái So với

hệ thống lái trợ lực thủy lực thì hệ thống lái này có nhiều ưu điểm hơn như vùng làm việc của trợ lực được mở rộng theo tốc độ của ô tô (Hình 1.10)

Hình 1.10 Hệ thống lái thủy lực điều khiển bằng điện tử [46]

1- ECU, bơm trợ lực 2- Ống dầu;

3- Cảm biến mô men 4- Thước lái

5- Van điều khiển lưu lượng dầu

1- Bơm trợ lực lái;

2- Thùng dầu trợ lực;

3- Thước lái;

4- Van thủy lực

d Hệ thống lái trợ lực điện

Hệ thống lái trợ lực điện ra đời khắc phục một số hạn chế của hệ thống trợ lực thủy lực Lực tác dụng trên vành lái được hỗ trợ bằng một mô tơ điện trợ lực Bộ trợ lực điện có thể bố trí trên trục lái hoặc trên thước lái (Hình 1.11)

Hình 1.11 Hệ thống lái trợ lực điện [46]

Hệ thống lái trợ lực điện có ưu điểm như gọn nhẹ, không chiếm không gian và không tiêu tốn nhiều công suất của mô tơ trong quá trình làm việc

Ở các hệ thống lái bị động đã trình bày có ưu điểm chính là giảm nhẹ lực tác dụng trên vành lái nhưng chưa điều khiển được quỹ đạo chuyển động của ô tô đặc biệt ở tốc độ cao

e Hệ thống lái tích cực

Hệ thống lái tích cực được thiết kế chế tạo nhằm đảm bảo ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô đặc biệt ở tốc độ cao Đặc điểm chính của hệ thống này là sự thay đổi tỷ

số truyền theo tốc độ nâng cao tính an toàn chủ động Hiện nay bộ chấp hành của hệ thống lái tích cực có hai dạng chủ yếu là cơ cấu bánh răng hành tinh và cơ cấu Harmonic

+ Hệ thống lái tích cực với cơ cấu bánh răng hành tinh

Cấu tạo của hệ thống lái tích cực AFS với cơ cấu bánh răng hành tinh gồm các bộ phận chính sau: Hệ thống lái trợ lực thủy lực, cơ cấu chấp hành của hệ thống AFS kiểu

cơ cấu bánh răng hành tinh và hệ thống điều khiển điện tử (Hình 1.12)

1- Hộp ECU 2- Bộ chuyển nguồn DC 3- Mô tơ;

4- Cảm biến mô men

Hình 1.12 Mô hình hệ thống lái AFS [30]

- Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực:

Hệ thống lái trợ lực thủy lực với cơ cấu lái trục vít - thanh răng được sử dụng tích hợp trong hệ thống lái tích cực

- Cơ cấu chấp hành AFS kiểu bánh răng hành tinh:

Cơ cấu chấp hành gồm có bộ bánh răng hành tinh và một mô tơ điện Khi vành răng của bộ bánh răng hành tinh cố định thì tỷ số truyền của hệ thống lái là không đổi (giống như cơ cấu lái thông thường) Khi mô tơ điện hoạt động sẽ quay trục vít làm quay vành răng của bộ bánh răng hành tinh nên tỷ số truyền của hệ thống lái thay đổi (Hình 1.13)

Hình 1.13 Cơ cấu chấp hành của hệ thống lái tích cực AFS [16]

1- Bánh răng trụ; 2- Bánh răng vành chậu; 3- Thước lái; 4- Bánh răng trung tâm

Hình 1.14 Quan hệ giữa tỷ số truyền của hệ thống lái

và tốc độ chuyển động của ô tô [30]

+ Hệ thống lái tích cực với cơ cấu Harmonic (Variable Gear ratio steering - VGRS)

Bộ chấp hành hệ thống lái VGRS (Hình 1.15) gồm có cơ cấu giảm tốc, mô tơ DC,

cơ cấu khóa hãm và cáp xoắn

Hình 1.15 Bộ chấp hành VGRS [46]

1-Bánh răng bị động, 2-bánh răng linh hoạt, 3-bánh dẫn động kiểu sóng, 4-bánh răng

cố định, 5-vỏ mô tơ, 6-mô tơ

Hộp ECU VGRS sẽ điều khiển đầu ra và cung cấp điện áp qua chổi than để điều khiển mô tơ Trục của mô tơ được nối với bánh dẫn động kiểu sóng (Wave generator)

và được đặt vào phía bên trong của bánh răng linh hoạt (flexible gear) để quay Bánh răng linh hoạt lại được đặt vào phía trong của bánh răng cố định (stator gear) để tạo ra chuyển động quay của bánh răng bị động (driven gear) trên cùng một trục

Bánh răng cố định có 102 răng, nhiều hơn bánh răng dẫn động 2 răng Bánh dẫn động kiểu sóng bao gồm một cơ cấu có dạng hình oval, vòng bi và vòng bên ngoài có khả năng biến dạng đàn hồi (Hình 1.16) Bánh răng linh hoạt là một vành kim loại mỏng

có khả năng đàn hồi rất tốt

Hình 1.16 Cơ cấu VGRS [46]

1-Bánh răng bị động, 2-bánh răng linh hoạt, 3-bánh dẫn động kiểu sóng, 4-bánh răng

cố định, 5-Vòng bi, 6-vòng ngoài, 7-vòng trong

Bánh răng linh hoạt sẽ bị thay đổi từ dạng hình tròn thành oval khi bánh dẫn động kiểu sóng được lồng vào trong vòng bánh răng linh hoạt Các răng của bánh răng linh hoạt sẽ ăn khớp với các răng của bánh răng bị động Khi bánh dẫn động quay ngược chiều với chiều kim đồng hồ trong khi bánh răng cố định vẫn đứng yên, các răng của bánh răng linh hoạt bị biến dạng đàn hồi nên các bánh răng ăn khớp liên tục thay đổi vị trí ra vào khớp với vành răng của bánh răng cố định để tạo sự di chuyển (Hình 1.17)

Hình 1.17 Cơ cấu bộ giảm tốc [46]

Khi bánh dẫn động quay một vòng thì bánh răng bị động sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ 2 răng, đó là lý do vì sao số răng bánh răng bị động ít hơn số răng của bánh răng cố định 2 răng Kết quả của sự khác biệt khi quay này sẽ được thể hiện ở đầu trục ra

Bộ phận hãm bao gồm cuộn dây, cần hãm, khóa hãm và cơ cấu an toàn cho trục của mô tơ Trong trường hợp hệ thống bị hư hỏng hoặc công tắc máy ở vị trí OFF, cơ cấu này sẽ khóa trục mô tơ lại không cho quay và nó sẽ hoạt động như một hệ thống lái

cơ khí thông thường (Hình 1.18)

Hình 1.18 Cơ cấu hãm mô tơ [46]

1-Cần hãm, 2-Khóa hãm, 3-Trục mô tơ, 4-Solenoid, 5-Đĩa

Hiện nay, hệ thống lái tích cực có thể kết hợp với hệ thống lái trợ lực thủy lực hoặc hệ thống lái điện trên các dòng ô tô cao cấp Ưu điểm lớn nhất của hệ thống lái này

là phát huy được hiệu quả của các hệ thống lái trợ lực truyền thống, đồng thời làm tăng tính linh hoạt và an toàn của hệ thống lái

1.1.5 Tỷ số truyền của hệ thống lái

Hình 1.19 Quy luật thay đổi tỷ số truyền góc của cơ cấu lái

0

Tỷ số truyền

Phạm vi góc quay vành lái nhỏ hơn 90 độ thì tỷ số truyền cơ cấu lái có giá trị cực đại đảm bảo độ chính xác cao khi ô tô lái trên đường thẳng với tố độ cao và lái nhẹ nhàng vì thời gian đánh lái là quay vành lái một góc nhỏ quanh vị trí trung gian Khi góc quay vành lái được quay một góc lớn hơn 90 độ thì tỷ số truyền của cơ cấu lái giảm rất nhanh, giúp khả năng quay vòng của ô tô tốt hơn

Hệ thống lái trợ lực thủy lực: Tỷ số truyền thường được cố định, việc giảm nhẹ lực đánh lái sẽ do hệ thống trợ lực thủy lực hỗ trợ

Hệ thống lái tích cực: Tỷ số truyền sẽ thay đổi theo dãy tốc độ để đảm bảo được quỹ đạo chuyển động của ô tô trong các điều kiện khai thác khác nhau như hình 1.20

Hình 1.20 Đồ thị tỷ số truyền hệ thống lái tích cực

* Tỷ số truyền lực

Là tổng tỷ số giữa mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng và mômen đặt lên vành lái cần thiết để khắc phục lực cản quay vòng

FW l

sw

T i

T



1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài và trong nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Ổn định quỹ đạo chuyển động là mối quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất ô tô Các nội dung nghiên cứu được tập trung ở hệ thống lái, hệ thống phanh kết hợp với cân bằng lực kéo TRC và các hệ thống ổn định thân xe ESC Trong luận án NCS tập trung nghiên cứu hệ thống lái tích cực

Đối với hệ thống lái tích cực (Active Steering), các công trình nghiên cứu trên thế giới tập trung vào các hướng sau:

- Hướng thứ nhất: Nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học của ô tô với hệ

thống lái tích cực để ổn định quỹ đạo

Tốc độ xe

Sylvain Tardy đã nghiên cứu ổn định chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực [44] sử dụng phần mềm CarMaker Simulations Tác giả tiến hành các khảo sát chuyển động của ô tô trong các trường hợp:

+ Trường hợp 1: Xe chuyển động thẳng, vận tốc chuyển động 140 km/h, quay vành lái 40o Kết quả cho thấy cả hai hệ thống AFS và ARS đều cải thiện khả năng ổn định chuyển động của xe

+ Trường hợp 2: Xe ô tô chuyển động với vận tốc 140 km/h, tăng tốc với gia tốc 1.7 m/s2, bán kính quay vòng là 200 m Kết quả khảo sát chỉ ra rằng các đường đặc tính của hệ thống lái tích cực như góc lệch bên, vận tốc góc quay thân ô tô tiến gần về đường đặc tính mong muốn theo tính toán lý thuyết

- Hướng thứ hai: Nghiên cứu thay đổi tỷ số truyền khi xe thay đổi tốc độ

Năm 2004 các tác giả Wolfgang Reinelt, Willy Klier, Gerd Reimann, Wolfgang Schuster và Reinhard GroBheim [47] đã nghiên cứu về mối quan hệ giữa tốc độ chuyển động và tỷ số truyền của cơ cấu lái khi ô tô hoạt động ở các điều kiện khác nhau Nhóm

tác giả cũng đã tiến hành các mô phỏng trên máy tính để đánh giá kết quả

Hình 1.21 Quan hệ giữa tỷ số truyền và vận tốc ô tô [47]

Trên hình 1.21 là quan hệ giữa tỷ số truyền của hệ thống lái tích cực và tốc độ của

ô tô Ở tốc độ khoảng 60 km/h tỷ số truyền của hệ thống lái tích cực bằng tỷ số truyền của hệ thống lái cơ khí

Tại Hội nghị ngành công nghiệp ô tô thế giới tại Seoul 2000 (FISITA), các tác giả Tokihiko Akita, Katsuhiko Satoh, Masayuki Kurimoto và Tsuyoshi Yoshida của công ty Aisin Seiki [13] đã giới thiệu công trình: “Phát triển hệ thống điều khiển hệ thống lái tích cực” Trong bài này, các tác giả đã đề cập đến sự can thiệp của hệ thống lái tích cực đến quá trình điều khiển của ô tô Hệ thống lái tích cực giúp cải thiện tính năng cân bằng của

xe và giảm lực đánh lái của người điều khiển nhờ sự thay đổi tỷ số truyền của hệ thống

lái Các thử nghiệm được tiến hành với một ô tô con trên đường thử chuyển làn theo tiêu

chuẩn với các hệ số ma sát mặt đường khác nhau được thể hiện như hình 1.22

Hình 1.22 Đường thử nghiệm chuyển làn của ô tô [13]

Ô tô được thử nghiệm bởi nhiều lái xe lần lượt với các tỷ số truyền hệ thống lái là

17, 10 Các kết quả thử nghiệm cho thấy chỉ khi tỷ số truyền được lựa chọn phù hợp thì việc điều khiển ô tô quay vòng của người lái mới chuẩn xác và dễ dàng

- Hướng thứ ba: Nghiên cứu về cơ cấu chấp hành tích cực của hệ thống lái tích

cực như cơ cấu bánh răng hành tinh, mô tơ trợ lực lái

Năm 2004, tác giả Willy Klier và Wolfgang Reinelt của ZF Lenksysteme GmbH

đã giới thiệu mô hình toán học và tham số ước lượng của hệ thống lái tích cực Công trình trên đã đi sâu vào nghiên cứu mối quan hệ toán học, quy luật điều khiển của các

cơ cấu bánh răng hành tinh trong bộ vi sai của hệ thống lái, giả thiết các tham số ước lượng để đưa ra quy luật điều khiển thích hợp tương ứng với từng điều kiện chuyển động của ô tô [47]

Trong các hệ thống lái tích cực của BMW mà các tác giả nghiên cứu, các bánh răng mặt trời là đầu vào và cần dẫn là đầu ra Nếu bánh răng bao được giữ cố định thì

bộ truyền bánh răng hành tinh AFS xem như là một khớp nối cứng không đổi và chỉ phụ thuộc trên vành lái Nhưng nếu các bánh răng bao chuyển động cùng một lúc với vành

lái ta sẽ thu được một tỷ số truyền biến thiên

Năm 2004, Bjoern Avak đã công bố công trình nghiên cứu mô hình hóa và điều

khiển hệ thống lái tích cực [15] Trong đó, tác giả đã phân tích cơ cấu Harmonic của hệ

thống lái tích cực để từ đó đưa ra phương án điều khiển cơ cấu mô tơ chấp hành thích ứng với các dãy tốc độ và quá trình quay vòng của ô tô

- Hướng thứ tư: Các nghiên cứu về bộ điều khiển của hệ thống lái tích cực

Các tác giả Masao Nagai, Motoki Shino và Feng Gao - trường Đại học Nông nghiệp và Kỹ thuật Tokyo [32] đã thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái tích cực cho xe dẫn hướng cầu trước và khảo sát trong các trường hợp: khi quay vòng, khi chuyển làn

và khi chuyển động có tác động của gió ngang với các thông số đầu vào là: góc đánh lái

θ, hệ số bám của bánh xe với mặt đường φ, vận tốc chuyển động của xe v, vận tốc góc lệch thân xe 𝛽̇, gia tốc góc quay thân xe 𝜓̈; Các thông số đầu ra là góc quay bánh xe δ, góc bù của mô tơ δmotor Kết quả khảo sát cho thấy gia tốc chuyển động, độ trượt ngang

và khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động của xe được cải thiện đáng kể so với việc

không sử dụng hệ thống lái tích cực

Năm 2012, FengYing và Zhang Qiao đã xây dựng mô hình động lực học ô tô và

mô hình hệ thống lái tích cực phía trước của ô tô dựa trên trên phần mềm Adams [49]

Bộ điều khiển được đề xuất theo phương pháp điều khiển mờ với thông số đầu vào là góc trượt bên và sai lệch bên của ô tô còn đầu ra là góc quay của bánh xe dẫn hướng Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các phương pháp điều khiển mờ có thể kiểm soát độ trượt ngang và góc trượt bên của trọng tâm ô tô do đó độ ổn định bên của ô tô được cải thiện tốt hơn

Năm 2004 các tác giả Bing Zheng, Pahngroc Oh và Barry Lenart cũng đã thiết kế

bộ điều khiển sử dụng luật PID cho hệ thống lái tích cực cầu trước [52] Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm khi chuyển làn với tốc độ 60 km/giờ, 75 km/giờ và 90 km/giờ Kết quả thử nghiệm tại trung tâm kiểm tra ô tô Smithers Winter ở Michigan cho thấy hệ thống lái tích cực nâng cao độ an toàn trong những tình huống nguy hiểm khi

mà người lái không thể kiểm soát hiện tượng trượt ngang sinh ra trong quá trình chuyển làn Khi đánh lái đột ngột thì hệ thống điều khiển tác động vào mô tơ làm quay thêm một góc để đáp ứng tức thời với điều kiện chuyển động, làm giảm vận tốc góc quay thân xe, giúp ô tô chuyển động ổn định hơn Tuy nhiên trong phần nghiên cứu này các

tác giả chỉ tập trung vào yếu tố trượt ngang và góc quay thân xe ở vùng tốc độ thấp

Trên tạp chí quốc tế Cơ khí, Khoa học công nghệ và Kỹ thuật của Viện Khoa học, kỹ thuật và công nghệ số 1 thế giới, năm 2012, các tác giả Iman Mousavinejad, Reza Kazemi và Mohsen Bayani Khaknejad [31], đã thiết kế hệ thống điều khiển phi tuyến cho hệ thống lái tích cực phía trước Nội dung bài báo này đã trình bày mô hình động lực học điều khiển phi tuyến hệ thống lái tích cực cầu trước (AFS) với ba bậc tự

do và mô hình tám bậc tự do phi tuyến dùng để điều khiển ô tô với sơ đồ điều khiển như

hình 1.23

Hình 1.23 Sơ đồ điều khiển hệ thống AFS [31]

Tháng 1 năm 2012 Dan Xiang, Jian-zhongYuan và Wei Xu [48] đã nghiên cứu

giải thuật mờ-PID cho hệ thống lái tích cực cầu trước Khi ô tô ở tốc độ thấp, giảm tỷ số

truyền để hệ thống lái trở nên linh hoạt hơn; Khi đạt tốc độ cao, tăng tỷ số truyền các cơ cấu lái, nhằm tăng sự ổn định hệ thống lái ở tốc độ cao (Hình 1.24)

Hình 1.24 Mối quan hệ giữa tỷ số truyền và tốc độ [48]

Các công trình nghiên cứu về hệ thống lái tích cực trên thế giới đã nghiên cứu, thiết lập cơ sở động lực học của hệ thống lái tích cực sau đó tiến hành mô phỏng bằng các phần mềm như Matlab, CarMaker…và tiến hành thử nghiệm trên ô tô cũng như ứng dụng trên các xe hiện đại Tuy nhiên, sự hiểu biết của chúng ta về các công nghệ này chưa thật sự hoàn thiện vì các công trình nghiên cứu của các tác giả chỉ công bố một phần hoặc không công bố nên việc tiếp cận các công nghệ trên là rất khó khăn

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Liên quan đến hệ thống lái và quỹ đạo chuyển động của ô tô, trong nước cũng đã

có một số tác giả quan tâm nghiên cứu Đỗ Sanh [9] cùng các cộng sự đã nghiên cứu về động học, động lực học, khảo sát động học quay vòng của ô tô ở tốc độ cao

Nguyễn Khắc Trai [10] đã nghiên cứu tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của

ô tô vào năm 1997 Trong tài liệu này tác giả đã trình bày khá chi tiết về tính điều khiển

và quỹ đạo chuyển động của ô tô, các quan hệ vật lý của bánh xe đàn hồi chịu lực bên, tác động của gió ngang và động lực học quay vòng của ô tô trong các điều kiện chuyển động khác nhau

Năm 2006, Đào Mạnh Hùng [5] đã làm rõ hơn mối quan hệ tác động giữa bánh xe

và mặt đường của ô tô tải ở Việt Nam

Năm 2010, Cao Trọng Hiền; Đào Mạnh Hùng [3] đã nghiên cứu về tính dẫn hướng, tính ổn định, thiết lập các phương trình chuyển động của ô tô, tính ổn định của bánh xe dẫn hướng, động học quay vòng của đoàn ô tô

Năm 2010, Nguyễn Tuấn Anh [1] đã giới thiệu bộ điều khiển tối ưu hệ thống lái tích cực ô tô trên tạp chí giao thông vận tải và tiến hành đánh giá chất lượng bộ điều khiển trong trường hợp có tác động của gió ngang

Tóm lại, các đề tài nghiên cứu trong nước những năm gần đây mới chỉ dừng lại ở mức phân tích động học và động lực học hệ thống lái thông thường, chưa đi sâu vào nghiên cứu lý thuyết kết hợp thử nghiệm cũng như việc thiết kế, lắp đặt bộ điều khiển điện tử trên hệ thống lái tích cực của ô tô du lịch để đánh giá hiệu quả và tác động đối với quá trình chuyển động của ô tô Từ đó cho thấy việc nghiên cứu, thiết kế, sản xuất

và thử nghiệm hệ thống lái tích cực và làm chủ công nghệ là rất cần thiết Với mục đích khảo sát một cách hệ thống và đầy đủ quá trình điều khiển quỹ đạo chuyển động của ô

tô, qua đó đánh giá tính ổn định và hiệu quả của hệ thống lái tích cực đồng thời đề xuất các thuật toán điều khiển cho hệ thống lái tích cực, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài

nghiên cứu của luận án là: “Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm

tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô” với các nội dung chính như sau:

+ Xây dựng mô hình động lực học của ô tô

+ Xây dựng mô hình hệ thống lái tích cực của ô tô

+ Thiết kế bộ điều khiển và khảo sát chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực + Nghiên cứu thử nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm

1.3 Xác định mục tiêu, đối tượng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của luận án 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

+ Xây dựng mô hình động lực học của ô tô

+ Xây dựng mô hình động lực học hệ thống lái tích cực

+ Xây dựng thuật toán, thiết kế bộ điều khiểntỷ số truyền hệ thống lái nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô và được kiềm chứng bằng mô hình bán thực nghiệm

1.3.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án: là hệ thống lái tích cực trên ô tô con

Phạm vi nghiên cứu của luận án:

+ Đề tài chỉ nghiên cứu điều khiển thay đổi tỷ số truyền góc của hệ thống lái

+ Tiến hành thực nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm với các chế độ quay vòng

ổn định, chuyển làn, chuyển động thẳng vận tốc thay đổi và khi có gió ngang

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

- Lý thuyết:

+ Xây dựng mô hình động lực học của ô tô và hệ thống lái;

+ Khảo sát mô hình động lực học bằng phần mềm Matlab - Simulink

+ Thiết kế bộ điều khiển điện tử;

- Thực nghiệm:

+ Thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị thử nghiệm gồm bộ điều khiển điện tử trên mô

hình bán thực nghiệm hệ thống lái tích cực ô tô lexus LX470;

+ Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng hoạt động của bộ điều khiển trên mô hình bán thực nghiệm hệ thống lái tích cực bán tích cực bằng cách khảo sát góc quay của bánh xe dẫn hướng tương ứng với góc quay vành lái trong các tình huống cần điều khiển thay đổi tỷ số truyền của hệ thống như quay vòng thừa, quay vòng thiếu, chuyển làn và chuyển động thẳng chịu tác động của lực gió bên

1.3.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

2 Xây dựng mô hình động lực học ô tô và hệ thống lái

3 Thiết kế bộ điều khiển và khảo sát chuyển động của ô tô với hệ thống lái

Qua nghiên cứu các công trình liên quan đến đề tài trong, ngoài nước: ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, mối quan hệ giữa tốc độ xe và tỷ số truyền, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển của hệ thống lái tích cực cho thấy nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là hướng nghiên cứu mang nhiều tính mới, khả thi, có ý nghĩa khoa học cao nhằm từng bước làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại theo xu thế nội địa hóa sản phẩm và phát triển công nghiệp phụ trợ cho ngành ô tô Việt Nam

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ

VÀ HỆ THỐNG LÁI

Quỹ đạo chuyển động của ô tô rất phức tạp, đặc biệt là khi chuyển động ở tốc độ cao Trong mọi điều kiện, hệ thống lái phải đảm bảo ô tô chuyển động ổn định, góc lệch thân xe nằm trong giới hạn cho phép Luận án đã tập trung xây dựng mô hình động lực học chuyển động của ô tô và hệ thống lái tích cực

Mô hình động lực học chuyển động của ô tô là tổng hợp của ba mô hình gồm: mô hình động lực học của ô tô trong mặt phẳng, mô hình động lực học của bánh xe đàn hồi và

mô hình xác định tải trọng tác động lên bánh xe nhằm xác định sự phụ thuộc của vận tốc góc quay thân xe  , gia tốc góc quay thân xe  vào góc quay bánh xe dẫn hướng δi

Mô hình động học hệ thống lái tích cực được xây dựng để xác định được góc bù của mô tơ để thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

2.1 Xây dựng mô hình chuyển động của ô tô

2.1.1 Mô hình động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng

Mô hình ô tô hai vết bánh xe (two-track model) (Hình 2.1) nghiên cứu chuyển

động của ô tô trong trường hợp tổng quát khi chịu tác dụng của phản lực dọc và phản

lực ngang từ mặt đường lên các bánh xe, lực gió ngang F wy và lực cản không khí F wx với giả thiết tải trọng tĩnh phân bố đối xứng theo phương chuyển động của ô tô

Các giả thiết xây dựng mô hình:

- Sàn xe cứng tuyệt đối, khối lượng tập trung tại trọng tâm xe

- Bỏ qua ảnh hưởng của mấp mô mặt đường tới phản lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe

- Bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống treo và dao động của ô tô tới động lực học theo phương thẳng đứng của ô tô

Hình 2.1 Mô hình chuyển động của ô tô trong mặt phẳng [45]

Trong đó:

C - Trọng tâm ô tô

δ i - Góc quay của các bánh xe dẫn hướng thứ i,  1, 2  0, ,  3 4  0

α i - Góc lệch bên của bánh xe thứ i (i = 1 ÷ 4)

ψ - Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm

β - Góc lệch thân xe so với phương chuyển động

v - Vận tốc chuyển động của ô tô

v xC , v yC - Các thành phần vận tốc ô tô trong hệ tọa độ trọng tâm

v i - Vận tốc của bánh xe thứ i (i = 1÷ 4)

v - Gia tốc tiếp tuyến của ô tô

ht

a v   - Gia tốc hướng tâm của ô tô

F yi - Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe thứ i

F xi - Lực dọc tác dụng lên bánh xe thứ i (i = 1÷ 4)

b 1 - Khoảng cách từ tâm trục cầu trước đến bánh xe bên trái, bên phải

b 2 - Khoảng cách từ tâm trục cầu sau đến bánh xe bên trái, bên phải

a 1 , a 2 - Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vết bánh xe phía trước, phía sau