Luận án Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động - Trần Văn Thoan

  (2.15) obx  : Vận tốc góc ban đầu của bánh xe. Quan hệ giữa hệ số bám theo độ trượt. Trong quá trình ô tô chuyển động, bánh xe lăn và trƣợt trên đƣờng với độ trƣợt  nào đó, do vậy bánh xe tiếp nhận lực bám dọc để truyền lên ô tô [17]. Để xác định phản lực tiếp tuyến của đƣờng tác dụng lên bánh xe cần phải xác định mối quan hệ giữa hệ số bám theo độ trƣợt. 33 Để xác định quan hệ này, có thể kể đến các mô hình lốp nhƣ sau [17]: Mô hình lốp Burckhardt, mô hình lốp Dugoff, mô hình Pacejka, mô hình lốp Ammon. Khi sử dụng mô hình lốp Burckhardt, cần biết các thông số x,max, Smax, x,min và xác định các hệ số C1, C2, C3 bằng phƣơng pháp thử gần đúng. Mô hình Dugoff [45] cho phép xác định tích hợp giữa lực dọc và lực ngang; khi sử dụng cần biết độ cứng dọc của lốp, độ cứng ngang của lốp, góc lệch bên của bánh xe, hệ số trƣợt và hệ số bám của bánh xe. Mô hình Pacejka là hàm toán học mô tả gần đúng đặc tính lốp, khi dùng cần xác định 6 hệ số A, B, C, D, C1, C2. Mô hình lốp Pacejka là mô hình phi tuyến mô tả tốt đặc tính bám của lốp, đã xây dựng hàm toán học mô tả gần đúng đặc tính lốp và mô hình này là mô hình tĩnh phụ thuộc tƣơng ứng vào hệ số trƣợt, góc lăn lệch của bánh xe. Theo phƣơng dọc, phƣơng trình của Pacejka xác định lực dọc nhƣ sau [43]: Fxi = D.sin(C.arctan((B(1-E)(i +Shi) + E.arctan(B(i +Shi)))) + Svi) (2.16) Trong đó: i là hệ số trƣợt dọc của bánh xe thứ i B, C, D, E, Shi, Svi là hàm số của các hệ số bn với n = 0..10 và đƣợc tính lần lƣợt nhƣ sau: C = b0 D = Fzi.( b1. Fzi + b2) B = ((b3.F 2 zi +b4. Fzi)exp(-b5 Fzi))/CD (2.17) E = b6. F 2 zi + b7. Fzi + b8 Shi = b9. Fzi + b10 Svi = 0 Với Fzi là trọng lƣợng đặt lên bánh xe thứ i. Các hệ số bn có giá trị xác định tùy thuộc vào điều kiện bánh xe và điều kiện mặt đƣờng. Theo phƣơng ngang, phƣơng trình của Pacejka xác định lực ngang nhƣ sau: Fxi = D.sin(C.arctan((B(1-E)(i +Shi) + E.arctan(B(i +Shi)))) + Svi) (2.18) Trong đó: i là hệ số trƣợt ngang của bánh xe thứ i.  là góc nghiêng của bánh xe. Các hệ số bn và an có giá trị xác định thùy thuộc vào điều kiện bánh xe và điều kiện mặt đƣờng. Mô hình lốp Pacejka này phi tuyến, chỉ có ý nghĩa cho việc mô phỏng động lực học ô tô ở trạng thái ổn định, chƣa mô phỏng đƣợc động lực học trạng thái quá độ của bánh xe đặc biệt ở trạng thái khởi hành và trạng thái giới hạn trƣợt dọc. 34 C = a0 D = Fzi.( a1. Fzi + a2) B = (a3.sin(2.arctan (Fzi/a4))(1-a5 ))/CD (2.19) E = a6. Fzi + b7 Shi = a8.  + a9. Fzi + a10 Svi = a11.F 2 zi +a12. Fzi)  + a13. Fzi + a14 Mô hình lốp Ammon [18] cần có các thông số thực nghiệm để tính lực liên kết lốp đƣờng. Theo Ammon Fx=Fz x(Sx,). Coi Fz là tham số thì x(Sx,) đồng dạng với Fx(Sx,). Nếu tìm đƣợc hàm x(Sx,) có thể xác định đƣợc Fx(Sx,). Dựa vào ý tƣởng này, Ammon đã thiết kế hàm mẫu f() nhƣ sau: (2.20) Trong đó: mo = x,max; ,min ,max x v x     ; ,w ,0 ,max,0 x p x S S   Khi bánh xe chịu lực tổng hợp, có thể xác định Fx, Fy nhƣ sau: 2 2 max 2 2 max max (s , ) .F (t) f xx x x x z x xx ss F Ss             (2.21) 2 2 ymax 2 2 max ymax (s , ) .F (t)g x y x z x s F s              (2.22) Trong đó: f () là hàm Ammon; 2 2 ,max ,max x x x S S      là biến của hàm tích cực tiếp tuyến (tăng tốc và phanh); g () là hàm Ammon; 2 2 max ,max x y S       là biến của hàm tích cực ngang. Để sử dụng đƣợc các mô hình lốp này, cần thiết phải xác định nhiều thông số thực nghiệm. Với phạm vi của luận án, chỉ xác định nghiên cứu động lực học phƣơng dọc, nên lực dọc có thể đƣợc tính nhƣ sau: . ( )x z xF F   (2.23) Trong đó: Fz: Phản lực thẳng đứng của mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe bị động; ( )x  : Hệ số bám dọc tức thời theo độ trƣợt và đã đƣợc xác định từ thực nghiệm nhƣ trên Hình 2.17 [3]. Trong mô hình mô phỏng, hệ số bám dọc đƣợc đƣa vào mô phỏng bằng cách nội suy 35 tuyến tính (sử dụng lookup table) ở từng điểm trên đƣờng đặc tính quan hệ giữa hệ số bám dọc với độ trƣợt của lốp xe ô tô nghiên cứu, lực bám dọc này phụ thuộc vào độ trƣợt . Hình 2.17. Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt dọc[3] Phản lực thẳng đứng của đƣờng tác dụng lên bánh xe phụ thuộc vào phân bố tải lên các cầu xe và gia tốc của ô tô, đƣợc xác định: Ở cầu trƣớc: 3. . . . g zt m g b m x h F L   (2.24) Ở cầu sau: 3. . . . g zs m g a m x h F L   (2.25) Trong đó: m: Khối lƣợng của xe; g: Gia tốc trọng trƣờng; a3: Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trƣớc; b3: Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau; hg: Chiều cao trọng tâm xe; L: Chiều dài cơ sở của xe. 36 2.1.4 Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của xe Hình 2.18. Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động Khi ô tô chuyển động thẳng, có các lực tác dụng lên ô tô nhƣ sau: (Hình 2.18) [5];[39];[47]. Fxt: Tổng hợp phản lực dọc do mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe bị động; Fxs: Tổng hợp phản lực dọc do mặt đƣờng tác dụng lên các bánh xe chủ động; Fzs: Phản lực thẳng đứng từ mặt đƣờng lên bánh xe chủ động; Fzt: Phản lực thẳng đứng từ mặt đƣờng lên bánh xe bị động; Fwx: Lực cản không khí tại tâm chính diện của xe; .. .m x : Lực quán tính của xe; m.g: Trọng lƣợng của xe; m: Khối lƣợng của xe. Phƣơng trình chuyển động của xe theo phƣơng dọc đƣợc viết nhƣ sau: .. 2( ) xtxs wxm x F F F   (2.26) Trong trƣờng hợp vận tốc thấp (khi khởi hành), lực cản không khí nhỏ nên có thể bỏ qua (Fwx=0) [48]. Vì vậy, phƣơng trình chuyển động của ô tô sẽ là: .. . 2( )xs xtm x F F  (2.27) Từ đó có thể xác định đƣợc gia tốc .. x của ô tô nhƣ sau: .. 2( )xs xtF Fx m   (2.28) Từ phƣơng trình (2.27) có thể xác định vận tốc chuyển động của ô tô tại thời điểm t nhƣ sau: . 0 0 2( ) . t xs xt x F F x dt V m    (2.29) 37 Với Vox là vận tốc ban đầu của ô tô. Tổng hợp các phƣơng trình mô tả chuyển động của ô tô trên đƣờng thẳng gồm các phƣơng trình sau: .. . 2( )xs xtm x F F  . ( )xt zt x tF F   . ( )xs zs x sF F   . . .qd s x fs xs dJ M M F r    (2.30) . . .bxt t ft xt dJ M F r    . .ft bt dM G f r . .fs bs dM G f r . . 2 e tl LH x M i k M  Hệ phƣơng trình (2.30) thể hiện mối quan hệ giữa các biến số động lực học của ô tô khi khởi hành với các tham số đầu vào lần lƣợt là: m: Khối lượng của xe Jqt: Mô men quán tính của bánh xe và các chi tiết liên quan quy dẫn về bánh xe Jbxt : Mô men quán tính khối lượng của bánh xe bị động rd: Bán kính lăn bánh xe f: Hệ số cản lăn Gbt: Tải trọng tác dụng lên bánh xe bị động Gbs: Tải trọng tác dụng lên bánh xe chủ động itl: Tỉ số truyền chung của hệ thống truyền lực kLH: Hệ số thể hiện mức độ đóng ly hợp 2.2 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô khi hệ số bám thay đổi Với các mô hình mô phỏng đã đƣợc xây dựng ở mục 2.1, luận án sử dụng chƣơng trình Matlab-Simulink để mô phỏng hoạt động của hệ thống. Nội dung mục này sẽ trình bày mối quan hệ của maxx , mức tải thực tế của động cơ Pin(Me) đến các thông số cơ bản của quá trình khởi hành ô tô trên các loại đƣờng khác nhau. Quá trình khởi hành là quá trình từ lúc xe đứng im vào sẵn tay số 1, ly hợp đóng từ từ, mức ga cố định cho đến khi xe chuyển động đến một giá trị vận tốc nhất định hoặc số vòng quay động cơ ổn định. Các phƣơng án mô phỏng cụ thể đƣợc luận án thực hiện nhƣ trong Bảng 2.3. Quá trình mô phỏng trên đƣờng xấu (có hệ số bám thấp và hệ số cản lăn cao) là loại đƣờng xe khó có khả năng vƣợt qua nếu không có các giải pháp điều khiển phù hợp. 38 . Hình 2.19. Mô hình mô phỏng hệ thống Bảng 2.3: Các phương án mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của mức tải động cơ Phương án Thông số mô phỏng Mục đích PA1 φ =0,3; φ =0,8 Pin=(40;70;100)% f=0,15 Khảo sát quan hệ các thông số chuyển động của xe theo mức tải tại đƣờng có hệ số bám thấp và cao. PA2 φ=0,25;0,3;0,35;0,4;0,45;0,5 ;0,55 Pin=(10÷100)% f=0,15 Khảo sát khả năng tăng tốc của ô tô với các mức tải trên đƣờng có hệ số bám thấp khác nhau. Với phƣơng án PA1: Luận án mô phỏng khảo sát trƣờng hợp ô tô chuyển động thẳng ở 2 loại đƣờng đặc trƣng (đƣờng có hệ số bám thấp φ=0,3, cao φ=0,8) với các mức tải của động cơ Pin(Me) khác nhau nhằm kiểm tra mô hình đã xây dựng theo đúng quy luật vật lý và hiện tƣợng trong thực tế. Với phƣơng án PA2: Luận án mô phỏng khảo sát trƣờng hợp ô tô chuyển động thẳng ở trên các đƣờng có hệ số bám thấp (φ=0,25; 0,3; 0,35; 0,4; 0,45; 0,5; 0,55) và ở các mức tải động cơ khác nhau. Việc mô phỏng này nhằm tìm ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học của ô tô theo mức tải động cơ Pin(Me). Từ các quy luật này, luận án khảo sát thông số tổng thời gian có độ trƣợt lớn  >30% để đánh giá khả năng tăng tốc của ô tô khi thay đổi mức tải động cơ trên các đƣờng có hệ số bám thấp. Tiến hành khảo sát với vận tốc ban đầu của xe V0=0 trong điều kiện đóng ly hợp trong các trƣờng hợp mô phỏng là nhƣ nhau theo nhƣ quy luật hình 2.15. 2.2.1 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên đƣờng có hệ số bám thấp và cao Kết quả mô phỏng quá trình khởi hành ở tay số 1 của ô tô có các thông số nhƣ trong Bảng 1.1 với các điều kiện của phƣơng án PA1 đƣợc thể hiện trên các hình: Hình 2.20; Hình 2.21 và Hình 2.22. 39 Hình 2.20. Gia tốc ô tô, vận tốc ô tô và độ trượt bánh xe tại mức tải 40% Từ Hình 2.20 với mức tải động cơ Pin= 40% cho thấy: Trên đƣờng hệ số bám  =0,3: Thời gian đạt vận tốc ổn định lớn, khoảng 9s. Gia tốc cực đại nhỏ (amax=0,3m/s 2 ) và có thời gian duy trì gia tốc lớn khoảng 8s. Độ trƣợt bánh xe chủ động ở mức cao và có tổng thời gian có độ trƣợt lớn ( >30%) là 7,1s. Ô tô có khả năng khởi hành kém. Trên đƣờng hệ số bám  =0,8: Thời gian đạt vận tốc ổn định nhỏ, khoảng 3s. Gia tốc cực đại lớn (amax=0,8 m/s 2 ) và có thời gian duy trì gia tốc lớn khoảng 2s. Độ trƣợt bánh xe chủ động ở mức thấp và có tổng thời gian có độ trƣợt lớn ( >30%) là 0s. Ô tô có khả năng khởi hành tốt. Hình 2.21. Gia tốc ô tô, vận tốc ô tô và độ trượt bánh xe tại mức tải 70% Từ Hình 2.21 với mức tải động cơ Pin= 70% cho thấy: Trên đƣờng hệ số bám  =0,3 có: Thời gian đạt vận tốc ổn định lớn, khoảng 14s. Gia tốc cực đại nhỏ (amax=0,3 m/s 2 ) và có thời gian duy trì gia tốc lớn khoảng 12s. Độ trƣợt 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 1 2 V (m /s ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.5 1 a (m /s 2 ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.5 1 la m b d a (x 1 0 0 % ) Thoi gian(s) phi=0,3 phi=0,8 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 1 2 3 V (m /s ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.5 1 a (m /s 2 ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.5 1 la m b d a (x 1 0 0 % ) Thoi gian(s) phi=0,3 phi=0,8 40 bánh xe chủ động ở mức cao và có tổng thời gian có độ trƣợt lớn ( >30%) là 10,1s. Ô tô có khả năng khởi hành kém. Trên đƣờng hệ số bám  =0,8 có: Thời gian đạt vận tốc ổn định nhỏ khoảng 3s. Gia tốc cực đại lớn (amax=1 m/s 2 ) và có thời gian duy trì gia tốc lớn khoảng 3s. Độ trƣợt bánh xe chủ động ở mức thấp và có tổng thời gian có độ trƣợt lớn ( >30%) là 0s. Ô tô có khả năng khởi hành tốt. Từ Hình 2.22 với mức tải động cơ Pin= 100% cho thấy: Trên đƣờng hệ số bám  =0,3 có: Thời gian đạt vận tốc ổn định rất lớn, khoảng 16,4s. Gia tốc cực đại nhỏ (amax=0,3 m/s 2) và có thời gian duy trì gia tốc lớn khoảng 14s. Độ trƣợt bánh xe chủ động ở mức cao và có tổng thời gian có độ trƣợt lớn ( >30%) là 13s. Ô tô có khả năng khởi hành kém. Trên đƣờng hệ số bám  =0,8 có: Thời gian đạt vận tốc ổn định nhỏ khoảng 3s. Gia tốc cực đại lớn (amax=1 m/s 2) và có thời gian duy trì gia tốc lớn khoảng 3,3s. Độ trƣợt bánh xe chủ động ở mức thấp và có tổng thời gian có độ trƣợt lớn ( >30%) là 0s. Ô tô có khả năng khởi hành tốt. Hình 2.22. Gia tốc ô tô, vận tốc ô tô và độ trượt bánh xe tại mức tải 100% Từ kết quả mô phỏng tại tay số 1 ở các mức tải 40%; 70% và 100% trên các Hình 2.20, Hình 2.21 và Hình 2.22, nhận xét về 3 thông số vận tốc, gia tốc và độ trƣợt có thể thấy: - Khi tăng mức tải động cơ (số vòng quay động cơ tăng) dẫn đến: Giá trị vận tốc ổn định tăng, điều này đảm bảo quan hệ động học từ động cơ đến bánh xe. Giá trị gia tốc cực đại giữ ổn định, tuy nhiên thời gian duy trì gia tốc cực đại (amax) tăng lên là do đặc tính động cơ giảm mô men động cơ khi đạt số vòng quay, điều này phản ánh đúng quy luật của động cơ. - Trên đƣờng có hệ số bám cao: độ trƣợt của bánh xe chủ động của ô tô nhỏ và không phụ thuộc vào mức tải động cơ. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 1 2 3 V (m /s ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.5 1 a (m /s 2 ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.5 1 la m b d a (x 1 0 0 % ) Thoi gian(s) phi=0,3 phi=0,8 41 - Trên đƣờng có hệ số bám thấp: độ trƣợt của bánh xe ô tô lớn và tỉ lệ với mức tải động cơ (tổng thời gian có độ trƣợt lớn ( >30%) ở các mức tải 40%; 70% và 100% tăng lên lần lƣợt là 7,1s; 10,1s và 13s ) bánh xe ô tô bị trƣợt rất lớn. Các kết quả mô phỏng đã phản ánh đúng mối quan hệ động lực học từ mô men động cơ cho đến độ trƣợt của bánh xe chủ động và gia tốc của ô tô. Mô hình mô phỏng có thể ứng dụng để khảo sát, nghiên cứu hiện tƣợng trƣợt quay cũng nhƣ hạn chế trƣợt quay của bánh xe chủ động trong quá trình chuyển động trên đƣờng xấu. Trên các đƣờng có hệ số bám thấp, tổng thời gian bánh xe chủ động có độ trƣợt ( >30%) tăng dần theo mức tải động cơ. Từ các kết quả này, luận án tiếp tục tiến hành mô phỏng nhằm tìm ra quy luật thay đổi của gia tốc ô tô và độ trƣợt trên đƣờng có hệ số bám thấp với các mức tải khác nhau. Các kết quả khảo sát này đƣợc trình bày ở trong mục tiếp theo. 2.2.2 Khảo sát đặc tính tăng tốc của ô tô trên các đƣờng xấu có hệ số bám thấp Từ kết quả mô phỏng ở PA1 cho thấy ảnh hƣởng của mức tải động cơ Pin tới khả năng tăng tốc của ô tô trên đƣờng có hệ số bám thấp. Ở nội dung này, luận án tiếp tục tiến hành mô phỏng quá trình khởi hành của ô tô trên các đƣờng có hệ số bám thấp (φ=0,25:0,05:0,55) với các mức tải Pin=(10:10:100)% nhằm khảo sát ảnh hƣởng của mức tải động cơ Pin tới khả năng tăng tốc của ô tô. Một số kết quả mô phỏng với các điều kiện của phƣơng án PA2 đƣợc thể hiện trên các Hình 2.23; Hình 2.24. 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% Từ đồ thị kết quả mô phỏng trên Hình 2.23 cho thấy: Trên đƣờng có hệ số bám ( =0,45) khi tăng mức tải động cơ (Pin) dẫn đến: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 V (m /s ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 a (m /s 2 ) Pin10% Pin20% Pin30% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 la m b d a (x 1 0 0 % ) Thoi gian(s) 42 Thời gian đạt vận tốc ổn định giảm theo mức tải động cơ lần lƣợt là 6,4s; 5s và 4s với các mức tải động cơ (Pin =10%; 20% và 30%). Thời điểm ô tô đạt gia tốc cực đại (amax=0,18 m/s 2 ÷ 0,74 m/s 2 ) khi đó độ trƣợt tƣơng ứng của bánh xe chủ động (λ=15% ÷ 20%). Tại các mức tải động cơ 10%; 20%; 30% đều có thời gian bánh xe bị trƣợt (λ>30%) là 0(s). Khả năng tăng tốc của ô tô tăng theo mức tải động cơ. Từ đồ thị kết quả mô phỏng trên Hình 2.24 cho thấy: Trên đƣờng có hệ số bám thấp  =0,3 khi tăng mức tải động cơ (Pin) dẫn đến: Trong 5,5 s đầu: thời gian tăng tốc theo mức tải động cơ có xu hƣớng giảm khi tăng mức tải động cơ. Thời điểm ô tô đạt gia tốc cực đại (amax=0,17 m/s 2 ÷ 0,32 m/s 2) khi đó độ trƣợt tƣơng ứng của bánh xe chủ động là (λ<30%). Tại các mức tải động cơ (Pin =10%; 20% và 30%) có tổng thời gian bánh xe bị trƣợt (λ>30%) lần lƣợt là: 0(s); 4,38(s); 5,7(s). Điều này cho thấy tổng thời gian bánh xe bị trƣợt (λ>30%) tỉ lệ với mức tải động cơ Pin. 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% Tiếp tục khảo sát mô phỏng trên các đƣờng có hệ số bám thấp (φ=0,25:0,05:0,55) với các mức tải động cơ Pin=(10:10:100)% theo phƣơng án PA2, luận án đã tổng hợp các giá trị gia tốc lớn nhất amax và độ trƣợt λamax tại thời điểm ô tô đạt gia tốc amax trong Bảng 2.4. Bảng 2.4: Gia tốc cực đại, độ trƣợt 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. 43 Từ các giá trị kết quả mô phỏng trên đƣờng có hệ số cản lăn f =0,15 trên Bảng 2.4 có thể thấy: - Trên đƣờng có hệ số bám φ=0,25 ở các mức tải động khác nhau: gia tốc amax của ô tô đều bằng 0 (ô tô không khởi hành đƣợc), giá trị độ trƣợt khi đó là 1 (bánh xe bị trƣợt quay hoàn toàn). - Trên các loại đƣờng có hệ số bám lớn hơn (từ 0,3 trở lên) khi tăng mức tải động cơ thì gia tốc cực đại của xe amax cũng tăng dần tuy nhiên đến một giá trị nào đó thì gia tốc không tăng thêm nữa. - Khi hệ số bám của đƣờng tăng lên thì gia tốc cực đại amax lớn nhất cũng tăng lên (từ 0,32 đến 0,91) m/s2. - Trên các đƣờng tốt (hệ số bám từ 0,5 trở lên) khi xe đạt gia tốc cực đại amax độ trƣợt của bánh xe chủ động trong khoảng 15%. - Trên các đƣờng tƣơng đối xấu (hệ số bám trong khoảng 0,3 đến 0,45) khi xe đạt gia tốc cực đại amax độ trƣợt của bánh xe chủ động trong khoảng 20% đến 30%. Từ các kết quả trên Hình 2.23; Hình 2.24 và Bảng 2.4 cho thấy: Tại thời điểm ô tô đạt gia tốc cực đại (amax) với các hệ số bám ( ) khác nhau đều có độ trƣợt ( <30%). Vậy tại các vùng có độ trƣợt ( >30%) là không tốt cho quá trình tăng tốc của ô tô. Để đánh giá khả năng tăng tốc của ô tô trong quá trình khởi hành trên các đƣờng có hệ số bám khác nhau với các mức tải động cơ khác nhau, có thể so sánh tổng thời gian bánh xe chủ động có độ trƣợt ( >30%). Nếu tổng thời gian bánh xe chủ động có độ trƣợt ( >30%) càng lớn thì khả năng tăng tốc của ô tô càng kém. Luận án tiếp tục tiến hành khảo sát và đánh giá tổng thời gian bánh xe chủ động có độ trƣợt lớn hơn 30% tại các hệ số bám φ và mức tải Pin đƣợc thể hiện trên Hình 2.25. 44 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 Từ kết quả đồ thị Hình 2.25 cho thấy với đƣờng có hệ số cản lăn f =0,15: Trên các đƣờng có hệ số bám φ nhỏ hơn 0,3 bánh xe chủ động bị trƣợt quay hoàn toàn ở tất cả các mức tải động cơ khác nhau do đó ô tô không có khả năng tăng tốc. Trên các đƣờng có hệ số bám φ từ 0,45 trở lên độ trƣợt bánh xe nằm trong vùng λ=[15-20]% do đó càng tăng tải động cơ thì quá trình tăng tốc càng tốt hơn. Trên các đƣờng có hệ số bám φ từ 0,3 đến 0,4 nếu càng tăng mức tải động cơ thì thời gian độ trƣợt λ>30% càng tăng, điều này làm giảm khả năng tăng tốc của ô tô. Kết quả mô phỏng khi ô tô đi vào vùng trƣợt quay có hệ số bám thấp, có thể đề xuất các mức tải với loại đƣờng cụ thể để tăng khả năng tăng tốc nhƣ sau: Cụ thể, trên đƣờng có hệ số bám φ=0,3 nên chọn mức tải Pin=20% thì thời gian có độ trƣợt λ>30% nhỏ nhất là 4,38 (s). - Trên đƣờng có hệ số bám φ=0,35 nên chọn mức tải Pin=30% thì thời gian có độ trƣợt λ>30% nhỏ nhất là 2,54 (s). - Trên đƣờng có hệ số bám φ=0,4 nên chọn mức tải Pin=30% thì thời gian có độ trƣợt λ>30% nhỏ nhất là 0 (s). Các kết quả khảo sát trên đƣờng có hệ số cản lăn lớn f=0,15 cho thấy khi ô tô đi vào đƣờng có hệ số bám thấp (φ từ 0,3 đến 0,4) làm bánh xe ô tô bị trƣợt quay thì việc tăng mức tải động cơ quá mức không giúp ô tô tăng tốc nhanh hơn. Tại các giá trị hệ số bám thấp, tồn tại một mức tải hợp lý để làm tăng khả năng khởi hành của ô tô. Có thể so sánh thông số tổng thời gian có độ trƣợt (λ>30%) để đánh giá khả năng tăng tốc của ô tô trên các loại đƣờng có hệ số bám thấp với các mức tải động cơ khác nhau. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 20 40 60 80 1000 5 10 15 20 25 30 muc chan ga(%)he so bam th oi g ia n co d o tr uo t > 0 ,3 ( s) 45 Tuy nhiên, khi xảy ra hiện tƣợng trƣợt quay bánh xe chủ động trên đƣờng, ngƣời lái khó có khả năng xác định mức tải động cơ phù hợp để điều khiển mức ga hợp lý. Từ đó cho thấy sự cần thiết của một bộ điều khiển giúp ngƣời lái điều chỉnh mức ga phù hợp với điều kiện bám nhằm giúp ô tô khởi hành tốt hơn. 2.3 Kết luận chƣơng 2 Luận án đã xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô bao gồm xây dựng đặc tính tốc độ của động cơ diezel, mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực, mô hình mô phỏng bánh xe, mô hình mô phỏng động lực học theo phƣơng dọc của xe. Việc xác định mối quan hệ giữa mức tải động cơ đến độ trƣợt của bánh xe chủ động của ô tô đã đƣợc làm rõ trong mô hình động lực học theo phƣơng dọc của xe. Luận án đã mô phỏng khảo sát quá trình khởi hành của ô tô với các mức ga khác nhau trên đƣờng có hệ số bám khác nhau, các kết quả mô phỏng phù hợp với quy luật vật lý của ô tô, mô hình mô phỏng có thể ứng dụng để khảo sát nghiên cứu hiện tƣợng trƣợt quay cũng nhƣ điều khiển hạn chế trƣợt quay của bánh xe ô tô chủ động. Các kết quả khảo sát trên đƣờng có hệ số bám thấp cho thấy: - Tại các giá trị hệ số bám thấp, tồn tại một mức tải hợp lý để làm tăng khả năng khởi hành của ô tô - Trên các đƣờng tƣơng đối xấu (hệ số bám trong khoảng 0,3 đến 0,45) với hệ số cản lăn lớn f =0,15, độ trƣợt của bánh xe chủ động khi xe đạt gia tốc cực đại λamax trong khoảng 20% đến 30%. - Có thể sử dụng thông số tổng thời gian có độ trƣợt (λ>30%) để đánh giá khả năng tăng tốc của ô tô trên các loại đƣờng có hệ số bám thấp với các mức tải động cơ khác nhau. Các giá trị thông số độ trƣợt khi xe đạt gia tốc cực đại và tổng thời gian có độ trƣợt (λ>30%) sẽ đƣợc sử dụng làm cơ sở cho việc lựa chọn thuật toán điều khiển và đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trong chƣơng 3. 46 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Các kết quả khảo sát mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô khi khởi hành với các mức đạp ga khác nhau của ngƣời lái trên loại đƣờng có hệ số cản lăn lớn và hệ số bám khác nhau ở chƣơng 2 đã chỉ ra khi ô tô đi vào đƣờng có hệ số bám thấp bánh xe ô tô bị trƣợt quay thì việc tăng tải quá mức không giúp ô tô tăng tốc nhanh hơn. Tại các giá trị hệ số bám thấp, tồn tại một mức tải hợp lý để làm tăng khả năng khởi hành của ô tô. Tuy nhiên, ngƣời lái khó có khả năng xác định mức chân ga hợp lý nhằm giảm độ trƣợt của bánh xe chủ động. Trong chƣơng này, luận án tiến hành đề xuất cấu trúc của hệ thống, lựa chọn phƣơng pháp điều khiển và xác định các tham số bộ điều khiển tải động cơ nhằm hạn chế hiện tƣợng trƣợt quay bánh xe chủ động. Tiếp đó luận án tiến hành mô phỏng đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển và xác định vùng làm việc hiệu quả của bộ điều khiển tƣơng ứng với các loại đƣờng khác nhau nhằm làm cơ sở cho việc chế tạo thử nghiệm ở chƣơng 4. 3.1 Đề xuất cấu trúc của hệ thống Với đối tƣợng nghiên cứu là xe tải nhỏ sử dụng động cơ diezel dùng bơm cao áp dãy, luận án đề xuất hệ thống điều khiển hạn chế trƣợt quay bánh xe chủ động gồm các bộ phận thể hiện nhƣ trên sơ đồ Hình 3.1 và Hình 3.3. 1.Động cơ 2. Ly hợp 3. Hộp số 4. Các đăng 5. Cầu chủ động 6. Bán trục 7. Bánh chủ động trái 8. Bánh chủ động phải 9. Bánh bị động phải 10. Bánh bị động trái 11. Cảm biến vận tốc góc bánh xe 12. Bơm cao áp dãy 13. Dây ga 14. Cơ cấu chấp hành 15. Bàn đạp ga 16. Bộ điều khiển Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống điều khiển 47 Khi bánh xe bị trƣợt, dù ngƣời lái vẫn giữ nguyên mức đạp ga (Pnl), bộ điều khiển ra tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành làm thay đổi mức tải thực tế của động cơ (Pin) theo quy luật (Hình 3.2): Hình 3.2. Sơ đồ mô hình hệ thống điều khiển công suất động cơ in nl dkP P P  (3.1) Trong đó: Pnl : Mức tải do ngƣời lái tác động vào bàn đạp ga; Pdk : Mức tải động cơ đƣợc hiệu chỉnh bởi bộ điều khiển; Pin : Mức tải thực tế của động cơ. Trong đó: - Hệ thống động lực có sẵn trên xe gồm: Động cơ, ly hợp, hộp số, trục các đăng, cầu chủ động, bán trục và bánh xe. - Hệ thống điều khiển đƣợc trang bị gồm: Các cảm biến đo vận tốc góc bánh xe sẽ đo vận tốc góc các bánh xe gửi về bộ điều khiển. Bộ điều khiển đƣợc luận án thiết kế chế tạo nhằm mục đích theo d i vận tốc góc 4 bánh xe từ đó tính ra độ trƣợt và thực hiện điều khiển hệ thống thông qua cơ cấu chấp hành [11];[19];[23]. Cơ cấu chấp hành (CCCH) là bộ phận đƣợc lắp trên dây ga. CCCH có tác dụng điều khiển tăng/giảm chiều dài dây ga theo tín hiệu điều khiển từ đó điều khiển công suất của động cơ. Hình 3.3. Sơ đồ các tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống 48 Các thành phần cơ bản của hệ thống gồm 3 khối chính: khối tín hiệu, khối điều khiển và cơ cấu chấp hành. Tổng hợp các phƣơng trình chính mô tả chuyển động của ô tô trên