Pham thanh binh EPS dieu khien on dinh quy dao chuyen dong

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

PHẠM THANH BÌNH

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO
CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHẠM THANH BÌNH


2

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO
CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ
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

3

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 09 tháng 04 năm 2016
Tác giả

Phạm Thanh Bình


4

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 những ý kiến quý báu 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.


5

MỤC LỤC


6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Đơn vị

Ký hiệu

Thông số

OX0Y0 Z0

Hệ toạ độ cố định gắn với mặt đường

CXYZ

Hệ toạ độ di động gắn với trọng tâm thân xe

β

Góc lệch hướng chuyển động của ô tô

độ

δ

Góc quay bánh xe dẫn hướng

độ

αf

Góc lăn lệch bánh xe trước

độ

αr

Góc lăn lệch bánh xe sau

độ

Lực dọc tại bánh xe trước

N

Lực ngang tại bánh xe trước

N

Lực dọc tại bánh xe sau

N

Lực ngang tại bánh xe sau

N

lực quán tính ly tâm

N

Phản lực thẳng đứng tại các bánh xe trên các cầu

N

lực cản gió theo phương dọc

N

lực cản gió theo phương ngang (Lực gió ngang)

N

Fxf
Fyf

Fxr
Fyr

Flt
Fzr (f)

Fax
Fay

&x&

&y&
x&= v0
y&
vc

R
la

Gia tốc theo phương dọc xe

m/s2

Gia tốc theo phương ngang xe

m/s2

Vận tốc theo phương dọc xe

m/s

Vận tốc theo phương ngang xe

m/s

Vận tốc của ô tô tại tại trọng tâm của ô tô

m/s

Bán kính quay vòng

m

Khoảng cách từ trọng tâm xe đến điểm đặt lực gió

m


7

l2
l1

d

J bf (r )
Jv

Khoảng cách từ trọng tâm C tới tâm cầu sau

m

Khoảng cách từ trọng tâm C tới tâm cầu trước

m

Bề rộng vết bánh xe trước, sau

m

Mô men quán tính khối của bánh xe (

f (r ) - tương ứng là

của bánh xe trước (sau)).
Mô men quán tính đối với trục thẳng đứng đi qua trọng tâm
của ô tô

kg.m2
kg.m2

M yf (r )

Mô men (kéo, phanh) trên bánh xe

N.m

ψ&

Vận tốc góc quay thân xe

Rad/s

mv

Khối lượng của ô tô

kg

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

L

Chiều dài cơ sở ô tô

m

Cαi

Độ cứng góc lệch bên của bánh xe thứ i

CN

Hệ số cản không khí

Sx

Diện tích cản ngang của ô tô (là diện tích hình chiếu của ôtô
trên mặt phẳng song song với trục dọc của nó),

N/rad

Ns2 / m4
m2

λ

Hệ số trượt dọc giữa bánh xe và mặt đường
Tốc độ góc của bánh xe khi có mô men (phanh, kéo)

Rad/s

ω0
rb

Tốc độ góc của bánh xe khi không có mô men (lăn lý tưởng)

Rad/s

CFγ

Hệ số độ cứng theo góc nghiêng ngang của bánh xe

N/rad

Độ cứng trượt dọc của lốp

N/rad

độ cứng trượt ngang của lốp

N/rad

độ cứng trượt ngang của lốp trước (sau)

N/rad

γ

CF λ
CFα
C f (r )

Bán kính bánh xe

m

Góc nghiêng ngang của bánh xe

độ


8

Cy

Độ cứng ngang của bánh xe (trước và sau) với lốp mới và
có áp suất tiêu chuẩn

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

N/rad


9

MỞ ĐẦU
An toàn giao thông là một vấn đề luôn giành được sự quan tâm đặc biệt của
quốc tế, ở Việt Nam cũng như các nhà sản xuất ô tô. Đặc biệt trong những năm gần
đây với sự cải tiến về công nghệ và thiết kế, tốc độ của xe được cải thiện rất nhiều,
đồng thời hạ tầng giao thông cũng được xây dựng tương ứng với sự thay đổi đó. Ô
tô khi chuyển động chịu rất nhiều tác động của điều kiện khác nhau như điều kiện
đường, thời tiết, các yếu tố kỹ thuật, con người... Ở tốc độ càng cao, chỉ cần một sự
mất ổn định hướng nhỏ cũng có thể gây mất an toàn giao thông. Vì vậy, việc nghiên
cứu ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô góp phần mang lại sự an toàn đối với
người và phương tiện tham gia giao thông là điều hết sức quan trọng.
Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tiên tiến
và hệ thống điều khiển điện tử, ngành công nghiệp ô tô đã có những ứng dụng nhằm
nâng cao độ an toàn, tiện nghi, chủ động ngăn ngừa những tình huống nguy hiểm...
góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông. Việc mô phỏng quỹ đạo chuyển động cũng
như điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô đã và đang được các nhà
nghiên cứu và hãng sản xuất ô tô quan tâm do sự ổn định quỹ đạo chuyển động có
liên quan mật thiết đến an toàn chuyển động của ô tô.
Xuất phát từ thực trạng trên và trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ tôi chọn đề
tài “Điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô”.
Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học và
mô phỏng chuyển động ô tô khi đổi hướng, trên cơ sở đó thiết kế các bộ điều khiển
theo các thuật giải khác nhau nhằm điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động.
Nội dung nghiên cứu gồm:

- Tổng quan an toàn chủ động, bị động và các hệ thống ổn định quỹ đạo
chuyển động của ô tô.
- Xây dựng mô hình động lực học và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô
khi đổi hướng.
- Thiết kế bộ điều khiển ổn định hướng chuyển động của ô tô.


10

Luận văn nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thiết kế bộ điều khiển 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 chỉ bảo 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 của các thầy và bạn đọc
để luận văn được hoàn thiện hơn.


11

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 An toàn chủ động, bị động và tai nạn giao thông
An toàn giao thông là một vấn đề luôn giành được sự quan tâm đặc biệt của
quốc tế, ở Việt Nam cũng như các nhà sản xuất ô tô. Khi tham gia giao thông, ô tô
chịu rất nhiều tác động của điều kiện khác nhau như điều kiện đường, thời tiết, các
yếu tố kỹ thuật, con người, các phương tiện khác... Nếu ô tô mất tính ổn định, mất
tính điều khiển thì dễ dàng xẩy ra tai nạn giao thông. Việc nghiên cứu nhằm nâng
cao tính an toàn chuyển động của ô tô nhằm giảm xác suất phát sinh tai nạn giao
thông và giảm thiểu tổn thất về vật chất và con người khi xảy ra tai nạn giao thông
là điều hết sức quan trọng

An toàn chuyển động của ôtô được phân thành: an toàn chủ động, an toàn bị
động và an toàn môi trường.
An toàn chủ động được đảm bảo bởi các tính chất và chất lượng của kết cấu
giúp cho lái xe tránh được các tai nạn giao thông. An toàn chủ động bị chi phối bởi
tính chất phanh, tính ổn định, tính điều khiển, tính cơ động, tín hiệu cảnh báo âm
thanh và ánh sáng, hiệu quả chiếu sáng của đường và đèn pha v.v...
An toàn bị động được đảm bảo bởi các tính chất và chất lượng của kết cấu
nhằm giảm thiểu chấn thương của lái xe và hành khách khi xẩy ra tai nạn giao
thông. Hình dáng bên ngoài của xe, kết cấu bên trong khoang xe, độ bền của thùng
xe (ca bin) khi chịu va chạm, các giải pháp kỹ thuật... quyết định tính an toàn bị
động của ôtô.
An toàn môi trường của ôtô cho phép giảm tác động có hại đến những người
tham gia giao thông và môi trường xung quanh như bụi bẩn, tiếng ồn, độc hại của
khí xả v.v...
Nghiên cứu tai nạn giao thông ta phải nghiên cứu trong mối quan hệ “Ô tô Môi trường - Lái xe”. Tai nạn của ô tô có thể do nhiều nguyên nhân, có thể chia ra
các nhóm sau:
- Đối với lái xe:


12

Do trình độ kỹ thuật thấp, ít kinh nghiệm, phản ứng chậm, mệt mỏi, căng
thẳng khi tham gia giao thông. Do ý thức chấp hành luật lệ giao thông, điều khiển
giao thông có nồng độ cồn cao hơn mức quy định cho phép,...
- Đối với ô tô:
Do phương tiện tham gia giao thông không đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật an
toàn theo quy định (đặc biệt ở hệ thống lái, hệ thống phanh), do các hư hỏng sự cố
bất thường...
- Đối với môi trường:
Do kết cấu hạ tầng giao thông: đường xấu, chất lượng mặt đường không đồng

đều, không đáp ứng các tiêu chuẩn giao thông đường bộ. Do mật độ phương tiện,
chướng ngại vật trên đường cao, tầm quan sát hạn chế, thiếu biển báo thông tin…
Vì vậy, để giảm thiểu tai nạn giao thông, các yêu cầu đối với người lái xe, môi
trường giao thông trên đều phải tuân thủ những quy định nghiêm ngặt của pháp luật
như: Luật giao thông đường bộ; tiêu chuẩn thiết kế đường; tiêu chuẩn thiết kế ô tô
cũng như tiêu chuẩn về kiểm định chất lượng phương tiện khi xuất xưởng và đang
lưu hành.
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. Do đó kết
cấu ô tô, đặc biệt hệ thống điều khiển chuyển động ô tô cần được hoàn thiện để
giảm thiểu nguyên nhân tai nạn do yếu tố kỹ thuật phương tiện gây ra. Việc khảo sát
các yếu tố liên quan đến kỹ thuật phương tiện đến ổn định quỹ đạo chuyển động ô
tô là cần thiết. Việc khảo sát giúp đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố về kỹ thuật
phương tiện đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, cân nhắc, xem xét đưa các
hệ thống tự động điều chỉnh, điều khiển tự động để nâng cao tính ổn định và điều
khiển hướng của ôtô.
Trong thực tế trong quá trình tham gia giao thông, các yếu tố môi trường luôn
thay đổi dẫn thay đổi mối tương quan chuyển động của ô tô. Người lái xe luôn có
tác động điều khiển góc quay vành tay lái để thu được các quỹ đạo và trạng thái
chuyển động phù hợp theo mong muốn. Khi nâng cao tốc độ chuyển động cần thiết


13

phải đảm bảo mối tương quan chặt chẽ giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành
lái, trong nhiều trường hợp chỉ cần một sai lầm nhỏ trong điều khiển sẽ dẫn tới mất
quỹ đạo chuyển động và gây mất an toàn giao thông. Sự điều khiển của lái xe phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như trạng thái tâm lý của lái xe, sự tập trung của lái xe, sự
mệt mỏi của lái xe, … Do đó, ngày nay trên ô tô được trang bị nhiều hệ thống cơ
điện tử tự động điều khiển tự động giúp nâng cao độ ổn định quỹ đạo chuyển động

của ô tô.

1.2 Các hệ thống ổn định hướng chuyển động của ôtô
1.2.1 Hệ thống lái chủ động
Hệ thống lái tích cực (Active steering system hay Active front steering -AFS)
là hệ thống lái hiện đại kiểm soát các bánh xe dẫn hướng một cách chính xác theo
yêu cầu của người lái. Hệ thống lái này đã tạo ra cuộc cách mạng về cải tiến hệ
thống lái điều khiển kết hợp giữa cơ khí truyền thống và điều khiển điện tử làm cho
hệ thống lái hoạt động linh hoạt và an toàn hơn (Hình 1.1).
Trong cấu trúc chính của hệ thống lái tích cực này là cụm bánh răng hành tinh
(Hình 1.2) cho phép thay đổi tỷ số truyền và điều chỉnh tự động góc quay bánh xe
dẫn hướng thông qua mô tơ điều khiển. Hệ thống vẫn giữ nguyên bộ trợ lực thủy
lực như hệ thống lái thông thường, mô tơ có tác dụng điều chỉnh góc góc quay bánh
xe dẫn hướng mà không đóng vai trò là mô tơ trợ lực.
Đối với hệ thống lái thông thường tỷ số truyền của hệ thống lái là một giá trị
cố định. Thông thường tỷ số truyền được thiết kế cho một trạng thái làm việc trung
bình của xe. Trong hệ thống lái tích cực tỷ số truyền của hệ thống lái thay đổi phù
hợp với các trạng thái chuyển động của ô tô nhờ sự điều khiển của mô tơ điều
khiển. Ngoài mô tơ điều khiển còn có mô tơ tạo áp lực gây cảm giác lên vành tay lái
trong các trường hợp chuyển động và giữ cho xe chuyển động ổn định dưới tác
dụng của các tác động từ mặt đường.


14

Hình 1.1 Cấu tạo hệ thống lái chủ động
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 của AFS; 6 – Cảm biến góc quay mô
tơ; 7 – Khóa điện tử; 8 – Cảm biến góc quay bánh răng; 9 – Bơm trợ lực; 10 – Bình
dầu và lọc; 11 - Ống dẫn dầu; 12- Đường kết nối hệ thống.

Hình 1. 2 Sơ đồ bộ chấp hành bánh răng hành tinh
Tùy theo bộ điều khiển hệ thống lái tích cực mà yêu cầu các tín hiệu đầu vào
cho bộ điều khiển. Hầu hết các hệ thống điều khiển lái tích cực cần các thông tin
đầu vào cơ bản từ các cảm biên như: Vận tốc ô tô, vận tốc quay thân xe, góc đánh
lái, góc chuyển động lệch bên của ô tô, vận tốc quay thân xe, gia tốc ngang … Từ


15

đó máy tính sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để đảm bảo ổn định quỹ đạo chuyển động
của ô tô.
Quá trình truyền dữ liệu của AFS thông qua mạng nội bộ CAN bus (Hình 1.3).
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. Các tín hiệu truyền trong mang nội bộ CAN
được mã hóa với các mã khác nhau. 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. 3 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 giảm tỷ số truyển 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
vào các đoạn đường gấp khúc lớn, lúc này lái xe cần phải đánh lái nhanh và có thể
phải trở tay lái trên vô lăng làm giảm khả năng thực hiện các thao tác với các bộ

phận chức năng khác. Để khắc phục điều đó bộ phận điều khiển cũng điều khiển
làm giảm tỷ số truyền của hệ thống. Khi xe chạy với tốc độ cao chỉ cần một sự thay


16

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
dẫn hướng với vành lái. Điều này được thực hiện bằng cách tăng tỷ số truyền của hệ
thống bằng cách điều khiển động cơ quay ngược chiều với chiều chuyển động của
vô lăng. Ngoài ra, 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 giảm tỷ số truyền nâng
cao khả năng phản ứng.
1.2.2 Hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng
Hệ thống lái 4 bánh hoặc hệ thống lái tất cả các bánh (4WS – Four Wheel
Steering) có thể điều khiển tất cả các bánh trên ô tô, gia tăng tính ổn định của ô tô
tại tốc độ cao và giảm góc đánh lái tại tốc độ thấp. Hệ thống 4WS ra đời từ những
năm 80, được trang bị trên Honda Preludes vào cuối những năm 1980 và đầu 1990.
Trong hầu hết các hệ thống lái chủ động bốn bánh, bánh lái phía sau được điều
khiển bởi một máy tính và bộ chấp hành. Bánh lái phía sau không thể xoay như
bánh phía trước. Một vài hệ thống ví dụ như trên ô tô Honda Prelude cho phép bánh
sau xoay ngược hướng với bánh trước tại thời điểm vận tốc xe thấp. Điều này cho
phép xe quay vòng với bánh kính nhỏ hơn, điều này rất cần thiết cho các xe tải nặng
hoặc chiều dài quá khổ.
Các xe có hệ thống lái điều khiển tất cả các bánh xe được chia làm hai loại:
điều khiển phụ thuộc vào tải trọng (điều khiển thụ động) và điều khiển phụ thuộc
vào vận tốc và góc quay vành lái (điều khiển chủ động).
a. Điều khiển thụ động
Điều khiển thụ động phụ thuộc vào tải trọng bố trí trên một số ô tô con, và
được thực hiện chủ yếu nhờ khả năng thay đổi vị trí chuyển hướng của các bánh xe

sau theo hệ thống treo. Các loại xe có lắp hệ thống này đảm bảo tính quay vòng và
ổn định trên đường cong ở tốc độ cao. Nhưng khi xe chạy thẳng trên đường gồ ghề,
tải trọng đặt lên các bánh xe biến đổi làm xấu tính ổn định chuyển động thẳng, mặc
dù góc quay các bánh xe sau là rất nhỏ. Các loại ô tô này có khả năng dẫn hướng
bánh xe sau thông qua kết cấu hệ thống treo động học mềm (biến dạng động học),


17

hay sử dụng hệ treo của cầu dẫn hướng. Tùy thuộc vào mức độ hoàn thiện kết cấu
của ô tô, các trạng thái này được xây dựng với các quy luật biến đổi quan hệ giữa
các góc quay dẫn hướng trên các cầu khác nhau.
Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ô tô Mitsubishi Sigma thế hệ
trước đây được trình bày trên Hình 1.4. Mỗi bánh xe sau được treo trên ba thanh
theo kết cấu không gian: một thanh dọc 2 và hai thanh ngang 3, 5. Các liên kết gối
tựa bố trí khớp cao su đàn hồi và tạo nên cơ cấu điều khiển chuyển hướng bánh sau
thụ động theo các góc được tính toán trước. Khi bánh xe dịch chuyển lên xuống ứng
với tải trọng nhỏ, sẽ thay đổi không đáng kể độ chụm bánh xe, góc nghiêng dọc và
không thay đổi tính chất, chuyển động của ô tô. Các bánh xe sau còn liên hệ với
thân xe thông qua một ống thủy lực. Dưới tác dụng của lực dọc (lực phanh), các ống
thủy lực biến dạng đẩy bánh sau theo hướng nâng cao độ chụm bánh xe không thay
đổi. Tuy nhiên, khi quay vòng ở tốc độ cao lực dọc gây nên trên các bánh xe khác
nhau và có thể dẫn tới thay đổi độ chụm bánh xe, tương ứng với góc điều khiển với
bánh sau.

Hình 1. 4 Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ô tô Mitsubishi Sigma
Ngày nay, trên nhiều loại xe đã lắp hệ thống lái điều khiển tích cực. Các bánh
xe sau của loại xe này đặt trên các hệ thống treo có khả năng dẫn hướng bánh xe,
các đòn dẫn động lái (tương tự như bánh xe dẫn hướng cầu trước). Các bánh xe sau
cũng sử dụng cơ cấu lái dạng cơ khí hoặc cơ khí – thủy lực,…

18

b. Điều khiển tích cực (4WAS – 4 Wheel Active Steering)
Từ năm 1987, nhằm nâng cao khả năng ổn định khi chuyển động với vận tốc
cao, đã xuất hiện các loại ô tô con có kết cấu điều khiển các bánh xe quay cùng
chiều. Nhờ việc kết hợp với giải pháp nâng cao khả năng cơ động khi ra vào chỗ đỗ,
và ổn định ở tốc độ cao, hệ thống lái 4WS ngày nay đã hình thành với 3 trạng thái
điều khiển bánh xe cầu sau như trên Hình 1.5

Hình 1. 5 Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau
Ba trạng thái điều khiển cơ bản khi chuyển động:
1. Khi góc quay vành lái nhỏ và sử dụng với tốc độ trung bình, các bánh xe
sau khóa cứng tương tự như kết cấu truyền thống (Hình 1.5b).
2. Các bánh xe trước và sau quay ngược chiều, trạng thái này bảo đảm để dễ
dàng quay đầu xe, ra vào chỗ đỗ, bán kính quay vòng nhỏ (Hình 1.5a).
3. Các bánh xe trước và sau quay cùng chiều, đảm bảo nâng cao khả năng
quay vòng thiếu của xe, tức là tạo điều kiện nâng cao tính ổn định chuyển động khi
hoạt động ở vận tốc cao (Hình 1.5c).
Từ những đặc điểm của hệ thống 4WS trên được bố trí trên các dòng xe như
hiện nay thì để đảm bảo tính ổn định của xe trong các điều kiện mất an toàn, chuyển
động quay vòng…, hệ thống lái 4WAS có các dạng điều khiển bảo đảm an toàn
như sau:


19

Điều khiển hoạt động cầu sau.
Điều khiển chuyển động trơn trợt: Trong trường hợp khi chuyển hướng, quay

vòng hoặc điều kiện đường trơn trượt…bánh dẫn hướng phía trước đi lệch quỹ đạo
chuyển động của xe như Hình 1.6 về phía mũi tên đẩy cho xe trượt ngang về bên
phải, trong trường hợp này thông qua hệ thống các cảm biến sẽ xác định quỹ đạo sai
lệch so với quỹ đạo mong muốn phụ thuộc vào góc quay của bánh xe dẫn hướng,
điều khiển các bánh sau quay ngược chiều so với bánh trước để cân bằng góc lệch
của bánh trước. Như vậy thông qua sơ đồ trên ta thấy trong điều kiện này những
dòng xe có sử dụng hệ thống 4WAS sẽ có mức độ ổn định an toàn cao hơn khi xe
chuyển hướng.

Hình 1. 6 Điều khiển chuyển động trơn trợt
Kiểm soát trực tiếp sự chạy lệch bánh sau (điều khiển chuyển
động trơn trợt bánh sau (khẩn cấp)
Trong trường hợp khi bánh sau quay lệch hướng so với hướng chuyển động
thẳng của xe như trên Hình1.7 , trong trường hợp này do xe được trang bị hệ thống
lái 4 bánh (4WS) nên khi bánh sau có chuyển động lệch quỹ đạo chuyển động của
xe bất ngờ, nhưng do 4 bánh có thể điều khiển riêng biệt được do các cảm biến thu
thập thông tin sai lệch quỹ đạo của bánh sau, dữ liệu được đưa về bộ điều khiển
trung tâm, dữ liệu được xử lý và điều khiển cho các bánh bên trái quay ngược so với
hướng trượt ngang của các bánh xe


20

Hình 1. 7 Điều khiển chuyển động trơn trợt
Kiểm soát hoạt động cầu trước
Kiểm soát tỷ lệ trượt ngang là quá trình các bánh sau bị trượt ngang khi đường
xấu, trên Hình 1.8

Hình 1. 8 Kiểm soát tỷ lệ trượt ngang
Khi các bánh sau bị trượt lệch quỹ đạo của xe về bên phải nhưng do cầu trước

có thể điều khiển riêng biệt được và không phụ thuộc vào các bánh sau lên khi bánh
sau trượt ngang thì thông qua các cảm biến và hệ thống kiểm soát sẽ thu thập thông
tin gửi về bộ điều khiển và xử lý dữ liệu điều khiển giữ cho bánh trước ổn định quỹ
đạo để kéo cho bánh sau chạy theo quỹ đạo của người lái điều khiển, giúp cho xe
không trượt khỏi bề mặt đường…
Như vậy thông qua các sơ đồ phân tích các trạng thái mất ổn định của xe khi
chuyển động trên ta thấy đối với các dòng xe có sử dụng hệ thống lái 4 bánh 4WS


21

có mức độ an toàn cao do 4 bánh có thể được điều khiển riêng biệt và tự cân bằng
ngược chiều với các bánh khác.
1.2.3 Hệ thống cân bằng điện tử
Hệ thống cân bằng điện tử có tên chung là ESC – Elcectronic Stability Control
và tồn tại dưới nhiều tên thương mại khác nhau như: ESP – Electronic Stability
Program của Mercedes – Benz. VSC – Vehicle Stability Control của Toyota,…
Nguyên lý chung của hệ thống này là tạo ra mô men làm quay thân xe để làm ổn
định quỹ đạo bằng cách phanh bánh xe ở một bên. Hệ thống này sử dụng bộ phận
chấp hành của hệ thống phanh ABS và thường hoạt động kết hợp với hệ thống này.
Trong mục sau tác giả sẽ trình bày chi tiết cấu tạo, nguyên lý và nguyên tắc điều
khiển.

1.3 Phân tích hệ thống cân bằng điện tử
1.3.1 Quá trình hình thành và phát triển
ESC là tên viết tắt của Electronic Stability Control, là hệ thống an toàn trang
bị trên ô tô hiện đại. Hệ thống này do kỹ sư người Đức đưa ra với tên gọi
Elektronisches Stabilitäts Program (ESP) và được Mercedes – Benz ứng dụng trên
ô tô lần đầu tiên vào năm 1995. Sau đó được giới thiệu tại hội chợ triển lãm ô tô tại
Mỹ với tên gọi ESC (Electronic Stability Control) và sau này được gọi là ESC được

hiệp hội kỹ sư ô tô Mỹ chấp nhận. Mặc dù, nó có thể có tên gọi khác nhau tùy thuộc
vào các nhà sản xuất.
Có thể nói ESC là hệ thống còn rất mới mẻ đối với nước ta nhưng trên thế giới
thì ESC đã trở thành một hệ thống khá quen thuộc đối với ngành công nghiệp ô tô
nói riêng và với người sử dụng ô tô nói chung. Sự phổ biến của hệ thống này có thể
thấy rõ qua những số liệu sau: ESC là tiêu chuẩn trên 40% xe khách năm 2006 và
tuỳ chọn trên 15% với các loại xe khác tại Đức. Nó là tiêu chuẩn trên mọi xe: Audi
2006, BMW, Infiniti, Mercedes-Benz, Porsche. Tám hãng chế tạo ô tô khác là:
Cadillac, Jaguard, Randrover, Lexus, Mini, Toyota, Volkswagen, Volvo cũng đã đưa
ra ít nhất là tùy chọn trên tất cả các mẫu xe. Đến năm 2004, Cục an toàn giao thông
quốc gia Mỹ, một số nhà sản xuất đã có kế hoạch chế tạo chuẩn ESC trên tất cả các


22

mẫu xe SUV. Hiện nay tất cả các xe ô tô ở nước này đều trang bị hệ thống ổn định
ESC.
1.3.2 Cơ sở ra đời của hệ thống ESC
Tính ổn định của ô tô là khả năng giữ được quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu
trong mọi điều kiện khác nhau. Tùy theo hiện trạng sử dụng ô tô có thể đang chuyển
động đường dốc, quay vòng, phanh trên các loại đường khác nhau,… Như vậy, tính
ổn định là phải giữ được quỹ đạo chuyển động sao cho không bị lật, không bị trượt,
không lệch khỏi hành lang cho phép đảm bảo cho xe chạy an toàn. Cùng với sự phát
triển của khoa học công nghệ, hiện nay trên ô tô tích hợp rất nhiều hệ thống an toàn
đảm bảo ổn định cho xe khi chuyển động.
Hệ thống ổn định điện tử ESC là một thành tựu của ngành công nghiệp ô tô
trong việc nâng cao tính năng an toàn chuyển động. Sự ra đời của ESC cùng với sự
phát triển của các hệ thống điện tử an toàn khác như: ABS, EBD, TRC, BAS,… và
ESC là sự kết hợp của các hệ thống trên, dựa trên cơ sở kế thừa và phát huy ưu
điểm của các hệ thống để kết hợp một cách hoàn hảo khắc phục các xu hướng gây

ra mất ổn định chuyển động cho xe. Sơ đồ sự làm việc kết hợp của các hệ thống thể
hiện trên Hình 1.9.

Hình 1. 9 Sự làm việc kết hợp giữa các hệ thống ESC, ABS và TRC
Từ sơ đồ trên ta có thể thấy hệ thống ESC làm việc dựa trên nền tảng sự kết
hợp của hệ thống ABS phức hợp và hệ thống TRC. Chính nhờ sự kết hợp này nên


23

hầu hết các nguyên nhân gây mất an toàn cho xe đều được kiểm soát và ngăn chăn
một cách kịp thời ngay khi nó có xu hướng xảy ra.
1.3.3 Cấu tạo chung của hệ thống ESC
Sơ đồ bố trí chung của hệ thống ESC của hãng MERCEDES thể hiện trên
Hình 1.10 gồm các phần tử chính như: cảm biến góc lệch chuyển động; cảm biến
góc quay thân xe; cảm biến gia tốc bên; cảm biến tốc độ xe; bộ phận tăng áp; bộ
phận chấp hành tại các bánh xe và ECU điều khiển

Hình 1. 10 Sơ đồ bố trí chung của hệ thống ESC
Bộ phận thuỷ lực (Bộ phận chấp hành - Bộ phận thực hiện)
Bộ phận chấp hành gồm van điện từ giữ áp suất, van điện từ giảm áp suất,
bơm, mô tơ, bình chứa (Hình 1.11). Khi bộ chấp hành nhận lệnh từ ECU điều khiển
trượt,van điện từ đóng hoặc ngắt và áp suất thủy lực của xi lanh ở bánh xe tăng
lên,giảm xuống hoặc được giữ để tối ưu hóa mức trượt cho mỗi bánh xe. Ngoài ra,
mạch thủy lực còn thay đổi để đáp ứng yêu cầu của mỗi loại điều khiển.


24

Hình 1. 11 Cấu tạo bộ phận thủy lực

Cảm biến góc xoay vô lăng
Bộ cảm biến góc xoay vô lăng gồm có một đĩa có rãnh, một máy tính và ba bộ
ngắt quang học (SS1, SS2, SS3) thể hiện trên Hình 1.12. Các tín hiệu do các bộ ngắt
quang học SS1, SS2, SS3 (Hình 1.13) phát hiện được máy tính biến đổi thành tín
hiệu chuỗi để đưa vào ECU, ECU sẽ phát hiện vị trí trung gian của vô lăng, chiều
quay hoặc góc quay của vô lăng bằng sự tổ hợp của các tín hiệu này.

Hình 1. 12 Cảm biến góc xoay vô lăng


25

Hình 1. 13 Đầu vào tín hiệu của bộ ngắt quang học
Cảm biến độ lệch ngang thân xe
Cảm biến độ lệch được lắp ở mặt cắt ngang bên phải của dầm ngang trong
khoang hành lý. Cảm biến độ lệch của xe dùng một con quay kiểu rung hình âm
thoa (Hình 1.14). Mỗi cái cộng hưởng gồm một phần rung và một phần phát hiện
được dịch chuyển 90 độ để hình thành một bộ phận. Một miếng gốm áp điện được
lắp vào cả phần rung và phần phát điện. Đặc tính của miếng gốm áp điện này là bị
biến dạng khi có điện áp đặt vào và sinh ra điện áp khi có ngoại lực tác động làm
biến dạng miếng gốm.

Hình 1. 14 Cấu tạo cảm biến độ lệch ngang thân xe