Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi, đề tài được thực hiện tại bộ
mơn Ơ tơ, trường Đại học Giao Thơng Vận Tải dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Đào
Mạnh Hùng và TS. Nguyễn Khắc Huân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn
là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Tác giả

Nguyễn Anh Tuấn


ii

LỜI CẢM ƠN
Xin trân trọng cảm ơn tới Thầy Đào Mạnh Hùng và Thầy Nguyễn Khắc Huân
đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận án. Trân trọng gửi lời cảm ơn đến
toàn thể các Thầy tại bộ mơn Cơ khí Ơ tơ đã hướng dẫn, tư vấn, đóng góp ý kiến trong
q trình thực hiện luận án.
Trân trọng cảm ơn các Thầy Cô, đồng nghiệp Trường Đại học Giao Thông vận
tải, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Cao đẳng Lý Tự
Trọng Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi và góp ý trong q trình thực
hiện luận án.
Trân trọng cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè đã động viên hỗ trợ
trong quá trình thực hiện luận án.

Tác giả


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................. xi
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................................. 4
1.1. Tổng quan về ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô .......................................... 4
1.1.1. Khái quát về an toàn chuyển động ................................................................. 4
1.1.2. Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô.......................................................... 4
1.1.3. Bánh xe dẫn hướng ...................................................................................... 10
1.1.4. Quá trình phát triển hệ thống lái trên ơ tơ .................................................... 11
1.2. Tình hình nghiên cứu ngồi và trong nước......................................................... 18
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước ................................................................ 18
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................. 22
1.3. Xác định mục tiêu, đối tượng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của luận án . 23
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu..................................................................................... 23
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................. 24
1.3.4. Nội dung nghiên cứu của đề tài ................................................................... 24
1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................... 24
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ VÀ HỆ
THỐNG LÁI.................................................................................................................. 26
2.1. Xây dựng mơ hình chuyển động của ơ tơ ........................................................... 26

2.1.1. Mơ hình động lực học ơ tơ chuyển động trong mặt phẳng .......................... 26
2.1.2. Mơ hình động lực học của bánh xe đàn hồi ................................................. 29
2.1.3. Mơ hình xác định tải trọng tác dụng lên các bánh xe .................................. 32
2.2. Xây dựng mơ hình mơ phỏng chuyển động của ơ tô .......................................... 33
2.2.1. Sơ đồ khối mô phỏng chuyển động ô tô trong mặt phẳng ........................... 33
2.2.2. Sơ đồ thuật tốn ........................................................................................... 34
2.2.3. Sơ đồ mơ phỏng Matlab - Simulink ............................................................. 35
2.3. Xây dựng mơ hình hệ thống lái ơ tơ ................................................................... 37
2.3.1. Mơ hình hệ thống lái tích cực ...................................................................... 37


iv
2.3.2. Mơ hình tốn học hệ thống lái tích cực ........................................................ 40
2.4. Mơ hình mơ phỏng hệ thống lái .......................................................................... 49
2.4.1.Sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng với
hệ thống lái ............................................................................................................. 49
2.4.2. Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng hệ thống lái tích cực......................................... 51
2.4.3. Sơ đồ Matlab - Simulink mô phỏng hệ thống lái ......................................... 52
2.5. Kết luận ............................................................................................................... 53
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA
Ô TƠ VỚI HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC ..................................................................... 54
3.1. Thiết kế bộ điều khiển ........................................................................................ 54
3.1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 54
3.1.2. Sơ đồ khối động lực học chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực ... 54
3.1.3. Thiết kế bộ điều khiển AFS - Fuzzy Logic .................................................. 55
3.1.4. Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy logic của mô tơ với hệ thống lái tích cực ..... 61
3.2. Mơ phỏng khảo sát chuyển động của ô tô với tác động điều khiển tỉ số truyền
của hệ thống lái .......................................................................................................... 62
3.2.1. Khảo sát chuyển động của ô tô khi quay vòng trong các điều kiện khai thác
khác nhau ............................................................................................................... 62

3.2.2. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển động thẳng ............................... 69
3.2.3. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển làn ............................................ 72
3.3. Kết luận chương 3 ............................................................................................... 75
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM........................................................... 76
4.1. Mục đích, nhiệm vụ và đối tượng thí nghiệm..................................................... 76
4.1.1. Mục đích thí nghiệm .................................................................................... 76
4.1.2. Đối tượng thí nghiệm ................................................................................... 76
4.1.3. Điều kiện thí nghiệm .................................................................................... 77
4.2. Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống lái tích cực AFS...................................... 78
4.2.1. Kết cấu cơ khí hệ thống lái và cầu trước...................................................... 78
4.2.2. Bộ phận tạo tải ............................................................................................. 80
4.2.3. Cụm đo góc quay bánh xe dẫn hướng .......................................................... 81
4.2.4. Cảm biến đo góc quay .................................................................................. 81
4.2.5. Máy tính kết nối ........................................................................................... 81
4.2.6. Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều không chổi than (BLDCM)........... 82
4.2.7. Chế tạo bộ điều khiển mô tơ của hệ thống lái tích cực ................................ 87
4.3. Quy trình thí nghiệm khảo sát chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực . 93


v
4.4. Kết quả thí nghiệm khảo sát chuyển động quay vịng của ơ tơ (J-turn) ............. 94
4.4.1. Khi độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn độ cứng ngang lốp sau .................... 95
4.4.2 Khi độ cứng ngang lốp trước lớn hơn độ cứng ngang lốp sau ...................... 97
4.5. Kết quả khảo sát quỹ đạo của ô tô khi chuyển động thẳng ................................ 99
4.5.1. Quỹ đạo chuyển động của ô tô dưới tác động của lực gió ngang ................ 99
4.5.2. Khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô khi thay đổi tốc độ ..................... 100
4.6. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển làn ................................................ 101
4.7. Phương pháp đánh giá sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm ........................... 102
4.8. So sánh đánh giá kết quả giữa thực nghiệm với mô phỏng lý thuyết ............... 103
4.9. Kết luận chương 4 ............................................................................................. 105

KẾT LUẬN ................................................................................................................. 106
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU................................................... 108
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 113
PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................. 114
PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................. 129
PHỤ LỤC 3 ................................................................................................................. 143
PHỤ LỤC 4 ................................................................................................................. 148


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mơ hình ơ tơ một vết ....................................................................................... 5
Hình 1.2. Quan hệ giữa các trạng thái quay vòng với độ cứng bên của lốp và tọa độ
trọng tâm ơ tơ ................................................................................................. 7
Hình 1.3. Ảnh hưởng của Ks đến quan hệ giữa góc quay thực tế và gia tốc hướng tâm
với bán kính quay vịng R = const. ................................................................ 8
Hình 1.4. Ảnh hưởng của gió ngang và biến dạng của lốp đến ổn định hướng chuyển
động ................................................................................................................ 9
Hình 1.5. Mất ổn định hướng do lực phanh khơng đều................................................. 10
Hình 1.6. Các góc đặt bánh xe ....................................................................................... 10
Hình 1.7. Sơ đồ tiến trình phát triển của hệ thống lái ................................................... 11
Hình 1.8. Hệ thống lái cơ khí ....................................................................................... 11
Hình 1.9. Hệ thống lái thủy lực ..................................................................................... 12
Hình 1.10. Hệ thống lái thủy lực điều khiển bằng điện tử ........................................... 12
Hình 1.11. Hệ thống lái trợ lực điện ............................................................................. 13
Hình 1.12. Mơ hình hệ thống lái AFS ........................................................................... 14
Hình 1.13. Cơ cấu chấp hành của hệ thống lái tích cực AFS ........................................ 14
Hình 1.14. Quan hệ giữa tỷ số truyền của hệ thống lái và tốc độ chuyển động của ơ tơ .... 15
Hình 1.15. Bộ chấp hành VGRS .................................................................................. 15

Hình 1.16. Cơ cấu VGRS .............................................................................................. 16
Hình 1.17. Cơ cấu bộ giảm tốc ...................................................................................... 16
Hình 1.18. Cơ cấu hãm mơ tơ ....................................................................................... 17
Hình 1.19. Quy luật thay đổi tỷ số truyền góc của cơ cấu lái ....................................... 17
Hình 1.20. Đồ thị tỷ số truyền hệ thống lái tích cực ..................................................... 18
Hình 1.21. Quan hệ giữa tỷ số truyền và vận tốc ơ tơ .................................................. 19
Hình 1.22. Đường thử nghiệm chuyển làn của ơ tơ ..................................................... 20
Hình 1.23. Sơ đồ điều khiển hệ thống AFS ................................................................... 22
Hình 1.24. Mối quan hệ giữa tỷ số truyền và tốc độ ..................................................... 22
Hình 2.1. Mơ hình chuyển động của ơ tơ trong mặt phẳng .......................................... 27
Hình 2.2. Các lực tác dụng từ mặt đường lên bánh xe ................................................. 30
Hình 2.3. Các góc quay của bánh xe ............................................................................ 30
Hình 2.4. Quan hệ giữa góc lệch bên và phản lực ngang theo cơng thức Magic Formula . 32
Hình 2.5. Mơ hình xác định tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe ................. 32
Hình 2.6. Sơ đồ khối mơ phỏng chuyển động ơ tô trong mặt phẳng ............................ 33


vii
Hình 2.7. Sơ đồ thuật tốn khảo sát mơ hình chuyển động của ơ tơ ............................. 34
Hình 2.8. Sơ đồ Simulink mô phỏng động lực học chuyển động của ô tơ .................... 35
Hình 2.9. Sơ đồ Simulink mơ phỏng bánh xe đàn hồi .................................................. 36
Hình 2.10. Sơ đồ Simulink mơ phỏng chuyển động của ô tô trong mặt phẳng ............ 36
Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống lái tích cực .......................................................................... 37
Hình 2.12. Sơ đồ hệ thống lái bị động ........................................................................... 39
Hình 2.13. Sơ đồ động học cơ cấu Harmonic ............................................................... 39
Hình 2.14. Sơ đồ khối mơ phỏng động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng với
hệ thống lái bị động ...................................................................................... 49
Hình 2.15. Sơ đồ khối mơ phỏng động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng với
hệ thống lái tích cực ..................................................................................... 50
Hình 2.16. Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng hệ thống lái tích cực ........................................ 51

Hình 2.17. Sơ đồ xác định góc quay bánh xe dẫn hướng từ góc quay vành lái ............ 52
Hình 2.18. Sơ đồ xác định mô men của mô tơ điều khiển từ góc bù của các bánh xe
dẫn hướng ..................................................................................................... 52
Hình 2.19. Sơ đồ Simulink hệ thống lái tổng quát ........................................................ 53
Hình 3.1. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống lái tích cực trên ơ tơ .................................... 55
Hình 3.2. Hệ kín, phản hồi âm sử dụng bộ điều khiển mờ ............................................ 55
Hình 3.3. Sai lệch vận tốc góc quay thân xe ................................................................. 58
Hình 3.4. Sai lệch gia tốc góc quay thân xe .................................................................. 58
Hình 3.5. Góc quay điều chỉnh bánh xe ........................................................................ 58
Hình 3.6. Tập luật điều khiển ........................................................................................ 59
Hình 3.7. Thiết bị hợp thành.......................................................................................... 60
Hình 3.8. Bộ điều khiển mờ của hệ thống lái tích cực .................................................. 60
Hình 3.9. Quan hệ truyền đạt của bộ điều khiển mờ ..................................................... 60
Hình 3.10. Sơ đồ thuật tốn điều khiển mơ tơ ............................................................... 61
Hình 3.11. Mơ hình tổng qt điều khiển mơ tơ của hệ thống lái tích cực ................... 62
Hình 3.12. Góc quay vành lái ........................................................................................ 63
Hình 3.13. Các lực ngang tác dụng lên các lốp ............................................................. 63
Hình 3.14. Góc quay trục lái trước và sau mơ tơ lái tích cực ........................................ 64
Hình 3.15. Góc quay hiệu chỉnh của mơ tơ lái tích cực ................................................ 64
Hình 3.16. Góc quay trung bình bánh xe dẫn hướng .................................................... 64
Hình 3.17. Gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ơ tơ ................................................... 65
Hình 3.18. Quỹ đạo chuyển động của ơ tơ .................................................................... 65
Hình 3.19. Tỷ số truyền ở tốc độ V= 40 km/h .............................................................. 65


viii
Hình 3.20. Các lực ngang tác dụng lên các lốp ............................................................. 66
Hình 3.21. Góc quay trục lái trước và sau mơ tơ lái tích cực ........................................ 67
Hình 3.22. Góc quay hiệu chỉnh của mơ tơ lái tích cực ................................................ 67
Hình 3.23. Góc quay bánh xe dẫn hướng ...................................................................... 67

Hình 3.24. Gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ô tô ................................................... 68
Hình 3.25. Quỹ đạo chuyển động của ơ tơ .................................................................... 68
Hình 3.26. Đồ thị tỷ số truyền ở tốc độ V= 40 km/h ..................................................... 68
Hình 3.27. Lực gió ngang .............................................................................................. 70
Hình 3.28. Các lực ngang tác dụng lên các lốp ............................................................. 70
Hình 3.29. Gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ơ tơ ................................................... 70
Hình 3.30. Quỹ đạo chuyển động của ơ tơ .................................................................... 71
Hình 3.31. Đồ thị tỷ số truyền ....................................................................................... 71
Hình 3.32. Đồ thị tỷ số truyền theo vận tốc................................................................... 72
Hình 3.33. Thí nghiệm chuyển làn theo tiêu chuẩn ISO 3888 ...................................... 73
Hình 3.34. Đồ thị góc quay vành lái .............................................................................. 73
Hình 3.35. Đồ thị góc quay hiệu chỉnh của mơ tơ ......................................................... 73
Hình 3.36. Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng ............................................................ 73
Hình 3.37. Đồ thị các lực ngang tác dụng lên các lốp ................................................... 74
Hình 3.38. Đồ thị gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ơ tơ ......................................... 74
Hình 3.39. Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ơ tơ .......................................................... 74
Hình 3.40. Đồ thị tỷ số truyền ...................................................................................... 75
Hình 4.1. Lưu đồ bộ điều khiển mơ tơ lái tích cực........................................................ 77
Hình 4.2. Khung mơ hình thực nghiệm hệ thống lái ..................................................... 78
Hình 4.3. Cụm cầu trước của xe Lexus LX 470 ............................................................ 79
Hình 4.4. Mô tơ một chiều ba pha không chổi than của hệ thống lái tích cực .............. 79
Hình 4.5. Mơ hình hệ thống lái tích cực AFS ............................................................... 80
Hình 4.6. Các bộ phận tạo tải cho mơ hình AFS ........................................................... 80
Hình 4.7. Cụm đo góc quay bánh xe dẫn hướng ........................................................... 81
Hình 4.8. Cảm biến đo góc quay ................................................................................... 81
Hình 4.9. Mơ hình mơ tơ BLDC ................................................................................... 82
Hình 4.10. Sơ đồ cấu tạo mô tơ một chiều không chổi than ......................................... 83
Hình 4.11. Mơ đun điều khiển đồng bộ khơng chổi quét nam châm vĩnh cửu ............. 86
Hình 4.12. Đồ thị dòng pha và suất điện động phản hồi của motor .............................. 86
Hình 4.13. Sơ đồ chức năng mạch điều khiển mơ tơ BLDC ......................................... 87

Hình 4.14. Hộp điều khiển hệ thống lái tích cực AFS .................................................. 87


ix
Hình 4.15. Sơ đồ chuyển đổi điện áp 12~24DC ............................................................ 88
Hình 4.16. Sơ đồ mạch bộ đọc các giá trị cảm biến ...................................................... 90
Hình 4.17. Sơ đồ mạch điều khiển mơ tơ ...................................................................... 92
Hình 4.18. Sơ đồ chân card Arduino ............................................................................. 92
Hình 4.19. Sơ đồ khối 12V điều khiển khóa mơ tơ ....................................................... 93
Hình 4.20. Mạch điều khiển mơ tơ một chiều khơng chổi than .................................... 93
Hình 4.21. Đồ thị các lực ngang tác dụng lên lốp ......................................................... 95
Hình 4.22. Đồ thị góc quay trục lái khi quay vịng ....................................................... 95
Hình 4.23. Đồ thị góc quay hiệu chỉnh của mơ tơ ......................................................... 96
Hình 4.24. Đồ thị tỷ số truyền khi V = 40 km/h............................................................ 96
Hình 4.25. Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng ............................................................ 96
Hình 4.26. Đồ thị các lực ngang tác dụng lên bánh xe .................................................. 97
Hình 4.27. Đồ thị góc quay trục lái ............................................................................... 97
Hình 4.28. Đồ thị góc quay hiệu chỉnh của mơ tơ ......................................................... 98
Hình 4.29. Đồ thị tỷ số truyền ....................................................................................... 98
Hình 4.30. Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng ............................................................ 98
Hình 4.31. Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô khi gió ngang tác động .................. 100
Hình 4.32. Đồ thị tỷ số truyền theo vận tốc................................................................. 101
Hình 4.33. Đồ thị góc quay trục lái khi chuyển làn..................................................... 101
Hình 4.34. Đồ thị góc quay hiệu chỉnh của mơ tơ ....................................................... 102
Hình 4.35. Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô ........................................................ 102
Hình 4.36. So sánh sai lệch góc quay bánh xe dẫn hướng giữa mong muốn và thực tế .. 103
Hình 4.37. So sánh sai lệch góc quay mơ tơ giữa mong muốn và thực tế .................. 103


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Tập luật của bộ điều khiển logic mờ ............................................................. 59
Bảng 3.2 Các thông số đầu vào của chế độ mơ phỏng quay vịng ................................ 62
Bảng 3.3. Các thông số đầu vào của chế độ mô phỏng chuyển động thẳng ................. 69
Bảng 4.1. Các thông số của ơ tơ thí nghiệm Lexus LX 470 .......................................... 76
Bảng 4.2. Các thơng số đầu vào của mơ hình thí nghiệm quay vịng ........................... 94
Bảng 4.3. Các thơng số đầu vào của chế độ thí nghiệm chuyển động thẳng ................ 99
Bảng 4.4. Bảng so sánh các thơng số của góc góc bánh xe dẫn hướng giữa mong muốn
và thực nghiệm ........................................................................................... 104
Bảng 4.5. Bảng so sánh các thông số của góc mơ tơ giữa mong muốn và thực
nghiệm……………………………………………………………………104


xi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

C

Tên gọi
Trọng tâm ô tô

L

m

Chiều dài cơ sở

a1

m

Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu trước

a2

m

Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu sau

b1

m

Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm vết bánh xe bên trái

b2

m

Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm vết bánh xe bên phải



rad

Góc quay thân ơ tơ



rad

Góc lệch thân ô tô

V

m/s

Vận tốc thân ô tô tại trọng tâm ô tô

vi  i  1  4 

m/s

Vận tốc các bánh xe của ơ tơ

1,2

rad

Góc quay của bánh xe dẫn hướng

i  i  1  4 

rad

Góc lệch bên của các bánh xe

 f ,r

rad

Góc lệch bên trung bình của các bánh xe cầu trước và sau

C i  i  1  4 

N/rad

C f ,r

N/rad

i  i  1  4

Độ cứng góc lệch bên của bánh xe
Độ cứng góc lệch bên trung bình của bánh xe cầu trước
và sau
Hệ số trượt của bánh xe

Fxi  i  1  4 

N

Phản lực dọc tác dụng từ mặt đường lên các bánh xe

Fyi  i  1  4 

N

Phản lực ngang tác dụng từ mặt đường lên các bánh xe

Fzi  i  1  4

N

Phản lực thẳng đứng tác dụng từ mặt đường lên các bánh xe

Fw

N

Lực cản khơng khí

i  i  1  4

rad/s

Vận tốc góc của các bánh xe

Myi

N.m

Mơ men dẫn động ở các bánh xe

Jb

kg.m/s2

rb

m

i  i  1  4 
i  i  1  4 

Mô men quán tính khối lượng của bánh xe
Bán kính của bánh xe
Hệ số bám tổng hợp của các bánh xe

rad

Góc lệch giữa phương vận tốc vi của bánh xe và phương
chuyển động của ô tô


xii
Ký hiệu

Đơn vị

M

kg

Ksc

N/rad

Độ cứng xoắn của trục lái

Bsw

N.s/m

Hệ số cản xoắn của trục lái

δsc

rad

Góc quay của trục lái

 sw

rad

Góc quay vành lái

Tsw

N.m

Mơ men tác dụng lên vành lái

 sc

rad

Góc quay của trục lái

P

rad

Góc quay của bánh răng

YR

m

Dịch chuyển ngang của thanh răng

CFR

N

Lực ma sát khô tác dụng giữa bánh răng và thanh răng

BR

N.s/m

 SLU 1 ,  SLU 2

rad

K SL1 , K SL 2

N/rad

 SLL1 ,  SLL 2

rad



rad/rad

Tên gọi
Khối lượng tồn bộ của ơ tơ

Hệ số cản dịch chuyển ngang giữa trục bánh răng và
thanh răng
Góc xoay ngang phía trên của địn bên
Độ cứng của địn bên
Góc xoay ngang phía dưới của địn ngang bên bên trái và
bên phải
Hệ số quay đòn ngang bên của hệ thống lái
Hệ số cản giảm chấn của thanh điều chỉnh liên kết bánh

BSL1 , BSL 2

N.s/m

CFFW 1 , CFFW 2

N

AT1 , AT2

N.m

FW1, FW2

rad

Góc quay của bánh xe bên trái và bánh xe bên phải

ηF

%

Hiệu suất của bộ truyền bánh răng

ηB

%

Hiệu suất phản hồi của bộ truyền bánh răng

RP

m

Bán kính của bánh răng truyền lực

kf

N/m

cf

N.s/m

Hệ số cản của giảm chấn một bên cầu trước

KT

N/m

Độ cứng của lò xo xoắn van trợ lực thủy lực

MR

Kg

Khối lượng của thước lái

xe bên trái và bên phải
Lực ma sát khô giữa mặt đường và bánh xe bên trái, bên
phải
Mô men từ mặt đường tác dụng lên bánh xe bên trái và
bên phải

Độ cứng của hệ thống treo một bên cầu trước

xiii
Ký hiệu

Đơn vị

NL

m

Chiều dài của thanh liên kết từ thước lái đến bánh xe

 scc

rad

Góc quay của trục lái phía dưới mơ tơ

lw

m

Khoảng cách từ điểm đặt lực gió ngang tới trọng tâm xe

aht

m/s2

fi

N

Các lực hoạt động

mR

Kg

Khối lượng thước lái

R

m

Bán kính quay vịng

𝜂𝑃𝑆

%

Hiệu suất của hệ thống lái trợ lực thủy lực

𝐹𝑃𝑆

N

Lực trợ lực của hệ thống lái thủy lực

Tên gọi

Gia tốc hướng tâm của ô tô


1

MỞ ĐẦU
Sau hơn hai thập niên xây dựng, mặc dù ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đã
phát triển mạnh so với đầu thập niên 90 nhưng nó 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 mơ vừa và nhỏ
với cơng việc chủ yếu là lắp ráp dạng CKD trên cơ sở linh kiện nhập khẩu từ nước
ngồi. Tỷ lệ nội địa hóa trong sản phẩm ơ tơ trong nước cịn rất thấp. Mặc dù đã có
nhiều chính sách ưu đãi của Chính phủ đối với dịng ơ tơ con, ơ tơ tải vừa và nhỏ nhưng
lĩnh vực sản xuất ơ tơ vẫn cịn trong tình trạng khơng mấy khả quan. Chỉ một số ít sản
phẩm như khung, vỏ, cabin có thể tự sản xuất được tại các nhà máy lớn như Toyota,
Thaco Trường Hải… cịn hầu hết các bộ phận chính từ động cơ, hệ thống truyền lực, hệ
thống lái đến các hệ thống điều khiển khác đều được nhập ngoại. Với bối cảnh đó ngành
cơng nghiệp ơ tơ phải tăng tốc để trở thành ngành công nghiệp quan trọng, đáp ứng tối
đa nhu cầu thị trường nội địa về các loại ô tô tải, ô tô khách thông dụng, ô tô con và một
số loại ô tô chuyên dùng.
Sau Quyết định số 1168/QĐ-TTg phê duyệt Chiến lược phát triển ngành công
nghiệp ô tơ Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035, ngày 24 tháng 7 năm
2014, Quyết định số 1211/QĐ-TTg phê duyệt Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp
ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030. Thủ tướng Chính phủ đã phê
duyệt 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.
Để phát triển ngành công nghiệp phụ trợ ô tô Việt Nam nhằm phấn đấu trở thành
nhà cung cấp linh kiện, phụ tùng và một số cụm chi tiết có giá trị cao trong chuỗi sản
xuất cơng nghiệp ơ tơ thế giới sẽ góp phần vào tăng trưởng kinh tế và thúc đẩy sự phát

triển của các ngành công nghiệp khác.
Khi số lượng ô tô và tốc độ trung bình ngày càng tăng thì tính an tồn chuyển
động ngày càng được quan tâm.
Hệ thống lái là một trong những hệ thống quan trọng của ơ tơ, có chức năng thay
đổi và ổn định hướng khi ô tô chuyển động, do đó giữ vai trị quyết định đến tính an
tồn chuyển động của ơ tơ. Hệ thống lái tích cực giúp người lái kiểm sốt được các tình
huống mất ổn định, nâng cao tính an tồn chuyển động của ô tô. Đây là một trong các
công nghệ mới được ứng dụng trong ngành ô tô.


2
Trên thế giới đã có các cơng trình nghiên cứu về nội dung này, tuy nhiên các tài
liệu, kết quả nghiên cứu là tài liệu riêng của các hãng và khơng được cơng bố hoặc các
cơng bố chỉ mang tính hướng dẫn, khai thác sử dụng . Ở Việt Nam, đã có một vài đề tài
đề cập đến ảnh hưởng của hệ thống lái đến quỹ đạo chuyển động, tuy nhiên các hướng
nghiên cứu mới tập trung chủ yếu vào các hệ thống lái có trợ lực, chưa đầu tư nghiên
cứu sâu về hệ thống lái tích cực. Xuất phát từ các yêu cầu thực tế trên, nghiên cứu sinh
đã chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định
quỹ đạo chuyển động của ơ tơ” nhằm góp phần tạo dựng cơ sở lý thuyết và kiểm
nghiệm trên mơ hình bán thực nghiệm phục vụ cho việc đánh giá chất lượng của sản
phẩm được thiết kế, chế tạo, hồn thiện qui trình thiết kế bộ điều khiển điện tử trên hệ
thống lái tích cực nói chung.


Mục tiêu nghiên cứu
+ Xây dựng mơ hình động lực học của ơ tơ
+ Xây dựng mơ hình động lực học hệ thống lái tích cực
+ Xây dựng thuật toán, thiết kế bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm ổn

định quỹ đạo chuyển động của ô tô và được kiềm chứng bằng mô hình bán thực nghiệm

 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án: là hệ thống lái tích cực trên ô tô con
Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
+ Đề tài chỉ nghiên cứu điều khiển thay đổi tỷ số truyền góc của hệ thống lái
+ Tiến hành thực nghiệm trên mơ hình bán thực nghiệm với các chế độ quay vòng
ổn định, chuyển làn, chuyển động thẳng vận tốc thay đổi và khi có gió ngang


Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực

nghiệm.
 Nội dung và bố cục của luận án:
Xuất phát từ mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu, bố cục của
luận án gồm có bốn chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về ổn định quỹ đạo chuyển động, hệ thống lái tích cực trên
ơ tơ. Phân tích, đánh giá các cơng trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận
án; những vấn đề tồn tại; vấn đề luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.


3
Chương 2: Xây dựng mơ hình động lực học ơ tơ và hệ thống lái.
Từ mơ hình vật lý của ô tô sử dụng hệ thống lái tích cực, xây dựng mơ hình tốn
và mơ phỏng bằng phần mềm Matlab simulink
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển và khảo sát chuyển động của ơ tơ
Trình bày việc xây dựng thuật tốn điều khiển, tính tốn, mơ phỏng hoạt động của
hệ thống lái tích cực sử dụng trên ơ tơ và khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô trên cơ
sở tính tốn, thiết kế.
Chương 4: Thí nghiệm khảo sát chuyển động của ơ tơ với hệ thống lái tích cực.

+ Thiết kế, chế tạo và lắp đặt mơ hình hệ thống lái tích cực.
+ Tiến hành thí nghiệm trên mơ hình bán thực nghiệm với các chế độ chuyển động
khác nhau.
 Những kết quả mới của luận án:
Đã thực hiện giải pháp để ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng cách thay
đổi tỷ số truyền của hệ thống lái.
Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển hệ thống lái tích cực trên mơ hình bán thực
nghiệm.
 Ý nghĩa khoa học của luận án:
- Đã xây dựng được mơ hình động lực học ơ tơ để đưa ra giải pháp ổn định quỹ
đạo chuyển động của ô tô bằng cách thay đổi tỷ số truyền của hệ thống lái
- Đã thiết kế, chế tạo bộ điều khiển thay đổi tỷ số truyền của hệ thống lái tích cực.
 Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể giúp chúng ta làm chủ cơng nghệ trong
q trình thiết kế, cải tạo và khai thác sử dụng ô tô sử dụng hệ thống lái tích cực.
- Luận án cũng là tài liệu tham khảo trong q trình đào tạo ngành cơng nghệ kỹ
thuật ô tô.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô
1.1.1. Khái quát về an toàn chuyển động
An toàn chuyển động là những giải pháp kỹ thuật đảm bảo an toàn cho con người
và ơ tơ trong q trình chuyển động là một trong những vấn đề đang được rất nhiều các
nhà khoa học quan tâm hiện nay. An toàn chuyển động được chia thành hai loại là an
toàn thụ động và chủ động.
An toàn thụ động là các biện pháp kỹ thuật cần thiết để giảm thiệt hại về người và

phương tiện khi xảy ra tai nạn như dây an toàn, túi khí (SRS)…
An tồn chủ động là những giải pháp kỹ thuật và thiết kế chế tạo ô tô để ngăn chặn
và tránh được tai nạn giao thơng, tính năng ổn định quỹ đạo để hỗ trợ người lái như hệ
thống phanh chống bó cứng bánh xe (ABS), hệ thống kiểm soát lực kéo (TRC), hệ
thống kiểm soát hoạt động trượt (ESP)… giúp cho ô tô luôn đảm bảo được quỹ đạo
chuyển động như mong muốn. Trong xu thế này tác giả sẽ nghiên cứu điều khiển hệ
thống lái tích cực trên ô tô (AFS)
1.1.2. Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô
Khi ô tô chuyển động trên đường, quỹ đạo chuyển động rất phức tạp. Do tác
động của lực bên và biến dạng của lốp…nên quỹ đạo chuyển động của ô tô không như
mong muốn đặc biệt là ở tốc độ cao. Các hiện tượng này làm cho ô tô chuyển động mất
ổn định có thể dẫn tới tai nạn.
Trong những năm gần đây các nhà khoa học đã đưa ra nhiều nghiên cứu nhằm ổn
định chuyển động của ô tô. Các hướng nghiên cứu tập trung vào điều chỉnh mô men
quay thân xe trực tiếp bằng hệ thống phanh hoặc hệ thống lái để ổn định quỹ đạo
chuyển động. Sự mất ổn định hướng chuyển động của ô tô có thể xảy ra trong các
trường hợp điển hình như sau:
a. Mất ổn định hướng khi quay vịng
Khi ô tô quay vòng, do ảnh hưởng biến dạng bên của lốp nên bán kính quay vịng
thực tế khác với bán kính quay vịng mong muốn, gây mất ổn định chuyển động của ô tô.
Trong trường hợp lốp xe không biến dạng (ơ tơ quay vịng với tốc độ thấp, khơng
chịu ảnh hưởng của lực qn tính ly tâm), bán kính quay vịng thực tế của ơ tơ trùng với


5
bán kính quay vịng lý thuyết R và được xác định gần đúng theo góc quay của bánh xe dẫn
hướng δ và chiều dài cơ sở L của ô tô theo cơng thức, (Hình 1.1a):

Rt  R 

L
L
 .
tan  

1.1

Trong trường hợp này, trạng thái quay vịng của ơ tơ được gọi là quay vịng
đúng. Tuy nhiên trong thực tế, do đặc tính đàn hồi của lốp nên các phản lực ngang từ
mặt đường tác dụng lên bánh xe khi ơ tơ quay vịng Fyf, Fyr sẽ khiến các bánh xe cầu
trước và bánh xe cầu sau lăn lệch khỏi phương chuyển động ban đầu dưới các góc lệch
bên αf và αr (Hình 1.1b):

f 

Fyf
C f

r 

,

Fyr

1.2 

C r

Trong đó Cαf và Cαr là độ cứng bên tổng cộng của các bánh xe cầu trước và cầu
sau. Với các góc quay nhỏ δ, αf, αr<<1, bán kính quay vịng thực tế của ô tô được xác

định gần đúng như sau:

Rt 

L
L

.
tan   1   tan  r    f   r 

1.3
vf

δ
vf

αf

Fyf

a1
v

L
vr

Tâm quay
δ – αf
vịng
αr

R

Rt

C
a2

Flt

L

vr
δ

αr
Fyr

Fyr

a)

a1

v

a2

δ
Tâm quay vịng

Fyf

Flt

C

R

δ

Hình 1.1. Mơ hình ơ tơ mợt vết

b)

a) Quay vịng khi lốp xe khơng biến dạng
b) Quay vịng khi lốp xe biến dạng bên
Từ công thức (1.3), tùy thuộc vào giá trị của 1   2  có thể xác định ba trạng
thái quay vịng của ơ tô khi lốp biến dạng như sau:


6
- Nếu αf = αr → Rt = R: quay vòng đúng (neutral steering);
- Nếu αf < αr → Rt < R: quay vòng thừa (over steering);
- Nếu αf > αr→ Rt > R: quay vòng thiếu (under steering).
Hiện tượng quay vịng thừa xảy ra khi bán kính quay vịng thực tế của xe nhỏ
hơn bán kính quay vịng mong muốn tính theo góc quay vành tay lái thì Rt < R. Trong
trường hợp này người lái phải kịp thời đánh trả tay lái để đưa ô tô trở về quỹ đạo
chuyển động mong muốn, thao tác chậm trễ sẽ làm tăng đột biến giá trị lực quán tính
ly tâm. Do sự di chuyển tải trọng giữa các bánh xe phía trong và ngồi tâm quay vịng,
phản lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe phía trong giảm, làm giảm khả năng

bám ngang của ô tô khiến ô tô bị trượt ra khỏi quỹ đạo chuyển động ban đầu. Nếu mặt
đường có hệ số bám lớn ơ tơ có thể bị lật quanh vết tiếp xúc giữa các bánh xe phía
ngồi với mặt đường.
Trái với quay vịng thừa, hiện tượng quay vịng thiếu xảy ra khi bán kính quay
vịng thực tế của xe lớn hơn bán kính quay vịng mong muốn tính theo góc quay vành
tay lái Rt > R. Khi quay vòng thiếu, các phản lực bên tác dụng lên bánh xe sau có xu
hướng làm cho phần đi xe lệch về phía trong. Để ơ tơ chuyển động đúng quỹ đạo
mong muốn, người lái phải đánh thêm tay lái một góc quay phù hợp.
Từ phương trình cân bằng mơ men với trọng tâm C, Hình 1.1b, các phản lực
ngang từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau có thể được xác định
gần đúng theo công thức:

Fyf  Flt

a2 mv 2 a2
a

.  ma y 2
L
Rt L
L

 L  a2   mv2 . a1

a1
1.4 
L
Rt L
L
với m là khối lượng của ô tô và ay là gia tốc hướng tâm xuất hiện khi ơ tơ quay vịng. Từ

Fyr  Flt

 ma y

phương trình (1.2) và (1.4), ta có:

 f  r  

a1  ma y  C r a2  C f a1 
mv 2  a2






Rt L  C f C r 
L  C rC f


1.5

Như vậy trạng thái quay vịng của ơ tơ sẽ phụ thuộc vào độ cứng bên của lốp và
vị trí tọa độ trọng tâm theo biểu thức  C r a2  C f a1  . Hình 1.2 thể hiện ảnh hưởng của


7
vị trí tọa độ trọng tâm và độ cứng bên của lốp đến trạng thái quay vịng khi ơ tơ quay
vịng với bán kính khơng đổi.
δ

δ
Cαf

L1 < L2: Quay vịng thiếu

< Cαr: quay vòng thiếu

thie7steering
L1 = L2: Quay vòng đúng

Cαf = Cαr: Quay vòng đúng
L/R

L/R
L1 > L2: Quay vòng thừa

Cαf > Cαr: Quay vòng thừa

a) af = ar; R = const.

b) Cαf = Cαr , R = const. ay

ay

Hình 1.2. Quan hệ giữa các trạng thái quay vịng với đợ cứng bên của lốp
và tọa độ trọng tâm ô tô
Từ phương trình (1.3), quan hệ giữa góc quay lý thuyết δ0 (không kể đến biến dạng
bên của lốp, Ackermann steering angle) và góc quay thực tế δ (có kể đến biến dạng bên của
lốp) của bánh xe dẫn hướng với các góc lệch bên của lốp có thể được biểu diễn như sau:









L
  f  r  0   f  r
R







    0    f   r .

1.6

Từ các phương trình (1.5) và (1.6), ta có:
 m1
m
 2
 C f C r

   0   


 ay  Ks ay ,



1.7 


2
 ,  rad/m/s 



1.8

trong đó:
Ks 

a
m  a2
 1


L  C f C r

Ks được gọi là hệ số quay vòng [16], giá trị của Ks xác định trạng thái quay vịng
của ơ tơ, m1 và m2 là khối lượng phân bố lên cầu trước và cầu sau. Hình 1.3 biểu diễn
ảnh hưởng của hệ số quay vịng Ks đến mối quan hệ giữa góc quay thực tế của các bánh
xe dẫn hướng δ và gia tốc hướng tâm ay khi ơ tơ quay vịng với bán kính không đổi.