Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:174

Thêm vào BST

Báo xấu

66
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô, đề xuất cấu trúc và mô phỏng bộ điều khiển chống hãm cứng bánh xe có xét đến ổn định hướng chuyển động của xe khi phanh. Xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh dẫn động thủy lực có ABS trên ô tô con nhằm góp phần từng bước làm chủ công nghệ, kỹ thuật hiện đại ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ======  ====== LẠI NĂNG VŨ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ======  ====== Lại Năng Vũ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ Chuyên ngành : Kỹ thuật ô tô máy kéo Mã số : 62 52 35 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan 2. PGS.TS. Hồ Hữu Hải Hà Nội - Năm 2012
2 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 và xe chuyên dụng, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Trọng Hoan và PGS.TS. Hồ Hữu Hải. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Tác giá luận án Lại Năng Vũ
3 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tác giả bày tỏ lòng biết ơn, sự kính trọng PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan, PGS.TS Hồ Hữu Hải – Viện Cơ khí động lực Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn, luận giải, tận tình giúp đỡ, dành nhiều thời gian, công sức để luận án này được hoàn thành. Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Phạm Văn Lang, các Thầy giáo, Cô giáo thuộc Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nói riêng và các Thầy giáo, các chuyên gia trong ngành Cơ khí động lực nói chung và các đồng nghiệp đã dành nhiều trí tuệ, xem xét, đánh giá, góp ý kiến trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn: Viện Cơ giới quân sự/TCKT/BQP, Khoa Vũ khí/HVKTQS, Xưởng SC ô tô Năm Tám, Tổng công ty ASC, Trường Cao đẳng CN&KT ô tô/TCKT/BQP; cảm ơn Thầy giáo TS Nguyễn Quốc Cường Trường ĐHBK Hà Nội và các sinh viên K49, K51, K52, K53 thuộc Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng/Viện Cơ khí động lực đã giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm. Xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Lãnh đạo, chỉ huy Cục Xe-Máy/BQP, tập thể cán bộ Phòng Quân huấn/Cục Xe-Máy luôn động viên, tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi giúp Tác giả vượt qua những khó khăn trong thời gian nghiên cứu. Vô cùng biết ơn các thành viên trong gia đình đã dành mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.
I MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... I DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ III DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ V DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ................................................................ V MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ ............. 4 1.1 Tai nạn giao thông và các yếu tố ảnh hưởng ................................................... 4 1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................. 6 1.2.1 Sự phát triển của hệ thống phanh ô tô ............................................................. 6 1.2.2 Các công trình nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh ............................ 11 1.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................. 15 1.4 Kết luận chương 1 ......................................................................................... 18 Chương 2 CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH ÔTÔ .............................. 19 2.1 Vấn đề điều khiển quá trình phanh ô tô ......................................................... 19 2.1.1 Sự lăn-bám-trượt của bánh xe với mặt đường khi phanh .............................. 19 2.1.2 Sự phân bố tải trọng của ô tô khi phanh ........................................................ 24 2.2 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh .............................................. 26 2.2.1 Chu trình điều khiển ABS ............................................................................. 26 2.2.2 Quá trình điều khiển trong hệ thống ABS ..................................................... 27 2.2.3 Ứng dụng lô gic trong điều khiển ABS ......................................................... 29 2.2.4 Phương pháp điều khiển của ABS ................................................................. 32 2.3 Sự quay thân xe khi phanh ............................................................................ 35 2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh ......................................... 36 2.4.1 Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh ............................................................ 36 2.4.2 Các chỉ tiêu đánh giá ổn định hướng ............................................................. 37 2.5 Kết luận chương 2 ......................................................................................... 38 Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ ........................................................................ 39 3.1 Hệ thống ABS có xét đến ổn định hướng khi phanh ..................................... 39 3.2 Mô hình động lực học ô tô khi phanh............................................................ 42 3.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình ..................................................................... 42 3.2.2 Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô ..................................................... 43 3.2.3 Mô hình bánh xe ............................................................................................ 47 3.3 Mô hình hệ thống dẫn động phanh thủy lực .................................................. 53 3.3.1 Khối xy lanh phanh chính.............................................................................. 56 3.3.2 Khối van điều chỉnh áp suất .......................................................................... 58 3.3.3 Khối xy lanh công tác và cơ cấu phanh ......................................................... 60 3.4 Bộ điều khiển ABS có xét đến ổn định hướng .............................................. 62
II 3.4.1 Bộ suy luận theo lô gic mờ ............................................................................ 63 3.4.2 Bộ điều khiển điện tử ABS ............................................................................ 67 3.5 Mô phỏng hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô..................................... 70 3.5.1 Mô phỏng đánh giá hoạt động của hệ thống điều khiển phanh ..................... 71 3.5.2 Mô phỏng đánh giá chất lượng phanh ........................................................... 75 3.5.3 Mô phỏng xác định giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe ................................ 79 3.6 Kết luận chương 3 ......................................................................................... 82 Chương 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG PHANH ABS ........................................................................... 83 4.1 Cơ sở thiết kế bộ ECU-ABS .......................................................................... 83 4.1.1 Cảm biến vận tốc góc bánh xe ....................................................................... 84 4.1.2 Cụm rơ le điều khiển ..................................................................................... 85 4.1.3 Cụm van thủy lực .......................................................................................... 86 4.1.4 Bộ điều khiển điện tử (ECU-ABS) ................................................................ 87 4.2 Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển (ECU-ABS) ................................................. 88 4.2.1 Cấu trúc ECU-ABS ....................................................................................... 88 4.2.2 Thiết kế các mô đun trong bộ điều khiển điện tử .......................................... 89 4.2.3 Thuật toán điều khiển .................................................................................... 92 4.2.4 Chế tạo bộ ECU-ABS .................................................................................... 94 4.3 Thử nghiệm đánh giá chất lượng bộ ECU-ABS chế tạo ............................... 95 4.3.1 Đối tượng, mục đích và phương pháp thử nghiệm ........................................ 95 4.3.2 Thiết bị thử nghiệm ....................................................................................... 96 4.3.3 Thử nghiệm đo vận tốc góc và gia tốc góc .................................................. 100 4.3.4 Xác định tần số biến đổi vận tốc bánh xe bằng hình ảnh ............................ 103 4.4 Thử nghiệm đánh giá chất lượng quá trình phanh....................................... 104 4.4.1 Mục đích và phương pháp ........................................................................... 104 4.4.2 Thiết bị thử nghiệm ..................................................................................... 105 4.4.3 Quy trình thử nghiệm .................................................................................. 107 4.4.4 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm ................................... 110 4.5 Kết luận chương 4 ....................................................................................... 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................. 118
III DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Ký hiệu bằng chữ cái La tinh Ký hiệu Giải thích Đơn vị a Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm m b Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm m B Chiều rộng cơ sở của xe m L Chiều dài cơ sở của xe m hg Chiều cao trọng tâm của xe m rb Bán kính làm việc của bánh xe m AF Diện tích tiết diện trước của ô tô m2 Cd Hệ số cản không khí v Vận tốc dọc của xe m/s v fl , v fr , vrl , vrr Vận tốc dọc bánh xe trước trái, trước phải, sau trái, sau rad/s phải u Vận tốc ngang của xe m/s r Vận tốc quay thân xe theo trục thẳng đứng rad/s m Khối lượng của xe kg g Gia tốc trọng trường m/s2 jp Gia tốc chậm dần cực đại m/s2 ax Gia tốc chuyển động dọc m/s2 ay Gia tốc chuyển động bên m/s2 Iz Mô men quán tính ô tô quanh trục thẳng đứng kg.m2 Iw Mô men quán tính bánh xe kg.m2 Mk Mô men kéo N.m Mb Mô men phanh bánh xe N.m Mz Mô men quay thân xe quanh trục thẳng đứng N.m Zi Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe N Fz Phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe N Frfl , Frfr Phản lực mặt đường bánh xe trước bên trái, bên phải N Fzrl , Fzrr Phản lực mặt đường bánh xe sau bên trái, bên phải N Fx Lực dọc N Fxfl , Fxfr Lực dọc bánh xe trước bên trái, bên phải N Fxrl , Fxrr Lực dọc bánh xe sau bên trái, bên phải N Fy Lực bên N
IV Fyfl , Fyfr Lực bên bánh xe trước bên trái, bên phải N Fyrl , Fyrr Lực bên bánh xe sau bên trái, bên phải N Fa Lực cản không khí N Pϕ Lực bám N p fl , p fr , prl , prr Áp suất phanh tương ứng bánh xe trước trái, trước phải, Pa sau trái, sau phải Cα f , Cα r Độ cứng bên của lốp trước, lốp sau N/rad K fl , K fl , K rl , K r Hằng số phanh tương ứng với bánh xe trước trái, trước phải, sau trái, sau phải 2. Ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp Ký hiệu Giải thích Đơn vị α fl ,α fr Góc lệch bên bánh xe trước trái, trước phải rad α rl , α rr Góc lệch bên bánh xe sau trái, sau phải rad βv Góc quay vành lái rad β Góc quay bánh xe dẫn hướng rad ε Góc quay thân xe rad γ Góc lệch thân xe rad δ Hệ số tính đến ảnh hưởng các khối lượng quay ϕ ,ϕ x ,ϕ y Hệ số bám, hệ số bám dọc, hệ số bám ngang λ , λx , λ y Độ trượt, độ trượt dọc, độ trượt ngang ρ Mật độ không khí kg/m3 ω Vận tốc góc bánh xe rad/s ω Gia tốc góc bánh xe rad/s2 ω1 Ngưỡng gia tốc giảm áp rad/s2 ω 2 Ngưỡng gia tốc giữ áp rad/s2 ω 3 Ngưỡng gia tốc tăng áp rad/s2 3. Các chữ viết tắt Ký hiệu Giải thích ABS Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe khi phanh (Anti-lock Braking Systems) ABS-SC Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe khi phanh có xét đến ổn
V định hướng AYC Hệ thống điều khiển góc hướng chủ động (Active Yaw Control) EBD Hệ thống phân bố lực phanh điện tử (Electronic Brake force Distribution) ECU Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit) ESP Hệ thống ổn định xe bằng điện tử (Electronic Stability Program) FLC Điều khiển lôgic mờ (Fuzzy Logic Controller) TCS Hệ thống điều khiển lực kéo (Traction control system) YSC Hệ thống điều khiển ổn định góc hướng (Yaw Stability Control) VSC Hệ thống điều khiển ổn định ô tô (Vehicle Stability Control) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Quan hệ mệnh đề hợp thành với mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết luận trong lô gic truyền thống .............................................................. 30 Bảng 2.2 Bảng luật suy luận mờ .......................................................................... 31 Bảng 3.1 Hệ số theo công thức Burckhardt của một số loại đường [53] ............ 50 Bảng 3.2 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ............................................... 66 Bảng 3.3 So sánh chỉ tiêu hiệu quả phanh ô tô trên đường khô và đường ướt khi không có và có hệ thống ABS ........................................................ 77 Bảng 3.4 So sánh chỉ tiêu hiệu quả phanh ô tô trên đường nửa khô, nửa ướt khi không có ABS, có ABS và có ABS-SC ......................................... 78 Bảng 3.5 Kết quả xác định giá trị ngưỡng gia tốc bằng mô phỏng .................... 82 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của bộ chuyển đổi hiển thị vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe ............................................................................... 96 Bảng 4.2 Trình tự thí nghiệm xác định gia tốc góc bánh xe.............................. 100 Bảng 4.3 Trình tự thí nghiệm chụp ảnh biến đổi vận tốc bánh xe khi phanh.... 104 Bảng 4.4 Quy trình thử nghiệm đánh giá chất lượng quá trình phanh .............. 107 Bảng 4.5 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh .............................. 110 Bảng 4.6 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thử nghiệm ........................... 111 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô ....................................... 6 Hình 2.1 Đặc tính trượt lý tưởng ......................................................................... 20 Hình 2.2 Quá trình phanh theo đặc tính trượt lý tưởng ....................................... 20
VI Hình 2.3 Sự biến đổi hệ số bám dọc và hệ số bám ngang theo độ trượt ............. 22 Hình 2.4 Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của một số loại đường ................ 23 Hình 2.5 Mối quan hệ giữa ϕ x và λ với các loại lốp ........................................ 23 Hình 2.6 Mối quan hệ ϕ x , ϕ y với λ ứng với góc lệch bên α i .......................... 24 Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển hệ thống ABS ........................................................... 26 Hình 2.8 Sự thay đổi của mô men phanh M b (a), áp suất dẫn động phanh (p) và gia tốc góc ( ω ) của bánh xe khi phanh có ABS ............................. 28 Hình 2.9 Hàm thuộc các biến đầu vào và biến đầu ra của bộ suy luận mờ ........ 32 Hình 2.10 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt ............................................ 33 Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc góc bánh xe .......................... 34 Hình 2.12 Điều khiển chống sự quay thân xe khi phanh ...................................... 35 Hình 2.13 Góc lệch của ô tô khi phanh (a) và độ lệch của ô tô khi phanh (b)...... 37 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống phanh ABS -SC ........................................................... 40 Hình 3.2 Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển phanh ABS-SC .................... 41 Hình 3.3 Hệ tọa độ nghiên cứu chuyển động ô tô khi phanh .............................. 42 Hình 3.4 Mô hình động lực học ô tô trong không gian ....................................... 44 Hình 3.5 Mô hình mô phỏng chuyển động thân ô tô khi phanh ......................... 46 Hình 3.6 Các lực tác dụng lên bánh xe khi phanh .............................................. 47 Hình 3.7 Mô hình mô phỏng lốp xe theo mô hình Burchardt ............................. 50 Hình 3.8 Quan hệ hệ số bám và độ trượt xây dựng theo mô hình Burchardt với hệ số bám lớn nhất là 0,7 và 0,5 .................................................... 51 Hình 3.9 Quan hệ hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt dọc ............................ 51 Hình 3.10 Mô hình mô phỏng động lực học của bánh xe ..................................... 52 Hình 3.11 Mô hình mô phỏng chuyển động ô tô khi phanh ................................. 53 Hình 3.12 Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh thủy lực có ABS ............................... 54 Hình 3.13 Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh thủy lực có ABS.......... 56 Hình 3.14 Mô hình xy lanh phanh chính............................................................... 56 Hình 3.15 Mô hình mô phỏng xy lanh phanh chính ............................................. 57 Hình 3.16 Mô hình mô phỏng cụm van điều chỉnh áp suất 1 ............................... 59 Hình 3.17 Mô hình mô phỏng cụm van điều chỉnh áp suất 2 ............................... 60 Hình 3.18 Mô hình mô phỏng xy lanh công tác và cơ cấu phanh......................... 61 Hình 3.19 Sơ đồ thuật toán của hệ thống phanh ABS-SC .................................... 62 Hình 3.20 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ABS-SC ......................................... 63 Hình 3.21 Bộ suy luận theo lôgic mờ.................................................................... 65 Hình 3.22 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào er ............................................... 65 Hình 3.23 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào er ............................................... 66 Hình 3.24 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra K ................................................. 66 Hình 3.25 Quan hệ giữa biến đầu ra với các biến đầu vào của bộ suy luận mờ ... 67
VII Hình 3.26 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ECU-ABS ...................................... 70 Hình 3.27 Vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường khô ở v0=40km/h ............ 71 Hình 3.28 Vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường ướt ở v0=40km/h ............. 72 Hình 3.29 Vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường nửa khô, nửa ướt ở v0=40km/h ............................................................................................ 72 Hình 3.30 Độ trượt dọc của bánh xe khi phanh trên đường khô ở v0=40km/h ..... 73 Hình 3.31 Độ trượt dọc của bánh xe khi phanh trên đường ướt ở v0=40km/h ..... 73 Hình 3.32 Độ trượt dọc của bánh xe khi phanh trên đường nửa khô, nửa ướt ở v0=40km/h ............................................................................................ 74 Hình 3.33 Hiệu quả phanh trên đường khô ở v0=40km/h ..................................... 76 Hình 3.34 Hiệu quả phanh trên đường ướt ở v0=40km/h...................................... 76 Hình 3.35 Hiệu quả phanh trên đường nửa khô, nửa ướt ở v0=40km/h................ 77 Hình 3.36 Biến đổi gia tốc góc các bánh xe ở v0=40km/h, ϕmax=0,4 ................... 81 Hình 3.37 Quan hệ ngưỡng gia tốc theo hệ số bám (a) và vận tốc phanh (b) ....... 81 Hình 3.38 Mật độ phân bố chuẩn giá trị ngưỡng gia tốc ...................................... 81 Hình 4.1 Cấu tạo và bố trí của cảm biến đo vận tốc góc bánh xe ....................... 84 Hình 4.2 Sơ đồ mạch điện van điện từ bộ chấp hành trên xe ............................. 86 Hình 4.3 Sơ đồ tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc góc bánh xe ............................. 88 Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc ECU-ABS chế tạo ........................................................ 88 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mô đun chuẩn hóa xung ............................................ 89 Hình 4.6 Khối cấp nguồn cho mạch điều khiển .................................................. 90 Hình 4.7 Sơ đồ mạch điều khiển rơ le bơm dầu và van điện từ bộ chấp hành ... 91 Hình 4.8 Khối vi điều khiển ................................................................................ 92 Hình 4.9 Sơ đồ thuật toán điều khiển của ECU-ABS ......................................... 93 Hình 4.10 Bộ điều khiển điện tử ECU-ABS ......................................................... 95 Hình 4.11 Bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe ................ 97 Hình 4.12 Giao diện phần mềm hiển thị kết quả đo ............................................. 98 Hình 4.13 Kết nối bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe.... 98 Hình 4.14 Camera tốc độ cao FASTCAM SA1.1 675K-C1 ................................. 99 Hình 4.15 Sơ đồ cổng kết nối thiết bị ................................................................. 100 Hình 4.16 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe không có ABS trên đường khô ở vận tốc v0=40km/h ................................................ 101 Hình 4.17 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS nhập ngoại trên đường khô ở vận tốc v0=40km/h .............................. 101 Hình 4.18 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS chế tạo trên đường khô ở vận tốc v0=40km/h........................................... 102 Hình 4.19 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe không có ABS trên đường ướt ở vận tốc v0=40km/h ................................................. 102
VIII Hình 4.20 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS nhập ngoại trên đường ướt ở vận tốc v0=40km/h .............................. 102 Hình 4.21 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS chế tạo trên đường ướt ở vận tốc v0=40km/h ........................................... 103 Hình 4.22 Thiết bị DEWETRON - 5000 ............................................................ 105 Hình 4.23 Vị trí lắp cảm biến S400 và cảm biến đo lực bàn đạp phanh ............. 106 Hình 4.24 Sơ đồ đấu nối thiết bị và các cảm biến............................................... 106 Hình 4.25 Kết quả thử nghiệm phanh ở v=40km/h đường khô ......................... 109 Hình 4.26 Kết quả thử nghiệm phanh ở v=40km/h đường ướt .......................... 109 Hình 4.27 So sánh vận tốc và quãng đường phanh trên đường khô ở v0=40km/h khi không có ABS (a) và có ABS sử dụng ECU chế tạo (b) ............... 110 Hình 4.28 So sánh vận tốc và quãng đường phanh trên đường ướt ở v0=40km/h khi không có ABS (a) và có ABS sử dụng ECU chế tạo (b) ................. 111
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, với sự tăng trưởng của nền kinh tế, giao thông đường bộ Việt Nam đã phát triển trên nhiều lĩnh vực, trong đó phải kể đến sự gia tăng nhanh chóng phương tiện ô tô cả về số lượng, chủng loại. Tuy nhiên, khi mật độ giao thông và vận tốc trung bình của ô tô khi tham gia giao thông tăng lên các biện pháp bảo đảm an toàn giao thông càng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Hệ thống phanh giữ một vai trò quan trọng đảm bảo an toàn khi chuyển động của ô tô, có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo đảm an toàn cho người, phương tiện khi tham gia giao thông nhất là khi ô tô chuyển động trên các mặt đường xấu, ướt với vận tốc cao, phanh khẩn cấp. Để quá trình phanh ô tô đạt hiệu quả cao và giữ ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh phụ thuộc rất nhiều vào điều khiển quá trình phanh. Hiện nay, đa số các ô tô con sử dụng hệ thống phanh có khả năng tự động điều chỉnh quá trình phanh và trở thành tiêu chuẩn đánh giá chỉ tiêu yêu cầu kỹ thuật và độ tin cậy của xe. Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu, ứng dụng nội dung này, tuy nhiên các tài liệu, kết quả nghiên cứu là tư liệu riêng của hãng không được công bố hoặc có công bố chỉ mang tính chất hướng dẫn sử dụng, có ý nghĩa về lý thuyết, không thống nhất giữa các hãng. Trong hệ thống phanh tự điều khiển quá trình phanh, giá thành bộ điều khiển điện tử (ECU) và bộ chấp hành thủy lực chiếm khoảng (70 ÷ 80) % trị giá của toàn hệ thống. Theo thông tin từ các cơ sở sửa chữa ô tô trên địa bàn Hà Nội tỷ lệ hư hỏng bộ điều khiển điện tử chiếm tỷ lệ cao, nhất là các xe ô tô hoạt động ở khu vực địa bàn thường xuyên bị ngập úng hay trong mùa mưa bão, việc thay thế chủ yếu nhập khẩu đơn chiếc, giá thành cao. Do đó, việc nghiên cứu, làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại trên ô tô nói chung, hệ thống điều khiển quá trình phanh nói riêng để từng bước nghiên cứu chế tạo thay thế bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp ô tô nước ta, nhằm từng bước nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh cho các sản phẩm ô tô chế tạo trong nước. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô”.
2 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô, đề xuất cấu trúc và mô phỏng bộ điều khiển chống hãm cứng bánh xe có xét đến ổn định hướng chuyển động của xe khi phanh. Xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh dẫn động thủy lực có ABS trên ô tô con nhằm góp phần từng bước làm chủ công nghệ, kỹ thuật hiện đại ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu bộ điều khiển điện tử hệ thống chống hãm cứng bánh xe (ECU-ABS) của hệ thống phanh dẫn động thủy lực trên ô tô con. Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu điều khiển quá trình phanh xe ô tô con 5 chỗ dẫn động phanh thủy lực có ABS, chưa kể đến kỹ thuật chẩn đoán và lưu lỗi hệ thống. 4. Phương pháp nghiên cứu và sản phẩm Phương pháp nghiên cứu: kết hợp nghiên cứu mô phỏng lý thuyết trên máy tính và thực nghiệm trên ô tô con. Sản phẩm của đề tài: thuật toán điều khiển ECU-ABS, mô hình mô phỏng quá trình phanh của hệ thống phanh ABS. Chế tạo, thử nghiệm ECU-ABS cho ô tô con và bộ hiển thị vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe khi phanh. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Động lực học phanh ô tô là quá trình vật lý phức tạp, việc nghiên cứu điều khiển quá trình phanh ô tô là một nội dung quan trọng nâng cao an toàn chuyển động của ô tô. Xây dựng mô hình mô phỏng điều khiển quá trình phanh của hệ thống phanh ABS, kết quả nghiên cứu là cơ sở khảo sát điều khiển chống hãm cứng bánh xe và ổn định hướng chuyển động của hệ thống phanh dẫn động thủy lực. Đề xuất cấu trúc, thuật toán điều khiển, chế tạo ECU-ABS của hệ thống phanh ABS ô tô con và thử nghiệm trên xe thực là một sản phẩm cụ thể, góp phần từng bước nắm bắt công nghệ, tiếp cận khoa học kỹ thuật hiện đại trên ô tô mang ý nghĩa thực tiễn và có ý nghĩa khoa học. Bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc và gia tốc bánh xe của hệ thống phanh ABS có ý nghĩa thiết thực phục vụ học tập, nghiên cứu kiểm tra sự làm việc của hệ thống phanh trên ô tô có hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh.
3 6. Bố cục của luận án Luận án ngoài phần mở đầu và kết luận, gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về điều khiển điều khiển quá trình phanh ô tô. Trình bày tổng quát kết quả nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh ô tô trên thế giới và trong nước, tìm hiểu kết quả của các công trình, đề tài nghiên cứu qua đó tìm ra những vấn đề còn tồn tại trong các công trình nghiên cứu tại Việt Nam để xác định nội dung nghiên cứu của luận án để đạt mục tiêu đề ra. Chương 2: Cơ sở điều khiển quá trình phanh ô tô. Nghiên cứu vấn đề điều khiển quá trình phanh ô tô, tập trung làm rõ cơ sở lý thuyết điều khiển chống hãm cứng bánh xe, sự quay thân xe khi phanh của hệ thống ABS và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng quá trình phanh. Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển quá trình phanh ABS. Đề xuất cấu trúc, thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS có xét đến ổn định hướng của xe khi phanh làm cơ sở xây dựng mô hình mô phỏng quá trình điều khiển bằng công cụ Staflow phần mền Matlab Simulink. Nhằm đánh giá quá trình điều khiển hệ thống chống hãm cứng bánh xe có xét đến ổn định hướng của xe khi phanh (gọi tắt hệ thống ABS-SC), xác định sơ bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe cho thuật toán điều khiển ECU-ABS chế tạo và mô phỏng khảo sát đánh giá chất lượng quá trình phanh. Chương 4: Thiết kế chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển điện tử hệ thống phanh ABS. Đề xuất thuật toán điều khiển, thiết kế, chế tạo 1 bộ ECU-ABS và thử nghiệm trên ô tô thực để đánh giá chất lượng ECU-ABS chế tạo và đánh giá chất lượng quá trình phanh khi ô tô không có hệ thống ABS, khi ô tô có hệ thống ABS sử dụng ECU-ABS nhập ngoại và ECU-ABS chế tạo. Phần kết luận và kiến nghị: đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án so với mục tiêu đã xác định, đề xuất hướng phát triển của các công trình nghiên cứu tiếp theo để từng bước hoàn thiện ECU-ABS với các tính năng chẩn đoán, lưu lỗi phục vụ cho ô tô sản xuất trong nước.
4 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ Nghiên cứu điều khiển quá trình phanh ô tô nhằm nâng cao hiệu quả phanh và ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh luôn là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm. Trên thế giới và trong nước vấn đề này đã trở thành yêu cầu cấp thiết, là một trong các biện pháp bảo đảm an toàn cho xe khi chuyển động và hạn chế tai nạn giao thông do ô tô gây ra. Để đạt các chỉ tiêu hiệu quả, ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh hệ thống phanh trên ô tô ngày càng hoàn thiện. Sự phát triển của khoa học, công nghệ kỹ thuật điện, điện tử và điều khiển tự động ngày càng ứng dụng phổ biến trong công nghiệp ô tô nói chung và hệ thống phanh nói riêng. Trên cơ sở phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam nhằm đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án. 1.1 Tai nạn giao thông và các yếu tố ảnh hưởng Trong những năm gần đây, với sự tăng trưởng của nền kinh tế, giao thông đường bộ Việt Nam đã phát triển trên nhiều lĩnh vực, trong đó phải kể đến sự gia tăng nhanh chóng phương tiện ô tô cả về số lượng, chủng loại. Theo thống kê của cơ quan quản lý phương tiện tính đến tháng 9/2011 toàn quốc có khoảng gần 2 triệu ô tô, trên 33 triệu mô tô. Số lượng phương tiện tiếp tục tăng, 8 tháng năm 2011 đăng ký mới gần 130 nghìn ô tô và 2 triệu mô tô; nếu chỉ tính riêng trong tháng 8/2011 có gần 14 nghìn ô tô và trên 267 nghìn mô tô đã được đăng ký. Đi đôi với sự gia tăng về phương tiện, nguy cơ mất an toàn giao thông đường bộ cũng tăng lên, theo số liệu của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia tổng hợp số vụ mất an toàn giao thông đường bộ xẩy ra 8 tháng năm 2011 là gần 8 nghìn 5 trăm vụ, làm chết trên 7 nghìn người, bị thương gần 6 nghìn người; riêng trong tháng 8/2011 toàn quốc xẩy ra trên 1 nghìn vụ, làm chết gần 9 trăm người, bị thương trên 8 trăm người. Trên thế giới tai nạn giao thông cũng đang là vấn đề cấp bách, hàng năm tai nạn giao thông làm chết trên dưới một triệu người, bị thương hàng trục triệu người. Nếu chỉ tính năm 2002, tai nạn giao thông làm chết gần 1,2 triệu người, bị thương hơn 50 triệu người, trong đó nhiều người bị thương tật suốt đời.
5 Qua thống kê, tai nạn giao thông do ô tô gây ra phụ thuộc điều kiện môi trường giao thông, người lái, tình trạng kỹ thuật của ô tô và các yếu tố khác. Đây là mối quan hệ qua lại giữa ba yếu tố: Đường - Xe - Người, các yếu tố có tác động mật thiết và chi phối lẫn nhau. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra kết quả khảo sát tỷ lệ tai nạn giao thông do yếu tố con người chiếm khoảng (72 ÷ 80)%, điều kiện môi trường chiếm (18 ÷ 20)%, yếu tố tình trạng kỹ thuật của ô tô chiếm (1,5 ÷ 2)%. Yếu tố con người là nguyên nhân gây tai nạn giao thông chiếm tỷ lệ cao nhất, phụ thuộc vào ý thức, trình độ kỹ thuật và trạng thái tâm lý, kinh nghiệm xử lý của người lái ô tô. Để hạn chế các yếu tố này, cần phải tăng cường về thể chế pháp lý, giáo dục, nhận thức, ý thức chấp hành luật giao thông và trình độ, kỹ năng điều khiển ô tô của người tham gia giao thông. Yếu tố môi trường giao thông như hệ thống giao thông, tình trạng mặt đường, khí hậu, thời tiết, cơ sở hạ tầng. Khi cơ sở hạ tầng phát triển, nhu cầu nâng cao hiệu quả kinh tế, năng xuất vận chuyển của ô tô tăng cao, làm cho mật độ tham gia giao thông, vận tốc chuyển động ô tô có xu hướng tăng, do đó nguy cơ xảy ra tai nạn giao thông cũng tăng lên, đòi hỏi trình độ chuyên môn, ý thức chấp hành luật giao thông và yêu cầu kỹ thuật của ô tô khi tham gia giao thông cao hơn. Tình trạng kỹ thuật của ô tô là yếu tố gây mất an toàn giao thông chiếm tỷ lệ thấp, đó là kết quả của sự ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật, công nghệ hiện đại ngày càng nhiều, đồng thời các trang thiết bị, tài liệu công nghệ về ô tô từng bước hoàn thiện và trình độ chuyên môn, khả năng ứng dụng, khai thác sử dụng của đội ngũ cán bộ chuyên môn kỹ thuật trong ngành công nghệp ô tô ngày càng cao. Tại Việt Nam, thực trạng tình hình giao thông đường bộ có nhiều vấn đề bất cập, tiềm ẩn khả năng gây mất an toàn giao thông cao, để kiềm chế và ngăn chặn tai nạn giao thông, ngày 29/6/2007 Chính phủ đã ban hành Nghị quyết 32/2007/NQ - CP, với 7 nhóm giải pháp chính, trong đó việc nghiên cứu, nâng cao chất lượng, hiệu quả hệ thống an toàn trên ô tô là yêu cầu không thể thiếu. Hệ thống phanh trên ô tô phải bảo đảm các yêu cầu ổn định hướng chuyển động khi phanh và hiệu quả phanh tốt nhất, do đó việc nghiên cứu, hoàn thiện về bố trí, kết cấu, cấu trúc và thuật toán điều khiển của hệ thống phanh trên ô tô đang được các hãng ô tô đầu tư và đã thu được nhiều kết quả khả quan.
6 1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.2.1 Sự phát triển của hệ thống phanh ô tô Hiện nay, hệ thống phanh ô tô đã tương đối hoàn thiện về bố trí, kết cấu các bộ phận, cụm và hệ thống, cũng như quá trình điều khiển, giúp bảo đảm, nâng cao hiệu quả quá trình phanh và tính ổn định hướng. Để đạt được những thành tựu đó, hệ thống phanh ô tô đã trải qua một quá trình phát triển trong thời gian dài, tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô được mô tả trên Hình 1.1 [43], [57]. ABS- Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh ACC- Hệ thống kiểm soát hành trình EBD- Hệ thống phân bố lực phanh điện tử ESP - Chương trình điều khiển ổn định điện tử ECU- Bộ điều khiển điện tử HCU- Bộ điều khiển thủy lực EHB- Hệ thống phanh điện thủy lực EMB- Hệ thống phanh điện tử Hình 1.1 Tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô Theo tiến trình trên, sự phát triển của hệ thống phanh được phản ánh thông qua sự phát triển về cơ cấu phanh, dẫn động phanh và điều khiển phanh. Về cơ cấu phanh: sự phát triển đầu tiên trong thiết kế phải kể đến sự thay đổi của phanh tang trống, với việc chuyển từ đai phanh ngoài tang trống đến guốc phanh ở trong, thay đổi sử dụng phanh tang trống cơ cấu phanh bốn bánh trên các xe được thiết kế trước năm 1970 [23], [25],[26], các xe con sản xuất sau năm 1970
7 sử dụng phanh đĩa ở cơ cấu phanh 2 bánh xe phía trước, hiện nay trên ô tô con hầu hết sử dụng phanh đĩa ở cơ cấu phanh của tất cả các bánh xe. Về dẫn động phanh: tương tự như cơ cấu phanh bánh xe, dẫn động phanh ngày càng hoàn thiện, từ dẫn động cơ khí, cơ khí kết hợp với dẫn động thủy lực hay khí nén và dẫn động thủy - khí kết hợp. Năm 1924, hệ thống phanh dẫn động thủy lực bắt đầu được áp dụng, trong hệ thống dẫn động phanh thủy lực đầu tiên xy lanh chính sử dụng loại pít tông đơn, xy lanh có một cửa ra. Năm 1967, xy lanh chính kép được sử dụng. Hiện nay sử dụng loại xy lanh chính có đường kính bậc. Để nâng cao độ tin cậy làm việc của hệ thống và chất lượng phanh ô tô, dẫn động thủy lực đến các bánh xe cũng thay đổi nhằm phân chia lực tác dụng phanh ngày càng phù hợp với kết cấu và bố trí hệ thống truyền lực. Lúc đầu hệ thống phanh dẫn động thủy lực chỉ có 1 đường dẫn động cho cả 4 bánh xe. Năm 1931, hệ thống phanh thủy lực dẫn động hai dòng ra đời. Đến nay, có 5 kiểu bố trí đường dẫn dầu phanh: một đường dẫn động 2 bánh xe cầu trước và một đường dẫn động 2 bánh xe cầu sau; một đường dẫn động cho bánh xe phía trước bên phải, bánh sau bên trái và một đường dẫn động cho 2 bánh còn lại; 1 đường dẫn động cho cả 4 bánh xe và 1 đường dẫn động riêng cho 2 bánh trước; có 2 đường trong đó mỗi đường dẫn động 2 bánh phía trước và 1 bánh phía sau; có 4 đường, mỗi đường dẫn động cho cả 4 bánh xe. Bộ phận trợ lực phanh làm giảm lực tác động của người lái lên bàn đạp phanh nhưng vẫn duy trì được cảm giác và độ nhạy khi phanh, thực ra hệ thống phanh trợ lực thực chất là hệ thống phanh cơ bản có thêm bộ khuếch đại công suất phanh. Năm 1952, bộ khuếch đại được đặt giữa bàn đạp phanh và xy lanh chính, khuếch đại lực tác động từ bàn đạp phanh. Năm 1952, sử dụng độ chân không trên đường ống nạp của động cơ cung cấp cho bộ trợ lực chân không, đến năm 1963 trợ lực thủy lực được ra đời, sử dụng áp suất thủy lực từ hệ thống lái thủy lực để hoạt động. Vào giữa thập niên 80, bộ khuếch đại công suất phanh kết hợp điện - thủy lực được giới thiệu, loại này hoạt động tương tự trợ lực thủy lực nhưng dùng bơm thủy lực bằng điện. Bộ trợ lực điện - thủy lực chỉ kích hoạt bơm thủy lực khi cần sự trợ lực vì vậy tính hiệu quả cao hơn, làm cơ sở cho việc điều khiển quá trình phanh điều khiển cơ khí được thay thế điều khiển điện tử càng nhiều.
8 Về điều khiển phanh: một trong những bước đột phá trong tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô là sự tích hợp các hệ thống điện, điện tử, dẫn đến sự ra đời của hệ thống điều khiển phanh tích cực như hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS). Sự phát triển của hệ thống ABS, cũng như các hệ thống điều khiển tích cực trên ô tô khác luôn gắn bó chặt chẽ với sự phát triển của công nghệ trong cảm biến và cơ cấu chấp hành. Hệ thống ABS bắt đầu được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô từ năm 1978 [35], [43] và hiện nay được trang bị trên hầu hết các xe ô tô hiện đại. Theo thông tin của hãng Bosch, năm 2007, 76% xe ô tô chế tạo mới được trang bị hệ thống ABS và nó trở thành thiết bị tiêu chuẩn cho xe ô tô chở khách tại châu Âu, Mỹ và Nhật. Hệ thống ABS được chia làm 2 loại [23], [57]: hệ thống kín và hệ thống hở. Hệ thống kín có xy lanh chính và cụm van điều tiết (còn gọi là bộ chấp hành) bố trí thành một khối, dùng bơm trợ lực và bộ tích trữ cho tác dụng trợ lực. Ngược lại hệ thống hở xy lanh chính và bộ chấp hành bố trí riêng rẽ và dùng bơm tuần hoàn. Trung tâm điều khiển của hệ thống phanh ABS là bộ điều khiển điện tử (ECU) của hệ thống ABS ngày càng hoàn thiện, ban đầu ECU chỉ thu nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến vận tốc bánh xe để phát tín hiệu điều khiển bộ chấp hành thực hiện điều chỉnh áp suất dầu dẫn động đến cơ cấu phanh bánh xe. Đến nay, tín hiệu đầu vào của ECU từ các cảm biến bố trí trên xe: lực bàn đạp phanh, áp suất dầu trong hệ thống dẫn động thủy lực, gia tốc chậm dần của xe khi phanh, góc quay thân xe.., để xử lý và ra lệnh điều khiển bộ chấp hành vì vậy điều khiển quá trình phanh ngày càng chính xác, hiệu quả phanh, ổn định chuyển động của xe khi phanh được nâng cao. Bộ chấp hành của hệ thống ABS cũng phát triển không ngừng, thiết kế ban đầu của Teves kết hợp tất cả các van thành một khối, đặt trực tiếp trên xy lanh chính, đây là một tổ hợp gồm: xy lanh chính, trợ lực điện - thủy lực và khối van hay Bosch chế tạo các van điều khiển đặt trong một thiết bị thủy lực đơn, được nối với xy lanh chính bằng 2 đường ống thủy lực. Các van điện từ thay đổi từ loại một van điều khiển một xy lanh bánh xe với 3 chế độ (tăng áp, giữ áp, giảm áp) tín hiệu điều khiển bằng cường độ dòng điện, đến loại 2 van điều khiển một xy lanh bánh xe tín hiệu điều khiển bằng điện áp. Tần số đóng, mở của van cũng tăng theo (từ 5÷20Hz)