Nguyen van thao 4WS mo hinh va mo phong he thong lai 4ws

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VĂN THẠO

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG Ô TÔ
BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VĂN THẠO
NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG Ô TÔ
BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 60.52.01.16
Chuyên sâu: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Trần Văn Như

Hà Nội 2016

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
các công trình nào khác!
Hà Nội, ngày 11 tháng 04 năm 2016
Tác giả

Nguyễn Văn Thạo


2

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải, Phòng
đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí và Bộ môn cơ khí ô tô đã cho phép tôi thực
hiện luận văn tại Trường Đại học Giao thông Vận tải.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất tới TS. Trần Văn Như đã
hướng dẫn tôi hết sức tận tình, chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành
luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo .............................................. đã đọc
và đóng góp ý kiến quý cho luận văn.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn cơ khí ô tô - Trường Đại
học Giao thông Vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức
thuận lợi để hoàn thành luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy
trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu

để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong tương
lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè,
những người đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia
nghiên cứu, học tập và thực hiện luận văn này.

MỤC LỤ


3

LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................i
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................ii
MỤC LỤC..............................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ.........................................................................vi
MỞ ĐẦU....................................................................................................
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................3
1.1. Tính điều khiển và an toàn giao thông...............................................3
1.1.1. Tính điều khiển của ô tô..................................................................3
1.1.2. An toàn giao thông và quỹ đạo chuyển động..................................4
1.2. Các giải pháp ổn định hướng chuyển động trên ô tô..........................6
1.2.1. Hệ thống lái tích cực.......................................................................6
1.2.2. Hệ thống cân bằng điện tử...............................................................9
1.2.3 Hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng......................................................14
1.3. Hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng (4WS )............................................14
1.3.1. Cấu tạo hệ thống lái 4WS..............................................................15
1.3.2. Các trạng thái chuyển động của xe có hệ thống lái 4WS..............22
1.4. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hệ thống lái

4WS.................................................................................................................23
1.5. Kết luận chương...............................................................................25


4
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỔI HƯỚNG
CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG.....................27
2.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình...................................................27
2.1.1. Phương trình Lagrange loại II.......................................................27
2.1.2. Nguyên lý Dalambe.......................................................................28
2.2. Các mô hình nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô..................29
2.2.1. Mô hình chuyển động tổng quát của ô tô......................................29
2.2.2. Mô hình một vết............................................................................31
2.2.3. Mô hình hai vết.............................................................................32
2.3.4. Mô hình bánh xe............................................................................34
2.3.5. Mô hình hệ thống lái.....................................................................35
2.3. Mô hình động lực học bánh xe chủ động.........................................36
2.4. Mô hình đổi hướng chuyển động một vết ô tô 4WS........................41
2.4.1. Giả thiết xây dựng mô hình...........................................................41
2.4.2. Xây dựng mô hình toán.................................................................44
2.5. Mô hình đổi hướng chuyển động hai vết ô tô 4WS.........................46
2.5.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình..............................................46
2.5.2. Quan hệ động học các bánh xe dẫn hướng....................................47
2.5.3. Xây dựng mô hình toán học..........................................................49
CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC ĐỔI HƯỚNG
CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG......................54
3.1. Đối tượng và mục tiêu khảo sát........................................................54
3.1.1. Đối tượng khảo sát........................................................................54
3.1.2. Mục tiêu khảo sát..........................................................................55
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink....55

3.2.1. Giới thiệu phần mềm.....................................................................55


5
3.2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. 57
3.2.3. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô.....................................60
3.3. Khảo sát ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô với hệ thống lái
4WS.................................................................................................................66
3.3.1. Trường hợp quay vòng với bán kính không đổi............................66
3.3.1.1. Trường hợp độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn so với thông sô
tiêu chuẩn, bánh sau không điều khiển...................................................66
3.3.1.2. Trường hợp độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn so với thông số
tiêu chuẩn, bánh sau điều khiển..............................................................67
3.3.1.3. Trường hợp độ cứng ngang lốp sau nhỏ hơn so với thông số tiêu
chuẩn, bánh sau không điều khiển..........................................................68
3.3.1.4. Trường hợp độ cứng ngang lốp sau nhỏ hơn so với thông số tiêu
chuẩn, bánh sau điều khiển.....................................................................69
3.3.2. Khi ô tô vào cua............................................................................71
3.3.2.1. Độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn so với thông số tiêu chuẩn,
bánh sau không điều khiển......................................................................71
3.3.2.2. Độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn so với thông số tiêu chuẩn,
bánh sau điều khiển.................................................................................72
3.3.2.4. Độ cứng ngang lốp sau nhỏ hơn so với thông số tiêu chuẩn, bánh
sau điều khiển..........................................................................................74
3.3.3. Trường hợp chuyển làn.................................................................76
3.3.3.1. Trường hợp độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn so với thông số
tiêu chuẩn, bánh sau không điều khiển...................................................76
3.3.1.2. Trường hợp độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn so với thông số
tiêu chuẩn, bánh sau điều khiển..............................................................77
3.3.1.3. Trường hợp độ cứng ngang lốp sau nhỏ hơn so với thông số tiêu

chuẩn, bánh sau không điều khiển..........................................................78


6
3.3.1.4. Trường hợp độ cứng ngang lốp sau nhỏ hơn so với thông số tiêu
chuẩn, bánh sau điều khiển....................................................................79
3.4. Kết luận chương...............................................................................81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..............................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................83

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Thông số mô hình xe khảo sát........................................................54

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Mô hình hệ thống điều khiển của ô tô...............................................3
Hình 1.2. Cấu tạo hệ thống lái tích cực.............................................................6
Hình 1.3. Sơ đồ hoạt động hệ thống lái tích cực...............................................7
Hình 1.4. Hệ thống lái tích cực kết nối qua mạng nội bộ..................................8
Hình 1.5. Sơ đồ bố trí ESP trên xe Mercedes..................................................11
Hình 1.6. So sánh hoạt động xe có ESP và không có ESP..............................13
Hình 1.7. Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng...................................................15
Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo cơ cấu lái sau xe Honda Prelude...............................16
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động cơ cấu lái sau.......................................17
Hình 1.10. Đồ thị quan hệ giữa góc quay vành lái với góc quay các bánh xe 17
Hình 1.11. Hệ thống lái 4WS thủy lực............................................................18
Hình 1.12. Hệ thống lái 4WS thủy lực- điện...................................................19

7
Hình 1.13. Cấu tạo hệ thống lái cơ khí- điện- thuỷ lực trên xe Mazda 626
4WS.................................................................................................................20
Hình 1.14. Nguyên lý làm việc cơ cấu lái sau.................................................21
Hình 1.15: Đồ thị góc quay tương đối bánh xe sau và trước với tốc độ xe
(km/h) trên xe Mazda 626 4WS......................................................................21
Hình 1.16. Trạng thái quay vòng ở tốc độ thấp...............................................22
Hình 1.17. Trạng thái quay vòng tốc độ cao...................................................23
Hình 1.18. Trạng thái quay vòng ở tốc độ cao................................................23
Hình 2.1. Mô hình chuyển động tổng quát của ô tô........................................29
Hình 2.2. Chuyển hệ trục tọa độ trên ô tô sang hệ tọa độ gắn với mặt đường
.........................................................................................................................30
Hình 2.3. Mô hình một vết trong mặt phẳng đường........................................31
Hình 2.4. Mô hình hai vết bánh xe..................................................................33
Hình 2.5. Mô hình chuyển động của bánh xe (mô hình 1/4)..........................34
Hình 2.6. Mô hình thí nghiệm đặc tính bám dọc, ngang của lốp...................34
Hình 2.7. Mô hình động lực học hệ thống lái..................................................35
Hình 2.8. Mô hình quỹ đạo chuyển động ô tô với hệ thống lái......................36
Hình 2.9. Mô hình động lực liên kết lốp với mặt đường.................................37
Hình 2.10. Mô hình góc lệch bên bánh xe......................................................40
Hình 2.11. Mô hình một vết hệ thống lái 4WS...............................................42
Hình 2.12. Quan hệ động học góc quay vòng các bánh xe dẫn hướng...........47
Hình 2.13. Mô hình hai vết hệ thống lái 4WS.................................................50
Hình 3.1. Mô men bánh xe chủ động..............................................................58
Hình 3.2. Khối động lực học thân xe..............................................................58
Hình 3.3. Mã chương trình khối động lực học thân xe...................................58
Hình 3.4. Khối động học các bánh xe.............................................................59
Hình 3.5. Mã code khối động học bánh xe......................................................59
Hình 3.6. Mô hình động lực học quay vòng của ô tô......................................60

8
Hình 3.7. Góc quay bánh xe dẫn hướng khi quay vòng với bán kính không
đổi....................................................................................................................61
Hình 3.8. Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi quay vòng với bán kính không
đổi....................................................................................................................61
Hình 3.9. Góc quay bánh xe dẫn hướng khi chuyển làn.................................62
Hình 3.10. Quỹ đạo chuyển động của xe khi chuyển làn................................62
Hình 3.11. Góc quay bánh xe dẫn hướng khi vào cua.....................................63
Hình 3.12. Quỹ đạo chuyển động xe khi vào cua...........................................64
Hình 3.13. Lực gió ngang tác động lên ô tô....................................................64
Hình 3.14. Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi chịu tác động của gió ngang
đột ngột............................................................................................................65
Hình 3.15. Quỹ đạo chuyển động của xe khi quay vòng với bán kính không
đổi....................................................................................................................66
Hình 3.16. Góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau..........................................67
Hình 3.17. Quỹ đạo chuyển động xe khi điều khiển bánh sau........................68
Hình 3.18. Quỹ đạo chuyển động của xe khi quay vòng với độ cứng ngang lốp
sau nhỏ, bánh sau không điều khiển................................................................69
Hình 3.19. Góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau..........................................70
Hình 3.20. Quỹ đạo chuyển động khi độ cứng ngang lốp sau nhỏ hơn thông số
tiêu chuẩn, bánh sau điều khiển......................................................................70
Hình 3.21. Quỹ đạo chuyển động ô tô khi vào cua.........................................71
Hình 3.21. Góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau..........................................72
Hình 3.23. Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi vào cua...................................73
Hình 3.24. Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi vào cua...................................74
Hình 3.25. Góc quay bánh xe dẫn hướng phía sau khi vào cua......................75
Hình 3.26. Quỹ đạo chuyển động khi vào cua của ô tô...................................75
Hình 3.26. Quỹ đạo chuyển động của ô tô khi chuyển làn độ cứng lốp trước
nhỏ hơn thông số tiêu chuẩn............................................................................76

9
Hình 3.27. Góc quay các bánh xe dẫn hướng phía sau khi chuyển làn đường.
.........................................................................................................................77
Hình 3.28. Quỹ đạo chuyển động của xe khi chuyển làn có điều khiển bánh xe
dẫn hướng sau..................................................................................................78
Hình 3.29. Quỹ đạo chuyển động của xe khi chuyển làn................................79
Hình 3.30. Góc quay các bánh xe dẫn hướng sau...........................................80
Hình 3.31. Quỹ đạo chuyển động ô tô khi chuyển làn....................................80


1

MỞ ĐẦU

An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ô tô là chỉ tiêu quan
trọng đánh giá chất lượng thiết kế và sử dụng phương tiện. Trong giao thông ô
tô, mặt đường thường giới hạn, sự chuyển động của ô tô không thể và không
cho phép là những mặt đường vô tận. Mặt khác ô tô chuyển động trong môi
trường giao thông với sự chuyển động của các đối tượng tham gia giao thông
khác. Nếu ô tô mất ổn định điều khiển dễ dàng mất an toàn giao thông. Vì vậy
đảm bảo ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là yếu tố quan trọng đảm bảo
an toàn giao thông.
Ngày nay với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật, ngành công nghiệp ô
tô đã áp dụng nhiều biện pháp để ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô như:
sử dụng hệ thống lái tích cực; sử dụng hệ thống cân bằng điện tử (ESP); hệ
thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS). Trong đó hệ thống lái 4WS sử dụng hai
bánh xe dẫn hướng phía sau điều chỉnh quỹ đạo chuyển động của ô tô phù
hợp với yêu cầu của lái xe (góc quay vành lái). Do đó ổn định quỹ đạo chuyển

động. Việc nghiên cứu động lực học quay vòng của ô tô sử dụng bốn bánh xe
dẫn hướng đã và đang được các nhà nghiên cứu và các hãng sản xuất ô tô
nghiên cứu để áp dụng vào sản xuất nhằm tăng tính ổn định chuyển động của
ô tô.
Xuất phát từ thực trạng trên, trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ tôi chọn
đề tài: “Nghiên cứu động lực học quay vòng ô tô bốn bánh xe dẫn hướng”.
Luận văn tập chung vào nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học
chuyển hướng chuyển động của ô tô 4 bánh dẫn hướng, khảo sát các trường
hợp đổi hướng chuyển động.


2
Nội dung nghiên cứu gồm:
- Tổng quan về tính điều khiển và an toàn giao thông. Các giải pháp để
ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô.
- Xây dựng mô hình động lực học đổi hướng chuyển động của ô tô, mô
phỏng quỹ đạo chuyển động.
- Khảo sát các trường hợp đổi hướng chuyển động của ô tô bốn bánh
dẫn hướng.
Luận văn nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với mô phỏng trên máy tính bằng
phần mềm Matlab/Simulink.
Trong quá trình thực hiện luận văn cùng với sự cố gắng của bản thân, sự
hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS. Trần Văn Như, cùng các Thầy giáo
trong bộ môn Cơ khí ô tô, Đại học Giao thông Vận tải. Tuy nhiên luận văn
không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý
kiến của các thầy và bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tính điều khiển và an toàn giao thông
1.1.1. Tính điều khiển của ô tô
Tính điều khiển của ô tô được hiểu là chuyển vị đúng của ô tô theo ý
muốn của lái xe (điều khiển theo phương dọc và điều khiển quay vòng). Mô
hình khảo sát tổng quát của ô tô là mô hình “Ô tô – Môi trường – Người lái”
thể hiện trên Hình 1.1.

Hình 1.1. Mô hình hệ thống điều khiển của ô tô
Do các yếu tố của môi trường luôn luôn thay đổi, dẫn tới thay đổi mối
tương quan chuyển động của ô tô trên đường. Người lái luôn có tác động điều
chỉnh để có thể thu được các chuyển vị phù hợp. Người lái tác động điều
khiển thông qua hệ thống cơ học biến dạng của ô tô và mối tương quan của
các yếu tố môi trường ô tô sẽ có các chuyển vị tương ứng. Các chuyển vị này
được phản hồi vào người lái và người lái lại tác động vào hệ thống ô tô để tạo
nên các chuyển vị tiếp theo. Các yếu tố môi trường có thể là lực cản gió, mấp
mô của mặt đường. Việc khảo sát hệ thống kín như trên là cần thiết, nhưng


4
quá phức tạp. Để đánh giá hệ thống kín này ta đánh giá hệ thống hở (không có
mối liến hệ ngược). Thông qua hệ thống hở có thể xác định được các phản
ứng của ô tô khi có các yếu tố điều khiển. Các chuyển vị trong hệ thống hở
được mô tả qua các quy luật cho phép đánh giá sự ổn định của hệ thống và
làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế các hệ thống tự động điều khiển trên ô
tô.
Liên quan tới tính điều khiển là tính ổn định của hệ thống. Một hệ thống
được gọi là ổn định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian. Hệ thống
không ổn định nếu quá trình quá độ tăng dần theo thời gian. Hệ thống ở biên

độ ổn định nếu quá trình quá độ không đổi hoặc dao động không tắt dần. Khi
phân tích ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ta cần xem xét ô tô là một hệ
thống động lực học với các tác động đầu vào như: góc quay vành lái, cản gió,
mấp mô mặt đường… và sự ổn định của các thông số đầu ra. Do đó ổn định
hướng chuyển động của ô tô là một đặc tính của ô tô giữ được hướng chuyển
động theo góc quay vành lái khi chịu tác động của các lực và mô men ngoại
cảnh.
1.1.2. An toàn giao thông và quỹ đạo chuyển động
An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ô tô là chỉ tiêu quan
trọng đánh giá chất lượng thiết kế và sử dụng phương tiện. Trong giao thông ô
tô, mặt đường thường giới hạn, sự chuyển động của ô tô không thể và không
cho phép là những mặt đường vô tận. Mặt khác ô tô chuyển động trong môi
trường giao thông với sự chuyển động của các đối tượng tham gia giao thông
khác. Nếu ô tô mất ổn định điều khiển dễ dàng mất an toàn giao thông. Vì vậy
đảm bảo quỹ đạo chuyển động của ô tô là yếu tố quan trọng đảm bảo an toàn
giao thông.


5
Sự chuyển động của ô tô trên đường đòi hỏi phải thực hiện theo quỹ đạo
phức tạp, người lái luôn luôn điều chỉnh góc quay vành lái. Khi nâng cao tốc
độ chuyển động cần thiết phải đảm bảo mối tương quan giữa quỹ đạo chuyển
động và góc quay vành lái. Trong nhiều trường hợp chỉ một sai lầm nhỏ trong
điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ đạo chuyển động, gây mất an toàn giao thông.
Chẳng hạn như khi đi trên đường vòng ở tốc độ cao, gặp chướng ngại vật,
phanh xe quá ngặt dẫn đến bó lết bánh xe, làm mất khả năng điều khiển hoặc
gia tốc hướng tâm tăng dẫn đến trượt bên các bánh xe và lật đổ.
Tai nạn giao thông do nhiều nguyên nhân gây ra. Trong mô hình “Ô tô –
môi trường – người lái” có thể chỉ ra các nhóm nguyên nhân:
- Đối với người lái: Trình độ lái xe thấp, ít kinh nghiệm, trạng thái phản

ứng chậm, trạng thái buồn ngủ, mất tập chung. Yếu tố này thường được cả
cộng đồng chăm lo thông qua các thể chế pháp lý, giáo dục xã hội…
- Đối với môi trường: Chất lượng đường xấu, không đảm bảo tiêu chuẩn
đường bộ, thiếu hệ thống thông tin, cảnh báo, tầm quan sát hạn chế. Điều kiện
thời tiết không thuận lợi (mưa gió, đường trơn trượt)…
- Đối với ô tô: Các thông số kết cấu không hợp lý. Tình trạng kỹ thuật
không đảm bảo, đặc biệt ở hệ thống phanh, hệ thống lái. Để giảm thiểu
nguyên nhân này cần áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế xe, tiêu chuẩn về kiểm
định chất lượng xe đang lưu hành và xuất xưởng.
Sự liên quan của quỹ đạo chuyển động tới an toàn chuyển động là một
trong các nguyên nhân nằm trong nhóm nguyên nhân do phương tiện gây ra.
Tính ổn định hướng chuyển động của ô tô là yếu tố ảnh hưởng lớn đến quỹ
đạo chuyển động của xe, nguyên nhân chính gây ra tai nạn giao thông. Do đó
kết của ô tô, của hệ thống điều khiển chuyển động của ô tô cần được hoàn
thiện để giảm thiểu tai nạn có nguyên nhân do yếu tố liên quan đến kỹ thuật


6
phương tiện gây ra. Việc nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố kỹ
thuật đến ổn định chuyển động của ô tô là cần thiết để đưa ra các giải pháp
nhằm nâng cao tính ổn định hướng chuyển động của ô tô.
1.2. Các giải pháp ổn định hướng chuyển động trên ô tô
1.2.1. Hệ thống lái tích cực
Hệ thống lái tích cực (Active steering system) là hệ thống lái hiện đại, nó
kiểm soát góc đánh lái của các bánh xe cầu trước một cách chính xác theo yêu
cầu của lái xe. Đây là hệ thống lái mới trên các xe hiện đại, nó là sự kết hợp
giữa hệ thống lái điều khiển cơ khí thông thường và điều khiển điện tử.

Hình 1.2. Cấu tạo hệ thống lái tích cực
1-Cơ cấu lái; 2-Cụm van xoay; 3-Động cơ kỹ thuật số; 4-Bộ chấp hành

cụm bánh răng hành tinh; 5-Bộ điều khiển; 6-Cảm biến góc quay mô tơ; 7Khóa điện tử; 8-Cảm biến góc quay bánh răng; 9-Bơm trợ lực lái; 10-Bình
dầu trợ lực; 11-Đường ống dầu; 12-Đường kết nối hệ thống
Trong hệ thống lái tích cực vẫn bao gồm bộ trợ lực thủy lực như hệ
thống lái truyền thống. Mô tơ điện đóng vai trò điều khiển. Việc điều khiển


7
góc đánh lái bánh xe trước được thực hiện bởi bộ điều khiển (5) thông qua tín
hiệu từ các cảm biến góc quay mô tơ điện và góc quay bánh răng bộ phận
chấp hành (4). Bộ điều khiển lái tích cực có thể được kết nối với hệ thống cân
bằng điện tử ESC.
Khác với hệ thống lái thông thường, hệ thống lái tích cực có tỉ số truyền
thay đổi theo các trạng thái chuyển động của ô tô thông qua mô tơ điều
khiển.Ngoài mô tơ điều khiển còn có mô tơ tạo áp lực lên vành lái trong các
trường hợp xe chuyển động và giữ cho xe chuyển động ổn định trên đường
dưới tác dụng của các tác động từ mặt đường. Bộ điều khiển hệ thống lái nhận
tín hiệu từ các cảm biến, từ đó xác lập các trạng thái điều khiển.

Hình 1.3. Sơ đồ hoạt động hệ thống lái tích cực
FZR - Bộ điều khiển mờ; AFS - hệ thống lái chủ động; ESC - Hệ thống
cân bằng điện tử; EML1 - Bộ điều khiển tín hiệu đầu ra điện tử của hệ thống
lái chủ động; DME1- Bộ điều khiển điện tử động cơ kỹ thuật số của hệ thống
lái chủ động; EML2 - Bộ điều khiển tín hiệu đầu ra điện tử của hệ thống cân
bằng điện tử; DME2 - Bộ điều khiển điện tử động cơ kỹ thuật số của hệ thống
cân bằng điện tử.


8
Quá trình truyền dữ liệu của AFS thông qua mạng nội bộ. Bộ điều khiển
AFS được kết nối với bộ điều khiển cân bằng điện tử ESC và DME, EML,

ECT của hộp số tự động bằng mạng nội bộ CAN. Cảm biến góc đánh lái được
kết nối với mạng nội bộ CAN. Khi AFS truyền tín hiệu điều khiển đến cơ cấu
chấp hành của bộ điều khiển thì tín hiệu điều khiển của bộ chấp hành nào thì
cơ cấu chấp hành đó giả mã để điều khiển.

Hình 1.4. Hệ thống lái tích cực kết nối qua mạng nội bộ
Do hệ thống lái có tỷ số truyền thay đổi nên tạo điều kiện thuân lợi cho
các trạng thái chuyển động của ô tô. Khi xe chạy với tốc độ chậm trong các
bến bãi hệ thống lái thông thường sẽ có phản ứng rất chậm với sự thay đổi của
vành lái. Vì vậy, để nâng cao mức độ phản ứng khi thay đổi vành lái thì hệ
thống lái tự động điều chỉnh tăng tỷ số truyền từ vành lái đến bánh xe dẫn
hướng để xe phản ứng nhạy cảm hơn với vành lái giúp lái xe vào ra các vị trí
chật hẹp tốt hơn. Việc này được thực hiện bằng cách cho động cơ quay cùng
chiều với vành lái. Khi xe chạy với tốc độ cao chỉ cần một sự thay đổi đột
ngột góc lái và độ lớn của góc lái làm xe phản ứng rất nhanh có thể gây nguy
hiểm và mất an toàn vì vậy chúng ta phải giảm mức độ phản ứng của bánh xe


9
dẫn hướng với vành lái. Điều này được thực hiện bằng cách giảm tỷ số truyền
của hệ thống bằng cách điều khiển động cơ quay ngược chiều với chiều
chuyển động của vô lăng.Trong các trường hợp tránh chướng ngại vật khẩn
cấp, để tăng khả năng phản ứng động cơ được điều khiển quay cùng chiều để
tăng tỷ số truyền nâng cao khả năng phản ứng.
Khi ô tô chuyển động, do người lái điều khiển tác động lên vành lái theo
kinh nghiệm . Vì vậy góc đánh lái có thể bị thừa hoặc thiếu so với thực tế cần
thiết. Do đó có thể làm mất ổn định chuyển động. Khi đó bộ điều khiển tiếp
nhận được các tín hiệu xử lý và đưa ra tín hiệu chuẩn.
Trong các tình huống khẩn cấp ở tốc độ cao như đổi hướng đột ngột,
quay vòng ngặt khẩn cấp có thể làm văng xe, người lái không còn khả năng

kiểm soát thì hệ thống lái sẽ can thiệp ngay từ đầu bằng cách hạn chế góc
lệch, ổn định xe nhẹ nhàng. Kết quả là hệ thống ESC không cần phải can
thiệp quyết liệt giảm tốc độ hoặc phanh khẩn cấp các bánh xe. Hệ thống ESC
chỉ phải làm việc khi hệ thống lái không còn khả năng kiểm soát xe nữa.
Điều đặc biệt đối với hệ thống lái tích cực là vẫn giữ được hệ thống cơ
khí truyền thống từ đó lái xe có thể cảm nhận được các kích thích từ mặt
đường, đây là điều mong muốn của người lái xe. Mặt khác, khi các thiết bị trợ
giúp hư hỏng cùng một lúc thì hệ thống lái vẫn làm việc như một hệ thống lái
thông thường.
1.2.2. Hệ thống cân bằng điện tử
1.2.2.1. Lịch sử hình thành
Hệ thống cân bằng điện tử ESC (Electronic Stability Control) hay ESP
(Electronic Stability Program) là hệ thống an toàn trang bị trên ô tô hiện đại
nhằm tăng tính ổn định và giảm thiểu khả năng xảy ra tai nạn giao thông khi
xe vận hành. Hệ thống này được áp dụng lần đầu tiên trên hai xe của hãng


10
BMW năm 1995 lấy tên là DSC (Dynamic Stability Control). Hệ thống được
trang bị cảm biến tại các bánh xe với tần suất 50 lần mỗi giây. Sau đó vào
năm 1996 hãng Mercedes bắt đầu áp dụng công nghệ này và lấy tên là ESP.
Hiện nay hệ thống cân bằng điện tử được áp dụng trên nhiều dòng xe khác
nhau với các tên gọi khác ESP, ESC:
- Acura: VSE (Vehicle Stability Assist).
- Chevrolet: Stability Track System (STS).
- Lexus: Vehicle Stability Control (VSC)
-Audi: Electronic Stabilization Program (ESP)…
1.2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử
Tính ổn định chuyển động của ô tô là khả năng ô tô giữ được quỹ đạo
chuyển động trong mọi điều kiện hoàn cảnh khác nhau. Hệ thống cân bằng

điện tử là hệ thống an toàn chủ động được trang bị cho xe giúp cải thiện tính
năng ổn định trong mọi tình huống chuyển động (phanh, quay vòng…).
Nguyên lý hoạt động của ESP như sau: Trong quá trình chuyển động, khi phát
hiện ra xe có hiện tượng mất lái (rõ rệt nhất là khi vào cua), ESP sẽ làm việc
bằng cách tác động vào hệ thống phanh một bánh xe hoặc nhiều bánh xe một
bên để tạo ra mô men quay thân xe làm ổn định lại quỹ đạo chuyển động của
ô tô. Nhiệm vụ chính của ESP là ổn định chuyển động khi vào cua và ngay cả
khi khởi hành, tăng tốc.
Trên Hình 1.5 thể hiện các phần tử của hệ thống ESP trên ô tô Mercedes.
Hệ thống ESP gồm có các phần tử cơ bản như: Cảm biến tốc độ ô tô; Cảm
biến gia tốc ngang; cảm biến góc quay vành tay lái; Bơm cung cấp ESP; Bộ
chấp hành thủy lực ESP; …Hệ thống ESP phối hợp làm việc đồng thời với sự


11
làm việc của các hệ thống ABS (Anti-lock Braking System), ASR
(Acceleration Slip Regulator), EBR (Engine Brack Regulation).

Hình 1.5. Sơ đồ bố trí ESP trên xe Mercedes
1-Cảm biến tốc độ bánh xe; 2- Cụm giắc chẩn đoán; 3- Hộp điều khiển
ESP; 4- Công tắc ESP OFF; 5- Đèn báo ABS; 6- Đèn báo ESP; 7- Đèn báo
EPC; 8- Cảm biến gia tốc ngang; 9- Hộp điều khiển làm trễ mô men xoay xe;
10- Đèn báo lỗi ESP; 11- Cảm biến góc lái; 12- Công tắc báo phanh; 13Bơm cung cấp ESP; 14- Công tắc phanh đỗ xe; 15- Cảm biến xylanh chính;
16- Xylanh chính; 17- Bộ chấp hành thủy lực ESP.
Hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS: Có tác dụng lớn nhất là giảm
thiểu tối đa hiện tượng mất lái khi người lái vừa phanh, vừa tránh chướng
ngại vật ở tốc độ cao. Nếu cảm biến phát hiện bánh xe nào bị trượt thì áp lực
phanh trên bánh xe đó sẽ được giảm. Sự kiểm soát thông qua ECU điều khiển
và cơ cấu thừa hành gồm hệ thống các van điều khiển. Các van sẽ điều hòa áp
suất phanh của các bánh xe bị trượt theo chế độ: tăng, giữ và giảm áp.

12
Hệ thống ASR (Acceleration Slip Regulator) chống hiện tượng trượt
quay của các bánh xe chủ động khi xe khởi hành và tăng tốc đột ngột. Giúp xe
ổn định bằng cách điều chỉnh lực kéo của các bánh xe chủ động. Trong quá
trình khởi động, tăng tốc… nếu ASR phát hiện bánh xe chủ động bị trượt
quay, cảm biến tốc độ sẽ gửi tín hiện đến ECU. ECU sẽ điều khiển hệ thống
phanh tác động vào bánh xe làm giảm hiện tượng quay trơn vô ích. Trong đó
áp suất phanh luôn được điều khiển theo chu kỳ ở các chế độ tăng, giữ và
giảm áp. Đồng thời hệ thống ESP cũng gửi tín hiện đến hộp điều khiển động
cơ để đóng bớt bướm ga lại hoặc làm chậm thời điểm đánh lửa nhằm giảm mô
men xoắn động cơ.
Hệ thống EBR (Engine Brack Regulation) có tác dụng chống hiện tượng
trượt các bánh xe chủ động hoạt động ở chế độ không tải cưỡng bức và đảm
bảo ổn định xe. Ở chế độ không tải cưỡng bức như xe xuống dốc, bướm ga
đóng, khi đó xe xuống dốc ở chế độ phanh động cơ. Nhưng nếu xẩy ra trường
hợp lực cản động cơ lớn dẫn đến các bánh xe chủ động bị trượt. Khi đó ESP
sẽ nhận biết hiện tượng này và gửi tín hiệu đến ECU động cơ làm giảm sự
trượt bánh xe chủ động.
Với sự phối hợp của các bộ phận trên chức năng chính của hệ thống ESP
là giảm hiện tượng “văng đầu” và “văng đuôi” xe khi xe vào cua và tránh
chướng ngại vật trong trường hợp khẩn cấp. Nếu tình huống xẩy ra thì hệ
thống sẽ đảm bảo xe không bị lệch khỏi hướng điều khiển. Để nhận biết được
việc xe lệch quỹ đạo chuyển động ESP phải có thêm cảm biến góc lái và cảm
biến gia tốc ngang. Hệ thống tự động điều chỉnh một lực phanh đến các bánh
xe tương ứng ở cầu trước hoặc cầu sau về một bên để tạo ra mô men quay
thân xe đảm bảo quỹ đạo chuyển động của xe theo yêu cầu của người lái.

13

Hình 1.6. So sánh hoạt động xe có ESP và không có ESP
Trên Hình 1.6 ta thấy với xe không có ESP là xe mầu vàng, xe có ESP là
xe mầu đen. Khi xe chuyển động vào cua gấp với tốc độ cao xe có thể bị mất
ổn định. Trong trường hợp cầu trước bị trượt nhiều hơn cầu sau khiến cho xe
có xu hướng đi thẳng không vào quỹ đạo chuyển động. Khi đó ESP sẽ can
thiệp vào hệ thống phanh và phanh bánh xe phía trong của cầu sau.
Trong trường hợp cầu sau bị trượt nhiều hơn cầu trước nếu không có sự
kiểm soát xe có nguy cơ bị lật. Khi đó ESP sẽ can thiệp vào hệ thống phanh
và phanh bánh xe bên ngoài cầu trước.
Trường hợp người lái vẫn tiếp tục tăng tốc sau khi mất lái ESP cũng có
thể làm giảm mô men xoắn động cơ bằng cách điều chỉnh nạp nhiên liệu của
động cơ.
Ngoài chức năng chính là ngăn chặn hượng tượng trượt khỏi quỹ đạo xe,
ESP còn có khả năng tác dụng độc lập lên hệ thống phanh mà không phục
thuộc vào vị trí chân phanh nhờ đó làm tăng sự an toàn cho xe, tạo cảm giác
thoải mái cho lái xe. ESP còn có chức năng khởi động trên sườn dốc một cách
dễ dàng mà không cần sử dụng phanh tay. Chức năng dự báo chống lật xe


14
bằng cách tác dụng áp lực phanh lên từng bánh riêng rẽ hay giảm lực tác dụng
của động cơ để ngăn chặn xe lật và giữ cho xe cân bằng.
1.2.3 Hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng
Khác với hệ thống ESP sử dụng lực phanh ở một bên bánh xe trục trước
hoặc trục sau để tạo nên một mô men chống lại sự quay thân xe, hệ thống lái
4 bánh sử dụng hai bánh dẫn hướng phía sau để điều chỉnh quỹ đạo chuyển
động của ô tô phù hợp với yêu cầu của lái xe (góc quay vành tay lái). Hệ
thống lái bốn bánh là đối tượng nghiên cứu của đề tài được trình bày chi tiết ở

mục sau.
1.3. Hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng (4WS )
Việc điều khiển tất cả các bánh xe của ô tô được xuất hiện sau chiến
tranh thế giới thứ hai trên các xe quân sự cần có khả năng cơ động cao (bánh
kính quay vòng nhỏ). Khi đó các bánh xe đều được coi là bánh xe dẫn hướng
và quay ngược chiều nhau với quan hệ động học ngược tạo nên bán kính quay
vòng nhỏ. Khi quay vòng như vậy vận tốc ô tô phải nhỏ để hạn chế lực ly tâm
gây lật xe. Sau những năm 1970 yêu cầu đòi hỏi ổn định chuyển động ô tô ở
tốc độ cao, ô tô con được bố trí khả năng quay vòng sao cho tránh rơi vào tình
trạng quay vòng thừa, như vậy khi quay vòng ở tốc độ cao các bánh xe dẫn
hướng cần quay cùng chiều. Hiện tượng quay vòng thừa xảy ra trên các xe sử
dụng bánh xe đàn hồi. Giá trị của góc điều khiển cầu sau không lớn, nhưng
khi xe chuyển động ở tốc độ cao lại ảnh hưởng đến khả năng an toàn. Do đó
hệ thống lái trên các ô tô con hiện đại có hệ thống lái tất cả các bánh xe dẫn
hướng làm việc theo tốc độ của ô tô.
Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng là hệ thống lái cho phép tác động đồng
thời bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau khi người lái tác động vào vành lái
để đổi hướng chuyển động của ô tô. Gia tăng tính ổn định của ô tô ở tốc độ