Nghiên cứu hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ESC (Electronic stability control)

Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Báo cáo Nghiên cứu khoa học sinh viên
Đề tài: Nghiên cứu hệ thống ổn định quỹ
đạo chuyển động của ôtô ESC
(Electronic stability control)
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên lớp Cơ khí ô tô A-K45
1. Nguyễn Văn Hiệp
2. Nguyễn Bình Dơng
3. Trịnh Trọng Tuấn
4. Nhâm Ngọc Tuấn
năm 2008
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 1 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Mục lục
Mục lục2
Lời nói đầu..4
Chơng I tổng quan về đề tài .6
i- đặt vấn để...6
II- mục đích, phơng hớng nghiên cứu và nhiệm vụ
của đề tài....8
1- mục đích của đề tài8
2- Phơng hớng nghiên cứu của đề tài..9
3- Nhiệm vụ của đề tài9
II- TổNG QUAN Về Hệ ThốNG ESC..............................................9
1- Qúa trình hình thành và phát triển..10
2- Cơ sở cho sự ra đời của hệ thống ESC11
Chơng ii Cơ sở lý thuyết của hệ thống ESC.......15
I- Động lực học ô tô khi phanh.............................................15

II- động lực học ô tô khi khỏi hành hoặc tăng tốc.20
III- Sự ổn định động học của ô tô khi quay vòng.......26
CHơng iii Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ESC..........29
i- các phần tử cơ bản của hệ thống...................................29
1- bộ phận thủy lực..........................................................................29
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 2 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
2- Cảm biến góc xoay vô lăng..........................................................30
3- Cảm biến độ lệch ngang thân xe..................................................31
4- Cảm biến tốc độ góc bánh xe.......................................................32
II- HOạT Động củA Hệ THốNG esc...........................................33
1- Hoạt động của ESC khi phanh....................................................36
1.1- Trạng thái phanh bình thờng...........................................36
1.2- Trạng thái phanh khẩn cấp................................................37
2- Hoạt động của ESC điều khiển sự ổn định của ô tô khi chuyển
động.................................................................................................40
2.1- Hoạt động của ESC khi xe quay vòng thừa......................44
2.2- Hoạt động của ESC khi xe quay vòng thiếu.....................49
2.3- Điều khiển phanh khi chuyển động trên đờng vòng......51
Kết luận..................................................................................................54
Tài liệu tham khảo...........................................................................56
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 3 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Lời nói đầu
Sự phát triển của ngành công nghiệp ôtô Việt Nam mới bắt đầu, với
chiến lợc phát triển của nhà nớc, chính sách nội địa hoá phụ tùng ô tô trong

việc sản xuất và lắp ráp ô tô tạo điều kiện cho các nhà thiết kế nghiên cứu, chế
tạo các cụm, các hệ thống trên ô tô trong nớc trong đó có các hệ thống nâng
cao tính năng an toàn cho ngời sử dụng. Vấn đề nghiên cứu nâng cao tính
năng an toàn cho ngời sử dụng thông qua kết cấu và điều khiển là vô cùng
quan trọng. Do đờng xá ngày càng đợc cải thiện tốt hơn, tốc độ phát triển
nghành giao thông vận tải tăng nhanh cho nên tốc độ chuyển động của ô tô
cũng ngày càng đợc nâng cao. Tuy nhiên, cùng với những sự phát triển đó mật
độ phơng tiện cơ giới trên đờng ngày càng cao, vấn đề tai nạn giao thông trên
đờng là vấn đề quan tâm hàng đầu. Chính vì vậy, chúng em chọn nghiên cứu
về đề tài:
Nghiên cứu hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ESC
(Electronic Stability Control)
Với tình hình hiện nay ngành công nghiệp ô tô của ta chủ yếu là lắp ráp
nên để có thể độc lập chế tạo trong tơng lai rất cần những nghiên cứu ứng
dụng trong thực tiễn. Đây là một hệ thống khá mới và hiện đại đợc ứng dụng
trên ô tô, đặc biệt với nghành công nghiệp ô tô Việt Nam. Mặt khác, tài liệu
chuyên sâu về hệ thống của các nhà sản xuất không đợc công khai rộng rãi,
cùng với trình độ chuyên môn cha sâu rộng, do vậy mà việc nghiên cứu cụ thể
kết cấu, cấu tạo và nguyên lý của hệ thống gặp nhiều khó khăn và có nhiều
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 4 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
thiếu xót. Rất mong sự phê bình, đóng góp ý kiến của các thầy trong hội đồng
giám khảo và những ngời quan tâm đến đề tài.
Xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Tuấn Anh là ngời đã trực tiếp hớng
dẫn và giúp đỡ chúng em nghiên cứu đề tài. Chân thành cảm ơn các thầy trong
Bộ môn Cơ khí ô tô - Khoa Cơ khí Trờng Đại học G.T.V.T Hà nội đã giúp
đỡ và góp ý cho đề tài trong quá trình thực hiện.
Nhóm Sinh viên:

Cơ khí Ôtô A- K45
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 5 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Chơng I
Tổng quan về đề tài
I- Đặt vấn đề
Nh chúng ta đã biết, sự ra đời của chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới đã
đánh dấu một bớc ngoặt lớn trong đời sống của nhân loại. Ô tô không chỉ giúp
chúng ta di chuyển từ nơi này sang nơi khác một cách nhanh chóng hay vận
chuyển hàng hoá dễ dàng, thuận tiện mà nó còn đóng vai trò nh một thiết bị
đảm bảo an toàn cho con ngời khi tham gia giao thông vận tải. Ngay từ khi ra
đời những chiếc ô tô đã khẳng định đợc vai trò quan trọng của mình trong đời
sống của con ngời, cùng với sự phát triển của giao thông vận tải ngành công
nghiệp ô tô cũng theo đó không ngừng thay đổi theo chiều hớng tích cực nhất.
Ngày nay, những chiếc ô tô đã trở nên quen thuộc với chúng ta hơn bao giờ
hết và mỗi chúng ta dù ít, dù nhiều đều đợc hởng những tiện ích mà chúng
mang lại. Nhng song song tồn tại cùng sự phát triển của ngành giao thông vận
tải là những vụ tai nại cũng ngày càng gia tăng bởi rất nhiều nguyên nhân và
góp mặt trong đó là nguyên nhân về tính an toàn của các phơng tiện tham gia
lu thông trên đờng, ô tô cũng là một trong số các phơng tiện đó. Vì vậy, một
nhu cầu cấp thiết đặt ra là cần có các hệ thống, cũng nh các phơng tiện có tính
năng đảm bảo an toàn tối đa cho con ngời cũng nh hàng hoá tham gia lu thông
trên các cung đờng.
Đứng trớc nhu cầu đó rất nhiều các thiết bị công nghệ đã đợc nghiên
cứu và phát triển nhằm giảm thiểu tai nạn xuống mức thấp nhất. Ngành công
nghiệp ô tô cũng không loại trừ khỏi nhu cầu đó, hầu hết các hãng ô tô trên thế
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô

SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 6 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
giới đều đã dành những khoản kinh phí rất lớn cho việc nghiên cứu tích hợp
các hệ thống an toàn trên các dòng xe của mình. Ngày nay, gần nh toàn bộ các
hệ thống, tổng thành trên ô tô đã đợc can thiệp bởi các hệ thống tích hợp cơ
khí hay điện tử nhằm tạo ra sự tiện nghi và an toàn cao nhất cho ngời sử dụng.
Hiện tại, đã có rất nhiều hệ thống đợc nghiên cứu và ứng dụng trên xe
của các hãng sản xuất ô tô và chúng mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc đảm
bảo an toàn cho ngời sử dụng nh :
+ Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh - ABS (Anti-lock Braking
System).
+ Hệ thống phân phối lực phanh điện tử - EBD (Electronic Brake force
Distribution)
+ Hệ thống kiểm soát lực kéo - TRC (Traction Control System).
+ Hệ thống điều khiển góc quay của xe quanh trục dọc xe AYC (Active
Yaw Control).
+ Hệ thống túi khí....vv...
Và còn rất nhiều các hệ thống đợc ứng dụng trên nhiều xe khác nhau.
Các hệ thống trên hỗ trợ ngời lái trong quá trình phanh, quá trình khởi hành
hay khi chuyển động trên các loại đờng trơn trợt có hệ số bám thay đổi, chúng
chủ yếu tác động đến lực phanh, lực kéo nhằm kiểm soát sự trợt của các bánh
xe và chúng thờng đợc ứng dụng một cách độc lập trên xe.
Tuy nhiên nguyên nhân gây tai nạn không chỉ đơn thuần là do sự trợt của
các bánh xe trên đờng, trên thực tế đã có rất nhiều những tai nạn đáng tiếc xảy
ra do hiệu quả phanh kém hoặc khi phanh xảy ra hiện tợng bó cứng bánh xe
làm mất khả năng điều khiển hoặc khi ô tô khởi hành hay tăng tốc độ đột ngột
trên đờng có hệ số bám thấp thì rất có thể các bánh xe chủ động bị trợt quay
tại chỗ dẫn đến làm mất mát mô men chủ động và có thể làm trợt xe. Đặc biệt
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô

SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 7 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
có những trờng hợp ô tô mất ổn định động học trong quá trình tăng tốc hay
quay vòng( quay vòng thừa hoặc quay vòng thiếu) cũng dẫn đến các tình
huống nguy hiểm cho ô tô. Ô tô chuyển động trên đờng với quỹ đạo rất phức
tạp, nếu ô tô chuyển động với tốc độ cao, gặp chớng ngại vật cần phanh gấp
hoặc cần đổi hớng chuyển động một cách đột ngột để tránh chớng ngại vật có
thể làm xe bị lật.
Các nguyên nhân trên đặt ra cho chúng ta một vấn đề là cần có một hệ
thống kết hợp các hệ thống trên để có thể kiểm soát đợc tất cả các tình huống
xảy ra làm mất ổn định cho ô tô. Và hệ thống : ổn định quỹ đạo chuyển
động điện tử ESC (Electronic Stability Control) có thể giải quyết đợc vấn
đề này. Nh đã nói ở trên đây là một hệ thống rất mới và có nhiều tiện ích nên
việc nghiên cứu nó là một vấn đề cần thiết để có thể hiểu rõ và ứng dụng vào
thực tiễn ở Việt Nam.
II- mục đích, ph ơng h ớng nghiên cứu và nhiệm vụ của
đề tài

1- Mục đích của đề tài
Do hệ thống ESC còn khá mới mẻ và cha đợc phổ biến ở Việt Nam, nên
mục đích chủ yếu của đề tài là xây dựng đợc những hiểu biết cơ bản nhất về hệ
thống và giới thiệu đến những ngời quan tâm. Từ đó làm cơ sở lý thuyết, tài
liệu tham khảo để có thể tiếp tục nghiên cứu sâu hơn và ứng dụng trong thực
tiễn công việc sau này.
2- Ph ơng h ớng nghiên cứu của đề tài.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 8 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Dựa trên các tài liệu về hệ thống của các hãng sản xuất ô tô lớn nh:

Mercedes-Benz, BMW, Toyota, Honda...Và một số tài liệu khác, đề tài tập
trung vào giới thiệu một cách tổng quan nhất về hệ thống, để có những hiểu
biết cơ bản về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cũng nh các tác dụng mà hệ thống
mang lại cho chúng ta.
3- Nhiệm vụ của đề tài.
Giới thiệu tổng quan về hệ thống ESC.
Xây dựng cơ sở lý thuyết cho hoạt động của hệ thống ESC
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống.
III- Tổng quan về hệ thống ESC
1- Quá trình hình thành và phát triển.
ESC là tên viết tắt của Electronic Stability Control, là một trong những hệ
thống an toàn đợc trang bị trên ô tô hiện đại ngày nay. Hệ thống này đợc một
kỹ s ngời Đức triển khai đầu tiên với tên gọi Elektronisches Stabilitọts
Program (ESP) và đợc hai hãng sản xuất ô tô là Mercedes-Benz và BMW ứng
dụng lần đầu tiên trên ô tô vào năm 1995. Sau đó nó đợc giới thiệu tại hội trợ
triển lãm ô tô Mỹ với cái tên ESC (Electronic Stability Control) và sau này tên
gọi ESC trở thành thông dụng với sự chấp nhận của hiệp hội kỹ s ô tô Mỹ, mặc
dù cũng có rất nhiều tên gọi khác nhau tuỳ theo nhà sản xuất.
Có thể nói ESC là hệ thống còn rất mới mẻ đối với nớc ta nhng trên thế giới
thì ESC đã trở thành một hệ thống khá quen thuộc đối với ngành công nghiệp
ô tô nói riêng và với ngời sử dụng ô tô nói chung. Sự phổ biến của hệ thống
này có thể thấy rõ qua những số liệu sau: ESC là tiêu chuẩn trên 40% xe khách
năm 2006 và tuỳ chọn trên 15% với các loại xe khác tại Đức. Nó là tiêu chuẩn
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 9 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
trên mọi xe: Audi 2006, BMW, Infiniti, Mercedes-Benz, Porsche. Tám hãng
chế tạo ô tô khác là: Cadillac , Jaguard, Randrover, Lexus, Mini, Toyota,
Volkswagen, Volvo cũng đã đa ra ít nhất là tùy chọn trên tất cả các mẫu xe.

Sau những nghiên cứu trong năm 2004 của cục an toàn giao thông quốc gia
Mỹ, một số nhà sản xuất thông báo kế hoạch chế tạo chuẩn ESC trên tất cả các
mẫu xe SUV. Tỷ lệ những xe SUV có trang bị ESC nh một thiết bị chuẩn đã và
đang phát triển nhanh trên thị trờng ô tô. Hiện tại khoảng 70% số xe thể thao
đa dụng SUV và 40% xe du lịch tại Mỹ đợc trang bị ESC nh một thiết bị tiêu
chuẩn.
Mới đây viện nghiên cứu bảo hiểm an toàn giao thông quốc gia Mỹ(IIHS)
tuyên bố Hệ thống ổn định điện tử ESC sẽ là thiết bị chuẩn trên tất cả các xe
ô tô ở nớc này.
Hiện nay, ngoài tên gọi phổ biến là ESC (Electronic Stability Control) và
ESP (Electronic Stability Program) thì hệ thống ổn định điện tử còn đợc gọi
biết đến với nhiều tên khác, tùy theo từng hãng sản xuất mà có các tên khác
nhau, ví dụ:
+) Audi: ESP - Electronic Stabilization Program
+) Chevrolet: StabiliTrak (except Corvette - Active Handling)
+) Chrysler: Electronic Stability Program (ESP)
+) Fiat: Electronic Stability Program (ESP)
+) Ferrari: Control Stability (CST)
+) Ford: AdvanceTrac and Interactive Vehicle Dynamics
+) Hyundai: Electronic Stability Program
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 10 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
+) Honda: Electronic Stability Control (ESC) and Vehicle
Stability Assist (VSA)
+) Infiniti: Vehicle Dynamic Control (VDC)
+) Jaguar: Dynamic Stability Control (DSC)
+) Jeep: Electronic Stability Program (ESP)
+) Land Rover: Dynamic Stability Control (DSC)

+) Lexus: Vehicle Stability Control (VSC) and Traction
Control (TRAC) systems
+) Lincoln: AdvanceTrak
+) Mazda: Dynamic Stability Control
+) Mercedes: Electronic Stability Program (ESP)
+) Nissan: Vehicle Dynamic Control (VDC)
+) Porsche: Porsche Stability Management (PSM)
+) Suzuki: Vehicle Stability Control (VSC)
+) Toyota: Vehicle Dynamics Integrated Management
(VDIM) with Vehicle Stability Control (VSC)
2- Cơ sở cho sự ra đời của hệ thống ESC
Trớc hết chúng ta cần hiểu thế nào là tính ổn định của ô tô. Nói một
cách khái quát, tính ổn định của ô tô là khả năng đảm bảo giữ đợc quỹ đạo
chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau. Tùy
thuộc điều kiện sử dụng, ô tô có thể đứng yên, chuyển động trên đờng dốc (đ-
ờng có góc nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang), có thể quay vòng hoặc phanh ở
các loại đờng khác nhau (đờng tốt, đờng xấu, đờng trơn trợt...). Trong những
điều kiện chuyển động phức tạp nh vậy, ô tô phải giữ đợc quỹ đạo chuyển
động của nó sao cho không bị lật đổ, không bị trợt hoăc xe không bị nghiêng,
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 11 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
cầu xe bị quay lệch trong giới hạn cho phép để đảm bảo cho xe chuyển động
an toàn. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, rất nhiều hệ thống
tích hợp trên ô tô cũng đợc nghiên cứu và phát triển nhằm đảm bảo sự ổn định
cho xe.
Năm 1949 bộ chống hãm cứng bánh xe ABS đợc sử dụng đầu tiên trong
ngành hàng không, ABS lúc đó là loại cơ khí. Trong quá trình phát triển, ABS
đã đợc cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và nay là loại điện tử. Trong ngành

ô tô thì ABS xuất hiên đầu tiên vào năm 1969, trên thế giới nhiều hãng đã đi
sâu nghiên cứu để trang bị cho ô tô của mình nh: Ford, GM, Bendix, Fiat,
Toyota,...Hệ thống ABS có hiệu quả rất cao trong việc chống hãm cứng bánh
xe khi phanh. Tuy nhiên hệ thống ABS thông thờng chỉ có tác dụng trong việc
hãm cứng bánh xe mà không có hiệu quả trong việc phân bố lực phanh cho các
bánh xe khi trọng tải trên các cầu thay đổi, vì thế mà hiệu quả phanh đạt đợc
là không cao nhất. Để giải quyết khuyết điểm này, trên hệ thống ABS đã đợc
tích hợp thêm hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD (Electronic Brake-
force Distribution). EBD là một công nghệ cho phép tăng lục phanh của xe
hoặc ứng dụng một cách tự động tùy theo điều kiện đờng, tốc độ của xe, tải
trọng của xe. EBD theo dõi quá một cách tự động thông qua các cảm biến
những điều kiện của đờng theo dõi áp suất của bàn đạp phanh, tải trọng của xe
để xác định thời điểm áp dụng lực ép tới các xy lanh bánh xe. Các cảm biến
đợc thiết kế để theo dõi sự chuyển động của các bánh xe và xác định dựa trên
cơ sở tải trọng, thông số mà các bánh xe phải sử dụng lực tác dụng nhiều nhất
ứng với từng điều kiện. Nhờ sự phân phối lực phanh một cách chính xác tự
động kết hợp với hệ thống ABS sẽ làm tăng khả năng chống bó cứng bánh xe
trong các điều kiện chuyển động khác nhau nh khi quay vòng. Nhờ đó tăng
tính ổn định hớng chuyển động của xe. Tuy nhiên trong quá trình chuyển động
của ô tô có rất nhiều yếu tố dẫn đến mất ổn định xe.ở đờng có hệ số bám
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 12 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
thấp , các bánh xe chủ động dễ bị trợt quay nếu xe khởi hành hay tăng tốc đột
ngột do lực kéo vợt quá giới hạn bám giữa lốp và mặt đờng, làm mất mát mô
men chủ động và xe mất ổn định.Để khắc phục hiện tợng này,phần lớn các xe
ngày nay đợc trang bị hệ thống kiểm soát lực kéo TRC ( Traction Control
System). Hệ thống này thiết kế dựa trên cơ sở của một hệ thống ABS. Khi có
hiện tợng trợt quay của bánh xe, hệ thống TRC sẽ có đồng thời hai tác dụng:

làm giảm mô mên xoắn của động cơ bằng cách đóng bớt bớm ga mà không
phụ thuộc vào ý định của ngời lái và cùng lúc đó kết hợp với hệ thống ABS
điều khiển hệ thống phanh tác dụng lên các bánh xe chủ động,vì vậy làm giảm
mô men kéo truyền tới mặt đờng tới một giá trị phù hợp. Nhờ đó xe có thể
khởi động và tăng tốc một cách nhanh chóng và ổn định.
Trên một số xe hiện nay trongtrờng hợp phanh khẩn cấp nh gặp chơng
ngại vật độ ngột ngời lái xe đặc biệt là ngờithiếu kinhnghiệm , thờng hoang
mang va phản ứng không kịp thời nên đạp chân lên bàn phanh không đủ
mạnh , do đó không đủ lục phanh để dừng xe,. Lực phanh tác dụng lên bàn
đạp cũng yếu dần đi trong quá trình phanh làm giảm tác dụng phanh.
Bằng cách nhận biết tốc độ và lực tác dụng lên bàn đạp phanh của ngời
lái xe, một hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp BAS Brake Assist System sẽ tự
động cung cấp thêmmọt lực phanh lớn hơn nhiều so với lực phanh do ngời lái
tạo ra để dừng hẳn xe.
Do sự phát triển , ngày nay ESC la kết hợp của tất cả các hệ thống trên.
ESC ngày càng đợc tích hợp nhiều hệ thống đi cùng để nhằm tăng tính an toàn
cho xe.
Có thể nói hệ thống ổn định điện tử ESC là một thành tựu mới của
nghành công nghiệp ô tô trong việc nâng cao tính an toàn cho ngời sử dụng.
Sự ra đời của ESC gắn liền với quá trình hoàn thiện của các hệ thống điện tử
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 13 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
khác liên quan đến tính an toàn đó là: Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi
phanh ABS (Anti-lock Braking Sytem), hệ thống kiểm soát lực kéo TRC. Và
ESC chính là sự kết hợp của hai hệ thống này, nó làm việc dựa trên cơ sở kế
thừa và phát huy nhng u điểm của cả hai hệ thống và kết hợp chúng một cách
hoàn hảo. Ta có thể tóm tắt qua sơ đồ sau:
Từ sơ đồ trên ta có thể thấy hệ thống ESC làm việc dựa trên nền tảng sự

kết hợp của hệ thống ABS phức hợp và hệ thống TRC. Chính nhờ sự kết hợp
này nên hầu hết các nguyên nhân gây mất an toàn cho xe đều đợc kiểm soát và
ngăn chăn một cách kịp thời ngay khi nó có xu hớng xảy ra. Sau đây chúng ta
sẽ tìm hiểu sâu hơn về hệ thống ESC.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 14 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Chơng II
Cơ sở lý thuyết của hệ thống ESC
I . Động lực học của ô tô khi phanh
Quan hệ giữa lốp và mặt đờng :
Lực phanh sinh ra ở mỗi bánh của ô tô trong suốt quá trình phanh là một
hàm của phản lực từ mặt đờng tác dụng vuông góc lên bánh xe và hệ số bám
giữa lốp và mặt đờng.
Ta có sơ đồ động lực học của ô tô nhh sau :
Quan hệ giữa trọng lợng đặt lên bánh xe và lực phanh đợc biểu diễn bởi
công thức (1-1):
tdx
GF .

=
(1-1)
Trong đó : F
x
- Lực phanh.


- Hệ số bám giữa lốp và mặt đờng

td
G
- Tải trọng tĩnh và động đặt lên bánh xe.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 15 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Hệ số bám giữa lốp và đờng không phải là một hằng số mà là một hàm của
các nhân tố, nó phụ thuộc vào loại bề mặt đờng cũng nh mức độ trợt dọc giữa
lốp và mặt đờng. Các đờng cong quan hệ giữa hệ số bám dọc với độ trợt bánh
xe trên các bề mặt đờng khác nhau trình bày trên hình 1-1.
Lực phanh sinh ra phụ thuộc vào mức độ trợt bánh xe. Nếu bánh xe trợt
hoàn toàn, không có lực phanh. Mối quan hệ này là nguyên tắc cơ bản để
hiểu quá trình phanh và không dễ quan sát khi độ trợt gần 100% (bánh xe
trợt lết hoàn toàn) khó nhận thấy khi không có thiết bị chuyên dùng.
Lực phanh cao nhất có đợc khi mức độ trợt nhỏ. Khi cung cấp lực phanh
quá lớn sẽ gây ra trợt 100 % và nh thế sẽ không sinh ra lực phanh cực đại,
vì vậy cần điều khiển áp suất phanh cung cấp bằng kỹ năng của ngời lái
hoặc thông qua bộ điều khiển chống hãm cứng để quãng đờng phanh ngắn
nhất trên hầu hết các bề mặt.
Lực phanh sinh ra biến đổi nhiều theo bề mặt đờng. Quãng đờng phanh
và gia tốc phanh rất dễ nhận ra khi phanh trên đờng asphalt khô so sánh với
phanh trên đờng đóng băng.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 16 -
20
0.2
0.4
0.6

0.8
40 60 80 100
x

%
Đường bê tông khô
Đường ướt - lốp có vấu bám
Đường tuyết mềm
Đường đóng băng
Hình 1-1. Quan hệ giữa hệ số bám dọc với độ trượt trên các
mặt đường khác nhau
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Khi vợt qua điểm có hệ số bám lớn nhất đờng cong

() ( - độ trợt)
sẽ đi xuống. Điều này nói lên rằng, khi lực phanh bằng với lực bám cực đại
thì tăng thêm lực phanh cũng không có kết quả và giải thích đợc vì sao một
ngời lái có kinh nghiệm có thể đạt đợc quãng đờng phanh ngắn hơn đáng kể
hơn một ngời lái xe thiếu kinh nghiệm.
Một đặc điểm khác quan trọng của lốp ôtô trong khi phanh sinh ra lực
bên chống lại sự trợt bên. phản Lực bên là lực giữ cho lốp xe khỏi trợt theo
phơng vuông góc với phơng chuyển động của xe. Công thức lực bên đợc
viết nh sau:
tdyy
GF .

=
(1-2)
+ Trong đó : F
y

- lực bên.

y

- hệ số bám ngang giữa lốp và mặt đờng.
Hệ số bám ngang giảm nhanh khi một bánh xe bắt đầu trợt dọc. Khi
bánh sau trợt quá lớn dẫn đến mất lực bên sẽ góp phần làm không ổn định
phần đuôi xe dẫn đến sự trợt ngang khi có lực bên nhỏ tác động vào xe.
Bánh xe trợt quá lớn dẫn đến mất lực bên tác động lên các bánh trớc của xe
làm tăng khả năng mất lái; hiện tợng mất lái này thờng xảy ra khi phanh
gấp trên đờng có hệ số bám thấp nh đờng đóng băng, tác dụng lực phanh
quá lớn làm cho lốp ở trạng thái trợt 100%.
Trong quá trình phanh ô tô thờng xảy ra sự trợt tơng đối của bánh xe với
mặt đờng , mà hệ số bám của bánh xe và mắt đờng lại phụ thuộc rất nhiều
vào độ trợt này, do dố làm ảnh hởng đến chất lợng phanh.sự thay đổi của lực
bám theo độ trợt đợc chỉ rõ trên đồ thị thực nghiệm sau:
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 17 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Đồ thị thay đổi hệ số bám dọc và ngang
theo độ trợt tơng đối của bánh xe khi phanh
+ Độ trợt tơng đối đợc xác định theo công thức sau:

.
bx bx
V r
V

=
+ Trong đó : V: vận tốc của xe

bx
: vận tốc của bánh xe khi phanh
r
bx
: bán kính làm việc của bánh xe;
Từ đồ thi trên ta thấy hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại ở giá trị độ trợt tối
u. Thực nghiệm chứng tỏ rằng giá tri hệ số bám dọc đạt đợc cực đại, khi độ tr-
ợt nằm trong khoảng (10-30)%, ở giá trị độ trợt
o
tối u này không những đảm
bảo cho hệ số bám dọc có giá trị cực đại mà còn cho giá trị hệ số bám ngang
khá cao.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 18 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Nh vậy giữ cho quá trình phanh xảy ra ở vùng trợt tối u của bánh xe
o
thì
sẽ đạt đơc lực phanh tối u hay hiệu quả phanh cao nhất, đồng thời đảm bảo
tốt tính dẫn hớng và tính ổn định hớng khi phanh do hệ số bám ngang
y
đạt giá trị cao muốn có đợc điều đó thì lái xe trong quá trình phanh phải
thực hiện thao tác đạp - nhả-đạp liên tục trong khoảng thời gian vô cùng
nhỏ. Tuy nhiên trong thời gian phanh gấp lái xe không thể đủ thời gian để
thực hiện những thao tác đó, Do vậy khi phanh trong tình trạng khẩn cấp,

lực phạnh tạo ra do lái xe thờng lớn hơn lực phanh tối u, điều này dẫn điến
bó cứng bánh xe, làm mất khả năng kiểm soát cua lái xe cả về hớng và khả
năng điều khiển phanh dẫn đến gây ra tai nạn. Để giúp cho lái xe có thể
phanh với hiệu quả phanh tối u, tức là phanh trong trạng thái gấp với hệ số
trợt tối u thì các ô tô hiện đại ngày nay đã đợc trang bị hệ thống chống bố
cứng phanh ABS. Hệ thống này dùng một bộ vi xử lý để xác định tình trạng
quay của 4 bánh xe trong khi phanh và có thể tự động điều khiển tăng giảm
lực phanh để đảm bảo cho quá trình phanh không xảy ra hiện tợng bó cứng
bánh xe.
Để đánh giá tính ổn định dẫn hớng của ôtô khi phanh ngời ta dùng một
số chỉ tiêu sau:
- Góc lệch của ôtô khi phanh, về mặt lý thuyết góc này xác định đợc.
- Hành lang cho phép mà ôtô không đợc vợt ra ngoài ở cuối quá trình
phanh.
- Hệ số không đồng đều lực phanh.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 19 -
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
II. Động lực học ôtô khi khởi hành hoặc tăng tốc

ở
đờng có hệ số bám thấp, chẳng hạn nh đờng băng, tuyết hay đờng ớt,
bánh xe chủ động sẽ bị quay tại chỗ nếu xe khởi hành hay tăng tốc nhanh,
làm mất mát mômen chủ động và có thể làm trợt xe. Mômen cực đại có thể
truyền đến các bánh xe đợc quyết định bởi hệ số ma sát giữa lốp xe và mặt
đờng. Nếu cố truyền mômen đến các bánh xe vợt quá mức này, nó sẽ làm
bánh xe dễ bị trợt quay. Việc đảm bảo mômen phù hợp với hệ số ma sát
trong các trờng hợp này đôi khi không dễ dàng với cả ngời lái. ở phần lớn
các trờng hợp, khi khởi hành xe đột ngột, ngời lái đạp chân ga quá mạnh và

làm bánh xe bị trợt quay, mất mát lực kéo và mômen. Hệ thống điều khiển
lực kéo (TRC) giảm mômen xoắn của động cơ khi bánh xe bắt đầu trợt quay
không phụ thuộc vào ý định của ngời lái, cùng lúc đó nó điều khiển hệ
thống phanh vì vậy giảm mômen truyền đến mặt đờng tới một giá trị phù
hợp. Vì vậy có thể khởi hành và tăng tốc một cách nhanh chóng và ổn định.
Trên hình 2.1 là sơ đồ khối của hệ thống TRC:
Yêu cầu thiết yếu của các hệ thống điều khiển lực kéo là tối u hóa tính ổn
định của xe (với cầu sau chủ động) và điều khiển tính dẫn hớng (với cầu trớc
chủ động) duy trì khả năng bám bên thích hợp. Phơng thức cơ bản nhất đạt
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 20 -
Các cảm
biến bánh xe
Công tắc
điều khiển
ECU
ECU động
cơ
Bộ điều
khiển thuỷ
lực
Chẩn đoán
Đánh lửa
Bướm ga
Xylanh
phanh
Hình 2.1- Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lực kéo
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
đợc bằng điều khiển riêng mô men động cơ. Tất cả các bánh xe chủ động đ-

ợc truyền lực kéo nh nhau, tơng ứng với khả năng bám ở bánh xe có lực bám
thấp và vì vậy khả năng bám bên ở các bánh xe có độ bám dọc lớn sẽ lớn
hơn. Khi khả năng bám xấp xỉ ở tất cả các bánh chủ động, hệ thống làm tăng
tính ổn định của xe (điều khiển tính dẫn hớng). Khi tăng lực kéo, các bánh
xe trợt lết nên có thể không điều khiển đợc xe. Hệ thống điều khiển lực kéo
kết hợp chặt chẽ với bộ điều khiển mô men động cơ và bổ sung thêm phanh
(hoặc điều khiển vi sai) có thể áp dụng đồng thời để đảm bảo tính ổn định
của xe (điều khiển tính dẫn hớng) và tối u sự tăng tốc. Bộ điều khiển mômen
động cơ là phơng pháp đợc u tiên trên các mặt đờng có đủ điều kiện bám
đồng nhất, trong khi tác dụng lực phanh (hoặc điều khiển vi sai) cung cấp sự
tăng tốc tối u ở tất cả các bánh xe chủ động.
Hình 2.2 trình bày lực tác động lên các bánh xe khi tăng tốc trên đờng có
bề mặt không đồng nhất.
Lực kéo cực đại có thể đơc tính nh sau:
BLLH
FFFFF
+=+=
2
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 21 -
F
B
F
L
L

F
H
F

B
H

Hình 2..2- Các lực tác dụng lên bánh khi tăng tốc trên đư
ờng có hệ số bám không đồng nhất
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
+ Trong đó:
F- Tổng lực kéo.
F
H
- Lực kéo ở bánh có hệ số bám cao.
F
L
- Lực kéo ở bánh có hệ số bám thấp.
F
B
- Lực phanh.
L

Hệ số bám thấp.
H

Hệ số bám cao.
Lực tăng tốc đợc truyền khi xe đi thẳng cũng nh khi quay vòng về nguyên
tắc là nh nhau cũng tơng tự nh trong quá trình phanh. Độ trợt khi phanh là:
V
RV
R
B

=
+ Độ trợt khi tăng tốc
V
Vr
R
A

=


với
R
r V
+ Trong đó:
A
và
B
lần lợt là độ trợt khi tăng tốc và khi phanh.
Độ trợt khi tăng tốc có thể nằm trong khoảng từ 0 tới rất cao và thờng đợc
sử dụng để mô tả các điều kiện có thể xảy ra khi các bánh chủ động trợt
quay khi tăng tốc lúc khởi hành. Hình 2.3 tới hình 2.6 mô tả quá trình tăng
tốc và hệ số bám bên là một hàm của độ trợt khi tăng tốc.
Hình dới đây cung cấp mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và độ trợt khi
tăng tốc trên đờng thẳng. Yêu cầu duy trì độ bám bên nhỏ ở những điều kiện
này (ví dụ sự bù gió bên), sự duy trì lực kéo mới là nhân tố chính.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 22 -

1.0
0.6
0.4
0.2
1.0
0.8
3.0
4.0
0.2
Đường đóng băng
Đường nhiều tuyết
Đường cát xốp, sỏi
Đường khô
Độ trượt khi tăng tốc
Hệ số lực
tăng tốc
Hình 2..3- Quan hệ giữa hệ số bám dọc với độ trợt khi tăng tốc
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Hình 2.4 là đồ thị quan hệ giữa hệ số bám ngang với góc trợt . Góc trợt
ngang tới hạn nằm trong khoảng 12- 15
0
. Để điều khiển phanh, cần phải xem
xét đến cả lực bên.
Trên những mặt đờng khô, lực tăng tốc cực đại có thể đạt đợc ở độ trợt từ
10-30 %, khi lực kéo tăng khoảng 5-10 % có thể dẫn đến trợt các bánh xe
chủ động.
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 23 -
Hệ số bám dọc và bám ngang

,
1.00.60.2 0.4 0.8
Độ trượt giữa lốp và mặt đường
A
(%)
0.2
0.4
0.8
0.6
1.0
=4
0
=8
0
=4
0
=8
0
Hình 2.5- Hệ số bám dọc và hệ số bám
ngang ở các góc trượt khác nhau trên đư
ờng khô.
à
S
à
A
Hình 2.4- Đồ thị hệ số bám ngang theo góc
trượt
0.2
0.4
0.6

0.8
12-15
Góc trượt

Hệ số bám
ngang
àx
Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
Trên mặt đờng băng tuyết, lực kéo cực đại đạt đợc ở độ trợt nhỏ (2-5%).
Trên đờng cát xốp, sỏi và đờng dày tuyết, hệ số bám khi tăng tốc tăng liên
tục cùng với độ trợt, và nó chỉ đạt giá trị cực đại tại điểm có độ trợt trên 60
%. Do đó, tốc độ trợt khoảng 2-20 % đã tìm đợc vùng hoạt động của ASR sẽ
không cung cấp lực kéo thích hợp ở mọi điều kiện.
Vì lý do này, tất cả các hệ thống ASR kết hợp với công tắc ngỡng trợt
hoặc khoá cắt ASR, điều này cho phép ngời lái điều chỉnh lại ngỡng trợt của
ASR tới mức cao hơn, hoặc tắt hoàn toàn hệ thống khi cần thiết.
Hình 2.5 và 2.6 mô tả sự tăng tốc trên đờng vòng; ở những điều kiện này
các bánh xe chủ động là yếu tố làm thay đổi góc đặt lực bên và là một hàm
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 24 -
Hình 2.6- Hệ số bám dọc và bám ngang ở các góc trượt khác
nhau trên đường đóng băng
0.10
Hệ
số
bá
m
dọ
c

và
bá
m
ng
an
g

x
,

y
Độ trượt giữa lốp và mặt đường
A
= 0.5
0
0.4 0.6 0.8
0.05
1.0
0.15
= 1
0
= 1
0
= 0.5
0

x

y
0.2

Trờng ĐH GTVT HN Báo cáo NCKHSV năm 2008
của độ trợt bên khi xe tăng tốc. Việc tăng mức độ trợt khi tăng tốc (và tăng
lực tăng tốc) là nguyên nhân làm giảm lực bên.
Hình 2.5 biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và bám ngang khi xe
chạy trên đờng khô với các góc trợt khác nhau. Đờng cong bắt đầu từ độ trợt
khi tăng tốc bằng 0. Ban đầu hệ số lực bên có chiều hớng giảm từ từ. Tuy
nhiên, tiếp tục tăng hệ số lực bám khiến hệ số lực bên giảm đáng kể. Hình vẽ
chỉ ra rằng lực tăng tốc phải đợc giới hạn bởi khả năng bám nếu đủ lực bên
để duy trì.
Trên mặt đờng đóng băng (hình 2.6), hệ số bám bị hạn chế nghĩa là sự ổn
định của xe khi tăng tốc chỉ đợc duy trì khi góc trợt nhỏ ( 2
0
). Khi góc trợt
rất nhỏ ( 0.05
0
) sẽ làm hệ số bám bên giảm đáng kể. Điều này cho chúng ta
thấy rất rõ việc điều khiển độ trợt là cần thiết khi xe chạy trên đờng băng
tuyết (và các đờng khác có hệ số bám thấp). Bộ điều khiển lực kéo phải có
độ chính xác cao, tín hiệu xử lý và cơ cấu chấp hành của phần tử điều khiển
cuối cùng phải nhanh và chính xác.
III- Sự ổn định động học của ô tô khi quay vòng
Khi xe quay vòng, dới tác dụng của lực ly tâm thân xe bị nghiêng quanh
trục nào đó gần sát trục dọc của xe một góc nào đó.
Mô men quay do lực ly tâm đặt cách trục nghiêng thân xe là h. Khi đó
mô men quay do lực ly tâm sẽ là:
h
R
v
GM
n

..
2
=
(3-1)
-
GVHD : TS.Nguyễn Tuấn Anh - Bộ môn Cơ khí Ôtô
SVTH : Nhóm sinh viên Cơ khí Ôtô A-K45 - 25 -