Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống phanh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:184

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống phanh" được hoàn thành với mục tiêu nhằm nghiên cứu giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động cho ô tô du lịch; Khảo sát chế độ hệ thống tự động điều khiển lực phanh ESP hoạt động độc lập khi ô tô chuyển động quay vòng đều ở trạng thái quay vòng thừa, quay vòng thiếu và chuyển làn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống phanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐÀO HUY HẢI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BẰNG HỆ THỐNG PHANH LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÀ NỘI, 06-2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐÀO HUY HẢI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BẰNG HỆ THỐNG PHANH Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9. 52. 01. 16 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1- PGS. TS. Nguyễn Tuấn Anh 2- TS. Đặng Việt Hà HÀ NỘI, 06-2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh và TS. Đặng Việt Hà. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Thay mặt tập thể hướng dẫn khoa học Tác giả Đào Huy Hải
ii LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Giao thông vận tải, Phòng Đào tạo sau Đại học đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh thực hiện luận án tại Trường Đại học Giao thông vận tải. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn tập thể hướng dẫn là PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh và TS. Đặng Việt Hà đã tận tình hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và phương pháp giải quyết các vấn đề cụ thể đặt ra để thực hiện và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin cảm ơn các thầy, cô trong Bộ môn Cơ khí ô tô - Trường Đại học Giao thông vận tải luôn giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh xin cảm ơn Cục Đăng kiểm Việt Nam, Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đến các chuyên gia ngành Động lực đã đóng góp các ý kiến quý báu để luận án được hoàn thiện. Cuối cùng nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên, khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Tác giả Đào Huy Hải
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .................................................................................... xi DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ......................................................................... xvi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................... 4 1.1. Tai nạn giao thông do mất ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ................. 4 1.1.1. Số liệu thống kê ..................................................................................... 4 1.1.2. Nguyên nhân gây mất ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô................. 5 1.2. Các giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ................................... 11 1.2.1. Ổn định quỹ đạo chuyển động bằng điều khiển hệ thống lái ................. 12 1.2.2. Ổn định quỹ đạo chuyển động bằng điều khiển lực phanh .................... 13 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước................................................... 15 1.3.1. Các công trình nghiên cứu nước ngoài ................................................. 15 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................... 20 1.4. Mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu .......................................... 22 1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................. 22 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 22 1.4.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 23 1.5. Kết luận Chương 1 ...................................................................................... 24 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG PHANH ABS DẪN ĐỘNG THỦY LỰC ............................................................................. 25 2.1. Mô hình động lực học hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực ................... 25 2.1.1. Động lực học xilanh phanh chính ......................................................... 26 2.1.2. Động lực học dòng chảy thủy lực ......................................................... 27 2.1.3. Động lực học của bơm thủy lực ............................................................ 29 2.1.4. Động lực học của động cơ dẫn động bơm thủy lực ............................... 30 2.1.5. Động lực học của bộ tích năng thủy lực................................................ 31
iv 2.1.6. Động lực học của van điện từ ............................................................... 31 2.1.7. Động lực học xilanh phanh bánh xe...................................................... 34 2.2. Mô phỏng động lực học bộ chấp hành ABS dẫn động thủy lực .................... 34 2.2.1. Chế độ phanh bình thường ................................................................... 36 2.2.2. Chế độ phanh tự động – hệ thống ESP làm việc ................................... 39 2.3. Kết luận Chương 2 ...................................................................................... 46 CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BẰNG HỆ THỐNG PHANH................................................................................. 47 3.1. Mô hình động lực học ô tô ........................................................................... 47 3.1.1. Mô hình chuyển động hai vết của ô tô .................................................. 47 3.1.2. Mô hình bánh xe đàn hồi ...................................................................... 48 3.1.3. Mô hình dao động của ô tô trong không gian........................................ 53 3.2. Thiết kế bộ điều khiển lực phanh ................................................................. 54 3.2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển PID............................................................. 55 3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển PID tự động điều khiển hệ thống phanh ............ 57 3.3. Khảo sát tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ................................... 63 3.3.1. Cấu trúc mô hình động lực học tổng quát của ô tô trong Matlab Simulink ...................................................................................................................... 64 3.3.2. Khảo sát khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô .................... 65 3.4. Kết luận Chương 3 ...................................................................................... 74 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................... 75 4.1. Mục đích và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ..................................... 75 4.1.1. Mục đích, đối tượng và các thông số cần đo ......................................... 75 4.1.2. Phương pháp thực nghiệm .................................................................... 77 4.2. Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm..................................................... 80 4.2.1. Kết cấu cơ khí ...................................................................................... 80 4.2.2. Cảm biến đo hành trình dịch chuyển piston .......................................... 82 4.2.3. Cảm biến đo áp suất dầu trong xilanh phanh bánh xe ........................... 84 4.2.4. Cảm biến đo góc quay vô lăng ............................................................. 85 4.2.5. Máy tính kết nối ................................................................................... 86 4.3. Bộ điều khiển hệ thống phanh ABS – ESP................................................... 87 4.3.1. Tổng quan bộ điều khiển ...................................................................... 87 4.3.2. Các khối chức năng. ............................................................................. 88
v 4.4. Quy trình thực nghiệm ................................................................................. 93 4.4.1. Các thông số kỹ thuật. .......................................................................... 93 4.4.2. Các bước thực nghiệm.......................................................................... 93 4.4.3. Đánh giá sai số mô hình thực nghiệm. .................................................. 94 4.5. Kết quả thực nghiệm.................................................................................... 95 4.5.1. Chế độ đạp phanh ................................................................................. 95 4.5.2. Chế độ không đạp phanh, điều khiển bơm dầu và các van hoạt động .... 99 4.5.3. Chế độ quay vòng thiếu ở vận tốc 60 Km/h. ....................................... 104 4.5.4. Chế độ quay vòng thừa ở vận tốc 60 Km/h. ........................................ 108 4.6. Kết luận Chương 4 .................................................................................... 111 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 115 PHỤ LỤC 1: Các thông số cơ bản của mô hình động lực học bộ chấp hành hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực ................................................................................. 121 PHỤ LỤC 2: Kết quả đo áp suất dầu phanh ở xilanh phanh bánh xe thực tế và mô phỏng ...................................................................................................................... 123 PHỤ LỤC 3: Code Matlab....................................................................................... 146 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM ................................................................. 164
vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô hình một vết xác định bán kính quay vòng của ô tô khi lốp xe không biến dạng (a) và khi lốp xe biến dạng bên (b) ...................................................................... 6 Hình 1.2. Ảnh hưởng của gió ngang và biến dạng của lốp đến khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động.......................................................................................................... 9 Hình 1.3. Mất ổn định hướng do lực phanh không đồng đều ..................................... 10 Hình 1.4. Ảnh hưởng của sự bó cứng bánh xe các cầu .............................................. 10 Hình 1.5. Sơ đồ khối mô hình điều khiển của ô tô .................................................... 12 Hình 1.6. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái chủ động AFS ................................. 13 Hình 1.7. Cấu trúc điều khiển lực phanh của hệ thống ESP trong chế độ quay vòng thiếu (a) và quay vòng thừa (b) .................................................................................. 14 Hình 2.1. Mô hình động lực học hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực .................. 26 Hình 2.2. Sơ đồ mô phỏng động lực học xilanh phanh chính trong Matlab Simulimk 27 Hình 2.3. Mô hình động lực học dòng chảy thủy lực ................................................. 27 Hình 2.4. Kết cấu bơm thủy lực và bộ tích năng ........................................................ 30 Hình 2.5. Sơ đồ lực tác dụng khi van tăng áp làm việc .............................................. 32 Hình 2.6. Sơ đồ mô phỏng động lực học bộ chấp hành hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực trong Matlab Simulink ................................................................................. 35 Hình 2.7. Quan hệ giữa áp suất dầu xilanh phanh bánh xe và hành trình dịch chuyển của piston xilanh chính khi ABS không làm việc ........................................................ 36 Hình 2.8. Sự thay đổi của áp suất xilanh phanh bánh xe khi ABS hoạt động với tần số làm việc của các van điện từ 10 HZ ........................................................................... 37 Hình 2.9. Sự thay đổi của áp suất xilanh phanh bánh xe khi ABS hoạt động với tần số làm việc của các van điện từ 25 HZ ........................................................................... 38 Hình 2.10. Sự thay đổi của áp suất xilanh phanh bánh xe khi ABS hoạt động với tần số làm việc của các van điện từ 50 HZ ........................................................................... 38 Hình 2.11. Các thông số cơ bản của tín hiệu xung PWM .......................................... 39
vii Hình 2.12. Sự thay đổi của chu kỳ làm việc DC và tín hiệu xung PWM theo điện áp vào U(t) ..................................................................................................................... 40 Hình 2.13. Áp suất xilanh phanh bánh xe biến đổi dạng hình thang theo điện áp điều khiển van tăng áp và van giảm áp.............................................................................. 42 Hình 2.14. Áp suất xilanh phanh bánh xe biến đổi dạng bậc thang theo điện áp điều khiển van tăng áp và van giảm áp.............................................................................. 44 Hình 2.15. Điều khiển độc lập áp suất ở các xilanh phanh bánh xe khi phanh tự động .................................................................................................................................. 45 Hình 3.1. Mô hình chuyển động hai vết của ô tô ....................................................... 47 Hình 3.2. Các lực tác dụng từ mặt đường lên bánh xe .............................................. 49 Hình 3.3. Các góc quay của bánh xe ......................................................................... 49 Hình 3.4. Ý nghĩa của các tham số trong công thức Magic Formula ......................... 51 Hình 3.5. Quan hệ giữa phản lực ngang Fy và góc lệch bên α ................................... 52 Hình 3.6. Quan hệ giữa phản lực dọc Fxi và phản lực ngang Fyi tại các bánh xe ....... 52 Hình 3.7. Mô hình dao động của ô tô trong không gian ............................................ 53 Hình 3.8. Sơ đồ khối mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô .......................... 55 Hình 3.9. Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PID .......................................................... 56 Hình 3.10. Điều khiển độc lập lực phanh ở chế độ quay vòng thiếu và quay vòng thừa .................................................................................................................................. 58 Hình 3.11. Sự thay đổi điểm tìm kiếm trong thuật toán PSO ..................................... 60 Hình 3.12. Cấu trúc mô hình bộ điều khiển PID sử dụng thuật toán PSO ................. 61 Hình 3.13. Lưu đồ giải thuật của thuật toán tối ưu bầy đàn PSO .............................. 62 Hình 3.14. Kết quả tối ưu K p , Ki , Kd dựa trên thuật toán PSO ................................. 63 Hình 3.15. Mô hình động lực học của ô tô với hệ thống ESP trong Matlab Simulink 65 Hình 3.16. Góc quay bánh xe dẫn hướng trong chế độ ô tô quay vòng thiếu ............. 67 Hình 3.17. Quỹ đạo chuyển động của ô tô trong chế độ quay vòng thiếu .................. 67 Hình 3.18. Vận tốc của xe, vận tốc góc quay thân xe, gia tốc ngang, sai lệch e trong chế độ ô tô quay vòng thiếu ....................................................................................... 68 Hình 3.19. Lực phanh tại các bánh xe trong chế độ ô tô quay vòng thiếu .................. 68
viii Hình 3.20. Góc quay bánh xe dẫn hướng trong chế độ ô tô quay vòng thừa .............. 69 Hình 3.21. Quỹ đạo chuyển động của ô tô trong chế độ ô tô quay vòng thừa ............ 70 Hình 3.22. Vận tốc của xe, vận tốc góc quay thân xe, gia tốc ngang, sai lệch e trong chế độ ô tô quay vòng thừa ........................................................................................ 70 Hình 3.23. Lực phanh tại các bánh xe trong chế độ ô tô quay vòng thừa .................. 71 Hình 3.24. Kích thước đường thử nghiệm chuyển làn kép theo tiêu chuẩn ISO 3888- 2:2011 ....................................................................................................................... 71 Hình 3.25. Quỹ đạo chuyển động ô tô khi chuyển làn kép ......................................... 72 Hình 3.26. Góc xoay bánh xe dẫn hướng, vận tốc góc xoay thân xe, gia tốc ngang, sai lệch e của ô tô ở chế độ ô tô chuyển làn kép .............................................................. 72 Hình 3.27. Lực phanh tại các bánh xe trong trường hợp chuyển làn kép ................... 73 Hình 4.1. Sơ đồ bố trí mô hình thực nghiệm .............................................................. 77 Hình 4.2. Sơ đồ khối mô phỏng nguyên tắc hoạt động và điều khiển mô hình thực nghiệm....................................................................................................................... 78 Hình 4.3. Mô hình hệ thống phanh ABS – ESP .......................................................... 80 Hình 4.4. Cụm xilanh phanh chính, trợ lực phanh và bộ chấp hành thủy lực ............ 81 Hình 4.5. Đĩa phanh, Xilanh phanh tại các bánh xe .................................................. 81 Hình 4.6. Cảm biến đo hành trình dịch chuyển piston ............................................... 82 Hình 4.7. Các vùng đo của cảm biến siêu âm ............................................................ 83 Hình 4.8. Cảm biến áp suất 250 bar keller model PA-21Y (Thụy Sĩ) ......................... 84 Hình 4.9. Encoder Omron E6B2-CWZ6C (Nhật Bản) ............................................... 85 Hình 4.10. Máy trạm HP Z600 .................................................................................. 86 Hình 4.11. ECU chuyển đổi dữ liệu và điều khiển hệ thống ABS-ESP ....................... 87 Hình 4.12. Sơ đồ khối bộ điều khiển .......................................................................... 88 Hình 4.13. Sơ đồ khối chuyển đổi điện áp ................................................................. 89 Hình 4.14. Sơ đồ khối đọc giá trị cảm biến ............................................................... 89 Hình 4.15. Sơ đồ khối đọc cảm biến góc xoay vô lăng............................................... 90 Hình 4.16. Sơ đồ nguyên lý điều khiển van điện từ .................................................... 90 Hình 4.17. Sơ đồ khối điều khiển các van.................................................................. 90
ix Hình 4.18. Khối giao tiếp với máy tính...................................................................... 91 Hình 4.19. Khối vi điều khiển .................................................................................... 92 Hình 4.20. Sơ đồ tính toán trị số hiệu quả tính được từ mô phỏng............................. 95 Hình 4.21. Hành trình piston xilanh phanh trong chế độ phanh ngặt ........................ 96 Hình 4.22. Áp suất dầu phanh từng bánh xe trong chế độ phanh ngặt ....................... 97 Hình 4.23. Hành trình dịch chuyển piston trong chế độ đạp - giữ - nhả bàn đạp phanh .................................................................................................................................. 98 Hình 4.24. Áp suất dầu phanh từng bánh xe trong chế độ đạp - giữ - nhả bàn đạp phanh ........................................................................................................................ 98 Hình 4.25. Tín hiệu điện áp điều khiển phanh bánh xe số 1 ..................................... 100 Hình 4.26. Áp suất xilanh tại bánh xe số 1 ............................................................. 100 Hình 4.27. Tín hiệu điện áp điều khiển phanh bánh xe số 1 và bánh xe số 4............ 101 Hình 4.28. Áp suất xilanh tại bánh xe số 1 và bánh xe số 4 ..................................... 102 Hình 4.29. Tín hiệu điện áp điều khiển phanh bốn bánh xe ..................................... 103 Hình 4.30. Áp suất xilanh bốn bánh xe .................................................................... 104 Hình 4.31. Góc xoay bánh dẫn hướng chế độ quay vòng thiếu ở vận tốc 60 Km/h .. 105 Hình 4.32. Sai lệch e, góc lệch thân xe, gia tốc ngang, vận tốc góc quay thân xe trong chế độ quay vòng thiếu ở vận tốc 60 Km/h............................................................... 105 Hình 4.33. Áp suất xilanh bốn bánh xe trong chế độ quay vòng thiếu ở vận tốc 60 km/h ................................................................................................................................ 106 Hình 4.34. Quỹ đạo chuyển động của ô tô trong chế độ quay vòng thiếu ở vận tốc 60 Km/h........................................................................................................................ 107 Hình 4.35. Góc xoay bánh dẫn hướng chế độ quay vòng thừa ở vận tốc 60 Km/h ... 108 Hình 4.36. Sai lệch e, góc lệch thân xe, gia tốc ngang, vận tốc góc quay thân xe trong chế độ quay vòng thừa ở vận tốc 60 Km/h ............................................................... 108 Hình 4.37. Áp suất xilanh bốn bánh xe trong chế độ quay vòng thừa ở vận tốc 60 Km/h 109 Hình 4.38. Quỹ đạo chuyển động của ô tô trong chế độ quay vòng thừa ở vận tốc 60 Km/h........................................................................................................................ 110
x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Giá trị tối ưu của K p , Ki , Kd theo ......................................................... 63 Bảng 4.1. Các thông số kỹ thuật của hệ thống phanh ABS ........................................ 76 Bảng 4.2. Thông số đĩa phanh, xilanh phanh bánh xe ............................................... 81 Bảng 4.3. Thông số cảm biến hành trình piston trong xi-lanh ................................... 82 Bảng 4.4. Thông số cảm biến đo áp suất ................................................................... 84 Bảng 4.5. Thông số cảm biến đo góc xoay vô lăng .................................................... 85 Bảng 4.6. Bảng thông số cơ bản của vi điều khiển sử dụng trong bộ điều khiển ........ 93 Bảng 4.7. Sai lệch tương đối về áp suất dầu phanh tại từng bánh xe giữa mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm trong chế độ phanh ngặt ........................................... 97 Bảng 4.8. Sai lệch tương đối về áp suất phanh tại từng bánh xe giữa mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm trong chế độ đạp - giữ - nhả bàn đạp phanh ............. 99 Bảng 4.9. Sai lệch tương đối về áp suất phanh tại từng bánh xe giữa mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm trong chế độ tín hiệu điện áp kích thích 1 bánh xe .. 101 Bảng 4.10. Sai lệch tương đối về áp suất phanh tại từng bánh xe giữa mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm trong chế độ tín hiệu điện áp kích thích tại bánh xe số 1 và bánh xe số 4 ..................................................................................................... 102 Bảng 4.11. Sai lệch tương đối về áp suất phanh tại từng bánh xe giữa mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm trong chế độ tín hiệu điện áp kích thích cả 4 bánh xe ................................................................................................................................ 104 Bảng 4.12. Sai lệch tương đối về áp suất phanh tại từng bánh xe giữa mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm trong chế độ quay vòng thiếu ở vận tốc 60 Km/h .... 106 Bảng 4.13. Sai lệch tương đối về áp suất phanh tại từng bánh xe giữa mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm trong chế độ quay vòng thừa ở vận tốc 60 Km/h ..... 109
xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Tên gọi Đơn vị AInj Diện tích mặt cắt ngang van tăng áp [ m2 ] AOutj Diện tích mặt cắt ngang van giảm áp [ m2 ] Abj Diện tích làm việc xilanh bánh xe 2 [m ] bi Hệ số cản dầu thủy lực buồng thứ i [Ns/m] C Trọng tâm ô tô Car Độ cứng bên của bánh xe cầu sau [N/rad] Caf Độ cứng bên của bánh xe cầu trước [N/rad] cq,In/Outj Hệ số lưu lượng cq ,max Giá trị cực đại của hệ số lưu lượng dm Đường kính trung bình của lõi van [m] d Sj Hệ số cản giảm chấn [Ns/m] et Độ lệch tâm của cam dẫn động [m] e Sai lệch tốc độ góc quay thân xe [rad/s] Fφ Lực bám giữa bánh xe với mặt đường [N] F fi Lực ma sát giữa piston và xilanh buồng xilanh phanh chính [N] Fbj Lực phanh bánh xe [N] F jy Lực quán tính ly tâm tạo ra chuyển động lắc ngang [N] F jx Lực quán tính ly tâm tạo ra chuyển động lắc dọc [N] Ftj Giá trị tải trọng tĩnh tác dụng lên bánh xe [N] Fsj Lực tổng hợp của hệ thống treo tại bánh xe [N] Fe Lực điện từ van tăng/giảm áp [N]
xii Ký hiệu Tên gọi Đơn vị Fs Lực đàn hồi lò xo van tăng/giảm áp [N] Fh Lực nâng van tăng/giảm áp [N] FB Lực cản nhớt của dầu thủy lực [N] Fxj Phản lực dọc từ mặt đường tác dụng lên bánh xe [N] Fyj Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe [N] Fzj Phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe [N] Fw Lực cản không khí [N] hd Đường kính làm việc của ống thủy lực [m] Im Dòng điện trong cuộn dây động cơ dẫn động bơm thuỷ lực [A] Jy Mô men quán tính khối lượng theo phương ngang [kgm2] Jm 2 Mô men quán tính khối lượng của động cơ điện [ kgm ] Ks Hệ số quay vòng của ô tô Ku Hệ số thực nghiệm [N/V] Kx Hệ số thực nghiệm [N/m] K Uj Độ cứng bánh xe [N/m] ki Độ cứng lò xo hồi vị trong buồng xilanh phanh chính [N/m] kbj Độ cứng đàn hồi lò xo xilanh phanh bánh xe [N/m] kϕ Hệ số điện từ k Sj Độ cứng hệ thống treo ở bánh xe [N/m] k Af Độ cứng thanh ổn định ngang phía trước [N/m] k Ar Độ cứng thanh ổn định ngang phía sau [N/m] Lm Điện cảm động cơ dẫn động bơm thuỷ lực [H] Mz Mô men xoay thân xe quanh trục thẳng đứng [Nm] Mf Mô men ma sát [Nm]
xiii Ký hiệu Tên gọi Đơn vị m Khối lượng ô tô [kg] mi Khối lượng của piston thứ i [kg] mv Khối lượng lõi van [kg] ms Khối lượng thân xe [kg] mUj Khối lượng các bánh xe [kg] n Tỉ số nhiệt dung riêng chất khí nt Số cặp bề mặt ma sát giữa má phanh và đĩa phanh pi Áp suất dầu thủy lực buồng xilanh phanh chính thứ i [bar] patm Áp suất khí quyển [bar] pat Áp suất khoang hút [bar] pT Áp suất bơm thủy lực [bar] pbj Áp suất xilanh phanh bánh xe [bar] pa Áp suất bộ tích năng [bar] QInj Lưu lượng dòng chảy qua van tăng áp 3 [ m / s] QOutj Lưu lượng dòng chảy qua van giảm áp 3 [ m / s] Qi 3 Lưu lượng dòng chảy thủy lực [ m / s] Qp Lưu lượng dầu thủy lực chảy qua bơm 3 [ m / s] qj Biên độ mấp mô mặt đường [m] Ro Bán kính quay vòng lý thuyết [m] R Bán kính quay vòng thực tế [m] Rv Bán kính chỏm của lõi van [m] Rb Bán kính bánh xe [m] Rm Điện trở động cơ dẫn động bơm thuỷ lực [Ω] 2 S Diện tích làm việc xilanh phanh chính [m ]
xiv Ký hiệu Tên gọi Đơn vị Sp Diện tích làm việc của piston bơm thủy lực 2 [m ] Tf Khoảng cách giữa tâm hai vết bánh xe cầu trước [m] Tr Khoảng cách giữa tâm hai vết bánh xe cầu sau [m] Ue Tín hiệu điều khiển điện áp [V] Um Điện áp cấp cho động cơ [V] Vj Thể tích làm việc của xilanh phanh [ m3 ] Vp Thể tích dầu thủy lực chảy qua bơm [ m3 ] vt Độ nhớt động học của dầu thủy lực [kg/ms] vj Vận tốc tại các bánh xe [m/s] v Vận tốc chuyển động của ô tô [km/h] Dịch chuyển ban đầu lò xo tương ứng với trạng thái mở van bình xo [m] thường Dịch chuyển lớn nhất của lò xo tương ứng với trạng thái mở xm [m] hoàn toàn xbj Dịch chuyển của piston xilanh phanh bánh xe [m] xv Dịch chuyển lõi van [m] Zs Dịch chuyển theo phương thẳng đứng của thân xe [m] zuj Dịch chuyển theo phương thẳng đứng của bánh xe [m] αf Góc lệch bên của các bánh xe cầu trước [rad] αr Góc lệch bên của các bánh xe cầu sau [rad] β Góc lệch thân xe [rad] βj Mô đun đàn hồi của dầu thủy lực [N/m2] βn Mô đun đàn hồi chất lỏng tinh khiết [N/m2] δo Góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hướng [rad] ∆pIn/Outj Độ chênh áp giữa cửa vào và cửa ra của van điện từ [bar] θ Góc lắc của thân xe quanh trục lắc dọc [rad]
xv Ký hiệu Tên gọi Đơn vị φ Góc lắc của thân xe quanh trục lắc ngang [rad] λcr Giá trị sức cản tới hạn của dòng chảy thủy lực λI n /Outj Hệ số lưu lượng µ Hệ số ma sát giữa má phanh và đĩa phanh ρ Khối lượng riêng dầu thủy lực [kg/m3] ψ* ɺ Tốc độ góc quay thân xe lý thuyết [rad/s] ψɺ Tốc độ góc quay thân xe thực tế [rad/s]
xvi DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ABS : Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (Anti-lock Brake System) AASHTO : Hiệp hội Giao thông vận tải và Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ ESP : Hệ thống cân bằng điện tử (Electronic Stability Programme) FHWA : Cơ quan quản lý đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ WHO : Tổ chức Y tế Thế giới PSO : Tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization) HILS : Mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (Hardware In-the-loop Simulation)
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Ô tô là phương tiện vận tải đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong sự phát triển kinh tế xã hội của các quốc gia. Sản xuất ôtô trở thành một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn của thế giới, đánh giá sự phát triển nền công nghiệp của mỗi quốc gia. Công nghiệp ôtô phát triển sẽ kéo theo sự phát triển của rất nhiều ngành công nghiệp khác như luyện kim, điện - điện tử, công nghệ thông tin … Xu hướng phát triển công nghiệp ô tô hiện nay tập trung nghiên cứu theo hướng nâng cao tính tiện nghi, an toàn chuyển động, an toàn môi trường và chất lượng phương tiện. Để có thể đạt được điều đó, các sản phẩm ô tô hiện đại đều được nghiên cứu ứng dụng những thành tựu của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử và các kỹ thuật điều khiển tự động để điều khiển hóa hoạt động các hệ thống trên ôtô, thay thế cho các kết cấu cơ khí trở nên lỗi thời lạc hậu. Trong những năm gần đây, an toàn chuyển động của ô tô luôn được các nhà khoa học và các hãng sản xuất ô tô quan tâm đặc biệt, cả về thuật toán và mô hình điều khiển. Nhiều hệ thống và thiết bị an toàn chủ động được ra đời để nâng cao khả năng ổn định hướng chuyển động của ô tô, như: hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh ABS (Antilock Braking System); hệ thống điều khiển lực kéo TRC (Traction Control); hệ thống ổn định điện tử ESC (Electronic Stability Control)… Ở Việt Nam ngành công nghiệp ô tô còn non trẻ mang nặng tính ứng dụng và khai thác, đang trên đường nội địa hóa, từng bước làm chủ công nghệ. Trong khi bài toán an toàn giao thông ở Việt Nam nóng bỏng hơn bao giờ hết, với số lượng phương tiện tăng nhanh, trong khi hạ tầng giao thông không kịp đáp ứng, dẫn đến tai nạn giao thông ngày càng gia tăng cả về số lượng cũng như mức độ nghiêm trọng thì nghiên cứu tự động ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô nhằm ngăn ngừa tai nạn giao thông là thực sự cần thiết. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để đánh giá chất lượng của các loại ô tô khi nhập khẩu về Việt Nam, khai thác các phương tiện hiện có và là cơ sở để đánh giá chất lượng của các loại ô tô khi lắp ráp, cải tiến, hoán cải mục đích sử dụng và nâng cao an toàn chuyển động, tạo ra hành
2 lang pháp lý để quản lý nền công nghiệp ô tô và thực hiện các Nghị định của Chính phủ về an toàn giao thông. NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống phanh” với mong muốn được đóng góp công sức của mình vào lĩnh vực nâng cao an toàn chuyển động của phương tiện và tích lũy kiến thức phục vụ cho công việc của mình. Đây là một trong những vấn đề cần phải được nghiên cứu một cách nghiêm túc. 2. Đối tượng nghiên cứu Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực trên xe LEXUS GX 470 - 2003. 3. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động cho ô tô du lịch. - Khảo sát chế độ hệ thống tự động điều khiển lực phanh ESP hoạt động độc lập khi ô tô chuyển động quay vòng đều ở trạng thái quay vòng thừa, quay vòng thiếu và chuyển làn. - Thực nghiệm dựa trên mô hình mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (Hardware in the loop simulation - HILS). 4. Những kết quả mới của luận án - Đã xây dựng mô hình động lực học hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực dựa trên bộ chấp hành ABS có sẵn trên ô tô, tích hợp với mô hình động lực học đầy đủ của ô tô làm cơ sở để nghiên cứu điều khiển hệ thống phanh nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. - Đã thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ABS-ESP tự động điều khiển cơ cấu chấp hành của hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực, tạo lực phanh độc lập ở các bánh xe để ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. - Đã ứng dụng phương pháp tối ưu bầy đàn PSO để xác định các tham số của bộ điều khiển ABS-ESP. 5. Ý nghĩa khoa học của luận án