Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy" Nghiên cứu, tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đánh giá hệ thống phanh có khả năng điều chỉnh áp suất nhằm hạn chế trượt lết bánh xe cho xe máy.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Ở Việt Nam hiện nay, xe máy là phƣơng tiện giao thông chủ yếu. Số lƣợng và tốc độ tăng xe máy rất lớn, số liệu ƣớc tính đến hết năm 2016 Việt Nam có gần 45 triệu xe máy và năm 2017 có 3,2 triệu chiếc xe máy đƣợc bán ra. Trong số các phƣơng tiện tham gia giao thông trên đƣờng bộ ở Việt Nam thì số lƣợng xe máy đang áp đảo các phƣơng tiện khác. Ngƣời đi xe máy hầu nhƣ chỉ trang bị duy nhất là mũ bảo hiểm. Khi xảy ra va chạm, ngƣời ngồi trên xe máy có mức độ chấn thƣơng cao hơn hẳn ô tô. Vì thế việc đảm bảo an toàn cho ngƣời sử dụng phƣơng tiện xe máy ở Việt Nam là rất cấp thiết. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, luận án chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy” Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Xe máy sử dụng trong nƣớc chủ yếu là các xe có tốc độ thấp và chƣa đƣợc trang bị hệ thống phanh ABS. Muốn trang bị hệ thống phanh ABS phải mua nguyên bộ của các hãng và không phải xe máy nào cũng đƣợc thiết kế chờ sẵn để có thể lắp đƣợc. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lựa chọn các phƣơng án bố trí lắp đặt hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy nhằm mục đích từng bƣớc cải thiện hiệu quả và nâng cao tính ổn định chuyển động của xe máy trong quá trình phanh. Luận án đã giải quyết đƣợc các vấn đề: Đề xuất đƣợc nguyên lý hệ thống điều chỉnh áp suất phanh nhằm hạn chế trƣợt lết bánh xe; Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh thủy lực trên xe máy, mô phỏng chuyển động của xe máy khi phanh, đề xuất bộ điều khiển cũng nhƣ một thuật toán điều khiển hệ thống theo gia tốc góc bánh xe; Thông qua mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính, luận án sơ bộ xác định đƣợc ngƣỡng giá trị gia tốc góc của bánh xe để điều khiển chuyển đổi giữa các pha tăng áp, giảm áp trong chu trình hoạt động của hệ thống; Nghiên cứu thiết kế chế tạo đƣợc thiết bị thu thập tín hiệu từ 3 cảm biến để đo 3 thông số trong quá trình phanh; Nghiên cứu thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển và nhận xét hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết bánh xe. Đây là các vấn đề có tính khoa học, là cơ sở cho các nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo để ứng dụng trên xe máy. Nội dung và bố cục của luận án CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ TRƢỢT LẾT CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết quả nghiên cứu mới của luận án: Luận án đạt đƣợc các kết quả nghiên cứu mới sau: - Đề xuất, thiết kế chế tạo đƣợc cơ cấu điều áp có thể điều chỉnh đƣợc áp suất phanh trong hệ thống phanh dẫn động thủy lực trên xe máy; - Xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng hệ thống phanh có điều chỉnh áp suất phanh nhằm hạn chế trƣợt lết bánh xe trên xe máy và mô hình mô phỏng động lực học quá trình phanh xe máy trên đƣờng thẳng; - Xác định đƣợc khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết đã đề xuất trên xe nghiên cứu; - Đề xuất phƣơng pháp hiệu chỉnh và xác định đƣợc giá trị ngƣỡng gia tốc góc bánh xe bằng mô phỏng lý thuyết để điều khiển chuyển pha làm việc của cơ cấu điều áp trong quá trình hệ thống hoạt động. 1
- Thiết kế chế tạo, bố trí lắp đặt đƣợc các thiết bị cho thực nghiệm và thực nghiệm lấy đƣợc số liệu đánh giá hoạt động của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trên xe máy. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Sự cần thiết phải hạn chế trƣợt lết cho bánh xe khi phanh Hệ thống chống trƣợt lết bánh xe khi phanh (tƣơng tự ABS) là một hệ thống vòng kín giúp giảm khóa bánh xe trong quá trình phanh, giúp cải thiện sự ổn định và kiểm soát điều khiển xe trong quá trình phanh. ABS mặc dù đã đƣợc trang bị rất sớm trên ô tô trong nhiều năm nay tuy nhiên trên xe máy ít phổ biến hơn. Sự cần thiết, lợi ích cũng nhƣ vai trò của một hệ thống hạn chế trƣợt bánh xe tƣơng tự ABS trang bị cho xe máy đƣợc thể hiện: Theo một báo cáo số 327 về hiệu quả của hệ thống phanh chống bó cứng xe máy của Trung tâm nghiên cứu tai nạn của Đại học Monash - Úc (MUARC) [66] chỉ ra rằng hiệu quả của ABS trong việc giảm rủi ro va chạm cho xe máy cao hơn so với ô tô. Khảo sát của Bosch [67] chỉ ra rằng hiệu quả của ABS xe máy là nhất quán trên toàn thế giới - các nghiên cứu đƣợc tham khảo trong khảo sát bao gồm: nghiên cứu của Thụy Điển chứng minh rằng trang bị ABS mang lại khả năng giảm va chạm ở châu Âu lên tới 39% cho tất cả các vụ tai nạn xe máy; Viện Bảo hiểm An toàn Đƣờng cao tốc ở Mỹ đã ƣớc tính độc lập ABS cho xe máy giúp tăng hiệu quả 37%. Một nghiên cứu khác của Đức kết luận rằng trong 93% các vụ tai nạn xe máy, ABS sẽ tránh hoặc giảm mức độ nghiêm trọng của vụ tai nạn [68]. Ở Úc, khả năng giảm thiểu tử vong và thƣơng tích nhờ ABS xe máy là rất đáng kể giúp giảm 1.128 vụ tai nạn thƣơng tích nhỏ (33%) và giảm 1.083 thƣơng tật nghiêm trọng và 74 trƣờng hợp tử vong (39%). Lực dọc (trong trƣờng hợp phanh là lực phanh) cực đại: Fxmax = Fzφx Tƣơng tự lực ngang cực đại: Fymax = Fzφy Mà hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy phụ thuộc độ trƣợt dọc của bánh xe cả khi truyền lực kéo (trƣợt quay) lẫn khi truyền lực phanh (trƣợt lết). Hình 1.1 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy với độ trƣợt dọc s của bánh xe khi phanh. Từ trên đồ thị cho thấy hệ số bám Hình 1.1. Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt dọc φx có giá trị cao nhất khi hệ số trƣợt s nằm [7][21][54] trong khoảng 15% - 25%. Khi hệ số trƣợt s = 1 (trƣợt lết hoàn toàn) giá trị φx chỉ còn khoảng xấp xỉ 0,6φxmax. Đối với hệ số bám ngang φy khi độ trƣợt s tăng lên, φy suy giảm nhanh và khi hệ số trƣợt s = 1 giá trị φy không đáng kể. Chia quá trình phanh theo độ trƣợt dọc thành 3 vùng nhƣ hình vẽ có thể thấy: Khi phanh xe, vùng II là vùng bánh xe có khả năng truyền lực dọc cao nhất đồng thời khả năng truyền lực ngang tƣơng đối cao. Nếu bánh xe hoạt động trong vùng này thì hiệu quả phanh cao và khả năng ổn định chuyển động của xe cũng cao. Từ các phân tích trên, luận án hƣớng tới việc nghiên cứu điều chỉnh áp suất phanh từ đó điều chỉnh lực phanh sao cho bánh xe phanh hoạt động trong vùng II. 1.2. Tình hình nghiên cứu hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh 1.2.1. Nghiên cứu về hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh (ABS) trên thế giới 1.2.1.1 Nghiên cứu ABS trên ô tô Cho đến thời điểm hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ABS trên ô tô đƣợc công bố. Các công trình nghiên cứu gần đây tập trung chủ yếu nghiên cứu về hệ thống điều khiển ABS 2
trên xe. Các hệ thống điều khiển theo dõi tín hiệu gia tốc chậm dần và độ trƣợt dọc của bánh xe trong quá trình phanh [25], [52], [56]. Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển ABS theo độ trƣợt dọc của bánh xe khá hoàn thiện [27], [48], [49]. Vì thế các nghiên cứu về hệ thống ABS điều khiển theo độ trƣợt của bánh xe đều dừng lại trên mô hình lý thuyết hoặc mô hình mô phỏng, chƣa có những ứng dụng và phát triển trong thực tế. Các công trình nghiên cứu về hệ thống ABS theo gia tốc góc chậm dần của bánh xe khi phanh đã chứng minh đƣợc những ƣu điểm là duy trì đƣợc độ trƣợt của bánh xe gần miền tối ƣu từ đó ổn định đƣợc độ bám đƣờng trong quá trình phanh. Tuy nhiên để xác định đƣợc ngƣỡng gia tốc góc bánh xe để hệ thống điều khiển làm việc là một việc hết sức khó khăn, phải sử dụng thống kê, mô phỏng, đo đạc và hiệu chỉnh phức tạp trong thuật toán điều khiển [24], [40], [41], [46]. 1.2.1.2. Nghiên cứu về ABS trên xe máy Các nghiên cứu về hệ thống ABS hoặc một hệ thống có tính năng tƣơng tự nhƣ ABS cho xe máy đƣợc tập trung chủ yếu nghiên cứu đề xuất cơ cấu chấp hành và phƣơng pháp điều khiển cho xe máy. Một số nghiên cứu đã đề xuất hệ thống chống bó cứng cho xe máy bằng cách đề xuất cơ cấu chấp hành hoạt động theo nguyên lý khác với ABS trên ô tô [59], [51], [28], [39], [58]. Một số nghiên cứu đƣa ra phƣơng pháp điều khiển bằng cách xác định hệ số bám của bánh xe với mặt đƣờng bằng phƣơng pháp đo góc nghiêng thân xe sử dụng nguồn phát sóng siêu âm [37], điều khiển bằng logic mờ [28], điều khiển theo PID [58]. 1.2.2. Nghiên cứu về hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh trong nƣớc 1.2.2.1. Nghiên cứu về ABS trên ô tô Tại Việt Nam lƣợng ô tô ngày càng tăng nhanh và phát triển đa dạng cả về chủng loại cũng nhƣ các hãng xe. Các xe ô tô lƣu hành ở Việt nam hiện nay rất nhiều xe đƣợc trang bị các hệ thống tích cực nhƣ ABS, ASR, VSC, VDC… Do đó đã có các nghiên cứu về hệ thống tích cực trên ô tô nhằm làm chủ công nghệ cũng nhƣ làm cơ sở để nội địa hóa các hệ thống trên ô tô. Các công trình nghiên cứu về lý thuyết phanh ô tô [19], [8], động lực học phanh ô tô [9] hay các đề tài nghiên cứu về quỹ đạo chuyển động của ô tô có trang bị các hệ thống tích cực nhƣ ABS, ASR, VSC [15], [20]. Ngoài ra còn có các công trình nghiên cứu tƣơng đối đầy đủ và hoàn thiện về điều khiển hệ thống ABS cho nhiều đối tƣợng khác nhau từ xe ô tô con [2] đến xe du lịch [4] và xe quân sự [14] và cả hệ thống phanh dẫn động thủy lực [5] và hệ thống phanh dẫn động khí nén [3]. Các nghiên cứu về phƣơng pháp điều khiển nhƣ điều khiển theo logic mờ [5], điều khiển theo gia tốc góc bánh xe [3], điều khiển thích nghi theo logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo [18]. Từ các nghiên cứu ABS trên ô tô trong nƣớc đã giúp giải thích cơ chế và minh chứng tính đúng đắn của việc cần thiết phải phát triển kỹ thuật ABS trong điều khiển quá trình phanh ô tô. Đây cũng là cơ sở để luận án lựa chọn các phƣơng án thu thập tín hiệu điều khiển và đề xuất thiết kế chế tạo bộ điều khiển với thông số điều khiển phù hợp cho hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết của luận án. 1.2.2.2. Nghiên cứu về ABS trên xe máy Trong nƣớc hiện nay mặc dù vấn đề cải thiện tính an toàn và hiệu quả khi sử dụng xe máy tham gia giao thông ngày càng cấp thiết tuy nhiên chƣa có đề tài khoa học nào nghiên cứu về việc thiết kế ABS hoặc hệ thống phanh tƣơng tự cho xe máy. Từ những phân tích cho thấy trên thế giới đã có nhiều đề xuất và nhiều hệ thống ABS cho xe máy. Tuy nhiên, các đề xuất khá phức tạp, các hệ thống ABS đã có trên xe máy vì lý do bí quyết công nghệ không đƣợc công bố và giá thành rất đắt tiền. Tại Việt Nam chƣa có một công trình khoa học nào nghiên cứu và đƣa ra một hệ thống tƣơng tự. Do vậy cần thiết có một nghiên cứu về hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy có kết cấu đơn giản và phù hợp với điều kiện Việt Nam. 3
1.3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu, tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đánh giá hệ thống phanh có khả năng điều chỉnh áp suất nhằm hạn chế trƣợt lết bánh xe cho xe máy. Đối tƣợng nghiên cứu: Xe máy có hệ thống phanh trƣớc và phanh sau đều là phanh dẫn động thủy lực không có ABS. Phạm vi nghiên cứu: Luận án nghiên cứu quá trình phanh xe máy trên đƣờng thẳng, bằng phẳng và xe máy chuyển động thẳng khi phanh, thân xe thẳng đứng không nghiêng về hai bên. Luận án không xét đến các lực bên (lực ngang) tác động vào xe nghiên cứu. Bỏ qua mô men cản lăn, cản không khí tác động vào xe nghiên cứu, bỏ qua sự đàn hồi của lốp và sự thay đổi chiều cao trọng tâm trong quá trình phanh phanh. Do điều kiện thực nghiệm trên xe thực có nhiều khó khăn, luận án chỉ nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho bánh xe phía sau. Trong quá trình thực nghiệm phanh xe máy có sự phân bố lại trọng lƣợng làm trọng tâm xe dịch về phía trƣớc dẫn đến bánh xe phía sau thƣờng có xu hƣớng dễ trƣợt hơn. Do vậy luận án đề xuất thiết kế chế tạo và thử nghiệm hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trang bị trên hệ thống phanh bánh xe phía sau xe máy để thuận lợi cho thực nghiệm hệ thống. Luận án thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên hại loại đƣờng thẳng, bề mặt bằng phẳng đƣờng asphalt khô và asphalt phủ bùn sét ở vận tốc từ 30 km/h đến 50 km/h nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trang bị trên xe máy. 1.4. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu Luận án nghiên cứu phát triển một hệ thống điều khiển điện tử do đó nội dung nghiên cứu của luận án gồm các bƣớc chính sau đây: - Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng đối tƣợng điều khiển nhằm kiểm tra hiệu chỉnh thiết kế (nếu cần). Để rút ngắn quá trình thiết kế luận án đi nghiên cứu về hệ thống phanh trên đối tƣợng nghiên cứu, nghiên cứu hệ thống ABS trên ô tô, mô phỏng động học của xe máy khi phanh và mô phỏng cơ cấu điều áp - đối tƣợng điều khiển đã đề xuất từ đó hiệu chỉnh thiết kế. - Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khi lắp thêm cơ cấu điều áp. Đề xuất thuật toán điều khiển và mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết (hệ thống phanh có lắp thêm cơ cấu điều áp) có điều khiển nhằm đánh giá và hiệu chỉnh thuật toán điều khiển. Sau đó tiến hành mô phỏng xác định sơ bộ ngƣỡng điều khiển theo lý thuyết. - Nghiên cứu chế tạo mô hình thực nghiệm và mô phỏng thực nghiệm nhằm đánh giá hoạt động của hệ thống. Luận án sử dụng kết hợp phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính, thực hiện mô phỏng để khảo sát đặc tính của hệ thống, từ đó xác định các thông số cơ cấu điều áp, xác định sơ bộ giá trị ngƣỡng điều khiển. Nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết bánh xe. Thực nghiệm đánh giá khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống. Thực nghiệm trên cơ sở giá trị ngƣỡng đƣợc xác định từ mô phỏng lý thuyết và nhận xét khả năng hoạt động thực tế của hệ thống. 1.5. Kết luận chƣơng 1 Trong chƣơng này của luận án, tổng quan các vấn đề trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới liên quan đến đề tài đã đƣợc nghiên cứu, từ đó làm cơ sở đề lựa chọn đề tài nghiên cứu cụ thể: Trên thế giới có các công trình nghiên cứu về ABS cho xe máy chủ yếu đi nghiên cứu đề xuất cơ cấu chấp hành và phƣơng pháp điều khiển. Tuy nhiên, các công trình chủ yếu ở dạng các sáng chế kết quả mới chỉ dừng lại ở mô phỏng trên các phần mềm. Đây cũng là các cơ sở để luận án đề xuất cơ cấu chấp hành và phƣơng pháp điều khiển hệ thống hạn chế trƣợt lết của đề tài 4
Ở Việt Nam có rất nhiều các công trình nghiên cứu về ABS cho ô tô. Các công trình nghiên cứu gần đây chủ yếu là về điều khiển ABS cho ô tô khá hoàn thiện. Từ các công trình nghiên cứu về ABS cho ô tô, luận án lựa chọn phƣơng pháp điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy theo gia tốc góc bánh xe. Tuy ở Việt Nam chƣa có công trình nghiên cứu về ABS hoặc một hệ thống có tính năng tƣơng tự cho xe máy, mặc dù xe máy vẫn là phƣơng tiện chủ yếu và vấn đề an toàn cho ngƣời và xe máy khi tham gia giao thông vẫn là cấp thiết. Đây là lý do cần thiết có các công trình nghiên cứu về hệ thống hạn chế trƣợt lết cho xe máy ở Việt Nam. Thực tế về thƣơng mại, ABS cho xe máy trên thế giới đã chế tạo thành công ở một số hãng xe gắn máy lớn và đã cho ứng dụng trên một số mẫu xe. Tuy nhiên, chủ yếu các mẫu xe đƣợc trang bị là các xe phân khối lớn và giá thành cao. Ngoài ra, do yếu tố bí mật kinh doanh nên các hãng này không công bố nguyên lý cũng nhƣ kết cấu của hệ thống ABS đó. Từ các phân tích trong chƣơng này, luận án đã xác định đƣợc mục tiêu nghiên cứu, đối tƣợng nghiên cứu, nội dung cũng nhƣ phạm vi nghiên cứu phù hợp với hƣớng đề tài phát triển một hệ thống phù hợp sẽ đƣợc trình bày trong các phần sau. CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ TRƢỢT LẾT 2.1. Cơ sở lý thuyết hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh 2.1.1. Hệ số bám của bánh xe với mặt đƣờng khi phanh Sự bám của bánh xe với mặt đƣờng đƣợc đặc trƣng bởi hệ số bám  của bánh xe với mặt đƣờng. Hệ số bám  phụ thuộc loại đƣờng, tình trạng mặt đƣờng; kết cấu, vật liệu, độ cứng, áp suất lốp xe; tải trọng lên bánh xe, vận tốc chuyển động của xe; điều kiện, nhiệt độ môi trƣờng hoạt động của ô tô. Hệ số bám bao gồm hệ số bám theo phƣơng dọc  x , hệ số bám theo phƣơng ngang  y . Sự trƣợt bánh xe, bánh xe chịu mô men (mô men kéo hoặc mô men phanh) khi chuyển động thƣờng xảy ra hiện tƣợng trƣợt bánh xe. Sự trƣợt bánh xe xảy ra khi có sự sai khác giữa vận tốc lý thuyết ( rbx ) và vận tốc thật của xe ( v ). Sự trƣợt bánh xe xảy ra do hai nguyên nhân và theo hai quá trình do sự biến dạng tiếp tuyến của lốp xe đồng thời do có sự trƣợt cục bộ giữa bánh xe và mặt đƣờng. Để đánh giá mức độ trƣợt sử dụng khái niệm độ trƣợt tƣơng đối s khi phanh [8], [52]: v  v0 v  rbx s 100%  100% (2.1) v v Để xác định đƣợc độ trƣợt tƣơng đối trong quá trình phanh trong quá trình nghiên cứu tƣơng tác giữa bánh xe và mặt đƣờng khi phanh cần xác định đƣợc vận tốc dài của bánh xe và vận tốc góc của bánh xe. Vận tốc dài của bánh xe (chính là vận tốc xe với giả thiết thân xe và bánh xe có cùng vận tốc dài) đƣợc xác định thông qua phƣơng trình chuyển động tịnh tiến dọc của xe (2.3) [21]: m0 x  Fx1  Fx 2  Fwx  FG 0 sin  (2.3) Trong đó: Fx1,Fx2: lực tiếp tuyến bánh xe (dƣơng khi tăng tốc và âm khi phanh) đƣợc tính theo Fz1,Fz2 và  x1 ,  x 2 bằng công thức (2.4). Hệ số bám  x1 ,  x 2 của các bánh xe phụ thuộc vào độ trƣợt s và góc lệch bên  và đƣợc xác định thông qua mô hình lốp [21]. Vận tốc góc của bánh xe đƣợc xác định thông qua phƣơng trình chuyển động quay của bánh xe (vật rắn chuyển động quay) (2.10) [21]: J bx1 1  M1  Fx1rbx1  Fz1ex1 (2.10) J bx22  M 2  Fx 2 rbx2  Fz 2 ex 2 5
Các nghiên cứu điều khiển quá trình phanh ô tô luôn gắn liền với các nghiên cứu về mối quan hệ giữa hệ số bám và độ trƣợt của bánh xe khi phanh. Cả lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng, quan hệ giữa hệ số bám và độ trƣợt của bánh xe phụ thuộc vào loại đƣờng, lốp xe và thƣờng đƣợc xác định bằng thực nghiệm. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và hệ số bám ngang theo độ trƣợt với một số loại đƣờng đặc trƣng đƣợc mô tả trên Hình 2.2. Theo hình này, hầu hết các loại đƣờng hệ số bám dọc  x đạt giá trị cực đại, hệ số Hình 2.2. Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của bám ngang  y đạt giá trị khá cao khi độ trƣợt một số loại đường [24], [40] tƣơng đối s nằm trong vùng giá trị độ trƣợt tối ƣu [24], [40]. Vì vậy, khi nghiên cứu thiết kế hệ thống phanh và điều khiển quá trình phanh ô tô ngƣời ta có thể chọn độ trƣợt tối ƣu s  (15  25)% (Hình 2.2) là ngƣỡng điều khiển gọi là “Điều khiển theo giá trị độ trƣợt định trƣớc”. 2.1.2. Phƣơng pháp điều khiển hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh 2.1.2.1. Điều khiển theo giá trị độ trượt Để điều khiển độ trƣợt bằng đúng độ trƣợt tối ƣu ( s  s0 ) là một vấn đề rất khó, vì vậy trong thực tế thƣờng cho phép s dao động trong một vùng giới hạn xung quanh giá trị s0 - gọi là vùng trƣợt tối ƣu (Hình 2.3). Phƣơng pháp điều khiển này có ƣu điểm là quá trình phanh phù hợp với nhiều loại đƣờng, là phƣơng pháp điều khiển lý tƣởng, điều khiển tối ƣu quá trình phanh. Tuy nhiên, phƣơng pháp điều khiển này có nhƣợc điểm là giá trị s là thông số khó xác định, muốn xác định đƣợc giá trị s phải xác định đƣợc các thông số:  và vận tốc dài của xe; trong đó vận tốc dài của xe là một thông số khó xác định trực tiếp. Mặt khác muốn điều khiển phanh với nhiều loại đƣờng khác nhau, phải xác định một vùng giá trị s0 và điều khiển s nằm trong vùng đó vì vậy hiệu quả phanh giảm. 2.1.2.2. Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe Để điều khiển tối ƣu quá trình phanh, mỗi nhãn xe khi thiết kế, chế tạo ECU-ABS phải xác định đƣợc giá trị gia tốc góc bánh xe làm giá trị ngƣỡng gia tốc góc, gồm: giá trị ngƣỡng giới dƣới (  L ) và giá trị ngƣỡng trên (  H ). Phƣơng pháp điều khiển theo giá trị gia tốc góc bánh xe trong sơ đồ thuật toán trên Hình 2.4. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là giá trị gia tốc góc bánh xe (  ) đƣợc xác định trực tiếp từ vận tốc góc bánh xe (  ) nhờ các cảm biến đặt tại bánh xe, vì vậy thƣờng áp dụng trong thực tế. 2.1.3. Quá trình điều khiển hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh theo gia tốc góc Quá trình điều khiển hệ thống ABS dựa trên các nguyên lý khác nhau, đƣợc xác định bởi các nhà nghiên cứu, chế tạo. Trong phạm vi nghiên cứu, luận án xem xét sự làm việc của hệ thống ABS điều khiển theo biến đổi của gia tốc góc bánh xe khi phanh, tín hiệu đầu vào bộ điều khiển điện tử do cảm biến đo vận tốc góc đặt ở các bánh xe phát ra. Xác định giá trị ngƣỡng gia tốc góc bánh xe là nội dung quan trọng trong việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ECU-ABS. Đây là cơ sở lý thuyết để phân tích quá trình điều khiển áp suất dầu hệ thống phanh thuỷ lực có ABS, đồng thời là cơ sở xác định giá trị ngƣỡng gia tốc góc bánh xe cho bộ điều khiển điện tử chế tạo sau này. Tóm lại, từ cơ sở lý thuyết về ABS trên ô tô, có thể thấy ABS của ô tô hoạt động ở 3 chế độ tăng áp, giữ áp và giảm áp khá phức tạp để trang bị cho xe máy và điều khiển ABS theo độ trƣợt gặp khó khăn trong việc xác định chính xác vận tốc dài của xe để xác định độ trƣợt. Do đó luận án 6
đi đề xuất hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy có cấu hình và nguyên lý hoạt động khác với ABS của ô tô. Từ các ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp điều khiển, luận án chọn phƣơng pháp điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết theo vận tốc góc bánh xe. 2.2. Cấu hình hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy 2.2.1. Hệ thống phanh xe máy 2.2.2. Đề xuất cấu hình hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết Hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy đƣợc đề xuất có sơ đồ cấu hình nhƣ trên Hình 2.7. Hệ thống bao gồm xy lanh phanh chính, cơ cấu điều áp, cơ cấu phanh, bộ điều khiển và cảm biến vận tốc góc bánh xe. Trong đó xy lanh phanh chính và cơ cấu phanh có sẵn trên xe nghiên cứu, còn cơ cấu điều áp, bộ điều khiển và cảm biến vận tốc góc bánh xe sẽ đƣợc trang bị thêm vào hệ thống. Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy 2.3. Đề xuất cơ cấu điều áp 2.3.1. Cấu tạo cơ cấu điều áp Cơ cấu điều áp đƣợc đề xuất có cấu tạo nhƣ Hình 2.11 bao gồm 2 bộ phận chính là van điều áp và nam châm điện (4), van điều áp bao gồm con trƣợt (1), vỏ van (2) và lò xo hồi vị (3). 2.3.2. Nguyên lý làm việc cơ cấu điều áp Ở chế độ tăng áp, dầu phanh từ cửa I đƣợc thông hoàn toàn sang cửa II nghĩa là dầu phanh đi từ xy lanh chính đến cơ cấu phanh, áp suất phanh đến cơ cấu phanh phụ thuộc lực bàn đạp. Lúc này nam châm điện không sinh lực (không có dòng điện đi đến nam châm), con trƣợt 1 bị lò xo hồi vị 3 đẩy 1. Con trượt 3. Lo xo hồi vị hoàn toàn sang phía trái, dầu thông 2. Vỏ van 4. Nam châm điện từ cửa I sang cửa II (Hình 2.11). I: Cửa dầu vào cơ cấu điều áp từ xy lanh chính Ở chế độ giảm áp, nam châm II: Cửa dầu từ cơ cấu điều áp đến xy lanh công tác điện đƣợc cấp dòng tạo lực hút, hút A. Khoang cấp dầu từ xy lanh chính con trƣợt 1 dịch chuyển sang phải, B. Khoang hồi dầu từ xy lanh công tác nén lò xo hồi vị 3 lại. Khi con trƣợt Hình 2.11. Cấu tạo cơ cấu điều áp vƣợt dịch chuyển qua cửa I, cửa I bị đóng lại, ngăn dầu từ xy lanh chính. Con trƣợt tịnh tiến dịch chuyển sang phải, làm xuất hiện khoang hồi dầu B, dầu từ cơ cấu phanh đi đến khoang B và áp suất phanh ở cơ cấu phanh giảm xuống (Hình 2.13). 7
Khi ngừng cấp dòng vào nam châm điện, lực hút điện từ mất đi, con trƣợt 1 bị lò xo hồi vị 3 đẩy sang trái đẩy dầu phanh từ khoang B trở lại xy lanh công tác và hệ thống trở về chế độ tăng áp: cửa I thông với cửa II. Để đảm bảo cơ cấu điều áp hoạt động hiệu quả có ba thông số quan trọng là lực hút của nam châm điện 4, Hình 2.13. Cơ cấu điều áp ở chế độ xảy ra trượt lết bánh xe lực đàn hồi của lò xo hồi vị 3 và (chế độ giảm áp) đƣờng kính con trƣợt 1 van điều áp cần phải đƣợc xác định phù hợp. 2.3.3. Tính toán mô phỏng cơ cấu điều áp Từ sơ đồ các lực tác dụng vào con trƣợt van điều áp (Hình 2.14), phƣơng trình chuyển động của con trƣợt van điều áp đƣợc viết nhƣ sau :   m2 x2  Fnc  Fd  Flx   x2 (2.13) Tùy theo độ dịch x2 của con trƣợt van điều áp hệ thống làm việc theo bốn trạng thái: + Trạng thái 1: Khi ở chế độ phanh bình thƣờng con trƣợt van điều áp không dịch chuyển: x2  0 . Q2 = Q1 . Áp lực dầu trong Hình 2.14. Lực tác dụng lên con trượt van điều áp khoang b: Fd  0 , p p  p1 (theo [13]); + Trạng thái 2: Khi bánh xe bị trƣợt lết lực nam châm kéo con trƣợt van điều áp dịch chuyển sang phải x2: 0  x2  0,003 m đóng dần cửa I. Áp suất trong xy lanh chính : K Q1  Q2 dt V1  p1  (2.16) Lƣu lƣợng dầu từ van điều áp cấp xuống xy lanh công tác Q2 (lƣu lƣợng sau tiết lƣu): p1  p p 3 Q2   Qdn (m ) (2.17) pdn s + Trạng thái 3: Khi độ dịch của con trƣợt van điều áp đóng kín hoàn toàn cửa I x2  0,003m . Khi đó thể tích khoang B là S 2 x2 Lƣu lƣợng dầu Q3 từ xy lanh công tác của cơ cấu phanh hồi về khoang B đƣợc xác định nhƣ sau:  Q3  x2 S 2 (m3/s) (2.18) Áp suất dầu trong xy lanh công tác của cơ cấu phanh đƣợc xác định: K    pp   Vtong   2 Q  Q3  S ct 3  dt x  (2.19) + Trạng thái 4: Khi nam châm điện thôi tác dụng lực Fnc=0, con trƣợt van điều áp dịch chuyển sang bên phía tay trái, phƣơng trình (2.13) mất đi thành phần lực nam châm điện. 2.4. Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh xe máy có hệ thống hạn chế trƣợt lết 8
Từ sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trên Hình 2.7, luận án đề xuất sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết dẫn động thủy lực nhƣ Hình 2.17 2.4.1. Mô hình xy lanh – pít tông phanh chính Bỏ qua ảnh hƣởng của lò xo Hình 2.17. Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh hồi vị, phƣơng trình dịch chuyển của pít tông xy lanh chính:   m1 x1  Fs  p1S1   x1 (2.21) Lƣu lƣợng dầu Qs1 từ xy lanh chính cấp đến cơ cấu điều áp đƣợc tính nhƣ sau:  3 Q1  x1 S1 (m ) (2.23) s 2.4.2. Mô hình xy lanh – pít tông công tác Phƣơng trình chuyển động của pít tông xy lanh công tác:   mct x3  p p S ct   x3  k ( x3  x3( 0) ) (2.24) Mô men phanh đƣợc tính bằng công thức sau: M ps  mfd Rtb FN  mfd Rtb k ( x3  x3(0) ) (2.26) 2.5. Mô hình mô phỏng động lực học của quá trình phanh xe 2.5.1. Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh Trong quá trình phanh, các lực và các mô men tác động vào bánh xe sau (bánh xe phanh) nhƣ trên Hình 2.22, từ đó có thể xây dựng đƣợc phƣơng trình chuyển động quay của bánh xe sau:  J bxs  s  M ps  Fxs rbxs (2.27) 2.5.2. Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh Trong quá trình phanh xe máy, bánh xe phía trƣớc không phanh chỉ lăn bị động trong suốt quá trình phanh.  Hình 2.22. Lực tác dụng lên bánh xe khi J bxt t  Fxt rbxt (2.29) phanh 2.5.3. Mô hình mô phỏng lốp xe Mô hình Burckhardt [52], [62] xác định quan hệ độ trƣợt của lốp xe và hệ số bám  x theo hệ số bám tổng  r và độ trƣợt tổng sr .   x  C1 1  e  C2 s  C s 3 (2.31) 2.5.4. Mô hình mô phỏng quá trình phanh trên đƣờng thẳng Trong quá trình phanh, với các giả thiết đã nêu, xe máy chịu các lực tổng hợp tác dụng theo phƣơng chuyển động của xe nhƣ trên Hình 2.27, phƣơng trình chuyển động của xe khi phanh đƣợc viết nhƣ sau:  Fxt  Fxs  mtong x (2.32) 9
Phản lực theo phƣơng thẳng đứng tác dụng vào bánh xe phía trƣớc: mtong  Fzt  ( gb  hg x) (2.34) ab Phản lực theo phƣơng thẳng đứng tác dụng vào bánh xe phía sau: mtong  Fzs  ( ga  hg x) (2.35) ab 2.5.5. Kết quả mô phỏng bằng mô hình đã xây dựng Để kiểm tra mô hình mô phỏng luận Hình 2.27. Lực tác dụng lên xe máy án tiến hành mô phỏng bằng mô hình hệ thống phanh nhƣ Hình 2.29, khi cơ cấu điều áp chƣa đƣợc cấp lực nam châm điện Fnc=0 và thông số đầu vào nhƣ Bảng 2.2 trên các loại đƣờng có hệ số bám cực đại lần lƣợt là  max  0,3; 0,5; 0,7 với các mức tác động phanh khác nhau với giả thiết sau 0,5s đạt mức đạp phanh cần thiết lần lƣợt là Fs= 50N, 90N, 130N thu đƣợc các kết quả nhƣ trên các hình từ Hình 2.31 đến Hình 2.33. Từ các kết quả mô phỏng có thể thấy quy luật sự thay đổi độ trƣợt, vận tốc góc bánh xe, áp suất phanh và gia tốc góc bánh xe trong quá trình phanh trên các loại đƣờng có hệ số bám cực đại khác nhau với các mức tác động phanh khác nhau phù hợp với các quy luật đã công bố trên các tài liệu lý thuyết. Từ đó có thể khẳng định mô hình đã xây dựng với các giả thuyết đã nêu có thể sử dụng để mô phỏng xác định các thông số cơ cấu điều áp cũng nhƣ xác định sơ bộ ngƣỡng điều khiển lý thuyết nhằm tiết kiệm thời gian và chi phí tiến hành thực nghiệm. 2.6. Mô phỏng xác định thông số cơ cấu điều áp 2.6.1. Mô phỏng xác định lực nam châm điện Mô phỏng hoạt động của cơ cấu điều áp theo mô hình mô phỏng nhƣ Hình 2.29 với các thông số chọn trƣớc là đƣờng kính cong trƣợt dp=0,008m; lò xo hồi vị có độ cứng kxl = 30.103 (N/m) và biến dạng ban đầu (nén) l0  0,0055(m) và các thông số của đối tƣợng nghiên cứu nhƣ Bảng 2.2. Do chƣa có bộ điều khiển, luận án sử dụng bộ tạo xung để tạo ra quy luật biến thiên lực nam châm điện có dạng xung vuông nhƣ Hình 2.35a. Đƣa vào quy luật tác động phanh trong quá trình mô phỏng nhƣ Hình 2.35b. Tiến hành mô phỏng với nhiều giá trị lực nam châm điện khác nhau, phân tích sự thay đổi vận tốc góc bánh xe và độ trƣợt bánh xe, luận án thấy rằng nam châm điện phải có giá trị tối thiểu 193N đảm bảo cơ cấu điều áp cũng nhƣ hệ thống làm việc tƣơng đối tốt. Kết quả mô phỏng trên đƣờng có hệ số bám cực đại  max  0,5 với giá trị lực nam châm điện là 193N nhƣ các hình sau: Hình 2.35. Quy luật tác dụng lực 10
Từ đồ thị kết quả mô phỏng hệ thống phanh có cơ cấu điều áp cho thấy: Vận tốc góc của bánh xe giảm dần về giá trị “0” trong suốt quá trình phanh và biến thiên tăng giảm cùng pha với quy luật biến thiên của lực nam châm điện với chu kỳ 1s (0,5s tăng, 0,5s giảm). Tức là trong chu kỳ 1s, 0,5s đầu nam châm điện chƣa tạo lực hút vận tốc góc giảm mạnh, 0,5s sau khi lực nam châm điện tăng Hình 2.35b vận tốc góc của xe tăng (giảm ít hơn) (Hình 2.36). Độ trƣợt của bánh xe biến thiên ngƣợc pha với biến thiên của lực nam châm điện (Hình 2.37). Trong chu kỳ 1s, 0,5s đầu nam châm điện chƣa làm việc độ, trƣợt tăng mạnh, 0,5s sau nam châm điện tạo lực hút độ trƣợt giảm xuống. Tuy nhiên do có sự phân bố lại trọng lƣợng xe khi phanh làm lực bám bánh xe phía sau giảm dẫn đến bánh xe phía sau rất dễ trƣợt nên độ trƣợt tăng nhanh đến giá trị bằng 1. Nhƣ vậy với hai thông số klx = 30.103 N/m, dp = 8 mm luận án đã xác định đƣợc giá trị lực nam châm điện tối thiểu Fncs =193N cho kết quả làm việc của hệ thống tƣơng đối tốt, đây là cơ sở cho việc tính toán thiết kế nam châm điện của cơ cấu điều áp. 2.6.2. Tính nam châm điện cơ cấu điều Bảng 2.4. Các thông số nam châm điện một chiều áp TT Thông số Giá trị Đơnvị Với phƣơng án tính toán thiết kế 1 Lực nam châm điện một chiều 193 N chế tạo nam châm điệ thông qua 2 bƣớc: 2 Khe hở đƣờng sức từ thông 0,4 cm tính nam châm điện bằng công thức từ 3 Tổng số vòng dây 1600 vòng (2.36) đến (2.43) và kiểm nghiệm lực từ 4 Số cuộn dây (mắc song song) 2 cuộn công thức (2.44) đến (2.47) luận án chế tạo đƣợc lực nam châm điện có thông số 5 Đƣờng kính lõi nam châm 4 cm nhƣ Bảng 2.4. 6 Đƣờng kính dây dẫn (cả cách điện) 0,87 mm 2.7. Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống có cơ cấu điều áp Để khảo sát quá trình thay đổi áp suất trong hệ thống phanh, tiến hành thử nghiệm với trình tự nhƣ sau: Đạp phanh dứt khoát với lực đạp lớn để áp suất tăng cực đại và cố gắng giữ nguyên trạng thái đó trong khoảng 3 - 5 giây và sau đó nhả phanh dứt khoát. Sự biến thiên áp suất dầu phanh đƣợc thiết bị đo ghi lại nhƣ đồ thị Hình 2.40. Hình 2.40. Áp suất dầu trong hệ thống khi phanh bình thường 11
Qua đồ thị này có thể nhận thấy tỉ lệ thời gian của quá trình tăng áp suất và thời gian của quá trình giảm áp suất trong hệ thống phanh ở mức khoảng 60/40%. Từ nhận xét này, luận án tiếp tục tiến hành các thí nghiệm nhƣ sau: Tạo dãy xung có tần số thay đổi từ 2,0 Hz, 2,5Hz … 8 Hz để điều khiển cơ cấu điều áp của hệ thống với tỉ lệ thời gian tăng áp/giảm áp là 60/40 %. Theo dõi, khảo sát sự biến thiên áp suất dầu phanh trong hệ thống phanh bánh xe Hình 2.42. Giá trị áp suất cao nhất và thấp nhất đạt được trong sau. cơ cấu phanh sau theo tần số của xung điều khiển Thống kê giá trị áp suất dầu phanh cao nhất và thấp nhất trong cơ cấu phanh sau theo tần số của xung điều khiển, thu đƣợc đồ thị quy luật biến thiên áp suất theo tần số xung điều khiển nhƣ trên Hình 2.42. Từ đồ thị trên Hình 2.42 có thể thấy khi tần số xung điều khiển lớn hơn 6Hz khoảng biến thiên áp suất trong cơ cấu phanh bị thu hẹp rất nhanh. Khi điều khiển hệ thống làm việc với tần số lớn hơn 6Hz, mặc dù hệ thống vẫn làm việc tuy nhiên khả năng điều chỉnh áp suất hệ thống bị thu hẹp. Do vậy có thể nhận thấy hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết với cơ cấu điều áp đã chế tạo có thể làm việc với tần số điều khiển đến khoảng 6Hz. Đây là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển điện tử của hệ thống. 2.8. Kết luận chƣơng 2 Trên cơ sở phân tích hệ thống phanh dẫn động thủy lực có sẵn trên xe máy, chƣơng này của luận án đã đề xuất hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy với các bộ phận sẵn có là xy lanh chính, cơ cấu phanh và trang bị thêm vào hệ thống cơ cấu điều áp và bộ điều khiển. Hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết hoạt động theo nguyên tắc sử dụng cơ cấu điều áp gồm hai trạng thái tăng áp và giữ áp, điều chỉnh áp suất phanh trong cơ cấu phanh từ đó thay đổi mô men phanh tại bánh xe. Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh thủy lực có hệ thống hạn chế trƣợt lết kết hợp với mô hình mô phỏng động lực học quá trình phanh đã đƣợc xây dựng với một số giả thiết cho trƣớc của xe máy trên phần mềm Matlab – Simulink. Kết quả mô phỏng trên mô hình này phù hợp với quy luật hoạt động đã phổ biến của hệ thống trong thực tế. Các thông số của cơ cấu điều áp của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết bánh xe đã đƣợc xác định thông qua tính toán, thiết kế chế tạo và mô phỏng cơ cấu điều áp, cụ thể: đƣờng kính con trƣợt cơ cấu điều áp (8mm), lò xo có độ cứng (30.103 N/m đƣợc lắp với độ biến dạng ban đầu l0  0,0055m ) và lực nam châm điện (193N). Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của cơ cấu điều áp cũng nhƣ hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết đã đƣợc xác định thông qua thực nghiệm, kết quả cho thấy hệ thống có thể làm việc đến tần số khoảng 6Hz. Để hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết hoạt động hiệu quả, việc điều khiển hệ thống hay điều khiển cơ cấu điều áp kiểm soát áp suất phanh trong hệ thống khi phanh có vai trò rất quan trọng. Do vậy thuật toán điều khiển cơ cấu điều áp cũng nhƣ chế tạo bộ điều khiển sẽ đƣợc luận án tiếp tực trình bày trong các chƣơng sau. 12
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN (ECU) 3.1. Nghiên cứu chọn thuật toán điều khiển Gia tốc góc của bánh xe khi phanh là đạo hàm theo thời gian của vận tốc góc bánh xe nên nó thể hiện xu hƣớng tăng tốc, giảm tốc cũng nhƣ bó cứng của bánh xe. Vận tốc góc bánh xe  có thể xác định bằng cảm biến vận tốc góc thông thƣờng, từ đó hệ thống có thể tính toán đƣợc gia tốc góc của các bánh xe trên cơ sở đạo hàm giá trị vận tốc góc đo đƣợc đó. Do đó luận án chọn Hình 3.2. Nguyên lý xác định pha điều khiển áp suất phƣơng pháp điều khiển hệ thống phanh hạn chế theo gia tốc góc trƣợt lết theo gia tốc góc của bánh xe khi phanh. Khi phanh, bộ điều khiển đƣợc cấp nguồn điện và liên tục theo dõi vận tốc góc bánh xe từ đó tìm ra vận tốc ban đầu của xe v và gia tốc góc của các bánh xe. Nếu vận tốc này của xe máy nhỏ hơn giá trị định trƣớc v1, hệ thống phanh không kích hoạt chế độ có điều khiển của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết mà chỉ hoạt động nhƣ trạng thái phanh bình thƣờng. Nếu vận tốc v của xe máy lớn hơn v1, bộ điều khiển sẽ chạy chƣơng trình điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết đã đƣợc lập trình sẵn nhƣ lƣu đồ thuật toán trên Hình 3.3. 3.2. Xác định ngƣỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống 3.2.1. Mô phỏng điều khiển theo độ trƣợt bánh xe Một bộ điều khiển tạm thời đƣợc xây dựng Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán điều khiển phanh theo gia tốc góc bánh xe trên thuật toán điều khiển theo độ trƣợt của bánh xe. Bắt đầu quá trình phanh, áp suất dầu trong hệ thống phanh tăng làm độ trƣợt của bánh xe tăng dần. Khi độ trƣợt vƣợt quá ngƣỡng giới hạn s1 , bộ điều khiển chuyển sang trạng thái (pha) giảm áp suất trong hệ thống phanh. Vận tốc góc của bánh xe tăng dần, độ trƣợt giảm dần đến khi nhỏ hơn giá trị s 2 , bộ điều khiển chuyển sang pha điều khiển tăng áp suất. Chu trình điều khiển gồm các pha tăng áp, giảm áp đƣợc điều khiển biến đổi qua lại liên tục đến khi kết thúc quá trình hoạt động. Các pha điều khiển của bộ điều khiển và các giá trị ngƣỡng độ trƣợt của bánh xe s1 , s 2 đƣợc minh họa trên Hình 3.4. Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán điều khiển Bộ điều khiển đƣợc xây dựng trên thuật theo độ trượt bánh xe 13
toán điều khiển theo độ trƣợt bánh xe. Các trạng thái làm việc của bộ điều khiển – hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết và các ngƣỡng giới hạn điều khiển và đƣợc mô tả nhƣ trên Hình 3.5. Tiến hành mô phỏng hệ thống theo bộ giá trị ngƣỡng độ trƣợt ( s1 , s 2 ) tƣơng ứng với giả thiết biết trƣớc đƣợc miền biến thiên độ trƣợt mong muốn (từ 15% đến 25%) và quy luật tác dụng lực lên bàn đạp phanh Hình 2.35a. Quá trình này đƣợc thực hiện lặp lại nhiều lần trên các đƣờng có hệ số bám cực đại khác nhau, phân tích, đánh giá các kết quả mô phỏng tƣơng ứng (độ trƣợt bánh xe, vận tốc góc, gia tốc góc, áp suất phanh …) khi hệ thống đạt hiệu quả phanh tƣơng đối tốt. Kết quả mô phỏng trên đƣờng có hệ số bám cực đại  max  0,5 nhƣ trên các hình từ Hình 3.8 đến Hình 3.11. Từ kết quả mô phỏng trên có thể thấy với đƣờng có hệ số bám cực đại  max  0,5 , trong trƣờng hợp có điều khiển, độ trƣợt bánh xe phía sau đã đƣợc điều khiển duy trì quanh giá trị trung bình 20% gần với vùng độ trƣợt mong muốn từ khi phanh đến khi vận tốc xe giảm xuống dƣới vận tốc giới hạn điều khiển (4m/s) khoảng 3,6s, áp suất phanh trong cơ cấu phanh bánh xe sau biến thiên theo chu kỳ ngƣợc pha với vận tốc góc giá trị áp suất biên thiên từ 0,6.106 (N/m2) đến 3,4.106 (N/m2). Trong khi nếu không có điều khiển, độ trƣợt bánh xe sau tăng nhanh đến giá trị trƣợt hoàn toàn, vận tốc góc xe giảm về giá trị “0” trong khoảng 1,4s, điều này cho thấy khi không có điều khiển bánh xe phái sau đã bị bó cứng sau 1,4s từ khi bắt đầu phanh. Từ đó có thể thấy bánh xe đã không còn xảy ra hiện tƣợng trƣợt lết. Độ trƣợt bánh xe đã đƣợc điều khiển cải thiện nhiều so với trƣờng hợp không điều khiển mặc dù độ trƣợt vẫn còn sai số trong quá trình điều khiển ở khoảng thời gian phanh cuối khi vận tốc xe nhỏ đi. Vậy bộ điều khiển theo độ trƣợt đã làm việc hiệu quả trong vùng độ trƣợt gần với vùng độ trƣợt mong muốn (15% – 25%). Từ kết quả mô phỏng theo độ trƣợt nằm trong vùng trƣợt đó trên các loại đƣờng có hệ số bám cực đại khác để thu thập kết quả mối quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và gia tốc góc bánh xe. 14
Phân tích sự biến thiên gia tốc góc bánh xe tƣơng ứng trạng thái hoạt động của bộ điều khiển trong các trƣờng hợp mô phỏng hoạt động hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết theo độ trƣợt. Từ sự biến thiên của tín hiệu điều khiển (điều khiển cơ cấu điều áp), xác định đƣợc thời điểm bộ điều khiển chuyển pha trên đƣờng gia tốc góc bánh xe. Từ đó xác định đƣợc các giá trị gia tốc góc bánh xe ứng với các thời điểm bộ điều khiển chuyển pha trong quá trình phanh là bộ ngƣỡng điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết theo gia tốc góc (Hình 3.12). Hình 3.12. Biến thiên giá trị gia tốc góc theo tín hiệu điều khiển trên đường  max  0,5 Bằng phƣơng pháp nghiên cứu nhƣ trên Hình 3.12, luận án tiến hành mô phỏng và thống kê đƣợc miền biến thiên giá trị gia tốc góc bánh xe trong trƣờng hợp mô phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển theo độ trƣợt nhƣ Bảng 3.1. Bảng 3.1. Miền biến thiên ngưỡng giá trị gia tốc góc Từ bảng thống kê miền biến Bánh xe phía sau thiên ngƣỡng giá trị gia tốc góc có thể 2 thấy với bánh xe phía sau, để hệ thống (rad/s ) (rad/s2) điều khiển chuyển từ pha tăng áp (tín Giới hạn trên Giới hạn dƣới Giới hạn trên Giới hạn dƣới hiệu DK=0) sang pha giảm áp (tín hiệu 31,9 14,1 -68,0 -95,3 DK=1) khi gia tốc góc giảm nhỏ hơn giá trị từ -68,0 (rad/s2) đến -95,3 (rad/s2). Giá trị gia tốc góc bánh xe sau để hệ thống điều khiển chuyển từ pha giảm áp (tín hiệu DK=1) sang pha tăng áp (tín hiệu DK=0) khi gia tốc góc tăng lớn hơn giá trị từ +14.1 (rad/s2) đến +31,9 (rad/s2). 3.2.2. Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe Với miền giá trị gia tốc góc bánh xe xác định sơ bộ thông qua mô phỏng hệ thống điều khiển theo độ trƣợt. Tiến hành mô phỏng hệ thống theo các giá trị ngƣỡng gia tốc góc sơ bộ với thông số đầu vào nhƣ Bảng 2.2 và quy luật tác dụng lực lên bàn đạp phanh nhƣ Hình 2.34a. Đánh giá kết quả mô phỏng để điều chỉnh bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển  1 ,  2 cho hệ thống phanh bánh sau. Quá trình này đƣợc thực hiện lặp lại nhiều lần khi hệ thống đạt hiệu quả phanh tốt nhằm xác định, hiệu chỉnh các giá trị  1 ,  2 . 15
Đánh giá kết quả mô phỏng theo thông số vận tốc góc bánh xe theo nguyên lý nhƣ trên Hình 3.15. Đƣờng vận tốc góc bánh xe lý tƣởng AB đƣợc xác định đƣợc đối với mỗi loại đƣờng có hệ số bám cực đại  max . Điểm A là điểm vận tốc góc bánh xe ban đầu khi xe bắt đầu phanh. Điểm B là điểm kết thúc quá trình phanh vận tốc xe v = 0. Từ đó luận án vẽ đƣợc đƣờng vận tốc góc bánh xe lý tƣởng nhƣ trên Hình 3.15. Hiệu chỉnh các giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển sao cho đƣờng vận tốc góc khi phanh có điều khiển gần nhất với đƣờng vận tốc góc lý tƣởng bằng cách xác định diện tích miền chênh lệch giữa 2 đƣờng (phần diện tích gạch chéo) S sao cho diện tích này là nhỏ nhất từ đó xác định đƣợc giá trị gia tốc góc ngƣỡng tốt nhất cho loại đƣờng đó. Diện tích so sánh S chính là tích phân sai lệch của thông số điều khiển theo thời gian, thể hiện chất lƣợng quá trình điều khiển. Tính các giá trị tuyệt đối diện tích so sánh giữa đƣờng vận tốc góc có điều khiển và đƣờng vận Hình 3.15. Vận tốc góc bánh xe trong quá trình điều khiển tốc góc lý tƣởng đƣợc ma trận giá trị theo cặp ngƣỡng. Từ đó có thể vẽ lên đồ thị dạng mặt của ma trận diện tích so sánh và xác định đƣợc giá trị diện tích so sánh nhỏ nhất. Xác định ngƣỡng tƣơng ứng với vùng diện tích đó đƣợc chọn để thiết kế hệ thống. Tuy nhiên đối với mỗi loại đƣờng có giá trị ngƣỡng khác nhau, không thể có giá trị ngƣỡng tốt nhất cho tất cả loại đƣờng. Vì vậy chỉ có thể xác định giá trị ngƣỡng tƣơng đối tốt cho các loại đƣờng đang xét. Bằng cách xác định ma trận giá trị diện tích so sánh đối với mỗi loại đƣờng sau đó tìm ma trận trung bình của các ma trận đó bằng công thức (3.3) và tìm giá trị nhỏ nhất trong ma trận trung bình rồi từ giá trị nhỏ nhất đó xác định ra ngƣỡng tƣơng đối tốt cho các loại đƣờng đang xét. . Hình 3.16. Đồ thị quan hệ diện tích so sánh với ngưỡng điều khiển Từ đồ thị quan hệ giữa diện tích so sánh với ngƣỡng điều khiển, có thể thấy vùng màu xanh có giá trị diện tích so sánh thấp hơn hẳn các vùng có màu khác. Vùng màu xanh tƣơng ứng với vùng 16
phân bố ngƣỡng hẹp nên luận án chọn giá Bảng 3.4. Ngưỡng gia tốc góc điều khiển trị ngƣỡng trong bình trong khoảng phân Ngƣỡng gia tốc góc khiển bố ngƣỡng đó. Vùng màu xanh có giá trị Chuyển bánh xe diện tích so sánh nhỏ nhất tƣơng ứng với Giảm áp → Tăng = 21,5 vùng phân bố cặp ngƣỡng là  1 (20 đến Tăng áp → Giảm = -77,5 23),  2 (-79 đến -76). Từ vùng phân bố ngƣỡng này luận án lấy vị trí trung bình tƣơng ứng với giá trị ngƣỡng nhƣ trong Bảng 3.4. Một số kết quả mô phỏng quá trình phanh trên đƣờng có hệ số bám cực đại  max  0,5 với vận tốc ban đầu trƣớc khi phanh v0 = 15 m/s (54 km/h) trình bày trong các Hình 3.17 đến Hình 3.20. Từ các đồ thị kết quả mô phỏng trên đây có thể nhận thấy với bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển trong Bảng 3.4 đƣợc đƣa vào hệ thống trên đƣờng hệ số bám cực đại  max  0,5 , hệ thống hoạt động hiệu quả thể hiện trên các hình từ Hình 3.17 đến Hình 3.20. Từ đồ thị độ trƣợt trên Hình 3.17 có thể thấy khi mô phỏng quá trình phanh điều khiển theo theo gia tốc góc bánh xe, độ trƣợt trong trƣờng hợp có điều khiển biến thiên có chu kỳ quanh giá trị độ trƣợt trung bình khoảng 28%, độ trƣợt đƣợc cải thiện rõ dệt, còn trong trƣờng hợp không điều khiển độ trƣợt tăng nhanh đến giá trị trƣợt hoàn toàn trong suốt quá trình phanh. Trong quá trình phanh điều khiển theo gia tốc góc, độ trƣợt trung bình theo kết quả mô phỏng khoảng 28% sai lệch 8% so với độ trƣợt trung bình theo kết quả mô phỏng quá trình phanh theo độ trƣợt (khoảng 20%) điều này là do quá trình phanh điều khiển gần đúng theo đại lƣợng trung gian là gia tốc góc bánh xe nên với sai lệch 8% có thể chấp nhận đƣợc. 17
Từ đồ thị vận tốc góc bánh xe Hình 3.18, trong trƣờng hợp hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết không hoạt động (không điều khiển), trong khoảng thời gian 0,8 giây ban đầu khi phanh, vận tốc góc bánh xe động giảm nhanh về giá trị 0 (bánh xe bị bó cứng). Còn trong trƣờng hợp có điều khiển vận tốc góc bánh xe tăng giảm theo chu kỳ trong quá trình phanh, điều đó cho thấy trong thƣờng hợp có điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết đã giảm đƣợc hiện tƣợng trƣợt lết bánh xe. Từ đồ thị áp suất phánh Hình 3.19, cho thấy trong trƣờng hợp không điều khiển áp suất tăng lên giá trị cực đạo và duy trì ở giá trị cực đại, còn trong trƣờng hợp có điều khiển áp suất phanh tăng giảm theo chu kỳ từ giá trị 0,6.106 N/m2 đến khoảng 3,4.106 N/m2. Điều này cho thấy hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết đã thực hiện điều chỉnh áp suất phanh trong suốt quá trình phanh. Từ đồ thị gia tốc góc bánh xe Hình 3.20, có thể thấy trong trƣờng hợp không có điều khiển gia tốc góc bánh xe giảm nhanh về giá trị cực tiểu sau đó trở về giá trị 0, còn trƣờng hợp có điều khiển gia tốc góc bánh xe biến thiên tăn giảm có chu kỳ gần với giá trị ngƣỡng điều khiển. Điều này cho thấy hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết khi mô phỏng đã hoạt động và cải thiện gia tốc góc bánh xe gần với vùng ngƣỡng điều khiển từ đó giảm đƣợc nguy cơ trƣợt lết bánh xe Từ các nhận xét về kết quả mô phỏng trên cho thấy bộ ngƣỡng gia tốc góc điều khiển xác định trong Bảng 3.4 là cơ sở để thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thông phanh hạn chế trƣợt lết dùng trong thực nghiệm. 3.3. Thiết kế chế tạo ECU 3.3.1. Cấu trúc hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết và bộ điều khiển Hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết thiết kế cho xe máy sử dụng cảm biến để đo vận tốc góc của bánh xe, cơ cấu điều áp điều khiển độc lập cho bánh xe sau. Bộ điều khiển (ECU) sẽ liên tục theo dõi vận tốc góc Hình 3.21. Cấu trúc mạch điều khiển hệ thống phanh hạn chế trượt lết bánh xe để xác định gia tốc góc và đƣa ra tín hiệu điều khiển cơ cấu điều áp khi cần thiết. Bộ điều khiển gồm các khối chức năng sau: Hình 3.22. Cấu trúc và bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh hạn chế trượt lết 3.4. Kết luận chƣơng 3 Qua các nội dung trong chƣơng 3 có thể đƣa ra các kết luận sau: Thuật toán điều khiển theo gia tốc góc bánh xe đã đƣợc nghiên cứu lựa chọn làm cơ sở cho thiết kế bộ điều khiển, thông số thời gian trích mẫu điều khiển cơ cấu điều áp hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết đã đƣợc tính toán phù hợp để hệ thống làm việc tốt. 18
Phƣơng pháp xác định và hiệu chỉnh ngƣỡng gia tốc góc điều khiển đƣợc nghiên cứu thông qua mô phỏng điều khiển theo độ trƣợt để bánh xe hoạt động trong vùng trƣợt mong muốn khi phanh, từ đó xác định đƣợc miền phân bố ngƣỡng gia tốc góc. Thông qua mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc trong miền phân bố ngƣỡng gia tốc góc và phân tích vận tốc góc bánh xe trong quá trình mô phỏng và vận tốc góc tƣơng ứng với vận tốc chậm dần của xe, ngƣỡng điều khiển theo gia tốc góc đƣợc xác định: giá trị gia tốc góc điều khiển chuyển sang trạng thái tăng áp là  1 = 21,5 (rad/s2) và giá trị gia tốc góc điều khiển chuyển sang trạng thái giảm áp là  2 = -77,5 (rad/s2). Bộ điều khiển điện tử để điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy đƣợc thiết kế chế tạo và kiểm tra hoạt động, kết quả cho thấy bộ điều khiển điện tử đã làm việc đƣợc trên hệ thống thực. CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Bố trí hệ thống trên xe 4.1.1. Sơ đồ bố trí hệ thống trên xe máy Hình 4.1. Sơ đồ bố trí hệ thống trên xe máy 4.1.2. Bố trí hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trên xe máy thực. 4.1.2.1 Bố trí cơ cấu điều áp 4.2. Thực nghiệm 4.2.1. Mục đích thực nghiệm Thực nghiệm trên cơ sở bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết đã xác định sơ bộ bằng phƣơng pháp mô phỏng trên máy tính, đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trên xe máy nghiên cứu. 19
4.2.2. Thiết bị đo ghi dữ liệu dùng trong thực nghiệm 4.2.3. Phƣơng án thực nghiệm Với bộ giá trị ngƣỡng Bảng 4.3, Bảng 4.3. Giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống phanh luận án tiến hành thử nghiệm trong hai hạn chế trượt lết phù hợp với giá trị đo trong thực nghiệm trƣờng hợp có điều khiển và không Ngƣỡng gia tốc góc khiển Chuyển điều khiển hệ thống phanh hạn chế bánh xe trƣợt lết trên hai loại đƣờng: đƣờng Tăng áp → Giảm = 21 asphalt khô và đƣờng asphalt phủ bùn Giảm áp → Tăng = -77 sét ở vận tốc 30km/h, 40km/h và 50 km/h. Dƣới đây luận án trình bày kết quả thực nghiệm hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trên trên hai loại đƣờng: đƣờng asphalt khô và đƣờng asphalt phủ bùn sét ở vận tốc 40km/h. 4.2.4. Kết quả thực nghiệm hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết Phanh với vận tốc ban đầu V0 = 40 km/h khi không điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết. a) Đƣờng Asphalt khô b) Đƣờng Asphalt phủ bùn sét Hình 4.12. Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh không điều khiển a) Đƣờng Asphalt khô b) Đƣờng Asphalt phủ bùn sét Hình 4.13. Đồ thị áp suất phanh khi không điều khiển 20