Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trần Văn Thoan

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC
CỦA Ô TÔ TẢI NHẰM HẠN CHẾ TRƯỢT QUAY BÁNH
XE CHỦ ĐỘNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2018
1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................... i
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ......................................................................... viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................................... 4
1.1 Hiện tượng trượt quay bánh xe và cơ sở lý thuyết hạn chế hiện tượng trượt quay .. 4
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .............................................................. 7
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ......................................................................... 7
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................................... 17
1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ....................................................... 17
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................... 17
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 17

1.4 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu .................................................................... 18
1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 18
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 18
1.5 Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 19
1.6 Kết luận chương 1 .................................................................................................. 19
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA Ô TÔ .............. 20
2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng .................................................................................. 20
2.1.1 Xây dựng đặc tính tốc độ động cơ diezen ........................................................... 20
2.1.2 Mô tả hệ thống truyền lực................................................................................... 29
2.1.3 Mô hình mô phỏng bánh xe ................................................................................ 30
2.1.4 Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của xe ................................................... 36
2.2 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô khi hệ số bám thay đổi ................................... 37
2.2.1 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên đường có hệ số bám thấp và cao........ 38
2.2.2 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên các đường xấu có hệ số bám thấp ...... 41
2.3 Kết luận chương 2 .................................................................................................. 45
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN ....................................................................................................... 46
iii


3.1 Đề xuất cấu trúc của hệ thống................................................................................ 46
3.2 Bộ điều khiển và phương pháp xác định tham số điều khiển ................................. 48
3.3 Mô phỏng hoạt động của hệ thống khi có bộ điều khiển ........................................ 52
3.3.1 Kết quả mô phỏng quá trình khởi hành ở tay số 1, xe đầy tải (PA3) ................. 53
3.3.2 Kết quả mô phỏng quá trình khởi hành ở tay số 2, xe không tải (PA4) ............. 58
3.4 Nghiên cứu xác định vùng điều khiển có hiệu quả trên đường khác nhau............. 62
3.4.1 Kết quả mô phỏng khảo sát và xác định các vùng làm việc của bộ điều khiển
(PA5)............................................................................................................................ 62
3.4.2 Kết quả mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của hệ số cản lăn tới vùng làm việc hiệu
quả của bộ điều khiển (PA6) ....................................................................................... 64

3.5 Kết luận chương 3 .................................................................................................. 66
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ......................... 68
4.1 Thiết kế chế tạo hệ thống ........................................................................................ 68
4.1.1 Cảm biến vận tốc góc bánh xe ô tô ..................................................................... 68
4.1.2 Cơ cấu chấp hành ............................................................................................... 70
4.1.3 Bộ điều khiển ...................................................................................................... 77
4.2 Thực nghiệm hệ thống ............................................................................................ 81
4.2.1 Mục đích và phương pháp thực nghiệm ............................................................. 81
4.2.2 Đối tượng thực nghiệm ....................................................................................... 81
4.2.3 Thiết bị thử nghiệm ............................................................................................. 82
4.2.4 Trình tự và kết quả thực nghiệm ......................................................................... 87
4.3 Kết luận chương 4 .................................................................................................. 97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 100
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA LUẬN ÁN ...................................................... 103

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Ký hiệu bằng chữ cái La tinh
Ký hiệu

Giải thích

a, b, c

Hệ số đặc tính đáp ứng của bộ điều tốc có dạng bậc hai

a1, b1

Hệ số đặc tính đáp ứng của bộ điều tốc có dạng bậc nhất

a2, b2, c2
a3
amax

Đơn vị

Các hệ số thực nghiệm của động cơ
Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước
Gia tốc lớn nhất

b3

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau

f

Hệ số cản lăn

m
m/s2
m

Fk

Lực đẩy từ khung xe lên bánh xe

N

Fwx

Lực cản không khí tại tâm chính diện của xe

N

Fx

Tổng hợp phản lực dọc do mặt đường tác dụng lên bánh xe

N

Fxs

Tổng hợp phản lực dọc do mặt đường tác dụng lên bánh xe
chủ động

N

Fxt

Tổng hợp phản lực dọc do mặt đường tác dụng lên bánh xe bị
động

N

Fz

Phản lực thẳng đứng của mặt đường tác dụng lên bánh xe

N

Fzs

Phản lực thẳng đứng của đường tác dụng lên bánh xe chủ
động

N

Fzt

Phản lực thẳng đứng của đường tác dụng lên bánh xe bị động

N

Lực bám cực đại

N

Fφs

Lực bám sinh ra ở bánh xe chủ động

N

G

Tải trọng của xe

N

g

Gia tốc trọng trường

Fφmax

m/s2

Gbs

Tải trọng tác dụng lên bánh xe chủ động

N

Gbt

Tải trọng tác dụng lên bánh xe bị động

N

hg

Chiều cao trọng tâm xe

m

i0

Tỉ số truyền của truyền lực chính

ic

Tỉ số truyền ly hợp

ih

Tỉ số truyền của hộp số

itl

Tỉ số truyền chung của hệ thống truyền lực

Jbxs

Mô men quán tính khối lượng của bánh xe chủ động

kg.m2

Jbxt

Mô men quán tính khối lượng của bánh xe bị động

kg.m2

Jqd

Mô men quán tính của bánh xe và các chi tiết liên quan quy
dẫn về bánh xe

kg.m2

kLH

Hệ số thể hiện mức độ đóng ly hợp
v


L

Chiều dài cơ sở của xe

m

m

Khối lượng của xe

kg

Me

Mô men động cơ

N.m

Mfs

Mô men cản lăn trên bánh xe chủ động

N.m

Mft

Mô men cản lăn trên bánh xe bị động

N.m

Mx

Mô men chủ động từ động cơ truyền đến bánh xe chủ động

N.m

Me*

Mô men xoắn xác định theo đặc tính ngoài của động cơ

N.m

nbca

Vận tốc góc của bơm cao áp

v/p

ne

Vận tốc góc của động cơ

v/p

Ne

Công suất có ích của động cơ

kW

Công suất có ích cực đại

kW

nN

Vận tốc góc của trục khuỷu ứng với công suất có ích cực đại

v/p

nr

Số xung đo từ cảm biến

Nr

Số vấu trên vành răng cảm biến

p

Bước ren trục vít

Nmax

pdk

Mức tải động cơ được hiệu chỉnh bởi bộ điều khiển

Pin

Mức tải thực tế của động cơ

Plv

Công suất làm việc động cơ

Pnl

Mức tải động cơ do người lái thiết lập (thông qua vị trí bàn
đạp chân ga)

mm

W

Qb(nbca )

Đặc tính phun nhiên liệu cục bộ của bơm cao áp

g/chu trình

Qbmax(nbca )

Đặc tính phun nhiên liệu ngoài của bơm cao áp

g/chu trình

rd

Bán kính lăn bánh xe

m

Tr

Khoảng thời gian đếm xung từ cảm biến

s

Tt

Mô men xoắn trên trục động cơ bước

N.m

vl

Vận tốc tiếp tuyến của bánh xe chủ động

m/s

vx

Vận tốc ô tô

m/s

z

Số mối ren của trục vít

2. Ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp
λ

Độ trượt bánh xe

%

Độ trượt tại thời điểm gia tốc lớn nhất

%

tt

Độ trượt thực tế

%

w

Độ trượt mong ước

%

t

Vận tốc góc của bánh xe bị động

rad/s

s

Vận tốc góc của bánh xe chủ động

rad/s

λamax

vi


.

Gia tốc góc bánh xe chủ động

rad/s2

t

.

Gia tốc góc bánh xe bị động

rad/s2

e

Vận tốc góc của động cơ

v/p

e*

Vận tốc góc của động cơ có kể đến ảnh hưởng độ trễ (đặc tính
động học) của bộ điều tốc

v/p

0

Vận tốc góc ban đầu của động cơ

rad/s

obx

Vận tốc góc ban đầu của bánh xe

rad/s

s

φ

Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường

φx

Hệ số bám dọc giữa bánh xe và mặt đường

φy

Hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường

x max


Hệ số bám dọc cực đại
Hệ số cản tổng cộng

3. Các chữ viết tắt
Ký hiệu

Giải thích

TCS

Hệ thống điều khiển lực kéo (Traction Control System)

PID

Bộ điều khiển theo quy luật tỉ lệ-tích phân-vi phân
(Proportional Integral Derivative)

ECU

Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit)

CCCH
ESP

Cơ cấu chấp hành
Hệ thống cân bằng điện tử (Electronic Stability Program)

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số đối tượng nghiên cứu .......................................................................... 17
Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật cơ bản của băng thử NT 3000 ......................................... 25
Bảng 2.2: Quy trình thí nghiệm xác định đặc tính của bộ điều tốc ..................................... 26
Bảng 2.3: Các phương án mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của mức tải động cơ ................. 38
Tiếp tục khảo sát mô phỏng trên các đường có hệ số bám thấp (φ=0,25:0,05:0,55) với các
mức tải động cơ Pin=(10:10:100)% theo phương án PA2, luận án đã tổng hợp các giá trị
gia tốc lớn nhất amax và độ trượt λamax tại thời điểm ô tô đạt gia tốc amax trong Bảng
2.4.Bảng 2.4: Gia tốc cực đại, độ trượt tại thời điểm gia tốc đạt cực đại (amax, λamax) trong
quá trình khởi hành với các mức tải động cơ (Pin) và hệ số bám (φ) khác nhau. ................ 42
Bảng 3.1: Thông số xác định tham số bộ điều khiển........................................................... 51
Bảng 3.2: Giá trị các tham số của các bộ điều khiển ........................................................... 51
Bảng 3.3: Phương án mô phỏng nhằm đánh giá hiệu quả bộ điều khiển ............................ 53
Bảng 3.4: Các phương án mô phỏng vùng điều khiển ........................................................ 62

Bảng 3.5: Các giá trị hệ số cản lăn và hệ số bám mô phỏng ............................................... 65
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật cảm biến đo vận tốc góc bánh xe .......................................... 69
Bảng 4.2: Các giá trị thông số tính chọn động cơ ............................................................... 72
Bảng 4.3: Thông số động cơ bước YH42BYGH47............................................................ 73
Bảng 4.4: Các thống số mô đun TB6600-4A ...................................................................... 74
Bảng 4.5: Thực nghiệm kiểm tra hoạt động của cơ cấu chấp hành ..................................... 87
Bảng 4.6: Thực nghiệm hoạt động của hệ thống điều khiển ............................................... 89
Bảng 4.7: Tổng hợp các kết quả thí nghiệm TN1................................................................ 93
Bảng 4.8: Tổng hợp các kết quả thí nghiệm TN2................................................................ 96

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động ........................................... 5
Hình 1.2. Sự thay đổi hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt bánh xe. ................................. 6
Hình 1.3. Hệ thống hạn chế trượt bằng phương pháp thay đổi độ bám đường ..................... 7
Hình 1.4. Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm soát lực kéo ................................................................ 8
Hình 1.5. Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm soát lực kéo của Tetsuhiro Yamashita ....................... 8
Hình 1.6. Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm soát lực kéo bằng điều khiển hệ thống phanh và nhiệt
độ khí xả ................................................................................................................................ 9
Hình 1.7. Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo bằng cách tác động vào góc đánh lửa và
thay đổi độ dài đường nạp ................................................................................................... 10
Hình 1.8. Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo thông qua điều khiển bướm ga ........... 10
Hình 1.9. Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo thông qua bướm ga phụ ...................... 11
Hình 1.10. Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo thông qua điều khiển bướm ga chính 11
Hình 1.11. Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm soát lực kéo bằng hệ thống nhiên liệu.................... 12
Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay theo nhiệt độ môi trường ......... 13
Hình 1.13. Hệ thống hạn chế trượt quay cho ô tô tải của hãng Wabco ............................... 14
Hình 1.14. Bộ điều khiển MTTE ......................................................................................... 14
Hình 1.15. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển theo thuật toán điều khiển trượt (SMC) .... 15
Hình 1.16. Sơ đồ khối điều khiển lực kéo ở bánh xe chủ động tại từng bánh xe ................ 15
Hình 1.17. Thí nghiệm đo lực kéo trên đường tuyết ........................................................... 16

Hình 1.18. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mô men trên đường tuyết và băng ...................... 16
Hình 2.1. Sơ đồ mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô ................................................. 20
Hình 2.2. Sơ đồ mô hình xác định mô men của động cơ đốt trong ..................................... 22
Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của băng thử .............................................................. 22
Hình 2.4. Thiết bị thử nghiệm và ví trí lắp đặt bơm cao áp................................................. 23
viii


Hình 2.5. Đặc tính tốc độ ngoài của bơm cao áp ................................................................. 23
Hình 2.6. Đặc tính tốc độ của bơm ...................................................................................... 24
Hình 2.7. Mô hình bơm cao áp [8] ...................................................................................... 25
Hình 2.8. Băng thử bơm cao áp NT 3000 và vị trí gá đặt bơm cao áp, vòi phun ................ 25
Hình 2.9. Vị trí lắp đặt các cảm biến và thiết bị đo ghi đa kênh DEWE2600 ..................... 26
Hình 2.10. Đặc tính điều chỉnh vị trí thanh răng theo vận tốc góc của bơm cao áp tại mức
ga 80% ................................................................................................................................. 26
Hình 2.11. Đặc tính điều chỉnh vị trí thanh răng theo vận tốc góc của bơm cao áp tại mức
ga 60% ................................................................................................................................. 27
Hình 2.12. Đặc tính ngoài động cơ ...................................................................................... 28
Hình 2.13 Đặc tính mô men của động cơ ............................................................................ 29
Hình 2.14. Sơ đồ hệ thống truyền lực .................................................................................. 29
Hình 2.15. Quy luật biến thiên của hệ số thể hiện mức độ đóng ly hợp trong mô hình mô
phỏng ................................................................................................................................... 30
Hình 2.16. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe bị động ................................................... 32
Hình 2.17. Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt dọc[3] ..................................................... 35
Hình 2.18. Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động ........................... 36
Hình 2.19. Mô hình mô phỏng hệ thống ............................................................................. 38
Hình 2.20. Gia tốc ô tô, vận tốc ô tô và độ trượt bánh xe tại mức tải 40% ......................... 39
Hình 2.21. Gia tốc ô tô, vận tốc ô tô và độ trượt bánh xe tại mức tải 70% ......................... 39
Hình 2.22. Gia tốc ô tô, vận tốc ô tô và độ trượt bánh xe tại mức tải 100% ....................... 40
Hình 2.23. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô và độ trượt bánh xe ô tô khi tăng tốc trên đường có hệ

số bám φ=0,45 tại mức tải 10%; 20%; 30% ........................................................................ 41
Hình 2.24. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô và độ trượt bánh xe ô tô khi tăng tốc trên đường có hệ
số bám φ=0,3 tại mức tải 10%; 20%; 30% .......................................................................... 42
Hình 2.25. Mối quan hệ giữa thời gian có độ trượt lớn hơn 30% khi khởi hành trên đường
có hệ số cản lăn f=0,15 với các hệ số bám khác nhau và mức tải khác nhau ..................... 44
Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống điều khiển ..................................................... 46
Hình 3.2. Sơ đồ mô hình hệ thống điều khiển công suất động cơ ....................................... 47
Hình 3.3. Sơ đồ các tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống .............................................. 47
Hình 3.4. Sơ đồ thuật toán điều khiển PID .......................................................................... 48
Hình 3.5. Hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID....................................................... 49
Hình 3.6. Mô phỏng khảo sát lựa chọn hệ số kc ................................................................. 50
Hình 3.7. Kết quả mô phỏng trên đường có hệ số bám φ=0,3; hệ số cản lăn f=0,15; mức tải
80% với các hệ số kC khác nhau ......................................................................................... 51
Hình 3.8. Kết quả mô phỏng trên đường có hệ số bám φ=0,3; hệ số cản lăn f=0,15; mức tải
80% với các bộ điều khiển khác nhau ................................................................................. 52
Hình 3.9. Mô hình mô phỏng hệ thống khi có bộ điều khiển .............................................. 53
Hình 3.10. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe chủ động, mức ga người lái 80%
trên đường có hệ số bám φ=0,3 khi không có và có bộ điều khiển ..................................... 54
Hình 3.11. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe chủ động, mức ga người lái 80%
trên đường có hệ số bám φ=0,35 khi không có và có bộ điều khiển ................................... 55
Hình 3.12. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe chủ động, mức ga người lái 80%
trên đường có hệ số bám φ=0,4 khi không có và có bộ điều khiển ..................................... 55
Hình 3.13. Tổng thời gian bánh xe có độ trượt λ>30% khi đi trên đường φ=0,3 với các mức
ga khác nhau ........................................................................................................................ 56
Hình 3.14. Tổng thời gian bánh xe có độ trượt λ>30% khi đi trên đường φ=0,35 với các
mức ga khác nhau ................................................................................................................ 56
Hình 3.15. Thời gian đạt vận tốc v=1(m/s) khi đi trên đường φ=0,3 với các mức ga khác
nhau ..................................................................................................................................... 57
ix

Hình 3.16. Thời gian đạt vận tốc v=1(m/s) khi đi trên đường φ=0,35 với các mức ga khác
nhau ..................................................................................................................................... 57
Hình 3.17. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe chủ động, mức ga người lái 80%
trên đường có hệ số bám φ=0,3 khi không có và có bộ điều khiển ..................................... 58
Hình 3.18. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe chủ động, mức ga người lái 80%
trên đường có hệ số bám φ=0,35 khi không có và có bộ điều khiển ................................... 59
Hình 3.19. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe chủ động, mức ga người lái 80%
trên đường có hệ số bám φ=0,4 khi không có và có bộ điều khiển ..................................... 59
Hình 3.20. Tổng thời gian bánh xe có độ trượt λ>30% khi đi trên đường φ=0,3 với các mức
ga khác nhau ........................................................................................................................ 60
Hình 3.21. Tổng thời gian bánh xe có độ trượt λ>30% khi đi trên đường φ=0,35 với các
mức ga khác nhau ................................................................................................................ 60
Hình 3.22. Thời gian đạt vận tốc v=3(m/s) khi đi trên đường φ=0,3 với các mức ga khác
nhau ..................................................................................................................................... 61
Hình 3.23. Thời gian đạt vận tốc v=3(m/s) khi đi trên đường φ=0,3 với các mức ga khác
nhau ..................................................................................................................................... 61
Hình 3.24. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe ô tô chủ động, mức tải động cơ khi
không có bộ điều khiển tại hệ số cản lăn f=0,06 ................................................................. 63
Hình 3.25. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe ô tô chủ động, mức tải động cơ khi
có bộ điều khiển tại hệ số cản lăn f=0,06 ............................................................................ 63
Hình 3.26. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe ô tô chủ động, mức tải động cơ khi
không có bộ điều khiển tại hệ số bám  =0,06.................................................................... 64
Hình 3.27. Vận tốc ô tô, gia tốc ô tô, độ trượt bánh xe ô tô chủ động, mức tải động cơ khi
có bộ điều khiển tại hệ số bám  =0,06............................................................................... 65
Hình 3.28. Các vùng làm việc của hệ thống điều khiển theo đặc tính bám và cản của mặt
đường ................................................................................................................................... 66
Hình 4.1. Cảm biến tiệm cận PRT08-1.5DO (shielded - NPN - NO) ................................. 69
Hình 4.2. Sơ đồ ngõ ra điều khiển của cảm biến ................................................................. 69
Hình 4.3 Thông số kỹ thuật của vành răng với cảm biến tiệm cận PRT08-1.5DN ............. 70

Hình 4.4. Chi tiết giá đỡ cảm biến ....................................................................................... 70
Hình 4.5. Sơ đồ bố trí cơ cấu chấp hành ............................................................................ 71
Hình 4.6. Sơ đồ tổng thể cơ cấu chấp hành ......................................................................... 71
Hình 4.7. Thông số và kích thước động cơ bước YH42BYGH47 ...................................... 73
Hình 4.8. Mô đun TB6600-4A ............................................................................................ 74
Hình 4.9. Thông số kích thước của thanh ray, con trượt ..................................................... 74
Hình 4.10. Thông số của trục vít ......................................................................................... 75
Hình 4.11. Khớp nối ............................................................................................................ 75
Hình 4.12. Giá đặt động cơ và giá bắt dây ga ..................................................................... 76
Hình 4.13. Vị trí lắp đặt cơ cấu chấp hành .......................................................................... 76
Hình 4.14. Thiết kế đồ gá và vị trí lắp đặt cơ cấu chấp hành trên khung xe ....................... 77
Hình 4.15. Cấu trúc bộ điều khiển điện tử của hệ thống ..................................................... 77
Hình 4.16. Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến vận tốc góc bánh xe phía
trước ..................................................................................................................................... 78
Hình 4.17. Mạch in sau khi thiết kế và mạch in hoàn thiện ................................................ 79
Hình 4.18. Sơ đồ chân trên giắc cắm bộ điều khiển ............................................................ 79
Hình 4.19. Xe thử nghiệm ................................................................................................... 82
Hình 4.20. Vị trí lắp đặt và cảm biến dịch chuyển mức ga ................................................. 82
Hình 4.21. Bộ xử lý dữ liệu và giao diện hiển thị ............................................................... 83
Hình 4.22. Sơ đồ nguồn nuôi bộ xử lý tín hiệu đo .............................................................. 83
Hình 4.23. Sơ đồ nối dây cảm biến vận tốc góc bánh xe .................................................... 84
x


Hình 4.24. Sơ đồ nối dây cảm biến vị trí dịch chuyển chân ga ........................................... 84
Hình 4.25. Mô đun đo vị trí dịch chuyển chân ga ............................................................... 85
Hình 4.26. Phương pháp đo tần số ...................................................................................... 85
Hình 4.27. Mô đun đo vận tốc góc các bánh xe .................................................................. 86
Hình 4.28. Giao diện phần mềm xử lý số liệu ..................................................................... 86
Hình 4.29. Mức ga khi không điều khiển ............................................................................ 87

Hình 4.30. Mức ga khi có điều khiển .................................................................................. 88
Hình 4.31. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ...................................................................................... 89
Hình 4.32. Vận tốc góc các bánh xe khi không điều khiển trên nền xưởng công nghiệp bôi
mỡ ........................................................................................................................................ 90
Hình 4.33. Mức ga khi không điều khiển trên nền xưởng công nghiệp bôi mỡ .................. 90
Hình 4.34. Độ trượt bánh xe chủ động khi không điều khiển trên nền xưởng công nghiệp
bôi mỡ .................................................................................................................................. 91
Hình 4.35. Vận tốc góc các bánh xe khi có điều khiển trên nền xưởng công nghiệp bôi mỡ
............................................................................................................................................. 91
Hình 4.36. Mức ga khi có điều khiển trên nền xưởng công nghiệp bôi mỡ ........................ 92
Hình 4.37. Độ trượt khi có điều khiển trên nền xưởng công nghiệp bôi mỡ....................... 92
Hình 4.38. Vận tốc góc các bánh xe khi không có điều khiển trên đường bê tông cứng có
bùn sét .................................................................................................................................. 93
Hình 4.39. Mức ga khi không có điều khiển trên đường bê tông cứng có bùn sét .............. 94
Hình 4.40. Độ trượt khi không có điều khiển trên đường bê tông cứng có bùn sét ............ 94
Hình 4.41. Vận tốc góc các bánh xe khi có điều khiển trên đường bê tông cứng có bùn sét
............................................................................................................................................. 95
Hình 4.42. Mức ga khi có điều khiển trên đường bê tông cứng có bùn sét ......................... 95
Hình 4.43. Độ trượt khi có điều khiển trên đường bê tông cứng có bùn sét ....................... 96

xi


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới, nền công nghiệp ô tô đã có lịch sử phát triển lâu đời và đạt được
nhiều thành tựu lớn. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp ô tô và công nghiệp phụ trợ ô tô
đang được đầu tư phát triển. Đã có nhiều doanh nghiệp tham gia sản xuất và lắp ráp ô tô
phục vụ thị trường trong nước và xuất khẩu. Việc nghiên cứu tiến tới làm chủ công nghệ
sản xuất ô tô nhằm nâng cao chất lượng và cạnh tranh được với các ô tô nhập khẩu là vấn

đề cấp thiết.
Kinh tế nước ta ngày càng phát triển dẫn đến nhu cầu vận chuyển hàng hóa càng
lớn. Nhiều tuyến đường mới được mở cùng với các phương tiện vận tải ngày càng đa dạng.
Các xe tải ở Việt Nam hoạt động đa dạng ở các địa hình và đường xá khác nhau. Ở vùng
nông thôn khi di chuyển trên các đường xấu như đường bùn đất, đá cấp phối... có khả năng
xe bị trượt quay dẫn tới giảm tính năng động lực học, giảm tính ổn định của xe gây ra tổn
hao nhiên liệu, hao mòn lốp và giảm khả năng điều khiển xe.
Trên thế giới, các hãng ô tô đã có nhiều nghiên cứu và sáng chế hệ thống hạn chế
trượt quay cho ô tô và đã được ứng dụng trên nhiều dòng xe thương mại. Tuy nhiên, giá
thành của các hệ thống này rất cao. Thêm vào đó việc công bố các tài liệu nghiên cứu của
hãng rất hạn chế do vấn đề bản quyền và bí mật công nghệ.
Trong khi đó, hầu hết các xe tải tại nước ta sử dụng động cơ diezel sử dụng bơm
cao áp không có điều khiển điện tử và chưa được trang bị hệ thống hạn chế trượt quay. Vì
vậy, việc nghiên cứu, tìm ra giải pháp tác động vào quá trình điều khiển của hệ thống nhiên
liệu nhằm hạn chế hiện tượng trượt quay bánh xe trên ô tô khi di chuyển trên đường trơn
trượt là cần thiết nhằm tăng tính ổn định và khả năng cơ động cho xe.
Từ thực trạng trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ
thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động” nhằm đề xuất
một hệ thống hạn chế hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động áp dụng cho ô tô tải nhỏ.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển mức tải động cơ nhằm hạn chế độ trượt
quay của bánh xe chủ động trên ô tô tải nhỏ sản xuất lắp ráp tại Việt Nam.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan.
- Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô tải nhỏ trang bị động cơ diezel.
Trong đó, luận án xác định đặc tính động cơ diezel, xây dựng mô hình mô phỏng bánh xe,
mô hình mô phỏng chuyển động của xe theo phương dọc.
- Mô phỏng khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên đường có hệ số bám thay đổi.
- Lựa chọn thuật toán điều khiển, xác định các tham số của điều khiển và nghiên cứu xác
định vùng điều khiển hiệu quả.

- Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống.
1


Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Ô tô tải 2,98 tấn, công thức bánh xe 4x2 trang bị động cơ diezel.
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu điều khiển thay đổi mức tải của động cơ nhằm hạn chế
hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động của ô tô khi hoạt động trên đường thẳng, xấu trơn
trượt và đồng nhất.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
Nghiên cứu mô phỏng lý thuyết trên máy tính nhằm khảo sát các ảnh hưởng của
mức tải động cơ tới đặc tính tăng tốc của ô tô tải ở các loại đường, xác định sơ bộ vùng
điều khiển hiệu quả, xác định sơ bộ các tham số của bộ điều khiển.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
- Thực nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm xác định đặc tính bơm cao áp (làm cơ
sở để xây dựng đặc tính tốc độ động cơ).
- Thực nghiệm trên đường thực và đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống hạn
chế trượt quay bánh xe chủ động được trang bị trên ô tô.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Trên thực tế hiện nay, các hãng ô tô trên thế giới có nhiều phương pháp để điều
khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động của ô tô nhưng tập trung chủ yếu là điều khiển
công suất động cơ và tác động vào hệ thống phanh nhằm giúp ô tô chuyển động an toàn.
Một số nghiên cứu ứng dụng sử dụng kết hợp hai phương pháp trên nhằm nâng cao tốc độ
và hiệu quả điều khiển. Tại Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống hạn chế trượt lết
bánh xe tuy nhiên chưa có các công trình nghiên cứu đáng kể nào về hệ thống hạn chế
trượt quay. Hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay là một hệ thống phức tạp, việc nghiên
cứu đòi hỏi kết hợp nhiều lĩnh vực kiến thức: cơ khí động lực, kỹ thuật điện tử, cảm biến
và cơ cấu chấp hành và kỹ thuật điều khiển, do vậy đề tài luận án có tính khoa học.
Tại Việt Nam hiện nay, các xe tải sử dụng động cơ diesel được sử dụng phổ biến.

Các loại xe này hầu như chưa được trang bị hệ thống chống trượt quay bánh xe (Anti-Spin
Regulation). Trong khi các phương tiện này hoạt động trên các loại đường xấu ở các vùng
nông thôn, miền núi hoặc các công trường xây dựng... các bánh xe rất dễ bị trượt quay, làm
giảm khả năng cơ động của xe. Nội dung nghiên cứu của luận án góp phần làm cơ sở để
tiến tới làm chủ công nghệ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe chủ động và áp dụng cho
các xe tải sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam. Do vậy đề tài có ý nghĩa thực tiễn, phù hợp với
điều kiện ở Việt Nam.
Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung luận án được trình bày
trong bốn chương:
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2


Trình bày tổng hợp các nghiên cứu về điều khiển hạn chế hiện tượng trượt quay
trên thế giới và tình hình nghiên cứu trong nước qua đó xác định giải pháp nghiên cứu phù
hợp với điều kiện thực tế của đề tài.
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA Ô TÔ
Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô có tính đến mô hình
động cơ. Thực nghiệm đặc tính cục bộ, đặc tính ngoài và mô hình bộ điều tốc. Thực hiện
khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên đường có hệ số bám khác nhau với các mức tải
động cơ khác nhau.
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Đề xuất cấu trúc của hệ thống, lựa chọn và xác định các thông số của bộ điều
khiển. Khảo sát vùng làm việc hiệu quả của hệ thống tương ứng trên các loại đường xấu
khác nhau.
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG
Trình bày các bước thiết kế chế tạo và lắp đặt các cảm biến, cơ cấu chấp hành và bộ

điều khiển điện tử. Tiến hành thực nghiệm hiệu quả làm việc của hệ thống.
Phần kết luận và kiến nghị: Đánh giá các kết quả của luận án, đề xuất hướng nghiên cứu
phát triển tiếp theo để từng bước hoàn thiện hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động.
Các kết quả nghiên cứu mới của luận án
Luận án trình bày các kết quả nghiên cứu mới sau:
- Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô có xét đến đặc tính động cơ đốt trong sử
dụng bơm cao áp dãy.
- Thuật toán điều khiển và giá trị các tham số của bộ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe
bằng phương pháp điều khiển công suất động cơ.
- Các kết quả mô phỏng lý thuyết hoạt động của hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe.
- Mẫu bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành (chế tạo thử nghiệm lần đầu) của hệ thống hạn
chế trượt quay bánh xe chủ động.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các hệ thống an toàn trên ô tô ngày càng
phát triển hoàn thiện về kết cấu và quá trình điều khiển. Các hệ thống này có vai trò hỗ trợ
tích cực cho người điều khiển ô tô hiệu quả và an toàn. Hệ thống hạn chế trượt quay bánh
xe chủ động của ô tô có vai trò hỗ trợ người lái điều khiển xe vượt qua những đoạn đường
xấu trơn trượt. Trong chương này, luận án sẽ tìm hiểu tình hình các nghiên cứu trên thế
giới và tại Việt Nam, từ đó đề xuất phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu.

1.1 Hiện tượng trượt quay bánh xe và cơ sở lý thuyết hạn chế
hiện tượng trượt quay
Hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động:
Hiện tượng trượt quay xẩy ra với các bánh xe chủ động là do sự biến dạng tiếp
tuyến của lốp theo chiều ngược với chiều quay của bánh xe và biến dạng tiếp tuyến của
mặt đường theo chiều ngược với chiều chuyển động của ô tô.

Kết quả của các biến dạng đó làm mất vận tốc của ô tô. Tại vùng tiếp xúc, lốp xe
dịch chuyển tương đối với mặt đường theo chiều ngược với chiều chuyển động của ô tô.
Từ hai nguyên nhân trên cho thấy hiện tượng trượt quay của bánh xe chủ động luôn
tồn tại. Trong trường hợp không đủ bám, bánh xe chủ động sẽ bị trượt quay hoàn toàn.
Hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động gây ảnh hưởng xấu đến tính năng động
lực học, tính ổn định hướng chuyển động, gây tổn hao nhiên liệu và hao mòn lốp của ô tô.
Khi chuyển động, độ trượt λ của bánh xe chủ động có thể xác định theo vận tốc ô tô
vx, vận tốc góc của các bánh xe chủ động và bán kính bánh xe. Khi xe chuyển động trên
đường thẳng với vận tốc vx, độ trượt (quay) của bánh xe có thể xác định theo công
thức:[55]

=

vl − vx
v
.100% = 1 − x .100%
vl
vl

(1.1)

Trong đó:
vl là vận tốc tiếp tuyến của bánh xe chủ động:
Vận tốc tiếp tuyến của bánh xe chủ động vl được xác định theo công thức sau:

vl = s .rd

(1.2)

𝜔𝑠 là vận tốc góc của bánh xe chủ động;

rd là bán kính động lực học của bánh xe.
Từ đó, độ trượt (quay) của bánh xe có thể xác định từ vận tốc góc bánh xe chủ động
𝜔𝑠 và vận tốc chuyển động của ô tô vx như sau:

=

s .rd − vx
.100%
s .rd

(1.3)

Cơ sở lý thuyết hạn chế trượt quay: Trong quá trình chuyển động, giả thiết không
xét đến lực ngang và các mô men do góc đặt bánh xe gây nên.
4


Các lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động được thể hiện trên Hình 1.1 như sau
[26]:
Mfs : Mô men cản lăn trên bánh xe chủ động;
Fxs: Tổng hợp phản lực dọc do mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động;
Mx: Mô men chủ động (truyền từ động cơ);
Fzs: Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe.

Hình 1.1. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động

Tổng hợp phản lực dọc do mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động phụ thuộc vào độ
trượt của bánh xe và được xác định như sau:

Fxs = Fzs .x (s )

(1.5)

Trong đó : Fzs: Phản lực thẳng đứng của mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động;

x (s ) : Hàm biểu diễn quan hệ giữa hệ số bám dọc (tức thời) theo độ trượt.
Lực kéo lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám giữa bánh xe và mặt đường, được
đặc trưng bởi hệ số bám xmax thông qua mối quan hệ sau:
Fxsmax = F max = Gbs .x max

(1.6)

Mô men kéo được xác định như sau:

M x = Fxs .rd

(1.7)

Mô men kéo lớn nhất bị hạn chế bởi điều kiện bám và giá trị lớn nhất của nó bằng mô men
bám cực đại Mmax :
M max = Fx max .rd = xmax .Gbs .rd

(1.8)

Trong đó: x max : Hệ số bám dọc cực đại;
Fφmax: Lực bám dọc cực đại.
Khi mô men của động cơ truyền đến bánh xe chủ động

Me .itl
nhỏ hơn Mmax , mô

2

men kéo bánh xe được xác định theo công thức (1.7) và bánh xe chỉ bị trượt với độ trượt
nhỏ do sự biến dạng của lốp với mặt đường.
5


Khi mô men của động cơ truyền đến bánh xe lớn hơn mô men bám cực đại
( Me .itl  Mmax ) bánh xe sẽ bị trượt quay đến mức gây hại.
2

Hệ số bám dọc, hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường phụ thuộc vào nhiều
yếu tố: tình trạng mặt đường, kiểu lốp, chất lượng lốp, nhiệt độ, vận tốc, độ trượt. Quy luật
điển hình giữa hệ số bám dọc, hệ số bám ngang và độ trượt của bánh xe được thể hiện trên
Hình 1.2.

Hình 1.2. Sự thay đổi hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt bánh xe.

Với φx và φy là hệ số bám dọc và hệ số bám ngang của bánh xe. Nhiều
nghiên cứu cho thấy khi độ trượt nằm trong khoảng 10% - 30% thì hệ số bám theo phương
dọc φx lớn và đạt giá trị lớn nhất [3]; [7]; [18]; [38] trong khi đó hệ số bám ngang đang có
xu hướng giảm nhưng vẫn ở giá trị cao. Vượt ra ngoài khoảng này các hệ số bám dọc và
bám ngang đều giảm nhanh chóng, như vậy lực bám giữa lốp và đường cũng giảm. Dựa
vào tín hiệu độ trượt λ thu được, cần điều khiển lực phanh tác động vào bánh xe bị trượt
hoặc cơ cấu điều khiển mô men.
Mục tiêu của hệ thống hạn chế trượt quay là điều khiển mô men truyền đến bánh xe
chủ động vừa đủ để bánh xe làm việc trong vùng có mô men bám lớn qua đó giúp ô tô có
thể chuyển động. Để tận dụng tối đa khả năng bám, độ trượt (λ) cần thay đổi trong phạm vi
hẹp quanh giá trị trượt tối ưu (10-30)%, tại đó mô men bánh xe cần được giảm một lượng
nhất định để lực kéo (Fx) đạt giá trị cực đại, đồng thời cải thiện tính ổn định và tính dẫn

hướng của ô tô [6];[15].
Trên thực tế, khi hiện tượng trượt quay xảy ra người lái xe khó cảm nhận được tình
trạng trượt quay cụ thể của bánh xe chủ động. Điều này có thể dẫn đến việc điều khiển xe
không hợp lý làm xe vẫn trượt hoặc trượt dữ dội hơn. Có nhiều giải pháp để hạn chế hiện
tượng trượt quay của bánh xe chủ động như: điều khiển giảm công suất động cơ, tạo mô
men phanh tại các bánh xe một cách thích hợp hoặc kết hợp điều khiển giảm công suất
động cơ và tạo mô men hợp lý tại các bánh xe.
6


Các giải pháp này sẽ được trình bày rõ hơn trong phần tình hình nghiên cứu trong
và ngoài nước.

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống hạn chế hiện tượng
trượt quay. Có thể kể đến các công trình nghiên cứu nổi trội như sau:
- Năm 1989, hai tác giả người Mỹ là Michael H.Quinn và Paul H. Quinn [42] đã sử
dụng bột đá cẩm thạch được nằm trong một thùng chứa hình phễu (số 8 trên Hình 1.3) đặt
ở gần bánh xe. Hệ thống hoạt động nhờ một solenoid điều khiển nắp 6 đóng mở qua một
công tắc (số 1 trên Hình 1.3) trên vôlăng. Trong những điều kiện đường trơn trượt, băng
tuyết người lái ô tô có thể ấn công tắc kích hoạt hệ thống hoạt động, bột đá sẽ làm thay đổi
hệ số bám của đường và qua đó làm tăng lực bám giữa bánh xe và mặt đường như Hình
1.3.
Hệ thống tuy đơn giản nhưng khó có thể ứng dụng vào trong thực tế vì không thể
bố trí được thùng đựng bột đá gần với bánh xe, hơn thế phương pháp này mang lại hiệu
quả không cao, không điều khiển được lực bám phù hợp với từng bánh xe và dẫn tới ô tô
mất ổn định.

Hình 1.3. Hệ thống hạn chế trượt bằng phương pháp thay đổi độ bám đường

- Renpei Matsumoto đã công bố công trình nghiên cứu “Kiểm soát lực kéo để ngăn
trượt ô tô trên đường cong và khi quay vòng” năm 1990 [46]. Nghiên cứu sử dụng các cảm
biến: vận tốc xe (vehicle speed sensor), vận tốc góc các bánh xe, góc đánh lái, trạng thái
lốp, gia tốc xe từ đó điều khiển mô tơ bướm ga (số 40 trên Hình 1.4) và cơ cấu phanh trong
trường hợp phát hiện sự trượt quay của bánh xe. Sơ đồ bố trí của hệ thống được thể hiện
trên Hình 1.4.
Khi ô tô tăng tốc và người lái đánh lái nhanh có thể dẫn đến các bánh xe bên trong
trượt quay, bánh bên ngoài nhấc lên khỏi đường khi đó mô đun điều khiển (traction control
circuit) sẽ điều chỉnh mô tơ bướm ga mở nhỏ hơn mức đạp ga để giảm công suất của ô tô
dẫn tới ô tô quay vòng tốt hơn. Khi phát hiện độ trượt của bánh xe nào cao hơn độ trượt
cho phép, bộ điều khiển sẽ điều khiển thực hiện phanh bánh xe đó cho đến khi độ trượt đạt
giá trị cho phép. Trường hợp người lái đạp ga đột ngột làm công suất động cơ tăng quá lớn
7


gây trượt quay tại các bánh xe chủ động, bộ điều khiển sẽ điều khiển mức độ làm việc của
mô tơ bướm ga thấp hơn để hạn chế trượt quay. Nghiên cứu này áp dụng với ô tô 4 bánh
dùng phanh đĩa đẫn động thủy lực ở cả 4 bánh xe.

Hình 1.4. Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm soát lực kéo

- Tetsuhiro Yamashita và các cộng sự đã công bố nghiên cứu “Hệ thống kiểm soát
lực kéo cho ô tô” vào năm 1996 [49]. Hệ thống này thực hiện kiểm soát độ bám đường cho
ô tô và đặc biệt là ngăn chặn sự trượt khi ô tô quay vòng. Nghiên cứu đã sử dụng 4 cảm
biến đo vận tốc góc cho 4 bánh xe trong đó có 2 cảm biến của 2 bánh xe chủ động (số 11
và 12) và 2 cảm biến cho bánh xe bị động (số 13 và 14), 1 cảm biến góc đánh lái (số 16)
như trên Hình 1.5.

Hình 1.5. Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm soát lực kéo của Tetsuhiro Yamashita

8


Độ trượt của bánh xe chủ động được xác định bằng cách tính toán độ chênh lệch
giữa vận tốc góc của bánh xe chủ động với vận tốc của ô tô được tính từ vận tốc góc của
bánh xe ô tô bị động từ đó điều khiển giảm lượng nhiên liệu hoặc hệ thống đánh lửa. Khi ô
tô quay vòng sẽ gây ra sự khác nhau về vận tốc giữa 2 bánh xe dẫn hướng gây ra độ trượt
lớn hơn trường hợp đi thẳng, gây lực ly tâm lớn gây mất an toàn và làm người lái khó điều
khiển hơn, khi đó cần điều khiển giảm công suất của động cơ nhiều hơn để ô tô dễ điều
khiển khi quay vòng và đảm bảo an toàn. Tín hiệu góc đánh lái có vai trò chuyển đổi điều
khiển trượt cho 2 trường hợp ô tô chạy thẳng và ô tô quay vòng.
Năm 1997 một nghiên cứu tiếp theo của Tetsuhiro Yamashita và các cộng sự [50]
về kiểm soát lực kéo cho ô tô dựa trên việc điều khiển cơ cấu phanh và nhiệt độ khí xả.
Trong đó việc điều khiển nhiệt độ khí xả thông qua bộ xúc tác nhằm thay đổi thông số đầu
vào của bộ điều khiển động cơ để thay đổi công suất của động cơ. Khi xảy ra trượt quay,
bộ điều khiển (control unit) thực hiện điều khiển bộ xúc tác làm tăng nhiệt độ khí xả dẫn
đến bộ điều khiển động cơ tính toán giảm lượng nhiên liệu cung cấp, thay đổi góc đánh
lửa... nhằm giảm công suất động cơ để hạn chế trượt quay. Sơ đồ bố trí hệ thống được thể
hiện trên Hình 1.6.

Hình 1.6. Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm soát lực kéo bằng điều khiển hệ thống phanh và

nhiệt độ khí xả
Trong hệ thống này việc tăng nhiệt độ của bộ xúc tác cần một lượng điện năng lớn,
bên cạnh đó thời gian từ khi phát hiện bánh xe ô tô bị trượt quay để thay đổi nhiệt độ bộ
xúc tác đến khi bộ điều khiển công suất động cơ thay đổi mất nhiều thời gian dẫn đến hiệu
quả hạn chế trượt quay không cao.

9

Năm 2000, Tetsuhiro Yamashita và các cộng sự [51] công bố nghiên cứu hệ thống
điều khiển lực kéo cho ô tô. Nghiên cứu thực hiện tác động vào góc đánh lửa và thay đổi
độ dài đường nạp nhằm giảm công suất của động cơ khi phát hiện trượt quay. Cấu trúc của
hệ thống được thể hiện trên Hình 1.7.
Hệ thống này yêu cầu hệ thống đánh lửa phải được điều khiển điện tử và kết cấu
đường nạp phải đủ lớn để có thể bố trí cơ cấu thay đổi đường đi của không khí nạp.

Hình 1.7. Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo bằng cách tác động vào góc đánh lửa và
thay đổi độ dài đường nạp

- Toru Ikeda và các cộng sự [54] công bố nghiên cứu về điều khiển lực kéo cho ô tô
năm 1998. Khi đối chiếu sự sai khác về vận tốc góc các bánh xe và so sánh với giá trị tham
khảo trượt để phát hiện bánh xe trượt từ đó điều khiển giảm công suất của động cơ thông
qua mô tơ điều khiển bướm ga (số 6) như trên Hình 1.8.

Hình 1.8. Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo thông qua điều khiển bướm ga

10


Nghiên cứu này sử dụng mô tơ điều khiển bướm ga nên áp dụng được với động cơ
xăng.
Cùng năm 1998, Tomohiro Fukumura và các công sự [53] công bố nghiên cứu:
Điều khiển lực kéo cho ô tô. Nghiên cứu sử dụng thêm một bướm ga phụ (số 42 trên Hình
1.9) để điều khiển giảm công suất của động cơ khi phát hiện trượt quay thông qua bộ điều
khiển số 30 (controller). Sơ đồ bố trí của hệ thống được thể hiện trên Hình 1.9.

Hình 1.9. Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo thông qua bướm ga phụ

Với phương pháp của nhóm tác giả thì kết cấu đường nạp phải đủ lớn để thiết kế
thêm một bướm ga phụ, đồng thời phải tính toán tới mức cản gió của bướm ga phụ.

Hình 1.10. Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển lực kéo thông qua điều khiển bướm ga chính

11


- Tháng 1 năm 2002, Dong-Chul Shin [22] công bố nghiên cứu phương pháp điều
khiển trượt với hệ thống điều khiển lực kéo thông qua hệ thống dẫn động bướm ga chính
MTA (cụm chi tiết số 2 trên Hình 1.10). Phương pháp sử dụng mô hình chân ga điện tử áp
dụng với các ô tô đời mới có cảm biến vị trí bàn đạp ga như Hình 1.10.
- Kenneth J Potter và các cộng sự [35] công bố công trình nghiên cứu quản lý mô
men xoắn dựa trên kiểm soát lực kéo bằng cách tích hợp điểu khiển động cơ hoặc phanh
năm 2003.
- Tháng 6 năm 2004, Paul Antony Fawkes và các cộng sự [44] công bố nghiên cứu
hệ thống điều khiển lực kéo thông qua hệ thống quản lý động cơ EMS điều khiển mô men
xoắn đầu ra của động cơ và hệ thống phanh khi xảy ra trượt quay.
- Hirofumi Michioka và Toshiya Mori [27] công bố nghiên cứu hệ thống kiểm soát
lực kéo trên ô tô bằng cách can thiệp vào hệ thống nhiên liệu: cắt nhiên liệu tới các xilanh
kết hợp với điều khiển hộp số tự động (automatic transaission) nhằm hạn chế trượt quay tốt
và êm dịu. Nghiên cứu được công bố năm 2004. Sơ đồ bố trí của hệ thống được thể hiện
trên Hình 1.11.

Hình 1.11. Sơ đồ bố trí hệ thống kiểm soát lực kéo bằng hệ thống nhiên liệu

Việc điều khiển đồng thời hai phương pháp thay đổi lượng nhiên liệu và điều khiển
hộp số đem lại kết quả cao tuy nhiên vấn đề điều khiển rất phức tạp.
- Tháng 3 năm 2005, Thomas Sauter và các cộng sự [52] công bố nghiên cứu hệ

thống kiểm soát lực kéo nhằm giảm trượt của bánh xe bên ngoài khi quay vòng. Hệ thống
điều khiển hạn chế trượt cho các bánh xe dẫn động ở bên trong và bên ngoài khi ô tô quay
vòng với mặt đường có độ bám thấp.

12


- Davor Hrovat và các cộng sự [21] có một cách tiếp cận mới về điều khiển hạn chế
trượt quay đó là thay đổi giá trị ngưỡng trượt cho ô tô khi nhiệt độ môi trường thay đổi.
Nghiên cứu được công bố năm 2007. Sơ đồ bố trí của hệ thống được thể hiện trên Hình
1.12.
Điều kiện này áp dụng với các vùng có nhiệt độ thấp có thể dẫn tới đóng băng gây
trượt lớn. Nghiên cứu này đặc biệt phù hợp với các quốc gia hoặc vùng lãnh thổ có sự thay
đổi lớn về nhiệt độ môi trường, tuy nhiên rất ít khi xảy ra các trường hợp ô tô di chuyển
giữa các vùng khí hậu khác biệt lớn trong khoảng thời gian ngắn.

Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay theo nhiệt độ môi trường

- Tháng 5 năm 2009, Hongtei Eric Tseng và các cộng sự [28] nghiên cứu hệ thống
hạn chế trượt quay điều khiển các cơ cấu phanh tại các bánh xe nhưng có tính đến bán kính
lốp (trong trường hợp ô tô thay lốp dự phòng không đủ kích thước theo tiêu chuẩn).
- Tháng 8 năm 2009, Michael Fodor [40] và các đồng nghiệp tiếp tục công bố
nghiên cứu Điều khiển lực kéo trong trường hợp ô tô thay đổi trạng thái đột ngột.
Nghiên cứu sử dụng các cảm biến gia tốc dọc, gia tốc ngang, vận tốc góc bánh xe
và cảm biến góc lắc ngang thân ô tô.
- Tháng 7 năm 2010, Davor Herovat và các cộng sự [20] công bố nghiên cứu
phương pháp kiểm soát lực kéo cho ô tô ô tô sử dụng nhiều phương pháp cùng lúc đó là
thay đổi lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt, góc đánh lửa và điều khiển bướm ga.
- Theo công bố về hệ thống hạn chế trượt quay của hãng WABCO [55] tác động
điều khiển vào dây ga và cụm cơ cấu chấp hành. Hãng sử dụng phương pháp điều khiển

13


lượng nhiên liệu vào động cơ thông quá cơ cấu dẫn động thanh răng bơm cao áp bằng một
xi lanh khí nén có điều khiển như Hình 1.13. Một giải pháp khác đó là chế tạo cụm van
điều khiển lực phanh tại các bánh xe khác nhau.

Hình 1.13. Hệ thống hạn chế trượt quay cho ô tô tải của hãng Wabco

- Một số nghiên cứu nghiên cứu của các tác giả:
Tác giả Nathan Ewin [41] đã đề xuất phương pháp ước lượng mô men cực đại có
thể truyền và điều khiển giới hạn mô men sinh ra lớn nhất của động cơ nhằm điều khiển
hạn chế trượt quay vào năm 2011. Sơ đồ bộ điều khiển của hệ thống này được thể hiện trên
Hình 1.14.

Hình 1.14. Bộ điều khiển MTTE

Năm 2012, các tác giả Jan Erik Stellet, Martin Giessler, Frank Gauterin, Fernando
Puente León [32] đã sử dụng thuật toán điều khiển trượt (SMC) để điều khiển mô men tới
từng bánh xe. Việc điều khiển này nhằm điều khiển ổn định hướng và khả năng tăng tốc
14


của xe. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển của nghiên cứu này được thể hiện trên Hình
1.15.

Hình 1.15. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển theo thuật toán điều khiển trượt (SMC)

Năm 2013, Jaewon Nah, Kyongsu Yi, Wongun Kim và Yeogiel Yoon [31] đã giới
thiệu thuật toán điều khiển lực kéo ở bánh xe chủ động tại từng bánh xe bằng phương pháp

điều khiển PID nhằm điều khiển cả tính năng tăng tốc và độ ổn định hướng chuyển động
của xe 6 bánh. Kết quả mô phỏng đã cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển. Sơ đồ khối của
bộ điều khiển được thể hiện trên Hình 1.16.

Hình 1.16. Sơ đồ khối điều khiển lực kéo ở bánh xe chủ động tại từng bánh xe

Năm 2015, Kanghyun Nam, Yoichi Hori, Choonyoung Lee [33] đã giới thiệu luật
điều khiển mô men bánh xe chủ động độc lập tới từng bánh xe dựa trên thuật toán quan sát
được độ trượt của bánh xe chủ động.
Tuy nhiên, các phương pháp điều khiển này chỉ ứng dụng cho ô tô điện có đặc tính
mô men là tuyến tính. Muốn áp dụng cho động cơ nhiệt với đặc tính phi tuyến đòi hỏi phải
có những thuật giải rất phức tạp khó có khả năng áp dụng theo thời gian thực trên ô tô.
- Các tác giả Kazushi Hosomi, Akira Nagae, Shinsuke Yamamoto,Yosuke Takahira
và Masamichi Koizumi [34] của hãng Toyota đã công bố thuật toán điều khiển hạn chế
trượt bao gồm các phương pháp điều khiển công suất động cơ, điều khiển lực phanh và
điều khiển vi sai để điều khiển hạn chế trượt quay năm 2000. Trong công bố này, các tác
giả đã công bố các chế độ làm việc và hiệu quả của hệ thống trên đường có hệ số bám đồng
15