Luận án tiến sĩ Cơ học: Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:167

Thêm vào BST

Báo xấu

59
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Cơ học: Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

i 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
ii 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
iii 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
iv 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
v 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
vi 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
vii 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
viii 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
ix 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
x 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
xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Tên gọi C Trọng tâm ô tô L m Chiều dài cơ sở 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  rad Góc quay thân ô tô  rad Góc lệch thân ô tô V m/s Vận tốc thân ô tô tại trọng tâm ô tô vi  i  1  4  m/s Vận tốc các bánh xe của ô tô 1,2 rad Góc quay của bánh xe dẫn hướng i  i  1  4  rad Góc lệch bên của các bánh xe  f ,r rad Góc lệch bên trung bình của các bánh xe cầu trước và sau C i  i  1  4  N/rad Độ cứng góc lệch bên của bánh xe Độ cứng góc lệch bên trung bình của bánh xe cầu trước C f ,r N/rad và sau i  i  1  4 Hệ số trượt của bánh xe Fxi  i  1  4  N Phản lực dọc tác dụng từ mặt đường lên các bánh xe Fyi  i  1  4  N Phản lực ngang tác dụng từ mặt đường lên các bánh xe Fzi  i  1  4 N Phản lực thẳng đứng tác dụng từ mặt đường lên các bánh xe Fw N Lực cản không khí i  i  1  4 rad/s Vận tốc góc của các bánh xe Myi N.m Mô men dẫn động ở các bánh xe Jb kg.m/s2 Mô men quán tính khối lượng của bánh xe rb m Bán kính của bánh xe i  i  1  4  Hệ số bám tổng hợp của các bánh xe Góc lệch giữa phương vận tốc vi của bánh xe và phương i  i  1  4  rad chuyển động của ô tô
xii Ký hiệu Đơn vị Tên gọi M kg Khối lượng toàn bộ của ô tô Ksc N/rad Độ cứng xoắn của trục lái Bsw N.s/m Hệ số cản xoắn của trục lái δsc rad Góc quay của trục lái  sw rad Góc quay vành lái Tsw N.m Mô men tác dụng lên vành lái  sc rad Góc quay của trục lái P rad Góc quay của bánh răng YR m Dịch chuyển ngang của thanh răng CFR N Lực ma sát khô tác dụng giữa bánh răng và thanh răng Hệ số cản dịch chuyển ngang giữa trục bánh răng và BR N.s/m thanh răng  SLU 1 ,  SLU 2 rad Góc xoay ngang phía trên của đòn bên K SL1 , K SL 2 N/rad Độ cứng của đòn bên Góc xoay ngang phía dưới của đòn ngang bên bên trái và  SLL1 ,  SLL 2 rad bên phải  rad/rad Hệ số quay đòn ngang bên của hệ thống lái Hệ số cản giảm chấn của thanh điều chỉnh liên kết bánh BSL1 , BSL 2 N.s/m xe bên trái và bên phải Lực ma sát khô giữa mặt đường và bánh xe bên trái, bên CFFW 1 , CFFW 2 N phải Mô men từ mặt đường tác dụng lên bánh xe bên trái và AT1 , AT2 N.m 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 kf N/m Độ cứng của hệ thống treo một bên cầu trước cf 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
xiii 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 lw m Khoảng cách từ điểm đặt lực gió ngang tới trọng tâm xe aht m/s2 Gia tốc hướng tâm của ô tô fi N Các lực hoạt động mR Kg Khối lượng thước lái R m Bán kính quay vòng 𝜂𝑃𝑆 % Hiệu suất của hệ thống lái trợ lực thủy lực 𝐹𝑃𝑆 N Lực trợ lực của hệ thống lái thủy lực
1 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.
2 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.
3 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.
4 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
5 bán kính quay vòng lý thuyết R và được xác định gần đúng theo góc quay của bánh xe dẫn hướng δ và chiều dài cơ sở L của ô tô theo công thức, (Hình 1.1a): L L Rt  R   . 1.1 tan   Trong trường hợp này, trạng thái quay vòng của ô tô được gọi là quay vòng đúng. Tuy nhiên trong thực tế, do đặc tính đàn hồi của lốp nên các phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe khi ô tô quay vòng Fyf, Fyr sẽ khiến các bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau lăn lệch khỏi phương chuyển động ban đầu dưới các góc lệch bên αf và αr (Hình 1.1b): Fyf Fyr f  , r  1.2  C f C r Trong đó Cαf và Cαr là độ cứng bên tổng cộng của các bánh xe cầu trước và cầu sau. Với các góc quay nhỏ δ, αf, αr
6 - Nếu αf = αr → Rt = R: quay vòng đúng (neutral steering); - Nếu αf < αr → Rt < R: quay vòng thừa (over steering); - Nếu αf > αr→ Rt > R: quay vòng thiếu (under steering). Hiện tượng quay vòng thừa xảy ra khi bán kính quay vòng thực tế của xe nhỏ hơn bán kính quay vòng mong muốn tính theo góc quay vành tay lái thì Rt < R. Trong trường hợp này người lái phải kịp thời đánh trả tay lái để đưa ô tô trở về quỹ đạo chuyển động mong muốn, thao tác chậm trễ sẽ làm tăng đột biến giá trị lực quán tính ly tâm. Do sự di chuyển tải trọng giữa các bánh xe phía trong và ngoài tâm quay vòng, phản lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe phía trong giảm, làm giảm khả năng bám ngang của ô tô khiến ô tô bị trượt ra khỏi quỹ đạo chuyển động ban đầu. Nếu mặt đường có hệ số bám lớn ô tô có thể bị lật quanh vết tiếp xúc giữa các bánh xe phía ngoài với mặt đường. Trái với quay vòng thừa, hiện tượng quay vòng thiếu xảy ra khi bán kính quay vòng thực tế của xe lớn hơn bán kính quay vòng mong muốn tính theo góc quay vành tay lái Rt > R. Khi quay vòng thiếu, các phản lực bên tác dụng lên bánh xe sau có xu hướng làm cho phần đuôi xe lệch về phía trong. Để ô tô chuyển động đúng quỹ đạo mong muốn, người lái phải đánh thêm tay lái một góc quay phù hợp. Từ phương trình cân bằng mô men với trọng tâm C, Hình 1.1b, các phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau có thể được xác định gần đúng theo công thức: a2 mv 2 a2 a Fyf  Flt  .  ma y 2 L Rt L L  L  a2   mv2 . a1 a1 Fyr  Flt  ma y 1.4  L Rt L L với m là khối lượng của ô tô và ay là gia tốc hướng tâm xuất hiện khi ô tô quay vòng. Từ phương trình (1.2) và (1.4), ta có: mv 2  a2 a1  ma y  C r a2  C f a1   f  r      Rt L  C f C r   L  C rC f   1.5  Như vậy trạng thái quay vòng của ô tô sẽ phụ thuộc vào độ cứng bên của lốp và vị trí tọa độ trọng tâm theo biểu thức  C r a2  C f a1  . Hình 1.2 thể hiện ảnh hưởng của
7 vị trí tọa độ trọng tâm và độ cứng bên của lốp đến trạng thái quay vòng khi ô tô quay vòng với bán kính không đổi. δ δ Cαf < Cαr: quay vòng thiếu L1 < L2: Quay vòng thiếu thie7steering Cαf = Cαr: Quay vòng đúng L1 = L2: Quay vòng đúng L/R L/R L1 > L2: Quay vòng thừa Cαf > Cαr: Quay vòng thừa a) af = ar; R = const. ay b) Cαf = Cαr , R = const. ay 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:  L R      f  r  0   f  r        0    f   r . 1.6 Từ các phương trình (1.5) và (1.6), ta có:  m1 m     0     2  ay  Ks ay ,  1.7   C f C r  trong đó: m  a2 a  Ks     1  ,  rad/m/s   2 1.8 L  C f C r  Ks được gọi là hệ số quay vòng [16], giá trị của Ks xác định trạng thái quay vòng của ô tô, m1 và m2 là khối lượng phân bố lên cầu trước và cầu sau. Hình 1.3 biểu diễn ảnh hưởng của hệ số quay vòng Ks đến mối quan hệ giữa góc quay thực tế của các bánh xe dẫn hướng δ và gia tốc hướng tâm ay khi ô tô quay vòng với bán kính không đổi.