nghiên cứu chức năng vi sai trong vấn đề điều khiển động lực học ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGHIÊN CỨU CHỨC NĂNG VI SAI TRONG VẤN ĐỀ
NGHIÊN CỨU CHỨC NĂNG VI SAI TRONG VẤN ĐỀ
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Học viên: ĐẶNG THẾ DŨNG
Khóa: 2012A
Người HDKH: PGS.TS VÕ VĂN HƯỜNG
Hà Nội, ngày 6/1/2014
NỘI DUNG
NỘI DUNG
2
”Nghiên cứu chức năng vi sai trong vấn đề điều
khiển động lực học ô tô” đưa ra các nghiên cứu về
việc tăng tính ổn định bằng cách phân chia mô men
hợp lý. Cụ thể hơn là về điều khiển vi sai trên ô tô
hiện đại. Để đạt được mục tiêu đó luận văn bao
gồm các phần chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về vi sai trên ô tô;
Chương 2: Các dạng vi sai truyền thống;
Chương 3: Vi sai điều khiển động lực học ô
tô;.
Khi chuyển động trên đường không bằng phẳng và khi xe
quay vòng, các bánh xe chuyển động với vận tốc góc khác
nhau, gây cưỡng bức động học giữa bánh phải và trái, vận
tốc góc trung bình giữa cầu trước và sau. Vì vậy, cần có một
cơ cấu cho phép các bánh xe quay với các vận tốc góc khác
nhau; đó là vi sai (differential).
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI SAI

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI SAI
Động cơ đốt trong
hộp số (3)
Vi sai giữa (6)
Truyền lực-vi sai
trước (2) và sau (5).
Chức năng cụm truyền lực vi sai của ô tô:

Chức năng truyền mô men ;

Chức năng vi sai: cho phép hai bánh xe/ hai cầu quay với
số vòng quay khác nhau;

Chức năng khóa vi sai: để bảo đảm truyền lực khi hệ số
bám ở các bánh xe khác nhau cần có khóa vi sai hoặc vi sai
ma sát trong cao hoặc vi sai có điều khiển;

Chức năng điều khiển: khi tăng tốc hoặc phanh, các mô
men cấp thường vượt qua tới hạn, xe có thể quay vòng thừa
hoặc thiếu; xe mất ổn định hoặc mất tính điều khiển.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI SAI
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI SAI
Tiêu chuẩn đánh giá hệ truyền lực hệ truyền lực xe con
Có 5 tiêu chí đánh giá hệ truyền lực cơ bản:

Không gian sử dụng và an toàn thụ động;

Trọng lượng và tải hữu ích;

Khả năng kéo;


Tính tiện ích;

Động lực học.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI SAI
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI SAI
Tiêu chuẩn đánh giá hệ truyền lực hệ truyền lực xe con
Các phương án bố trí cho xe con:
(1)Động cơ đặt trước và cầu chủ động đặt trước;
(2)Động cơ đặt trước và cầu chủ động đặt sau; (tiêu chuẩn)
(3)Động cơ đặt trước và 4WD;
(4)Động cơ đặt sau, 4WD;
(5)Động cơ đặt sau và cầu sau chủ động;
(6)Động cơ đặt sau và cầu chủ động đặt trước.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI SAI
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI SAI
Truyền lực và vi sai cầu
Truyền lực cuối cùng và vi sai cầu,
gọi chung là cầu, có bốn nhiệm vụ:

Tăng tỷ số truyền

Thay đổi hướng truyền lực qua
cặp bánh răng chậu (2) với bánh
răng quả dứa (1);

Cho phép các bán trục (3) quay
tương đối thông qua cụm bánh
răng hành tinh (7,8)


Phân bố mô men điện tử.
CHƯƠNG 2. VI SAI TRUYỀN THỐNG
CHƯƠNG 2. VI SAI TRUYỀN THỐNG
Vi sai ma sát trong cao
Khi không truyền mô men chốt chữ
thập nằm đúng vào rãnh (6) . Khi có
mô men, chốt chữ thập quay tương
đối với vỏ vi sai, mặt vát của đầu chốt
trượt trên bề mặt rãnh (6). Mô men
truyền càng lớn thì lực tiếp F
d
càng
lớn và do vậy lực ép F
s
cũng càng lớn.
Lực F
s
xuất hiện, ép vào bánh răng
hành tinh và ép vào cốc (3), tiếp tục ép
các đĩa ma sát (7,8). Mô men ma sát
trong ly hợp đĩa xuất hiện, phanh bán
trục (1) với vỏ vi sai, đồng thời cốc (3)
cũng khoá chính bánh răng hành tinh.
CHƯƠNG 2. VI SAI TRUYỀN THỐNG
CHƯƠNG 2. VI SAI TRUYỀN THỐNG
Vi sai ma sát trong nhờ ly hợp đĩa
tự khóa
Vi sai ma sát trong cao
Ý nghĩa đặc trưng của loại trục vít là
các răng ăn khớp theo đường xoắn ốc

và do đó trục vít bán trục (1) có thể
quay trục vít hành tinh (2) bản thân nó
không quay được trục vít. Sở dĩ đạt
được điều đó là do độ dốc của răng
xoắn bán trục bé hơn độ dốc của răng
vít hành tinh. Cần chú ý rằng, với
bánh răng thẳng hoặc răng nghiêng có
tính thuận nghịch trong hiệu suất còn
bánh xoắn không có tính thuận nghịch
đó; nghĩa là hiệu suất thuận cao hơn.
CHƯƠNG 2. VI SAI TRUYỀN THỐNG
CHƯƠNG 2. VI SAI TRUYỀN THỐNG
Vi sai bánh vít hành tinh
1. Răng xoắn bán trục; 2. răng
xoắn hành tinh; 3. bánh răng
chậu; 4. bánh răng dẫn; 5. bán
trục; 6. vỏ vi sai; 7. chố trục bánh
răng dẫn
Vi sai ma sát trong cao
Khi có chuyển động tương đối với
nhau giữa hai đĩa chủ động và bị
động, dầu ở giữa hai mặt kề sát bị nén
và tạo thành mô men cản mà độ lớn
của nó phụ thuộc với độ nhớt và tốc
độ tương đối giữa hai bề mặt. Dầu
Silicon phát triển cho mục đích trên có
khả năng ổn định nhiệt về độ nhớt và
tuổi thọ cao.
CHƯƠNG 2. VI SAI TRUYỀN THỐNG
CHƯƠNG 2. VI SAI TRUYỀN THỐNG

Vi sai ly hợp đĩa
1. bánh răng mặt trời; 2. bánh
răng hành tinh; 3. chốt chữ thập;
4. vỏ vi sai; 5. đệm; 6. mặt bích
bánh răng chậu; 7. hộp đĩa ly
hợp; 8. bán trục; 9. đế bán trục
Để có thể hiểu được vi sai điều khiển động lực học ô tô ta cần
hiểu được bản chất động lực học ô tô.
Mô hình chuyển động của ô tô
G(XYZ) là hệ toạ độ cố định;
B(Cxyz) là hệ toạ độ xe (vật).
Phương trình chuyển động
tổng quát:
3
0
0
0
x z y
x
y y z x
z
x
y
z
z
v v
F
F m v v
F
M

M
I
M
ω
ω
ω
−
 
 
 
 
= +
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
=
 
 
 
 
 
 
&

&
&

CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
B
Ta có hệ phương trình xác định chuyển động của xe:
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
4
Aij 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1
1
2 2 1 1 1 1 1 1 1 1
4
Aij 2 2 1 1 1 1 1
1
( )( ) ( cos cos sin cos )
( cos cos sin cos )
( )( ) ( cos cos
R L L L R R L L R R
X X X X Y Y wx
R L L L R R L L R R
Y Y Y Y X X wy
R L L L R R L
Y Y Y Y X
m m x y F F F F F F F
F F F F F F F
m m y x F F F F F
ψ δ δ δ δ
δ δ δ δ

ψ δ δ
+ − = + + + − − −
− + + + + + +
+ + = + + + +
∑
∑
&
&& &
&
&& &
1 1 1
2 2 1 1 1 1 1 1 1 1
Z 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1
sin cos )
( cos cos sin cos )
( ) ( ) ( sin cos sin cos )
( sin sin cos
L R R
X wy
R L L L R R L L R R
X X X X Y Y wx
L R L R R R R R L L L L
X X Y Y Y X Y X
L L R R L L
X X Y
F F
F F F F F F F
J b F F l F F b F F F F
l F F F

δ δ
δ δ δ δ
ψ δ δ δ δ
δ δ δ
+ +
+ + + + − − −
= − − + + − − +
+ + + +
&&
1 1
1 1 2 2 1 1 2 2
1 1 1 1 2 2 2 2 1 1
2 2
1 1 2 1 2 1 1 2 1
cos )
( ) ( ) ( )( )
( )( )
( ) (
R R
Y w wy
R L R L R L R L
C C C C K K K K
R L R L R L R L R L
Y C C K K C C K K X X
R L
X X
R R R R L L L
X C C K K C C K
F l F
mz F F F F F F F F

J a F F F F b F F F F h r F F
h r F F
J b F F F F b F F F
δ
ϕ
γ
+
= + + + + + + +
′ ′
= − + + + + + + + − − +
′ ′
+ − +
= − + + + + + + +
&&
&&
&&
2
1 1 2 1 1 2
1 1 1 1 1
1 1 1 1 1
2 2 2 2
2 2 2 2
1 1 1 1 1
)
( )( cos sin cos sin )
( )
( )
( )
( )
(

L
K
R R R L L L
Y X Y Y X Y
R R R R R
A A K C Cl
L L L L L
A A K C Cl
R R R R R
A A K C Cl
L L L L L
A A K C Cl
R R R R R
Ay A B X
F
h r F F F F F F
m F F F
m F F F
m F F F
m F F F
J M M F F
σ σ σ σ
ξ
ξ
ξ
ξ
ϕ
+ − + + + + +
= − + +
= − + +

= − + +
= − + +
= − − +
&&
&&
&&
&&
&&
1 1 0 1 1
1 1 1 1 1 1 1 0 1 1
2 2 2 2 2 2 2 0 2 2
2 2 2 1 2 2 2 0 2 2
)[ ( )]
( )[ ( )]
( )[ ( )]
( )[ ( )]
R R R R
Z
L L L L L L L L L
Ay A B X Z
R R R R R R R R R
Ay A B X Z
L L L L L L L L L
Ay A B X Z
f r h
J M M F F f r h
J M M F F f r h
J M M F F f r h
ξ
ϕ ξ

ϕ ξ
ϕ ξ































− −

= − − + − −
= − − + − −
= − − + − −

&&
&&
&&







CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định ô tô

Các phản lực từ đường lên lốp F
z
: Các phản lực đó chịu tác động
của các yếu tố ngoại cảnh như mấp mô mặt đường, đường dốc
đường nghiêng, các lực do gió gây ra, các lực và mô men quán tính
khi lái xe tăng tốc, phanh và quay vô lăng.

Hệ số bám thay đổi và khác nhau giữa các bánh xe: Cấu trúc lốp, bề

mặt đường, độ ẩm, nhiệt độ lốp và đường.

Các mô men chủ động và mô men phanh được cấp không hợp lý,
vượt quá giới hạn bám.

Tác động của lái xe thái quá, tạo ra các mô men bánh xe lớn hơn sự
cần thiết và tác động đột ngột, nhất là các trạng thái nguy hiểm và
đường trơn mà lái xe không kiểm soát được.
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Điều khiển động lực học
Động lực học ô tô là một chỉnh thể nhất quán, không tách rời được.
Khi chuyển động trên đường, xe chịu các yếu tố ngoại cảnh như gió,
đường nghiêng/dốc, độ bám và chịu tác động của lái xe như mức độ
ga (M
A
), phanh (M
B
) và quay vô lăng. Các yếu tố ngoại cảnh và các
phản ứng của lái xe là ngẫu nhiên, khác nhau ở từng lái xe. Tương
tác bánh xe với đường có tính chất phi tuyến:
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Điều khiển động lực học
Các mô đun điều khiển được phân như sau:

Điều khiển động lực học phương dọc

Điều khiển động lực học phương thẳng đứng


Điều khiển động lực học phương ngang

Điều khiển tích hợp
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Điều khiển động lực học dọc
Mục tiêu của điều khiển động lực học dọc là điều khiển Lực kéo/ lực
phanh; tối ưu quá trình tăng tốc và phanh thông qua ABS và TCS. Hệ
tích hợp ABS và TCS là điều khiển ổn định hướng ESP
Trạng thái điều khiển khi quay
vòng thiếu và thừa
Động lực học phương dọc được điều
khiển theo:
Phương thức: Điều khiển hệ số trượt
Công cụ:
- Hệ thống phanh ABS/TCS
- Vi sai điện tử/Phân bố mô men.
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Điều khiển động lực học ngang
Khi quay vô lăng, lái xe không xác
định chính xác góc quay bánh xe
cần thiết. Vì vậy việc quay vô lăng
không đúng xe có thể chuyển
động không đúng quỹ đạo. Đặc
tính quay vòng thừa hoặc thiếu là
hai hàm điều khiển cần quan tâm,
đặc trưng bởi góc lệch bên bánh
xe hoặc vận tốc và gia tốc góc
quay thân xe quanh trục thẳng

đứng. Để kiểm soát việc đánh lái
không đúng của lái xe, hệ thống
lái tích cực ra đời.
Các thông số đặc trưng đặc tính
quay vòng
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Điều khiển động lực học phương thẳng đứng
Hệ thống treo tích cực kiểu lò
xo- thuỷ lực:
a.Không điều khiển lắc dọc
phanh;
b.Điều khiển lắc dọc khi phanh;
c.Không điều khiển lắc dọc khi
tăng tốc;
d.Điều khiển góc lắc dọc khi
tăng tốc.

Hệ thống treo điều khiển

Điều khiển mức

Giảm chấn điện tử

Thanh ổn định tích cực
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Hướng phát triển an toàn động lực học
“Điều khiển động lực học ô tô là các biện pháp tự động hoá từng phần, tích
hợp, mở rộng khả năng vốn bị hạn chế của lái xe”

Lịch sử phát triển cơ điện tử trong ô tô
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Điều khiển động lực tích hợp
Điều khiển tích hợp dọc ngang
Hệ điều khiển tích hơp GCC
Trong ô tô, động lực học phương
thẳng đứng được điều khiển theo:

Điều khiển hệ thống treo;

Điều khiển mức;

Điều khiển thanh ổn định;

Điều khiển giảm chấn.
Trong phương dọc, điều khiển:

ABS/TCS;

Điều hòa lực phanh;

Phân chia mô men (Vi sai điện tử).
Phương ngang điều khiển:

Lái 4 bánh;

Lái tích cực
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

Vi sai điện tử và điều khiển động lực học ô tô
Sơ đồ hệ thống điều khiển
mô men theo yêu cầu phù
hợp nhu cầu động lực học
mà ESP xác định. Cầu trước
và sau được phân theo tỷ lệ
40%/60%.
Cầu sau phân chia theo tỷ lệ
10%/50%; cầu trước cô định
20%/20%. Trên thực tế mô
men cầu là 35%; 28%; 20%
và 17%.
Sơ đồ hệ thống điều khiển mô men
theo yêu cầu
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Vi sai điện tử và điều khiển động lực học ô tô
Trong hệ điều khiển ổn định ngang
AYC có hai vi sai cầu trước và sau
được điều khiển điện tử thông qua
hai ly hợp thủy lực. Vi sai giữa là vi
sai thường có tỷ lệ phân mô men
cố định 50/50.
Bộ xử lý trung tâm ADC+AYC nhận
các tín hiệu từ Cảm biến vô lăng,
gia tốc dọc, gia tốc ngang, góc
bướm ra; ECU cũng nhận tín hiệu
tùy chọn 4WD, khóa phanh dừng,
tín hiệu từ ABS-ECU, sau đó
ADC+AYC xác định chế độ cấp mô

men cho các bánh xe theo điều
kiện ổn định. Cơ cấu chấp hành là
hệ thống bơm thủy lực và các ly
hợp ma sát nhiều đĩa trong vi sai.
Sơ đồ vi sai điều khiển trong điều
khiển tích hợp
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Vi sai điện tử và điều khiển động lực học ô tô
Nguyên lý cơ bản của loại vi
sai này là dùng một ly hợp
ma sát nhiều đĩa, mô men
được thay đổi nhờ lực ép của
đĩa ép thông qua điều khiểu
áp suất dầu. Chức năng điều
khiển do ECU của vi sai điện
tử.
Vi sai giữa của Hãng Volvo
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Các phương án bố trí vi sai giữa
Hình bên trái bố trí vi sai giữa tự do (không gài cưỡng bức) và bên
phải là vi sai giữa gài bằng tay.
Hệ truyền lực 4WD cơ khí Bố trí ly hợp ma sát gài tay
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
CHƯƠNG 3. VI SAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
Các phương án bố trí vi sai giữa
Hệ 4WD thụ động tự khóa vi sai giữa
Hệ 4WD ly hợp ma sát ướt