Tài liệu Nghiên cứu hệ thống hạn chế trượt quay của bánh xe ô tô trên cơ sở hệ thống phanh khí nén có abs

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Anh Vũ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG HẠN CHẾ TRƯỢT QUAY CỦA BÁNH XE Ô TÔ TRÊN CƠ SỞ HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN CÓ ABS LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2018 a a BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Anh Vũ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG HẠN CHẾ TRƯỢT QUAY CỦA BÁNH XE Ô TÔ TRÊN CƠ SỞ HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN CÓ ABS Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Hồ Hữu Hải 2. PGS. TS. Dương Ngọc Khánh Hà Nội – 2018 b a LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Công trình 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. Hồ Hữu Hải và PGS. TS. Dương Ngọc Khánh. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Người cam đoan TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Người hướng dẫn khoa học 1 Người hướng dẫn khoa học 2 PGS. TS. Hồ Hữu Hải PGS. TS. Dương Ngọc Khánh c Lê Anh Vũ LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ này được hoàn thành ngoài sự nỗ lực cố gắng của bản thân, NCS đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy cô giáo, các nhà khoa học và tập thể nghiên cứu khoa học. NCS xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đõ đó. NCS xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Hồ Hữu Hải, PGS. TS. Dương Ngọc Khánh - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là những người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, định hướng, đào tạo và giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. NCS xin chân thành cảm ơn các thầy giáo ở Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu tại bộ môn để hoàn thành luận án này. NCS xin chân thành cảm ơn các thầy cô đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí Động lực, lãnh đạo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện giúp đỡ và khuyến khích để NCS hoàn thành luận án này. NCS xin chân thành ghi nhận công sức, những đóng góp quý báu và nhiệt tình của các anh, em NCS, cao học và sinh viên các khóa thuộc Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình hỗ trợ, động viên NCS trong suốt thời gian NCS thực hiện luận án. Cuối cùng, NCS xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn sự quan tâm động viên khuyến khích, cảm thông sâu sắc của gia đình, bạn bè đã tiếp thêm nghị lực cho NCS trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Hà Nội, ngày tháng Nghiên cứu sinh Lê Anh Vũ d năm 2018 MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................................. i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .......................................................................... vii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................................ 4 1.1. Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô tải ........ 4 1.1.1 Thực trạng ............................................................................................................. 4 1.1.2. Định hướng phát triển........................................................................................... 4 1.1.3. Những tồn tại và nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển................................ 5 1.1.4 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm và sản xuất hệ thống chống trượt cho ô tô tải........................................................................................................................... 6 1.2. Hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động ................................................................ 6 1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................................. 9 1.3.1. Lịch sử phát triển hệ thống chống trượt quay có điều khiển ................................ 9 1.3.2. Các công trình nghiên cứu về hệ thống chống trượt quay bánh xe .................... 10 1.4. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................................ 15 1.5. Mục tiêu, phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu .......................................... 16 1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 16 1.5.2. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 16 1.5.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 17 1.5.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 18 1.6. Bố cục của luận án ........................................................................................................ 18 1.7. Kết luận chương 1 ........................................................................................................ 19 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ................................... 21 2.1. Mô đun mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô ............................................. 22 2.2. Mô đun mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực có vi sai ............................................ 23 2.3. Mô đun mô hình mô phỏng bánh xe ............................................................................. 26 2.3.1. Phương trình chuyển động quay của bánh xe bị động ....................................... 26 2.3.2. Phương trình chuyển động quay của bánh xe chủ động ..................................... 27 2.3.3. Phản lực tiếp tuyến tại bánh xe........................................................................... 29 2.4. Mô đun mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén .................................................... 32 i 2.4.1. Mô phỏng cơ cấu phanh bánh xe ........................................................................ 32 2.4.2. Mô phỏng dẫn động phanh ................................................................................. 36 2.5. Mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô .................................................................... 40 2.6. Khảo sát ảnh hưởng của mô men phanh tới đặc tính tăng tốc của ô tô ........................ 44 2.7. Kết luận chương 2 ........................................................................................................ 48 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ...................................................................................................................... 50 3.1. Cấu trúc hệ thống.......................................................................................................... 50 3.2. Trạng thái làm việc của các van chấp hành .................................................................. 52 3.3. Thuật toán điều khiển ................................................................................................... 54 3.4. Mô đun mô phỏng bộ điều khiển trong hệ thống ......................................................... 56 3.4.1. Sơ đồ bộ điều khiển ............................................................................................ 56 3.4.2. Mô phỏng điều khiển cơ cấu chấp hành ............................................................. 56 3.4.3. Mô phỏng bộ điều khiển ..................................................................................... 58 3.5. Nghiên cứu xác định ngưỡng điều khiển theo độ trượt của bánh xe ............................ 59 3.6. Kết luận chương 3 ........................................................................................................ 69 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG......................... 71 4.1. Thiết kế chế tạo hệ thống.............................................................................................. 71 4.1.1. Mục đích và đối tượng........................................................................................ 71 4.1.2. Cảm biến sử dụng trong hệ thống....................................................................... 71 4.1.3. Cụm van chấp hành. ........................................................................................... 73 4.1.4. Thí nghiệm kiểm tra sự làm việc của cụm van chấp hành. ................................ 75 4.1.5. Bộ điều khiển điện tử ......................................................................................... 78 4.2. Thực nghiệm hệ thống .................................................................................................. 83 4.2.1. Mục đích và phương pháp thực nghiệm ............................................................. 83 4.2.2. Chế tạo thiết bị thực nghiệm .............................................................................. 84 4.2.3. Trình tự thực nghiệm .......................................................................................... 92 4.2.4. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 94 4.3. Kết luận chương 4 ........................................................................................................ 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA LUẬN ÁN ...................................................... 107 PHỤ LỤC………………………………………………………………………………...109 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Ký hiệu bằng chữ cái La tinh Ký hiệu A a ax Am A1,A2 B b Cv D DK3/2_t, DK3/2_p Fz Fk Fwx Fp2, Fp1 Fj f G G0 G2 g Gia tốc_max giamap tangap hg i0 ih1 Jbx K Kg L M m Mp Mms Mx t M x, Mpx Giải thích Tiết diện thông qua Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm Gia tốc chuyển động dọc Tiết diện màng phanh Lần lượt là tiết diện đường ống phanh trước và sau Chiều rộng cơ sở của xe Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm Hệ số tiết lưu Đường kính bầu phanh Biến điều khiển mở van 3/2 bên trái, phải Đơn vị m2 m m/s2 m2 m2 m m m Phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe Lực kéo tiếp tuyến Lực cản không khí Lần lượt là lực phanh cầu trước và sau. N N N N Lực quán tính của ô tô Hệ số cản lăn Trọng lượng riêng trung bình của chất khí Trọng lượng ô tô Trọng lượng ô tô phân ra cầu sau Gia tốc trọng trường Gia tốc cực đại của ô tô N Biến điều khiển dòng khí nén xả khỏi bầu phanh Biến điều khiển dòng khí nén vào bầu phanh Chiều cao trọng tâm của xe Tỷ số truyền của truyền lực chính Tỷ số truyền tay số 1 Mô men quán tính của bánh xe Nhiệt trị riêng của chất khí Hệ số chuyển đổi của chất khí Chiều dài cơ sở của xe mô men vỏ vi sai khối lượng của ô tô. Mô men phanh bánh xe Mô men ma sát của bộ vi sai. Mô men xoắn tại tâm trục bánh xe Lần lượt là mô men bán trục trái và mô men bán trục phải iii N/m3 N N m/s2 m/s2 m kgm2 m N.m kg N.m N.m N.m N.m Mtp2, Mpp2 pa pbau P Qw R rb rd Tu t max u vx vox Mô men phanh tại bánh xe bên trái, phải Áp suất khí trời Áp suất bầu phanh Lực bám Lưu lượng khối Hằng số của chất khí Bán kính bánh xe Bán kính động lực học bánh xe Nhiệt độ của khí nén Tỷ lệ thời gian duy trì gia tốc cực đại Vận tốc chuyển động của khí nén Vận tốc của ô tô Vận tốc ban đầu của ô tô. x Chuyển dịch của ô tô. x Gia tốc của ô tô N.m N/m2 Pa N N/s 1/Jmol.K m m K s m/s m/s m/s M m/s2 2. Ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp Ký hiệu   , x , y  , x ,  y    ωp ωt λ1, λ2 φpx, φtx µ Giải thích Hệ số tính đến ảnh hưởng các khối lượng quay Hệ số bám, hệ số bám dọc, hệ số bám ngang Độ trượt, độ trượt dọc, độ trượt ngang Mật độ không khí Vận tốc góc bánh xe Gia tốc góc bánh xe Vận tốc góc bánh xe bên phải Vận tốc góc bánh xe bên trái Ngưỡng trượt dưới và trên Hệ số bám bánh xe bên phải và trái Hệ số ma sát iv Đơn vị kg/m3 rad/s rad/s2 rad/s rad/s 3. Các chữ viết tắt Ký hiệu Giải thích ABS Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe khi phanh (Anti-look Braking Systems) ABS-SC Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe khi phanh có điều khiển ổn định hướng EBD Hệ thống phân bố lực phanh điện tử (Electronic Brake Distribution) ASR Hệ thống chống trượt quay (Anti Spin Regulator - Antriebsschlupfregelung) ECU Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit) ESP Chương trình điều khiển ổn định điện tử (Electronic Stability Program) FLC Điều khiển lôgic mờ (Fuzzy Logic Controller) TCS Hệ thống điều khiển lực kéo (Traction control system) VSC Hệ thống điều khiển ổn định ô tô (Vehicle Stability Control) v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thông số của xe nghiên cứu................................................................................ 17 Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật cơ cấu phanh ......................................................................... 34 Bảng 2.2. Giá trị mô men phanh tính toán........................................................................... 34 Bảng 2.3. Giá trị mô men cơ cấu phanh bánh xe từ thí nghiệm .......................................... 35 Bảng 2.4. Thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng ...................................................... 41 Bảng 2.5. Các trường hợp mô phỏng với mức ga 30% ....................................................... 42 Bảng 2.6. Quan hệ giữa mô men phanh bánh xe với gia tốc cực đại (Gia tốc_max) cùng thời gian duy trì gia tốc lớn nhất (Thời gian) ............................................................. 47 Bảng 3.1. Tổng hợp các phương án mô phỏng xác định ngưỡng trượt điều khiển ............. 61 Bảng 3.2. Giá trị độ trượt trung bình thu được khi mô phỏng quá trình khởi hành với một số giá trị ngưỡng và hệ số bám của đường khác nhau ............................................. 65 Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật cảm biến vận tốc góc E2A-S08-KS02-WP-C1 ..................... 72 Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của van 3/2 KTA317 ............................................................. 74 Bảng 4.3. Trạng thái điều khiển của cụm van chấp hành .................................................... 75 Bảng 4.4. Thông số cảm biến đo áp suất Sensys loại M5156-10286X-020BG .................. 75 Bảng 4.5. thông số kỹ thuật cảm biến lực PST-A5t ............................................................ 88 Bảng 4.6. Tổng hợp kết quả sự trượt quay bánh xe ............................................................. 96 Bảng 4.7. Tổng hợp kết quả lực dọc của ô tô ...................................................................... 98 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt bánh xe. ....................... 7 Hình 1.2. Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và độ trượt với các loại lốp ............................... 8 Hình 1.3. Nghiên cứu về hệ thống TCS của Huiyi Wang ................................................... 13 Hình 1.4. Hệ thống chống trượt quay của hãng Wabco cho xe tải ...................................... 15 Hình 1.5. Ô tô nghiên cứu ................................................................................................... 17 Hình 2.1. Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống...................................................................... 21 Hình 2.2. Các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động ....................................... 22 Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống truyền lực .................................................................................... 23 Hình 2.4. Đặc tính mô men của động cơ ............................................................................. 25 Hình 2.5. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động ..................................................... 26 Hình 2.6. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động .................................................. 27 Hình 2.7. Sơ đồ tính lực dọc ................................................................................................ 31 Hình 2.8. Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt dọc ............................................................. 32 Hình 2.9. Sơ đồ lực tác động trong cơ cấu phanh tang trống .............................................. 33 Hình 2.10. Sơ đồ thí nghiệm đo mô men phanh bánh xe .................................................... 35 Hình 2.11. Quan hệ áp suất và mô men phanh bánh xe theo tính toán và thí nghiệm ........ 36 Hình 2.12. Sơ đồ mô phỏng dẫn động phanh khí nén của hệ thống .................................... 36 Hình 2.13. Mô men bán trục, vận tốc góc bánh xe khi ô tô chuyển động trên đường có hệ số bám hai bên bánh xe bằng 0.8 ............................................................................. 42 Hình 2.14. Mô men bán trục, vận tốc góc bánh xe khi ô tô chuyển động trên đường có hệ số bám hai bên bánh xe khác nhau (φt =0,1, φp =0,8).............................................. 43 Hình 2.15. Sơ đồ mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô khi tác động phanh .................... 44 Hình 2.16. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô và độ trượt bánh xe khi ở mức ga 80% trên đường hệ số bám một bên bánh xe chủ động bằng 0.2 (φt =0,2, φp =0,8) ............................... 45 Hình 2.17. Vận tốc, gia tốc ô tô và độ trượt bánh xe khi ở mức ga 80% trên đường hệ số bám một bên bánh xe chủ động bằng 0.5 (φt =0,5, φp =0,8)....................................... 46 Hình 2.18. Quan hệ giữa hệ số bám, mô men phanh bánh xe với tỷ lệ thời gian duy trì gia tốc lớn nhất của ô tô. ........................................................................................... 48 Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống phanh khí nén có ABS .................................................. 50 Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe bằng phanh khí nén .......... 51 Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển ........................................................................... 52 vii Hình 3.4. Sơ đồ ký hiệu của van 3/2 thường đóng .............................................................. 53 Hình 3.5. Trạng thái làm việc của các van chấp hành ......................................................... 53 Hình 3.6. Thuật toán điều khiển hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe ............................... 54 Hình 3.7. Tín hiệu và các pha điều khiển hệ thống theo độ trượt ....................................... 55 Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động ................ 56 Hình 3.9. Sơ đồ một mô đun điều khiển van 3/2 trong hệ thống ........................................ 57 Hình 3.10. Các biến điều khiển van 3/2, van ABS, áp suất bầu phanh và mô men phanh bánh xe ở bên bánh xe bị trượt quay ............................................................................ 57 Hình 3.11. Sơ đồ mô tả một mô đun điều khiển .................................................................. 59 Hình 3.12. Sơ đồ mô tả mô hình mô phỏng hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe ............. 59 Hình 3.13. Sơ đồ mô tả phương pháp xác định ngưỡng điều khiển .................................... 60 Hình 3.14. Vận tốc góc bánh xe, gia tốc ô tô, độ trượt và mô men phanh bánh xe khi một bên bánh xe chủ động khởi hành trên đường có hệ số bám bằng 0.45 (φt = 0,45, φp =0,8) với ngưỡng điều khiển λ1 = 0,05, λ2 = 0,25 ............................................... 62 Hình 3.15. Vận tốc góc bánh xe, gia tốc ô tô, độ trượt và mô men phanh bánh xe khi một bên bánh xe chủ động khởi hành trên đường có hệ số bám bằng 0.45 (φt =0,45, φp =0,8) với ngưỡng điều khiển λ1 = 0,2, λ2 = 0,4 ................................................... 62 Hình 3.16. Vận tốc góc bánh xe, gia tốc ô tô, độ trượt và mô men phanh bánh xe khi một bên bánh xe chủ động khởi hành trên đường có hệ số bám bằng 0.45 (φt=0,45, φp =0,8) với ngưỡng điều khiển λ1 = 0,05, λ2 = 0,4 ................................................. 63 Hình 3.17. Vận tốc góc bánh xe, gia tốc ô tô, độ trượt và mô men phanh bánh xe khi một bên bánh xe chủ động khởi hành trên đường có hệ số bám bằng 0.2 (φt=0,2, φp =0,8) với ngưỡng điều khiển λ1 = 0,2, λ2 = 0,25 ................................................. 64 Hình 3.18. Vận tốc, gia tốc ô tô và vận tốc góc bánh xe, độ trượt bánh xe khi một bên bánh xe chủ động đi trên đường có hệ số bám bằng 0.1 (φt=0,1, φp =0,8) .................. 66 Hình 3.19. Vận tốc, gia tốc ô tô và vận tốc góc bánh xe, độ trượt bánh xe khi một bên bánh xe chủ động đi trên đường có hệ số bám bằng 0.2 (φt=0,2, φp =0,8) .................. 66 Hình 3.20. Vận tốc, gia tốc ô tô và vận tốc góc bánh xe, độ trượt bánh xe khi một bên bánh xe chủ động đi trên đường có hệ số bám bằng 0.3 (φt=0,3, φp =0,8) .................. 67 Hình 3.21. Gia tốc cực đại đạt được khi có điều khiển (φt=0,1 ÷0,3, φp =0,8) ................... 68 Hình 3.22. Lực kéo của ô tô khi một bên bánh xe chủ động đi trên đường có hệ số bám bằng 0.1 (φt=0,1, φp =0,8) ............................................................................................ 68 Hình 4.1. Sơ đồ mạch cảm biến E2A-S08-KS02-WP-C1 ................................................... 72 Hình 4.2. Sơ đồ cụm van chấp hành .................................................................................... 74 viii Hình 4.3. Sơ đồ lắp ghép cụm van chấp hành hạn chế trượt quay được chế tạo thử .......... 74 Hình 4.4. Sơ đồ cảm biến đo áp suất khí nén ...................................................................... 75 Hình 4.5. Biến thiên áp suất bầu phanh với ô tô nguyên bản .............................................. 77 Hình 4.6. Biến thiên áp suất bầu phanh khi lắp van chấp hành và kích hoạt ...................... 77 Hình 4.7. Cấu trúc bộ điều khiển điện tử............................................................................. 78 Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến vận tốc góc bánh xe phía trước .................................................................................................................... 79 Hình 4.9. Sơ đồ tính các thông số để transistor bão hòa ..................................................... 80 Hình 4.10. Bảng mạch hoàn thiện của bộ điều khiển .......................................................... 82 Hình 4.11. Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển .................................................................... 83 Hình 4.12. Thiết bị đo – ghi dữ liệu .................................................................................... 84 Hình 4.13. Sơ đồ đấu dây cho giắc nguồn ........................................................................... 85 Hình 4.14. Sơ đồ đấu dây cho cảm biến lực (đo lực dọc của ô tô) ...................................... 85 Hình 4.15. Sơ đồ đấu dây cho cảm biến tốc độ (đo vận tốc góc bánh xe) .......................... 85 Hình 4.16. Sơ đồ đấu dây cho cảm biến áp suất .................................................................. 86 Hình 4.17. Giao diện phần mềm đo, ghi dữ liệu ................................................................. 86 Hình 4.18. Sơ đồ mạch đo, ghi vận tốc góc bánh xe ........................................................... 87 Hình 4.19. Mô tả thực nghiệm đo vận tốc góc bánh xe ô tô................................................ 88 Hình 4.20. Cảm biến Load cell PST-A5t ............................................................................ 88 Hình 4.21. Sơ đồ mạch đo lực dọc ...................................................................................... 89 Hình 4.22. Mô tả thực nghiệm đo lực dọc của ô tô ............................................................. 89 Hình 4.23. Định chuẩn thiết bị đo lực dọc của ô tô ............................................................. 90 Hình 4.24. Đồ thị định chuẩn lực kéo và điện áp ra bộ đo dữ liệu ...................................... 90 Hình 4.25. Sơ đồ mạch đo, ghi áp suất khí nén ................................................................... 91 Hình 4.26. Đồ thị định chuẩn áp suất khí nén và dòng điện ra bộ đo dữ liệu ..................... 91 Hình 4.27. Vận tốc 4 bánh xe trên nền xưởng công nghiệp ................................................ 94 Hình 4.28. Vận tốc ô tô khi có điều khiển ........................................................................... 95 Hình 4.29. Độ trượt bánh xe khi có điều khiển ................................................................... 95 Hình 4.30. Áp suất khí nén tại bầu phanh và bình chứa ...................................................... 95 Hình 4.31. Vận tốc 4 bánh xe khi lắp cảm biến lực vào sau ô tô ........................................ 97 Hình 4.32. Giá trị tổng lực dọc của ô tô .............................................................................. 97 Hình 4.33. Áp suất khí nén tại bầu phanh và bình chứa khi đo lực dọc .............................. 98 ix MỞ ĐẦU Sau hơn 20 năm xây dựng, mặc dù đã phát triển mạnh so với những năm đầu thập niên 90 của thế kỷ trước, nhưng ngành công nghiệp ô tô Việt Nam vẫn ở mức quy mô nhỏ với công nghệ lạc hậu. Đại đa phần các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước có quy mô vừa và nhỏ với công việc chủ yếu là lắp ráp dạng CKD (Completely Knocked Down), trên cơ sở linh kiện nhập khẩu từ nước ngoài. Tỷ lệ nội địa hóa trong sản phẩm ô tô trong nước còn rất thấp. Mặc dù đã có nhiều chính sách ưu đãi của Chính phủ đối với các dòng xe tải nhỏ và trung bình, nhưng lĩnh vực sản xuất ô tô tải vẫn còn đang trong một tình trạng không mấy khả quan. Chỉ một số ít sản phẩm của khung vỏ, thùng bệ, ca bin có thể tự sản xuất được, còn hầu hết các bộ phận chính từ động cơ, hệ thống truyền lực đến các hệ thống điều khiển… đều được nhập ngoại, trong đó phần lớn các linh kiện là từ Trung Quốc với chất lượng thấp, qui mô sản xuất và mức đầu tư cho công nghệ còn thấp, chất lượng còn rất hạn chế. Với bối cảnh như vậy, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam còn rất nhiều việc phải làm để có thể sản xuất ra những sản phẩm ô tô tải mang thương hiệu Việt Nam có chất lượng và giá thành về trước mắt đáp ứng nhu cầu trong nước và về lâu dài để hướng tới xuất khẩu, hội nhập với khu vực và thế giới. Theo quy hoạch của Chính phủ trong Quyết định số 229/QĐ-TTg ngày 04/02/2016 về Cơ chế, chính sách thực hiện Chiến lược và Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, trong đó thể hiện sự quan tâm lớn đến công nghiệp phụ trợ. Theo bản Quy hoạch này, mục tiêu cho đến năm 2020, công nghiệp ô tô Việt Nam có thể chế tạo được một số chi tiết quan trọng trong hệ thống truyền lực, phanh, đặc biệt chú trọng vào xe khách và xe tải nhẹ. Trước tình hình trên, để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm chi tiết trên ô tô, thì cần phải có đầu tư đặc biệt cho lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo, trong đó có các cụm của hệ thống điều khiển điện tử, nhằm phát triển sản phẩm có chất lượng cao. Hệ thống chống trượt quay bánh xe là một hệ thống tự động điều khiển vận tốc góc bánh xe chủ động nhằm tận dụng tối đa hệ số bám dọc và bám ngang của bánh xe chủ động khi đi trên đường có hệ số bám hai bên khác nhau [16]. Hệ thống này sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng cũng như tăng tính năng an toàn chuyển động của ô tô. Hiện nay các hãng xe đã nghiên cứu chuyên sâu về cả lý thuyết lẫn thực nghiệm để thiết kế và chế tạo các các hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động và trang bị rộng rãi trên các dòng xe khác nhau bằng cách tác động trực tiếp hoặc gián tiếp vào các hệ thống phanh, hệ thống truyền lực, hệ thống treo của ô tô [29]. Tuy nhiên, với điều kiện còn nhiều thiếu thốn về cơ sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm như hiện nay, các nhà khoa học Việt Nam bước đầu nghiên cứu 1 phát triển tách biệt hệ thống phanh hoặc hệ thống truyền lực thành hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động. Xuất phát từ những nhu cầu ở trên, nghiên cứu sinh đã chọn hướng nghiên cứu phát triển hệ thống phanh ABS khí nén của xe tải nhỏ có bổ sung hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động khi đi trên đường có hệ số bám không đồng nhất nhằm góp phần làm chủ công nghệ chế tạo phục vụ chiến lược nội địa hóa công nghiệp ô tô Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động của xe tải 4x2 trên đường có hệ số bám khác nhau (2 bên bánh xe chủ động) từ đó đề xuất và chế tạo một mẫu (ban đầu) hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe với giải pháp tác động phanh bánh xe bị trượt quay trên cơ sở hệ thống phanh khí nén có ABS nhằm nâng cao tính năng động lực học cho ô tô. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2 được trang bị hệ thống phanh khí nén có ABS của đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước, mã số KC.03.05/11-15. Phạm vi nghiên cứu Điều khiển hệ thống phanh khí nén nhằm hạn chế trượt quay từng bên bánh xe chủ động của ô tô trên đường có hệ số bám không đồng nhất. Phương pháp nghiên cứu Với mục đích nghiên cứu chế tạo thành công hệ thống hạn chế trượt quay trên ô tô, luận án đã dùng nghiên cứu mô phỏng trên máy tính để khảo sát các ảnh hưởng hệ số bám và hiệu quả điều khiển tới đặc tính tăng tốc của ô tô tải ở các loại đường. Trên cơ sở đó xác định sơ bộ giá trị ngưỡng điều khiển. Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và dùng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để phân tích, điều chỉnh hệ thống hoạt động tốt trong thực tế. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận án đã đề xuất được phương án phát triển từ hệ thống phanh khí nén ABS có bổ sung hệ thống hạn chế trượt quay của bánh xe chủ động. Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống hạn chế trượt quay, đề xuất thuật toán điều khiển và phương pháp xác định ngưỡng điều khiển hệ thống. Điều này cho phép gợi mở các hướng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm áp dụng với các sản phẩm nội địa với điều kiện hiện có. 2 Hệ thống được chế tạo phù hợp với điều kiện công nghệ chế tạo hiện đang áp dụng tại Việt Nam, cho phép thử nghiệm để tiến tới sản xuất hàng loạt nhằm giảm chi phí sản xuất thực tế và hiện đại hóa ô tô sản xuất tại Việt Nam. Sự thành công của đề tài góp phần hoán cải và sản xuất các ô tô tải có sử dụng phanh khí có hiệu quả, giảm thiểu giá thành ô tô để tăng năng lực cạnh tranh với ô tô nhập ngoại. Nội dung và bố cục của luận án: Luận án sẽ tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau: - Khảo sát ảnh hưởng của mô men phanh tới đặc tính tăng tốc của ô tô tải trên đường có hệ số bám không đồng nhất; - Nghiên cứu đề xuất được thuật toán điều khiển và xác định được ngưỡng điều khiển theo độ trượt phù hợp với xe thí nghiệm; - Chế tạo hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2; - Chế tạo hệ thống đo ứng dụng các cảm biến vận tốc góc bánh xe, lực kéo và áp suất khí nén cho ô tô nghiên cứu; - Thực nghiệm, nhận xét khả năng hoạt động của toàn hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe. Với các nội dung nghiên cứu trên, nội dung luận án được trình bày trong các phần chính như sau: Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống Chương 3. Nghiên cứu bộ điều khiển và mô phỏng hoạt động của hệ thống Chương 4. Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm hệ thống Kết luận. Các kết quả nghiên cứu mới của luận án Luận án trình bày các kết quả nghiên cứu mới gồm: - Đề xuất mô hình hệ thống hạn chế trượt quay của bánh xe chủ động trên cơ sở hệ thống phanh khí nén có trang bị ABS; - Đề xuất thuật toán điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải có trạng bị hệ thống phanh ABS khí nén; - Thiết kế, chế tạo một mẫu ban đầu hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động và thực nghiệm trên ô tô nghiên cứu. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô tải 1.1.1. Thực trạng Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam bắt đầu phát đầu hình thành từ những năm đầu thập niên 90 của thế kỷ trước và phát triển mạnh sau những năm 2000. Theo thống kê của Bộ Công Thương, tính đến 01/2015 Việt Nam có khoảng gần 400 doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô. Tổng năng lực sản xuất - lắp ráp ô tô khoảng 460 ngàn xe/năm, gồm hầu hết các chủng loại xe con (khoảng 200 ngàn xe/năm), xe tải và xe khách (khoảng 215 ngàn xe/năm). Ngành công nghiệp ô tô đã có đóng góp đáng kể cho ngân sách nhà nước (bình quân khoảng 01 tỷ USD/năm - chỉ tính riêng các khoản thuế) và giải quyết công ăn việc làm cho khoảng 80 ngàn lao động trực tiếp. Mặc dù đã đạt được một số thành tựu, sau hơn 20 năm xây dựng và phát triển Việt Nam vẫn đang sở hữu một ngành công nghiệp ô tô quy mô nhỏ, công nghệ còn hạn chế. Đa số các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước có quy mô vừa và nhỏ với công việc chủ yếu là lắp ráp dạng CKD trên cơ sở linh kiện nhập khẩu từ nước ngoài. Doanh nghiệp ô tô lớn nhất Việt Nam hiện nay là Trường Hải cũng vẫn chỉ là cơ sở lắp ráp với tỷ lệ nội địa hóa thấp. Trong bối cảnh chung của ngành công nghiệp ô tô như vậy, lĩnh vực sản xuất ô tô tải, mặc dù được hưởng nhiều chính sách ưu đãi của Chính phủ cũng đang ở trong một tình trạng không mấy khả quan. Hầu hết các doanh nghiệp ô tô Việt Nam mới chỉ sản xuất được một số sản phẩm của khung vỏ, thùng bệ, ca bin và một số chi tiết khác. Toàn bộ phần máy móc từ động cơ, hệ thống truyền lực đến các hệ thống điều khiển… đều được nhập khẩu từ nước ngoài, trong đó phần lớn là từ Trung Quốc. Với linh kiện nhập khẩu từ Trung Quốc chất lượng thấp, quy mô sản xuất không lớn và mức đầu tư cho công nghệ thấp, ô tô tải nội địa thường có chất lượng không cao. Trước tình hình trên, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam còn rất nhiều việc phải làm để có thể sản xuất ra những chiếc ô tô tải có chất lượng và giá thành đáp ứng nhu cầu trong nước và hướng tới xuất khẩu, hội nhập với khu vực và thế giới. 1.1.2. Định hướng phát triển Trước tình hình trên, trong tháng 7/2014 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành 2 văn bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô tải nhận được sự quan tâm đặc biệt. Gần đây nhất, ngày 04/02/2016 Thủ tướng Chính phủ đã ký ban hành Quyết định 4 số 229/QĐ-TTg về Cơ chế, chính sách thực hiện Chiến lược và Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam. Theo quy hoạch của Chính phủ, cần “Chú trọng phát triển dòng xe tải nhỏ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp …” nhằm đạt được sản lượng xấp xỉ 100.000 xe vào năm 2020, đáp ứng 78% nhu cầu tiêu thụ nội địa. Bản Quy hoạch lần này đã thể hiện sự quan tâm đặc biệt đến công nghiệp phụ trợ: “Giai đoạn đến năm 2020, cơ bản hình thành ngành công nghiệp hỗ trợ cho sản xuất ô tô. Phấn đấu đáp ứng 30 - 40% (về giá trị) nhu cầu linh kiện, phụ tùng của sản xuất, lắp ráp xe ô tô trong nước, chế tạo được một số chi tiết quan trọng trong bộ phận truyền động, hộp số, động cơ (nhất là cho xe khách và xe tải nhẹ)”. Sự quan tâm đặc biệt của Chính phủ tới công nghiệp hỗ trợ đã được khẳng định bằng Nghị định số 111/2015/NĐ-CP về Phát triển công nghiệp hỗ trợ, ban hành ngày 03/11/2015, trong đó định rõ những chính sách hỗ trợ phát triển đối với ngành công nghiệp này, trong đó có lĩnh vực sản xuất phụ tùng ô tô. 1.1.3. Những tồn tại và nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển Hiện nay ở Việt Nam có khá nhiều doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô tải, chủ yếu là loại nhỏ và trung bình. Có thể kể đến những nhà sản suất lớn như Trường Hải, VEAM, TMT... Ngoài ra còn có các liên doanh cũng tham gia sản xuất một số loại ô tô tải các cỡ. Nhìn chung, các sản phẩm trong lĩnh vực này đều dựa trên các bộ linh kiện nhập khẩu (chủ yếu từ Trung Quốc và Hàn Quốc) với tỷ lệ nội địa hóa không cao. Phần sản xuất trong nước chỉ có ca bin, thùng xe và khung. Với mức đầu tư về chất xám và trang thiết bị còn khiêm tốn, chất lượng của các sản phẩm của các cơ sở lắp ráp trong nước còn ở mức độ hạn chế. Tuy nhiên, đây là nguồn cung cấp ô tô chủ yếu cho thị trường trong nước hiện nay nhờ có ưu thế về giá thành. Một trong những nguyên nhân chính kìm hãm sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam là sự yếu kém của công nghiệp phụ trợ. Theo thống kê, hiện nay ở Việt Nam, hiện chỉ có khoảng 40 nhà cung cấp linh kiện trên tổng số 50 nhà lắp ráp, trong khi Thái Lan có tới trên 1.500 doanh nghiệp phụ trợ với tỷ lệ nội địa hóa đạt tới 70%-80%. Đài Loan cũng có khoảng trên 2.000 nhà đầu tư sản xuất linh kiện phụ tùng thay thế. Với thực trạng trên, tỷ lệ nội địa hoá của các loại ô tô lắp ráp trong nước là rất thấp. Theo Bộ Công thương (2016): "Tỷ lệ nội địa hoá đạt thấp, …" đến nay chủ yếu mới đạt bình quân 7-10%. Đối với xe con của Thaco đạt 15-18%, của Toyota Việt Nam đạt 37% đối với dòng xe Inova. Đối với xe tải nhẹ: Thaco đạt khoảng 33%, Vinaxuki đạt khoảng 50%”. Như vậy, có thể thấy rằng các nhà sản xuất trong nước thực chất mới chỉ làm công việc lắp ráp mà chưa quan tâm đến nghiên cứu phát triển để có thể tiến tới chế tạo những chiếc xe mang thương hiệu Việt Nam và đưa các doanh nghiệp trong nước hội nhập với thế giới. 5 Trước tình hình trên, để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các hệ thống cho ô tô, thì cần phải có đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao. Trong đó, ưu tiên hàng đầu cần được dành cho các nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo các hệ thống điều khiển điện tử chiếm tỷ trọng giá trị cao. 1.1.4. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm và sản xuất hệ thống chống trượt cho ô tô tải Cho tới ngày nay, các nhà máy cơ khí Việt Nam mới chỉ sản xuất được một số dạng chi tiết cơ khí đơn giản phục vụ cho việc thay thế phụ tùng trong sửa chữa ô tô như: bánh răng trụ, bánh răng côn, nhíp, thùng xe .... Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, trong những năm gần đây, đã xuất hiện một số đề tài nghiên cứu thiết kế các hệ thống điều khiển điện tử như đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống ABS cho hệ thống phanh khí nén trên ô tô tải sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam” là một trong những đề tài trọng điểm cấp Nhà nước KC.03.05/11-15 đã được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội với những kết quả ban đầu được đánh giá cao. Tuy nhiên, các đề tài trên chỉ giải quyết chống trượt lết của bánh xe, chưa giải quyết chống trượt quay của bánh xe chủ động. 1.2. Hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động Trên thực tế khi ô tô hoạt động, lực bám giữa lốp xe và mặt đường có giới hạn và thay đổi tùy theo tính chất của mặt đường. Do vậy không phải lúc nào mô men từ động cơ truyền xuống cũng chuyển hết thành mô men kéo của bánh xe. Trường hợp mô men từ động cơ truyền xuống cầu chủ động, đến các bán trục lớn hơn giới hạn bám của bánh xe trên mặt đường sẽ xảy ra hiện tượng trượt quay tại các bánh xe chủ động [26]. Lực bám sinh ra ở bánh xe chủ động được xác định bằng công thức: Pφ = φ.Gφ (1.1) Trong đó: φ là hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường Gφ là trọng lượng bám. Trong quá trình ô tô khởi hành và tăng tốc, nếu mô men ở trên bánh chủ động từ động cơ truyền xuống lớn hơn mô men sinh ra do lực bám của mặt đường (Mx> Mφ) hoặc lực cản lớn (hệ số bám hai bên bánh xe bằng nhau) làm cho bánh xe chủ động sẽ bị trượt quay, khi đó hệ số bám dọc giảm và hệ số bám ngang cũng giảm xuống thấp. Điều đó làm cho hiệu quả tăng tốc và tính ổn định khi tăng tốc giảm rõ rệt, tăng sự mòn lốp. Có thể xem xét cụ thể hơn qua đồ thị lực bám dọc và bám ngang theo độ trượt của bánh xe như hình 1.1 [1]. 6 Hình 1.1. Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt bánh xe. Ở đây với φx và φy là hệ số bám dọc và hệ số bám ngang của bánh xe khi tác động phanh. Qua đồ thị có thể thấy khi độ trượt nằm trong khoảng 10% - 30% thì hệ số bám dọc và bám ngang đều lớn. Mục đích của hệ thống chống trượt quay bánh xe là duy trì hệ số trượt giữa bánh xe và mặt đường khi tăng tốc trong mọi điều kiện nằm trong khoảng 10%–30% để đảm bảo hệ số bám dọc và bám ngang đều cao nhằm tận dụng được trọng lượng bám ở từng bánh xe. Do đó hệ thống này cần thiết xác định độ trượt thực tế ở các bánh xe để có tác động điều khiển đến các cơ cấu chấp hành. Sự trượt dọc của bánh xe gắn liền với sự biến dạng theo chu vi lốp. Do tác dụng bởi mô men xoắn ở bánh xe, các lớp lốp ở vùng tiếp xúc bị biến dạng, gây nên dịch chuyển tương đối với nền và được xác định bằng độ trượt dọc. Độ trượt của bánh xe chủ động biểu thị bởi tỷ lệ phần trăm của vận tốc ô tô với vận tốc góc bánh xe và được xác định theo công thức [66]:  v0  v .100% v0 (1.2) Trong đó: v là vận tốc của thân xe (vận tốc thực tế của ô tô), v0 là vận tốc dài lý thuyết của bánh xe, được xác định: v0  .rd (1.3) Với: ω là vận tốc góc bánh xe, rd là bán kính động lực học của bánh xe. Khi ô tô chuyển động, tùy thuộc vào điều kiện vận hành độ trượt của bánh xe luôn thay đổi từ không trượt tới trượt quay hoàn toàn. + Khi bánh xe lăn không trượt: 7