Nghiên cứu hệ thống hạn chế trượt quay của bánh xe ô tô trên cơ sở hệ thống phanh khí nén có ABS (tt)

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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - 2018


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Hồ Hữu Hải
2. PGS.TS. Dương Ngọc Khánh

Phản biện 1: PGS. TS. Trần Quang Hùng
Phản biện 2: PGS. TS. Lê Văn Anh
Phản biện 3: TS. Bùi Việt Đức

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường,
họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU

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. Hệ thống này sẽ nâng cao hiệu quả sử
dụng cũng như tăng tính năng an toàn chuyển động của ô tô. 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 và sản phẩm
- Nghiên cứu mô phỏng trên máy tính

-

Nghiên cứu thực nghiệm

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. 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.
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

1


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
- Chế tạo hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2;
- Chế tạo hệ thống đo vận tốc góc bánh xe, lực kéo cho ô tô nghiên cứu;
- Thực nghiệm, nhận xét khả năng hoạt động của toàn hệ thống.
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.
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
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.
1.2. Hệ thống chống trượt quay bánh xe chủ động
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 (hệ số trượt) của bánh xe chủ động biểu thị bởi tỷ lệ phần trăm của vận tốc
ô tô chạy với vận tốc góc bánh xe và được xác định theo công thức:

2




v0  v
.100%
v0

(1.1)

Hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe sử dụng hệ thống phanh được nghiên cứu, theo
dõi và điều khiển áp suất phanh cho từng bên bánh xe nhằm duy trì độ trượt biến đổi trong
phạm vi giá trị trượt tối ưu nhằm giảm thiểu hiện tượng trượt quay, tăng tính an toàn cho ô
tô khi bánh xe ở vùng có hệ số bám thấp.
Do vậy, luận án tiến hành tìm hiểu các phương pháp điều khiển mô men phanh từng
bánh xe nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động của ô tô.
1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay trên thế giới, hệ thống phanh có điều khiển đã được tích hợp với các hệ
thống điều khiển chống trượt quay với nhiều tên gọi như TCS (Traction control system),
ASR (Anti Spin Regulator - Antriebsschlupfregelung), ATC (Automatic traction control)
[24]. Các hệ thống này đã được áp dụng rộng dãi nhằm nâng cao lực kéo, tính ổn định và
tính an toàn của ô tô trong mọi chế độ hoạt động khi ô tô đi ở nhiều loại đường có hệ số
bám khác nhau hay trong những trường hợp làm việc khẩn cấp [14], [15], [22], [42], [62].
1.4. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Hiện nay mức độ sử dụng hệ thống phanh khí có điều khiển hiện đại hiện nay ở
Việt Nam còn hạn chế, mới chỉ tập trung chủ yếu ở ô tô buýt, khách và ô tô tải hạng nặng
và đa phần là ô tô nhập khẩu nguyên chiếc.
Các công trình nghiên cứu về hệ thống chống trượt quay bánh xe mới chỉ dừng lại
mô hình mô phỏng nên sẽ tồn tại những sai khác về kết quả thu được so với việc nghiên
cứu trên ô tô thật [3], [34].
Do đó, việc nghiên cứu phát triển hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động
trên cơ sở hệ thống phanh khí nén có ABS nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của ô tô là
thật sự cần thiết trong nghiên cứu cũng như sản xuất chế tạo ô tô tại Việt Nam.
1.5. Mục tiêu, phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
1.5.1. 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.
1.5.2. Nội dung nghiên cứu

- 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;
3


- Nghiên cứu đề xuất được thuật toán điều khiển và xác định được ngưỡng điều khiển
theo độ trượt phù hợp với ô tô thí nghiệm;
- Chế tạo hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho ô tô tải 4x2 (3
tấn);
- Chế tạo hệ thống đo vận tốc góc bánh xe, lực kéo và áp suất khí nén cho ô tô nghiên
cứu;
- Thực nghiệm, nhận xét hoạt động của toàn hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe.
1.5.3. Đối tượng và phạm vi 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.
Phạm vi nghiên cứu của luận án về hệ thống hạn chế trượt quay từng bên bánh xe
chủ động của ô tô trên đường có hệ số bám khác nhau
1.5.4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng trên máy tính nhằm xác định
sơ bộ giá trị ngưỡng điều khiển kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm nhằm
hoàn thiện thêm hệ thống và đánh giá phần nào khả năng hoạt động của hệ thống.
1.6. Bố cục của luận án
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.
1.7. Kết luận chương 1
Các nghiên cứu trên thế giới về hoàn thiện các hệ thống chống trượt quay bánh xe
có sử dụng hệ thống phanh, nâng cao tính kinh tế kỹ thuật, an toàn trong sử dụng ô tô ngày

càng nhiều và có nhiều thành tựu.
Ở Việt Nam, đã có những công trình nghiên cứu về hệ thống chống trượt bánh xe
sử dụng hệ thống phanh khí, nhưng đa phần là công bố kết quả mô hình mô phỏng.
Từ những yêu cầu cấp thiết trên, luận án nghiên cứu đề xuất mô hình hệ thống hạn
chế trượt quay bánh xe bằng điều khiển tác động phanh bánh xe chủ động, mô hình hóa hệ
thống, xác định ngưỡng điều khiển, chế tạo - thực nghiệm cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển
hệ thống, chế tạo thiết bị đo, thực nghiệm tổng hợp kết quả trên ô tô cụ thể và nhận xét kết
quả theo mục tiêu đã đề ra.

4


CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Mô hình mô phỏng hệ thống gồm các mô đun: Hệ thống động lực (từ động cơ qua
hộp số, truyền lực chính và vi sai đến các bánh xe chủ động), bánh xe, chuyển động thẳng
của ô tô, hệ thống dẫn động khí nén có ABS, cơ cấu phanh như trên hình 2.1.

Hình 2.1. Sơ đồ tổng thể mô hình mô phỏng hệ thống

2.1. Mô đun mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô
Khi ô tô chuyển động thẳng, các lực và mô men tác dụng lên ô tô được mô tả trên
hình 2.2.

Hình 2.2. Các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động

Phương trình chuyển động của ô tô theo phương dọc được viết như sau:

m. x  Fx 2  Fx1 – Fwx

(2.1)

Tổng hợp lực tiếp tuyến từ đường tác dụng lên bánh xe giúp ô tô chuyển động được
là tổng hợp từ từng bánh xe chủ động và được xác định:

Fx 2  Fxp2  Fxt2

5

(2.4)


2.2. Mô đun mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực có vi sai
Hệ thống truyền lực của ô tô nghiên cứu là loại truyền lực có hộp số cơ khí thường,
động cơ đặt trước, dẫn động cầu sau. Mô men từ động cơ qua hộp số, trục các đăng, cầu xe
rồi đến các bánh xe chủ động phía sau được mô tả như hình 2.3.

Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống truyền lực

Khi mô men cản hai bên bánh xe bằng nhau, các bánh xe bên phải và bên trái quay
cùng vận tốc góc (ωt = ωp= ω0) và mô men chủ động truyền đến hai bánh xe bằng nhau:
M xp  M xt 

M vs
2

(2.5)

Khi mô men cản hai bên bánh xe như nhau, nhưng lực bám hai bên bánh xe khác
nhau, làm cho hai bánh xe quay với vận tốc khác nhau (giả sử ωt > ωp) thì mô men truyền
đến mỗi bên bánh xe được xác định:

M xt 

1
 M vs  M ms 
2

(2.10)

M xp 

1
 M vs  M ms 
2

(2.11)

2.3. Mô đun mô hình mô phỏng bánh xe
2.3.1. Phương trình chuyển động quay của bánh xe bị động
Khi bánh xe chuyển động (trường hợp tổng quát), các lực và mô men tác dụng như
hình 2.5.

Hình 2.5. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động

Phương trình chuyển động quay của bánh xe:
6


J bx .  Fx1.rd  M f 1

(2.17)

2.3.2. Phương trình chuyển động quay của bánh xe chủ động
Khi bánh xe chuyển động (trường hợp tổng quát) có thể có các lực và mô men tác
dụng như hình 2.6.

Hình 2.6. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động

Phương trình chuyển động quay của bánh xe bên trái và phải:

J bx .2t  M xt – M tp 2  M tf 2  Fxt2 .rd

(2.19)

J bx .2p  M xp – M pp2  M fp2  Fxp2 .rd

(2.20)

2.3.3. Phản lực tiếp tuyến tại bánh xe
Để xác định lực liên kết lốp đường, ta sử dụng mô hình lốp, hiện nay có các mô
hình lốp thông dụng sau: Mô hình lốp Burckhardt, mô hình lốp Dugoff, mô hình Pacejka,
mô hình lốp Ammon.
Trên cơ sở đó, độ trượt của bánh xe được tính như sau:



bx rd  vx
.100%
bx rd

(2.42)

Trên cơ sở độ trượt tính được, hệ số bám dọc tức thời sẽ được nội suy tuyến tính
(lookup table): Sơ đồ tình toán lực dọc trong Matlab Simulink [9], [13] được thể hiện trên
hình 2.7.

Hình 2.7. Sơ đồ tính lực dọc

7


Xét trường hợp ô tô đi thẳng trên đường, phản lực tiếp tuyến do mặt đường tác động
lên ô tô (thông qua bánh xe) lực Fx2 được xác định [12]:

Fx 2  Fxp2  Fxt2  Fzp2 .xp  Fzt2 .xt

(2.43)

2.4. Mô đun mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén
2.4.1. Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh bánh xe
Mô men phanh ở mỗi bánh xe phụ thuộc áp suất khí nén (biến thiên theo thời gian)
tại mỗi bầu phanh bánh xe, Mp = f(pbau).
Mô men phanh bánh xe Mp [N.m] [4] được xác định:

Mp  (

ht
hs
Fpt 
Fps ) .rt
a1  .rt

a1  .rt

(2.47)

Fpt, Fps- lần lượt là lực tác động từ tâm cam quay tới guốc phanh xiết và nhả.
2.4.2. Mô hình mô phỏng dẫn động phanh
Luận án thực hiện nghiên cứu xây dựng mô hình hóa hệ đẫn động khí nén từ bình khí
qua van chia 3/2, van ABS tới bầu phanh và tác động lên cơ cấu phanh bánh xe như trên
hình 2.12.

Hình 2.12. Sơ đồ mô phỏng dẫn động phanh khí nén của hệ thống

Lưu lượng khối được xác định như sau [40]:
Qw = γ.u.A

(2.51)

Lưu lượng khối của chất khí chảy qua một tiết lưu có thể xác định theo công thức
[40]:
Qra =K g .Cv .

p.(pd  pa )
G.Tu

(2.52)

Phương trình mô tả mối liên hệ giữa áp suất chất khí và lưu lượng đi vào dung tích:

dpd 1
= Qvao - Qra 

dt Cn

8

(2.53)


2.5. Mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô
Tổng hợp và rút gọn các phương trình mô phỏng chuyển động của ô tô, mô phỏng
bánh xe, vi sai, sử dụng trong mô phỏng nhằm khảo sát chuyển động thẳng của ô tô ở các
loại đường khác nhau như sau:
Mvs = Me.ih1.io.ηt
G
1
 M vs  M ms  , trường hợp hệ số bám t < p thì M xt max  2 min rd
2
2
G
1
M xp   M vs  M ms  , trường hợp hệ số bám t < p thì M xpmax  2 min rd  M ms
2
2
M xt 

m. x  Fx 2  Fx1
Fxi  Fzi . x
Fzt1 

m.g.b  m.x.hg

 Fz1p ; Fzt2 

m.g.a  m.x.hg

2L
J bx .1  Fx1.rd  M f 1

2L

 Fzp2
(2.61)

J bx .2t  M xt – M tp 2  M tf 2  Fxt2 .rd
J bx .2p  M xp – M pp2  M fp2  Fxp2 .rd
Mf1 = Ff1.rd ; Mtf2 = Mpf2 = 0.5 Fz2.rd
Khảo sát trường hợp ô tô chuyển động thẳng ở một số loại đường đặc trưng (đường
có hệ số bám cao và không đồng đều hai bên bánh xe) nhằm kiểm chứng mô hình đã xây
dựng theo đúng quy luật vật lý và hiện tượng trong thực tế. Mô phỏng được thực hiện với
các mức ga khác nhau, kết quả trình bày ở đây là 30% mức ga động cơ và không tác động
phanh bánh xe (Mpi = 0).

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)

9


Từ kết quả mô phỏng có thể nhận xét:
Các trường hợp khảo sát đặc trưng trên cho thấy vận tốc góc hai bên bánh xe phụ
thuộc vào hệ số bám của bánh xe với mặt đường, nếu hệ số bám của bánh xe với mặt

đường thấp có thể làm bánh xe bị trượt quay dẫn đến vận tốc góc bánh xe tăng lên. Sự
phân chia mô men từ vỏ vi sai đến các bán trục và vận tốc góc từ vỏ vi sai đến các bánh xe
theo động lực học của bộ vị sai.
Tiếp tục mô phỏng nhiều trường hợp có hệ số bám khác nhau cho thấy các kết quả
mô phỏng chuyển động của ô tô phù hợp với điều kiện thực tế của ô tô và động lực học của
bộ vị sai.
2.6. Khảo sát ảnh hưởng của mô men phanh tới đặc tính tăng tốc của ô tô
Kết quả khảo sát khả năng tăng tốc của ô tô với các mức mô men phanh thay đổi,
loại đường thay đổi ở các hệ số bám khác nhau được trình bày trong bảng 2.6.
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)

Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô theo mối quan hệ mô men phanh bánh xe, loại
đường (hệ số bám) và tỷ lệ thời gian duy trì gia tốc lớn nhất khi tác động phanh được thể
hiện trên hình 2.18.

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.

10


Như vậy, giải pháp tăng mô men phanh bên bánh xe bị trượt quay phụ thuộc rõ rệt hệ
số bám thực tế của bánh xe với mặt đường. Kết quả đã mô phỏng cho thấy vùng hệ số bám
thấp thì tác động phanh bánh xe mang lại hiệu quả tăng tốc của ô tô, với vùng có hệ số bám
cao hơn không cần thiết tác động phanh, thậm chí ô tô có thể tự vượt qua. Các kết quả
khảo sát trên bảng 2.6 thu được là cơ sở tiếp theo trong việc xây dựng thuật toán và bộ điều
khiển.
2.7. Kết luận chương 2
Đã xây dựng được mô hình mô phỏng động lực học phương dọc của ô tô khi có tác

động phanh, nhằm phục vụ cho nghiên cứu điều khiển hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe
chủ động. Các mô hình mô phỏng của luận án được xây dựng bằng phần mềm Matlab Simulink.
Kết quả mô phỏng một số trường hợp làm việc của ô tô phù hợp với quy luật vật lý
và thực tế, cho thấy mô hình có thể tin cậy. Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của mô men
phanh tới đặc tính tăng tốc của ô tô tải nhằm xác định giới hạn vùng hệ số bám thấp cần tác
động phanh (đối với hệ số cản lăn của đường đất sau mưa bằng 0,12, vùng hệ số bám một
bên bánh xe nhỏ hơn 0.35 tác động phanh hiệu quả, vùng hệ số bám một bên bánh xe từ
0.35 đến 0,45 chỉ hiệu quả với lực phanh nhỏ, vùng hệ số bám một bên bánh xe lớn hơn
0,45 tác động phanh làm cản chở chuyển động) để giảm thiểu khả năng trượt quay bánh xe,
giúp cho việc thiết lập thuật toán điều khiển phù hợp cho ô tô nghiên cứu.

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN
VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
3.1. Cấu trúc hệ thống
Hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động được nghiên cứu đề xuất được trình
bày trên hình 3.2.

Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe bằng phanh khí nén

11


ECU sẽ nhận các tín hiệu về vận tốc góc bánh xe cầu trước và sau, tính toán độ lệch
vận tốc góc của các bánh xe từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển riêng rẽ đến các van chia
3/2 để cấp khí cho van ABS [55]. Đồng thời ECU cũng điều khiển các trạng thái của van
ABS (tăng, giữ, giảm áp) nhằm điều khiển mô men phanh cục bộ bên bánh xe chủ động bị
trượt quay để duy trì khả năng bám tốt nhất giữa bánh xe chủ động với mặt đường.
3.2. Trạng thái làm việc của các van chấp hành
Các trạng thái làm việc của các van chấp hành được mô tả ở hình 3.5.

Hình 3.5. Trạng thái làm việc của các van chấp hành

Hệ thống được điều khiển theo ngưỡng trượt λ1 và λ2 (với λ2> λ1). Dựa vào các giá trị
ngưỡng trượt này để ECU điều khiển tăng, giữ và giảm áp suất bầu phanh.
3.3. Thuật toán điều khiển
Sơ đồ thuật toán được trình bày trên hình 3.6.

Hình 3.6. Thuật toán điều khiển hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe

Bộ điều khiển ECU theo dõi tốc độ các bánh xe cầu trước và sau và xác định độ trượt
cho từng bánh xe. Tốc độ các bánh xe được các cảm biến gửi tín hiệu về ECU để so sánh
với tốc độ ô tô đã tính toán, nếu bánh xe nào bị trượt quay thì ECU sẽ đưa ra các tín hiệu
điều khiển đến các cơ cấu chấp hành thực hiện việc tác động phanh nhằm đảm bảo độ trượt
của các bánh xe luôn trong khoảng ngưỡng trượt (λ1- λ2) đã tính toán [44].
12


3.4. Mô đun mô phỏng bộ điều khiển trong hệ thống
3.4.1. Sơ đồ bộ điều khiển
Để bộ điều khiển hoạt động hiệu quả cần thiết xây dựng bộ điều khiển nhận biết vận
tốc ô tô, vận tốc góc các bánh xe chủ động rồi tính toán độ trượt tại mỗi bên bánh xe chủ
động và cung cấp các biến điều khiển đến các van chấp hành thực hiện các chu trình làm
việc tương ứng độ trượt hiện thời.

Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động

3.4.2. Mô phỏng điều khiển cơ cấu chấp hành
Luận án tiến hành mô phỏng, khảo sát áp suất khí nén trong bầu phanh và mô men
phanh bánh xe theo các tín hiệu điều khiển van chia 3/2, van ABS với thông số đầu vào
như trong bảng 2.4. Các tín hiệu điều khiển của ECU tới van chia 3/2 và van ABS tương

ứng với các trạng thái điều khiển tăng, giữ và giảm áp suất khí nén trong bầu phanh bánh
xe.

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

13


Từ các kết quả trên cho thấy, quá trình tăng áp trong bầu phanh và mô men phanh
tuân theo trạng thái điều khiển của tín hiệu tăng và giảm áp.
3.4.3. Mô phỏng bộ điều khiển
Bộ điều khiển được xây dựng gồm 3 mô dun nhỏ tượng tự nhau, điều khiển tác động
mô men phanh cho từng bên bánh xe. Trong mô đun điều khiển này, đầu vào là độ trượt
của từng bánh xe và điều khiển tăng - giữ - giảm áp suất bầu phanh, được thể hiện trên
hình 3.11.

Hình 3.11. Sơ đồ mô tả một mô đun điều khiển

Sau khi xây dựng mô đun điều khiển cho hệ thống, sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống
được mô tả trên hình 3.12.

Hình 3.12. Sơ đồ mô tả mô hình mô phỏng hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe

14


Vấn đề đặt ra tiếp theo cần kiểm tra, đánh giá các thông số về vận tốc ô tô, gia tốc
của ô tô, vận tốc góc bánh xe chủ động và độ trượt của bánh xe chủ động để làm căn cứ
khoa học cho việc lựa chọn ngưỡng trượt.

3.5. Nghiên cứu xác định ngưỡng điều khiển theo độ trượt của bánh xe
Quá trình xác định ngưỡng điều khiển theo phương pháp này được minh họa như
trong sơ đồ trên hình 3.13.

Hình 3.13. Sơ đồ mô tả phương pháp xác định ngưỡng điều khiển

Hiện nay, chưa có công trình công bố chi tiết về phương pháp xác định cũng như giá
trị ngưỡng điều khiển cho hệ thống hạn chế trượt quay của ô tô tải sử dụng phanh khí nén.
Nhiều nghiên cứu cho rằng nếu duy trì được độ trượt của bánh xe ở trong khoảng 10 ÷
30% đảm bảo khả năng bám với đường tốt nhất. Do đó, luận án đã tiến hành xác định giá
trị ngưỡng sơ bộ bằng mô phỏng.
Tổng hợp các phương án mô phỏng khảo sát được trình bày ở bảng 3.1.
Bảng 3. 1. Tổng hợp các phương án mô phỏng xác định ngưỡng trượt điều khiển

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

15


Từ bảng 3.2 có thể nhận xét sơ bộ cặp ngưỡng phù hợp nhất cho đối tượng nghiên
cứu của luận án là (λ2=0,36; λ1 =0,1), vì nó đảm bảo giá trị độ trượt trung bình nằm trong
khoảng [0,19 - 0,33] cho các loại đường có hệ số bám từ 0,2 đến 0,45. Kết quả mô phỏng
quá trình khởi hành ô tô ở đường có một bên bánh xe bám tốt (φp =0,8) và một bên bánh xe
bám kém khi có và không có tác động điều khiển theo cặp giá trị ngưỡng này được trình

Van toc (km/h)

1

Do truot (x100%)

Van toc goc (rad/s)

15

Gia toc (m/s2)

bày trên hình:
10
5
0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

2

3

4

6

7

8

9

10

0.5
0
0
30
20
10
0
0
1
0.5
0
0

5
Thoi gian(s)
Khong dieu khien

Co dieu khien

Hình 3.18. Vận tốc, gia tốc ô tô và vận tốc góc bánh xe, độ trượt bánh xe

Tong luc doc (N)

Luc doc ben phai (N)

Luc doc ben trai (N)

khi một bên bánh xe chủ động đi trên đường có hệ số bám bằng 0.2 (φt=0,2, φp =0,8)

2000
1000
0

2

0
x 10

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0.5

1

1.5

2

2.5
3
Thoi gian(s)

3.5

4

4.5

5

4

1

0

2

0
x 10

4

1

0

0

Khong dieu khien

Co dieu khien

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)

Các kết quả mô phỏng chuyển động của ô tô ở điều kiện đường cụ thể đều thể hiện
quy luật phù hợp với thực tế chuyển động của ô tô. Qua đó, có thể nhận xét việc tác động
16


tăng mô men phanh trên bánh xe bị trượt quay theo thuật toán và các giá trị ngưỡng điều
khiển đã xác định được ở chương này đã giúp cải thiện tình trạng trượt quay của bánh xe,
tăng lực kéo và tăng khả năng động lực học chuyển động của ô tô.
3.6. Kết luận chương 3
Trên cơ sở ô tô có sẵn hệ thống phanh khí nén có ABS, đề xuất cấu trúc hệ thống
phanh hạn chế trượt quay bằng việc bổ sung thêm các van chia 3/2 tại mỗi bánh xe.
Đề xuất thuật toán điều khiển và sơ đồ điều khiển hệ thống thông qua điều khiển
trạng thái làm việc của các van chấp hành dựa vào các tín hiệu đầu vào cung cấp vận tốc
góc của các bánh xe cầu trước và cầu sau, áp suất khí nén của hệ dẫn động phanh, vận tốc
ô tô.
Đề xuất được phương pháp xác định cặp ngưỡng điều khiển bằng mô phỏng và sử
dụng chỉ số độ trượt trung bình để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển trong hạn chế
trượt quay bánh xe.
Đã tìm ra cặp ngưỡng λ1 = 0,1; λ2=0,36 phù hợp với đối tượng luận án, đáp ứng tốt
khả năng hạn chế trượt quay khi xe đi trên đường có hệ số bám một bên bánh xe từ 0,1 ÷
0,45, một bên bánh xe còn lại bên đường có hệ số bám 0,8.
Việc xác định cặp ngưỡng sơ bộ của bộ điều khiển và vùng tác động phanh hiệu quả
sẽ giúp tiết kiệm chi phí và giảm thời gian nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát triển hệ
thống hạn chế trượt quay bánh xe. Nội dung ở chương tiếp theo trình bày việc chế tạo, thử
nghiệm và đánh giá hoạt động hệ thống trên cơ sở bộ ngưỡng và bộ điều khiển đã đề xuất.

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG
4.1. Thiết kế chế tạo hệ thống
4.1.1. Mục đích và đối tượng
Mục đích: Lựa chọn, thiết kế, chế tạo và vị trí lắp ráp các chi tiết trong hệ thống hạn
chế trượt quay bánh xe chủ động trên ô tô tải 4x2 và thực nghiệm hệ thống.
Đối tượng: Luận án xây dựng hệ thống trên ô tô tải 4x2 (tải trọng 3 tấn) sử dụng hệ
thống phanh khí nén.
4.1.2. Cảm biến sử dụng trong hệ thống
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ làm việc
với nguyên lý tốc độ kế xung [47], với tần số đáp ứng cao, khoảng cách phát hiện nhỏ phù
hợp với yêu cầu đo tốc độ trên ô tô và giá thành phù hợp, như cảm biến tiệm cận của hãng
17


Omron, Sensys…Luận án lựa chọn cảm biến loại E2A-S08-KS02-WP-C1 và tính số răng
của vành răng đã đảm bảo hoạt động ổn định.
4.1.3. Cụm van chấp hành.
a. Kết cấu cụm van chấp hành
Trên cơ sở hệ thống phanh khí nén có ABS, luận án nghiên cứu lắp đặt kết cấu cụm
van gồm một van chia 3/2 kết hợp với van ABS như trên hình 4.3.

Hình 4.3. Sơ đồ lắp ghép cụm van chấp hành hạn chế trượt quay được chế tạo thử

4.1.4. Thí nghiệm kiểm tra sự làm việc của cụm van chấp hành.
Luận án tiến hành thí nghiệm kiểm tra sự tương thích của các cụm van chấp hành
trong hệ dẫn động khí nén của ô tô nghiên cứu, nhằm lựa chọn loại van phù hợp với hệ
thống, làm cơ sở trong việc chế tạo và bố trí trên ô tô.
Mục đích

Nội dung thí nghiệm

Nhận xét

Đánh giá ảnh hưởng của Thí nghiệm xác định thời gian tăng Thời gian tăng áp
van chấp hành đến độ trễ áp suất tại bầu phanh khi có và suất tại bầu phanh.
hệ thống.
không có van chấp hành.
Qua các thí nghiệm cho thấy các cụm van lắp ráp lên ô tô hoạt động ổn định với độ
trễ về thời gian tăng áp suất tương đối nhỏ là 0,01s. Việc lắp bổ sung van chia 3/2 không
làm ảnh hưởng đáng kể đến khả năng làm việc và thời gian chậm tác dụng của hệ thống.
4.1.5. Bộ điều khiển điện tử
Hệ thống thiết kế cho ô tô nghiên cứu sử dụng 4 cảm biến để đo vận tốc góc của 4
bánh xe, là cơ sở để điều khiển cụm 2 van chấp hành độc lập cho từng bên bánh xe chủ
động [18].

Hình 4.10. Bảng mạch hoàn thiện của bộ điều khiển

18


Toàn bộ chương trình điều khiển của bộ điều khiển hệ thống được viết bằng ngôn
ngữ C, trên nền trình biên dịch AVR Studio. Sau đó chương trình được chuyển thành mã
máy và nạp vào vi điều khiển bên trong bộ điều khiển.
4.2. Thực nghiệm hệ thống
4.2.1. Mục đích và phương pháp thực nghiệm
Mục đích: Thực nghiệm nhận xét hiệu quả của hệ thống thông qua giá trị vận tốc của
ô tô và giá trị lực dọc của ô tô.
Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành đo vận tốc góc các bánh xe của ô tô ở các

trường hợp khi có và không có bộ điều khiển hệ thống đã chế tạo với hai bên bánh xe chủ
động làm việc trên bề mặt có hệ số bám không đồng nhất.
4.2.2. Chế tạo thiết bị thực nghiệm
Ngoài các thiết bị cảm biến, các cặp van chấp hành và bộ điều khiển của hệ thống đã
trang bị và mô tả ở mục 4.1 luận án sử dụng thiết bị đo - ghi vận tốc góc bánh xe, lực dọc
của ô tô và biến thiên áp suất tại bầu phanh – bình khí nén như trên Hình 4.12.

Hình 4.12. Thiết bị đo – ghi dữ liệu
Giao diện trên máy tính của thiết bị đo như trên hình 4.17.

Hình 4.17. Giao diện phần mềm đo, ghi dữ liệu

Giao diện thiết bị đo được bố trí các mục: Panel thao tác, thông số đo, Đồ thị thời
gian thực, kết nối, hiệu chỉnh và cuối cùng là lưu file.
Để đo lực dọc, luận án đã dùng một dây cáp để nối một đầu vào phía sau khung ô tô
(sát xi), một đầu vào cảm biến đo lực (loadcell). Đầu còn lại của cảm biến được giữ cố
định bằng một dây cáp khác.

19


Hình 4.22. Mô tả thực nghiệm đo lực dọc của ô tô

4.2.3. Trình tự thực nghiệm
+ Thực nghiêm đo vận tốc góc bánh xe trên nền xưởng công nghiệp với p = 0,11; t
= 0,55; ψ = 0,09.
+ Thực nghiêm đo lực dọc của ô tô trên đường bê tông khô với p = 0,2; t = 0,75.
+ Thực nghiêm đo áp suất khí nén với p = 0,11; t = 0,55 và p = 0,2; t = 0,75
4.2.4. Kết quả thực nghiệm
Thực nghiêm đo vận tốc góc bánh xe, độ trượt và biến thiên áp suất bầu phanh

Hình 4.27. Vận tốc 4 bánh xe trên nền xưởng công nghiệp
Van toc oto (m/s)

4
3
2
1
0
170

172

174

176

178

180

182

184

186

188

190

Hình 4.28. Vận tốc ô tô khi có điều khiển
1.2

1

Do truot

0.8

0.6

0.4

0.2

0
170

172

174

176

178

180
Thoi gian (s)

182

184

186

188

Hình 4.29. Độ trượt bánh xe khi có điều khiển

20

190


Hình 4.30. Áp suất khí nén tại bầu phanh và bình chứa

Bảng tổng hợp kết quả:
Bảng 4. 6. Tổng hợp kết quả sự trượt quay bánh xe
TT
1

Thông số kiểm tra
Khi chưa điều khiển
Vận tốc góc bánh xe trước trái
và phải
Vận tốc góc bánh xe sau phải
Vận tốc góc bánh xe sau trái

2

Khi điều khiển
Vận tốc góc bánh xe trước trái
và phải

Kết quả đo

Nhận xét

0
(Rad/s)
19
(Rad/s)

Vì ô tô không chuyển động nên vận tốc
góc của bánh xe bị động đều bằng 0, bánh
xe chủ động bên đường có hệ số bám cao
cũng bằng 0, bánh xe chủ động bên đường
có hệ số bám thấp có giá trị lớn (bị trượt
quay hoàn toàn tại chỗ).

0 (Rad/s)
8
(Rad/s)

Vận tốc góc của bánh xe bị động đều bằng

nhau, bánh xe chủ động bên đường có hệ
5 ÷10
Vận tốc góc bánh xe sau phải

số bám cao tăng dần, bánh xe chủ động
(Rad/s)
bên đường có hệ số bám thấp giảm dần
8 ÷ 14
(do tác động phanh).
Vận tốc góc bánh xe sau trái
(Rad/s)
Thực nghiệm đo lực dọc của ô tô và biến thiên áp suất bầu phanh

Hình 4.31. Vận tốc 4 bánh xe khi lắp cảm biến lực vào sau ô tô

.
Hình 4.32. Giá trị tổng lực dọc của ô tô

21


105 (Pa)

105 (Pa)

X

X

Hình 4.33. Áp suất khí nén tại bầu phanh và bình chứa khi đo lực dọc

Bảng tổng hợp kết quả:
Bảng 4.7. Tổng hợp kết quả lực dọc của ô tô

TT
1

Thông số kiểm tra

Nhận xét

0
(rad/s)
11,5
(rad/s)
0
(rad/s)
5000
(N)

Vì ô tô không chuyển động nên vận tốc
góc của bánh xe bị động đều bằng 0. vận
tốc góc của bánh xe chủ động bên đường
có hệ số bám cao cũng bằng 0, vận tốc
góc của bánh xe chủ động bên đường có
hệ số bám thấp có giá trị lớn (bị trượt
quay hoàn toàn tại chỗ). Lực dọc nhỏ và
tỷ lệ với lực bám bên bánh xe trượt quay.

0 (rad/s)

Vì ô tô không chuyển động nên vận tốc
góc của bánh xe bị động đều bằng 0. vận
tốc góc của bánh xe chủ động bên đường

có hệ số bám cao tăng lên, vận tốc góc của
bánh xe chủ động bên đường có hệ số
bám thấp giảm xuống (do tác động
phanh). Lực dọc của ô tô tăng lên rõ rệt
khi điều khiển và phù hợp với tình trạng
bám thực tế của đường.

Không kích hoạt hệ thống
Bánh xe trước trái và phải
Bánh xe sau phải
Bánh xe sau trái
Tổng lực dọc trung bình

2

Kết quả đo

Kích hoạt hệ thống
Bánh xe trước trái và phải

Bánh xe sau phải

Bánh xe sau trái
Tổng lực dọc trung bình

4÷ 5
(rad/s)
6÷8
(rad/s)
10000 (N)

4.3. Kết luận chương 4
Luận án đã thiết kế, chế tạo một mẫu đầu hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ
động trên cơ sở kế hệ thống phanh ABS khí nén và lắp đặt hợp lý trên xe nghiên cứu. Xây
dựng được phương pháp thực nghiệm, đo và lưu trữ số liệu phục vụ thực nghiệm nhằm
đánh giá hệ thống.
Bên cạnh đó, điều kiện thực nghiệm (đường thử, ô tô, kỹ năng người lái), trình tự
thực nghiệm phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của ô tô và đã chuẩn hóa được giá trị
ngưỡng điều khiển hợp lý, từ giá trị ngưỡng trong mô phỏng bằng máy tính (giá trị ngưỡng
mô phỏng là λ1 = 0,1; λ2 = 0,36. Giá trị ngưỡng theo thực nghiệm hiệu chỉnh lại là λ1 =
0,1 ; λ2 = 0,35).
22


Hệ thống hạn chế quay bánh xe chủ động đã cải thiện được lực kéo và tăng khả năng
tăng tốc (gia tốc của ô tô). Kết quả thực nghiệm trên đường có hệ số bám không đồng nhất
(p = 0,2; t = 0,75) cho thấy hệ thống giúp ô tô tăng gấp đôi lực dọc (lực kéo của ô tô
được cải thiện từ 5000 N lên khoảng 10000 N), giúp ô tô vượt qua đường có hệ số bám
một bên bánh xe bằng 0,11 (p = 0,11; t = 0,55) với gia tốc cực đại 0,5m/s2, khi không
điều khiển thì gia tốc có giá trị bằng không.
Các kết quả thu được từ thực nghiệm có quy luật biến thiên tương đồng với mô
phỏng lý thuyết.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động là một trong những hệ thống tiện ích
cho người sử dụng góp phần nâng cao tính năng an toàn, khả năng chuyển động và phát
huy lực kéo tại các bánh xe chủ động cho ô tô cũng như các tính năng khác. Nghiên cứu về
hệ thống này nhằm từng bước làm chủ kỹ thuật, tiến gần với công nghệ hiện đại, ứng dụng
khoa học nhằm cải tiến, hoàn thiện kỹ thuật ô tô đáp ứng nhu cầu các nhà máy sản xuất,
lắp ráp trong nước thực hiện mục tiêu về tăng năng suất, vận tốc, tải trọng có ích, tăng tính

kinh tế, giảm cường độ làm việc cho người lái, giảm tối ưu lượng nhiên liệu và giảm lượng
khí thải độc hại, độ an toàn cho người sử dụng. Hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe này
có thể tích hợp với các hệ thống khác như ABS, EBD, ESP…
Thực tế, đây là một vấn đề nghiên cứu phức tạp, đòi hỏi nhiều nghiên cứu nối tiếp
nhau và đòi hỏi kinh phí, thời gian rất lớn. Luận án, chưa thể thỏa mãn các yêu cầu trên mà
mới chỉ xét đến vấn đề hạn chế trượt quay bánh xe bằng cách tạo mô men phanh, do đó
mới đề xuất được một hệ thống hoạt động riêng rẽ (chưa hợp nhất với giải pháp điều khiển
giảm công suất động cơ cũng như hợp nhất với bộ điều khiển chung trong hệ thống phanh
ABS).
Luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết (mô hình khảo sát hệ thống
trên máy tính) để xác định sơ bộ các giá trị ngưỡng trượt điều khiển và thuật toán điều
khiển) kết hợp với phương pháp thực nghiệm để kiểm nghiệm sự làm việc của hệ thống đã
đề xuất và chế tạo thử là phương pháp được sử dụng phổ biến và phù hợp với điều kiện
nghiên cứu.
Kết quả nghiên cứu chính của luận án có thể kể đến như sau:
1.

Luận án đã nghiên cứu đề xuất được cấu trúc hệ thống hạn chế trượt quay của bánh
xe ô tô trên cơ sở hệ thống phanh khí nén có ABS. Luận án đã sử dụng Matlab –
Simulink và xây dựng được mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô và mô hình mô
23