Nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngành Công nghệ Kỹ thuật ô tô đang phát triển mạnh mẽ, thu hút nhiều kỹ sư và sinh viên với kiến thức đa dạng về toán học, khoa học và động lực học phương tiện Những chuyên gia này không chỉ mong muốn nắm vững lý thuyết về động lực học của xe mà còn tìm kiếm cơ hội áp dụng những kiến thức lý thuyết vào việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật ô tô trong thực tế.

Để nâng cao an toàn ô tô và giảm thiểu tai nạn, việc phát triển hiểu biết về khả năng an toàn của xe là rất quan trọng Nghiên cứu cho thấy hệ thống cân bằng điện tử ESP có thể giảm đáng kể số vụ va chạm, tử vong và thương tích nghiêm trọng Cụ thể, một nghiên cứu tại Thụy Điển năm 2003 chỉ ra rằng xe trang bị ESP có nguy cơ va chạm thấp hơn 22% so với xe không có hệ thống này, với tỷ lệ tai nạn giảm 32% trong điều kiện ẩm ướt và 38% khi có tuyết Tương tự, tại Nhật Bản, ESP giúp giảm 30-35% khả năng liên quan đến va chạm, trong khi ở Đức, một nghiên cứu cho thấy mức giảm tương tự và giảm sự cố “mất kiểm soát” từ 21% xuống 12% Những lợi ích này chứng tỏ tầm quan trọng của việc trang bị hệ thống ESP trên ô tô.

Nghiên cứu tính năng động lực và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử là cần thiết để đánh giá an toàn, khả năng đáp ứng nhu cầu người lái và sự thích nghi của phương tiện trong mọi điều kiện Bên cạnh đó, nó cũng cung cấp nguồn tài liệu quý giá cho nghiên cứu và học tập.

Nhóm em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô” cho luận văn tốt nghiệp của mình.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Hiểu rõ được khái niệm, cấu tạo và hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử ESP

- Phân tích động lực học hệ thống cân bằng điện tử dựa trên phân tích động lực học hệ thống phanh và hệ thống lái

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống ESP dựa trên các sơ đồ và các phương trình toán học

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống ESP bằng công cụ MathWorks.

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cân bằng điện tử trang bị phổ biến trên các xe ô tô chở khách

- Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hai hệ thống chính trên ô tô là hệ thống phanh và hệ thống lái, cụ thể:

 Hệ thống phanh vi sai

 Hệ thống lái điện tử

 Phân bổ mô-men xoắn độc lập đến từng bánh xe riêng lẻ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp dịch thuật tài liệu

- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP)

GIỚI THIỆU

Hầu hết các vụ tai nạn ô tô thường xảy ra do phanh gấp hoặc chuyển hướng đột ngột, khiến xe không thể tuân theo sự điều khiển của người lái Điều này dẫn đến các hiện tượng như "văng đầu", "văng đuôi" hoặc thậm chí lật xe Trong trường hợp nhẹ hơn, bánh xe có thể bị trượt, làm lệch hướng chuyển động thẳng của ô tô.

Để cải thiện hiện tượng mất ổn định trên ô tô, nhiều hệ thống hỗ trợ đã được phát triển, trong đó nổi bật là hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD).

Mặc dù hai hệ thống trước đó chỉ đáp ứng một phần yêu cầu về sự ổn định, chúng chủ yếu giúp giảm thiểu hiện tượng trượt dọc bánh xe khi di chuyển trên đường thẳng Tuy nhiên, khi xe chuyển hướng hoặc quay vòng mà mất ổn định, hệ thống cân bằng điện tử (ESP) được thiết kế để đảm bảo sự ổn định cho xe trong những tình huống này.

Hình 2.1 Hệ thống cân bằng điện tử - ESP [4]

(Xe màu đen có trang bị hệ thống ESP còn Xe màu vàng không có trang bị hệ thống ESP)

Hệ thống ESP (Electronic Stability Program) hay còn gọi là Electronic Stability Control (ESC) là công nghệ tiên tiến được trang bị trên ô tô nhằm đảm bảo sự ổn định và cân bằng cho xe trong mọi tình huống di chuyển, bao gồm cả khi đi thẳng, chuyển hướng hoặc quay vòng Nhờ vào hệ thống này, tính an toàn của xe được nâng cao, giúp giảm thiểu nguy cơ tai nạn khi tham gia giao thông.

Hệ thống ESP luôn hoạt động trên xe, tự động phát hiện và phản ứng ngay lập tức khi xe di chuyển sai hướng, ngay cả khi người lái không can thiệp Bằng cách sử dụng hệ thống phanh, ESP giúp đưa xe trở lại quỹ đạo an toàn.

Hệ thống ESP không chỉ điều chỉnh phanh mà còn can thiệp vào động cơ, giúp tăng hoặc giảm tốc độ của từng bánh xe Nhờ đó, quỹ đạo di chuyển của xe được duy trì trong giới hạn của các định luật vật lý, đảm bảo an toàn và ổn định khi lái xe.

2.1.2 Lịch sử phát triển hệ thống [4]

Hệ thống cân bằng điện tử DSC (Dynamic Stability Control) lần đầu tiên được giới thiệu trên hai mẫu xe BMW 750iL và 850Ci vào năm 1995, với động cơ V12 5.4L Được sản xuất bởi Bosch, một công ty hàng đầu trong lĩnh vực thiết bị cơ khí và điều khiển điện tử của Đức, hệ thống này sử dụng cảm biến tại các bánh xe với tần số 50 lần mỗi giây để đảm bảo sự ổn định và an toàn khi lái xe.

Một năm sau khi hệ thống cân bằng điện tử ra đời, Mercedes-Benz đã ứng dụng công nghệ này vào mẫu xe của mình với tên gọi ESP, bắt đầu từ mẫu S600 Tương tự như BMW, Mercedes hợp tác với Bosch để cung cấp hệ thống, đồng thời tự quy định các ngưỡng giá trị tối đa trước khi ESP hoạt động Điểm nổi bật của hệ thống ESP của Mercedes là khả năng nhanh chóng khôi phục vị trí ổn định cho xe sau khi hệ thống được kích hoạt.

Vào năm 1997, Cadillac giới thiệu hệ thống cân bằng điện tử mang tên STS (StabiliTrak stability), sử dụng ba vị trí cảm biến gồm cảm biến góc lái, cảm biến hướng xe và cảm biến tốc độ bánh xe, tương tự như các hệ thống của BMW và Mercedes Đến năm 1998, Lexus ra mắt hệ thống VSC (Vehicle Stability Control), không chỉ trang bị các cảm biến tương tự mà còn cải tiến tính năng để nâng cao độ ổn định cho xe.

5 thêm cảm biến đo áp suất phanh nhằm phối hợp với hệ thống phân bổ lực phanh EBD, giúp xe đạt trạng thái ổn định nhất

2.1.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống ESP

Một chiếc xe trang bị hệ thống ESP thường đi kèm với các hệ thống an toàn như chống bó cứng phanh (ABS), chống trượt (TCS) và phân phối lực phanh điện tử (EBD) Những hệ thống này hoạt động phối hợp để đảm bảo sự ổn định tối ưu cho xe trong quá trình di chuyển Chi tiết về ba hệ thống này sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo.

Trong quá trình điều khiển xe, các cảm biến liên tục ghi lại và truyền dữ liệu về hệ thống điều khiển trung tâm để so sánh với các chương trình đã được lập trình Khi có hiện tượng bất thường như xe đi lệch quỹ đạo hoặc phanh gấp khi vào cua, hệ thống ESP sẽ tự động kích hoạt Cơ cấu điều khiển thủy lực sẽ can thiệp vào hệ thống ABS để điều chỉnh góc xoay và tốc độ từng bánh xe, đảm bảo cân bằng với góc trượt quán tính của xe Đồng thời, hệ thống sẽ giảm công suất động cơ để giảm tốc độ bánh xe, đảm bảo độ bám đường cần thiết và đưa xe về vùng an toàn, ngăn ngừa hiện tượng lệch hướng đột ngột hoặc lật xe.

LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ

CÁC LỰC VÀ MÔ-MEN TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ KHI CHUYỂN ĐỘNG

Khi ô tô chuyển động, ngoài trọng lực còn có những thành phần khác (xem Hình 3.1) tác dụng vào bánh xe như:

- Áp lực phanh (2) (Brake Pressure) – Lực chống lại lực kéo

- Lực ngang (3) (Lateral Force) – Lực tạo ra khả năng quay vòng cho ô tô

- Lực bám mặt đường (4) (Adhesion Force) – Lực bám là kết quả chính của trọng lực, lực ma sát và một số lực khác

Hình 3.1 Lực tác động vào bánh xe

Bên cạnh các lực tác dụng vào bánh xe, ô tô còn chịu tác động của (Hình 3.2):

- Mô-men lệch (trục đứng) (Yaw moment) – Mô-men giúp ô tô chuyển hướng

- Mô-men bánh xe (các trục ngang bánh xe) (Wheels Moment) – Mô-men giúp cho ô tô chuyển động

Và một số lực khác như lực khí động học

Hình 3.2 Mô-men tác động lên ô tô

Các lực tác động lên bánh xe được liên kết thông qua một khái niệm gọi là vòng tròn lực hay vòng tròn Kamm Việc áp dụng vòng tròn này cho phép chúng ta đánh giá khả năng bám đường của lốp xe.

Vòng tròn Kamm có tâm tại điểm tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường Bán kính của vòng tròn này phụ thuộc vào lực bám của lốp xe: khi lực bám giảm, bán kính sẽ nhỏ lại, trong khi khi lực bám tăng, bán kính sẽ lớn hơn.

Hình 3.3 Ảnh hưởng của lực bám đến vòng tròn ma sát Kamm

Lực F được hình thành từ sự kết hợp giữa áp lực phanh FB và lực quay vòng FL trong quá trình phanh, trong khi lực F’ được tạo ra từ lực kéo FT và lực quay vòng FL khi xe tăng tốc Khi tổng hợp lực này khiến điểm F nằm ngoài vòng tròn ma sát, ô tô sẽ mất khả năng điều khiển và không thể lái được.

Khi lực tổng hợp giữa áp lực phanh và lực quay vòng vẫn nằm trong vòng tròn Kamm, ô tô sẽ thực hiện quay vòng một cách an toàn và không gặp vấn đề gì.

Bây giờ, khi tăng áp lực phanh lên, lực quay vòng sẽ giảm dần

Khi tổng hợp lực giữa áp lực phanh và lực quay vòng đạt đến mức áp lực phanh (F = FB), bánh xe sẽ bị khóa và không thể quay vòng Tình huống tương tự xảy ra khi lực kéo và lực quay vòng không còn cân bằng; nếu lực quay vòng bằng không và lực kéo được sử dụng hoàn toàn (F’ = FT), bánh xe sẽ trượt quay.

ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ KHI PHANH

Khi ô tô phanh, mô-men phanh là chỉ tiêu chính để đánh giá tính động lực của hệ thống phanh Ô tô có khả năng kiểm soát lực phanh trên mọi điều kiện mặt đường, điều này cho thấy tính ổn định của xe trong quá trình phanh.

Mô-men phanh tỷ lệ thuận với lực phanh, nghĩa là khi mô-men phanh tăng, lực phanh cũng tăng theo Tuy nhiên, lực phanh không thể tăng một cách tùy ý mà phải được giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường.

𝐹 𝑏𝑚𝑎𝑥 là lực phanh cực đại (tại điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường)

𝐹 𝜇 là lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

𝑍 𝑎 phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe

𝜇 là hệ số bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

Khi lực phanh tăng lên đến mức tối đa 𝐹 𝑏𝑚𝑎𝑥, nó sẽ bằng với lực bám dọc 𝐹 𝜇, dẫn đến việc các bánh xe bắt đầu trượt lết Khi bánh xe hoàn toàn trượt, hệ số bám dọc 𝜇 sẽ giảm xuống giá trị tối thiểu 𝜇 𝑚𝑖𝑛, làm giảm lực phanh xuống mức thấp nhất Ở trạng thái này, người lái sẽ không còn khả năng điều khiển ô tô, với bánh xe trước trượt sẽ mất tính dẫn hướng, trong khi bánh xe sau trượt sẽ gây mất tính ổn định, dễ dẫn đến trượt ngang khi có lực tác động nhỏ.

 Điều kiện đảm bảo phanh tối ưu

Bánh xe trượt lết gây ra hiệu quả phanh thấp, làm tăng độ mòn của lốp và độ trượt dọc, ảnh hưởng tiêu cực đến tính ổn định ngang của xe Do đó, cần tối ưu hóa quá trình phanh để đạt hiệu quả cao nhất.

Thời gian phanh 𝑡 𝑏, quãng đường phanh 𝑆 𝑏 và gia tốc phanh 𝑗 𝑏 là ba chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả của hệ thống phanh Phanh được coi là tối ưu khi thời gian và quãng đường phanh đạt mức tối thiểu, trong khi gia tốc phanh đạt cực đại, tức là 𝑡 𝑏 = 𝑡 𝑏𝑚𝑖𝑛, 𝑆 𝑏 = 𝑆 𝑏𝑚𝑖𝑛, và 𝑗 𝑏 = 𝑗 𝑏𝑚𝑎𝑥 Để đạt được điều này, lực phanh giữa các bánh xe phía trước 𝐹 𝑏𝑓 và phía sau 𝐹 𝑏𝑟 cần phải thỏa mãn các điều kiện đã được chứng minh trong cuốn "Lý thuyết ô tô" của Đặng Quý, 2010.

Trong đó: (𝑎, 𝑏, ℎ𝑔) là tọa độ trọng tâm của ô tô

Do trong quá trình phanh, tọa độ trọng tâm (ℓ 𝑓 , ℓ 𝑟 , ℎ𝑔) và hệ số bám dọc 𝜇 luôn thay đổi cho nên tỷ số 𝐹 𝑏𝑓

Hệ thống phanh ô tô luôn cần cải tiến để đáp ứng yêu cầu an toàn và hiệu suất Để đạt được điều này, việc điều chỉnh mô-men phanh tại các bánh xe trước và sau là rất quan trọng Tuy nhiên, hệ thống phanh truyền thống gặp khó khăn trong việc thực hiện điều này, vì lực quán tính có thể làm thay đổi tải trọng khi phanh.

Tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước thường lớn hơn so với bánh xe cầu sau, dẫn đến việc bánh xe cầu sau giảm khả năng bám đường Khi bánh xe cầu sau bị hãm cứng và trượt, xe có nguy cơ quay ngang và lật đổ ngay cả với lực ngang nhỏ.

Để ngăn chặn hiện tượng hãm cứng bánh xe khi phanh, nhiều xe hiện nay đã được trang bị bộ điều hòa lực phanh Cơ cấu này tự động điều chỉnh lực phanh ở từng bánh xe bằng cách thay đổi áp suất dẫn động phanh đến các cơ cấu phanh ở cầu trước và cầu sau.

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP)

BA HỆ THỐNG CHỦ LỰC HỖ TRỢ HOẠT ĐỘNG ESP

Hệ thống phanh chống bó cứng ABS (Anti-Lock Brake System) là một công nghệ an toàn quan trọng trên xe ô tô, giúp ngăn ngừa hiện tượng hãm cứng bánh xe trong các tình huống khẩn cấp ABS hoạt động bằng cách điều khiển điện tử, cho phép người lái duy trì khả năng kiểm soát hướng lái và tránh hiện tượng văng trượt, từ đó đảm bảo ổn định cho thân xe.

Hình 4.1 Đồ thị thể hiện tỷ lệ trượt giữa bánh xe với mặt đường khi có sự can thiệp của ABS

Hệ thống ABS hoạt động bằng cách thực hiện chu trình phanh-nhả liên tục, giúp giảm lực phanh khi bánh xe sắp bị hãm cứng và tăng lực phanh khi bánh xe quay trở lại Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi bánh xe dừng hẳn hoặc người lái ngừng phanh Hình 4.1 minh họa rõ ràng quá trình phanh-nhả khi ABS hoạt động, điều chỉnh lực phanh để duy trì sự trượt cục bộ của bánh xe quanh vùng có hệ số bám cao nhất với tỷ lệ trượt 0.2.

Hình 4.2 Tốc độ xe và tốc độ bánh xe tương ứng khi phanh với ABS

Hệ thống kiểm soát độ bám đường (TCS) là công nghệ chống trượt trên ô tô, giúp giảm thiểu tình trạng trơn trượt của bánh xe và tối ưu hóa khả năng bám đường Tùy thuộc vào từng nhà sản xuất, TCS còn được gọi bằng các tên khác như TRC, ASR hoặc DSC.

EBD, hay "Electronic Brake-force Distribution" (Hệ thống phân phối lực phanh điện tử), là công nghệ giúp điều chỉnh lực phanh cho từng bánh xe dựa trên tải trọng, góc lái và điều kiện mặt đường Khác với hệ thống ABS, EBD tối ưu hóa hiệu quả phanh bằng cách phân phối lực phanh không đồng đều giữa các bánh xe, đảm bảo an toàn và hiệu suất phanh tốt nhất cho xe.

4.1.2 Sự can thiệp của ESP vào ba hệ thống ABS, TCS và EBD

Hệ thống ABS và ESP sử dụng phương pháp phanh độc lập từng bánh, được kiểm soát bởi ECU và các van điện từ Các van này có khả năng điều chỉnh áp suất phanh theo ba chế độ: tăng, giữ và giảm, nhằm ngăn chặn hiện tượng bó cứng bánh xe.

ABS là công cụ để ESP ngăn cản hiện tượng thiếu lái hoặc thừa lái trên ô tô, cụ thể:

Thiếu lái (Understeer) xảy ra khi cầu trước của xe trượt nhiều hơn cầu sau, dẫn đến việc xe có xu hướng đi thẳng thay vì theo đường cong Trong tình huống này, hệ thống ESP sẽ can thiệp bằng cách điều chỉnh lực phanh cho bánh xe ở phía trong của cầu sau, giúp cải thiện khả năng kiểm soát và ổn định của xe.

Thừa lái (Oversteer) xảy ra khi cầu sau trượt nhiều hơn cầu trước, làm tăng nguy cơ lật xe Hệ thống ESP sẽ gửi tín hiệu đến ECU để can thiệp vào hệ thống phanh của bánh xe phía ngoài cầu trước, điều chỉnh lực phanh nhằm đảm bảo an toàn cho xe.

Hình 4.3 ESP ngăn cản hiện tượng Thiếu lái (A) và Thừa lái (B) bằng ABS

Trong trường hợp người lái tiếp tục tăng tốc sau khi mất lái, hệ thống ESP có khả năng giảm mô-men xoắn động cơ bằng cách điều chỉnh lượng nhiên liệu nạp vào động cơ.

Hệ thống TCS (Traction Control System) giúp tăng cường an toàn khi tăng tốc bằng cách phát hiện và xử lý tình trạng trượt bánh xe Khi cảm biến tốc độ phát hiện bánh xe chủ động bị trượt, tín hiệu sẽ được gửi đến bộ ECU, từ đó ECU sẽ điều khiển hệ thống phanh để giảm hiện tượng quay trơn Đồng thời, hệ thống ESP (Electronic Stability Program) cũng gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ để điều chỉnh bướm ga hoặc làm chậm thời điểm đánh lửa, nhằm giảm mô-men xoắn của động cơ, từ đó nâng cao khả năng kiểm soát và ổn định cho xe.

EBD, tương tự như ABS, cũng được hệ thống ESP sử dụng để ổn định xe Tuy nhiên, EBD vượt trội hơn nhờ khả năng điều chỉnh lực phanh một cách thông minh, tối ưu hóa hiệu quả phanh cho từng bánh xe dựa trên tải trọng, góc lái và điều kiện mặt đường.

CÁC CHỨC NĂNG KHÁC CỦA ESP

Ngoài những chức năng cơ bản đã đề cập, hệ thống ESP hiện nay còn tích hợp nhiều tính năng mới, cho thấy khả năng mở rộng của nó Điều này giúp ESP trở thành tiêu chuẩn quan trọng trong hệ thống cân bằng điện tử của các xe ô tô hiện đại.

- Khả năng chống “tuột” dốc

Khi xe khởi động trên địa hình dốc, hệ thống ESP giúp duy trì áp lực phanh từ 2 đến 3 giây sau khi người lái nhấc chân khỏi bàn đạp phanh, giúp giảm thiểu nguy cơ "tuột" khi chuyển từ chân phanh sang chân ga.

- Trợ giúp phanh khẩn cấp

Hệ thống ESP phối hợp với ECU để phát hiện khi nào người lái cần phanh khẩn cấp thông qua sự thay đổi đột ngột của áp suất phanh Trong một số trường hợp, người lái có thể không cung cấp đủ lực phanh, vì vậy chức năng trợ giúp phanh khẩn cấp sẽ tối đa hóa lực phanh và rút ngắn quãng đường phanh, giúp tránh va chạm hiệu quả.

- Thích ứng với tải trọng

Khi tải trọng thay đổi, lực phanh, độ bám đường và sự cân bằng của xe cũng sẽ bị ảnh hưởng Hệ thống ESP sẽ điều chỉnh phù hợp với các thay đổi về khối lượng và trọng tâm của xe để đảm bảo an toàn với mọi tải trọng.

Hệ thống ESP hoạt động bằng cách nhận tín hiệu từ các cảm biến khi xe có nguy cơ lật, từ đó ECU sẽ điều chỉnh lực tác động lên từng bánh xe hoặc giảm công suất động cơ, giúp ngăn chặn hiện tượng lật xe và duy trì sự ổn định cho phương tiện.

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ

Hệ thống ESC (Electronic Stability Control) so sánh ý định đánh lái của người lái với hướng di chuyển thực tế của xe, từ đó can thiệp bằng cách điều chỉnh từng bánh xe để khắc phục sai lệch Hệ thống này liên tục giám sát các động thái của xe thông qua nhiều cảm biến, đo lường các thông số động và ước tính các giá trị khác Khi phát hiện sự mất kiểm soát, như thiếu lái hoặc thừa lái, ESC sẽ tự động khôi phục hướng di chuyển của xe bằng cách sử dụng các thiết bị truyền động Các hành động điều chỉnh có thể được thực hiện thông qua ba phương pháp: điều khiển phanh vi sai, điều khiển hệ thống lái điện tử hoặc phân phối mô-men xoắn chủ động.

1) Hệ thống phanh vi sai (Differential Braking) sử dụng hệ thống phanh ABS trên xe để áp dụng phanh vi sai giữa bánh xe bên phải và bên trái để kiểm soát thời điểm lệch hướng

2) Hệ thống lái điện tử (Steer-by-wire hay Hệ thống lái không trục lái) điều chỉnh đầu vào góc lái của người lái và thêm góc lái hiệu chỉnh cho bánh xe

3) Hệ thống phân phối mô-men xoắn chủ động (Active Torque Distribution) sử dụng vi sai chủ động và tất cả công nghệ dẫn động bánh xe để kiểm soát độc lập mô- men xoắn truyền động được phân phối đến từng bánh xe và do đó cung cấp khả năng kiểm soát chủ động cả lực kéo và mô-men lệch

Hệ thống phanh vi sai đã thu hút sự chú ý đáng kể từ các nhà nghiên cứu và đã được ứng dụng trên một số phương tiện sản xuất Đồng thời, hệ thống lái điện tử cũng nhận được sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu hàn lâm, như Ackermann (1994).

Hệ thống phân phối mô-men xoắn chủ động đã thu hút sự chú ý đáng kể trong thời gian gần đây và có triển vọng xuất hiện trên các mẫu xe sản xuất trong tương lai.

Chương 4 tập trung vào hệ thống phanh vi sai, được trình bày chi tiết trong phần 4.3.1 Tiếp theo, phần 4.3.2 sẽ thảo luận về hệ thống lái điện tử, trong khi phần 4.3.3 sẽ đề cập đến hệ thống phân phối mô-men xoắn chủ động.

4.3.1 Hệ thống phanh vi sai

Hệ thống phanh vi sai sử dụng bộ điều biến thủy lực điện từ để điều chỉnh áp suất phanh ở bốn bánh xe, tạo ra mô-men quay bằng cách tăng áp suất phanh ở bánh trái so với bánh phải, hoặc ngược lại Việc này giúp cải thiện khả năng điều khiển của xe khi vào cua Hệ thống này sử dụng nhiều cảm biến, bao gồm cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến vận tốc lệch hướng, cảm biến góc lái, cảm biến gia tốc ngang và cảm biến áp suất phanh, để đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn.

Mô hình xe nghiên cứu hệ thống kiểm soát ổn định lệch hướng dựa trên phanh vi sai có bảy bậc tự do Ba bậc tự do đầu tiên liên quan đến thân xe, bao gồm vận tốc ngang (𝑥̇), vận tốc dọc (𝑦̇) và vận tốc lệch (𝜓̇) Bốn bậc tự do còn lại được xác định bởi vận tốc quay của bốn bánh xe (𝜔 𝑓ℓ, 𝜔 𝑓𝑟, 𝜔 𝑟ℓ và 𝜔 𝑟𝑟), với chỉ số phụ đầu tiên biểu thị bánh trước hoặc bánh sau và chỉ số phụ thứ hai chỉ rõ bánh xe bên trái hoặc bên phải Hình 4.4 minh họa bảy bậc tự do của mô hình xe.

Hình 4.4 Mức độ tự do cho mô hình xe đối với hệ thống dựa trên phanh vi sai

Góc đánh lái của bánh trước được ký hiệu là 𝛿, trong khi lực dọc của lốp ở các vị trí khác nhau được ký hiệu là 𝐹 𝑥𝑓ℓ (trước trái), 𝐹 𝑥𝑓𝑟 (trước phải), 𝐹 𝑥𝑟ℓ (sau trái) và 𝐹 𝑥𝑟𝑟 (sau phải) Đồng thời, lực ngang tại các lốp cũng được ký hiệu tương ứng là 𝐹 𝑦𝑓ℓ (trước trái), 𝐹 𝑦𝑓𝑟 (trước phải), 𝐹 𝑦𝑟ℓ (sau trái) và 𝐹 𝑦𝑟𝑟 (sau phải).

Hình 4.5 Sơ đồ động lực học thân xe

Mô hình “xe đạp” trong phương tiện giao thông, như mô tả trong Hình 4.5, sử dụng một bánh duy nhất để biểu diễn hai bánh trước bên trái và bên phải, cũng như hai bánh sau Điều này giúp đơn giản hóa việc tính toán, mặc dù khi xe quay vòng, bánh xe bên trong và bên ngoài sẽ có sự khác biệt về giá trị góc lái do bán kính đường đi của mỗi bánh xe khác nhau Mô hình này giả định rằng bánh trước là bánh dẫn hướng, trong khi góc lái của bánh sau có thể được coi là 0.

Khi đó phương trình chuyển động của thân xe là

Độ dài ℓ 𝑓, ℓ 𝑟 và ℓ 𝑤 lần lượt đại diện cho khoảng cách theo chiều dọc từ trọng tâm xe đến bánh xe trước, khoảng cách từ trọng tâm đến bánh xe sau, và khoảng cách ngang giữa bánh xe trái và phải.

Góc trượt và tỷ lệ trượt

Xác định góc trượt ở lốp trước và lốp sau như sau

Hình 4.6 Động học bánh xe

Hình 4.6 trình bày các định nghĩa động học của bánh xe Trong quá trình di chuyển, tỷ lệ trượt dọc của mỗi bánh xe trong bốn bánh xe được tính toán thông qua các công thức cụ thể.

Khi tăng tốc, bán kính lăn của lốp (𝑟 𝑒𝑓𝑓) sẽ nhỏ hơn bán kính tính toán của lốp (𝑟 𝑏) (4.7) Hệ số trượt được ký hiệu lần lượt cho các bánh xe phía trước bên trái (𝜎 𝑓ℓ), phía trước bên phải (𝜎 𝑓𝑟), phía sau bên trái (𝜎 𝑟ℓ) và phía sau bên phải (𝜎 𝑟𝑟).

Tăng tốc hoặc phanh có thể gây ra sự trượt khác nhau, phụ thuộc vào mô-men xoắn và điều kiện bám của mặt đường với lốp xe Tỷ lệ trượt dọc đạt cực đại 100% khi bánh xe bắt đầu trượt lếch do phanh hoặc trượt quay khi tăng tốc đột ngột.

Phương trình mô hình lốp theo chiều ngang-dọc

MÔ HÌNH HÓA ESP VỚI PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK