i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề tài nghiên cứu riêng tôi, đề tài thực mơn Ơ tơ, trường Đại học Giao Thông Vận Tải hướng dẫn PGS TS Đào Mạnh Hùng TS Nguyễn Khắc Huân Các số liệu, kết trình bày luận văn hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Anh Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Xin trân trọng cảm ơn tới Thầy Đào Mạnh Hùng Thầy Nguyễn Khắc Huân tận tình hướng dẫn trình thực luận án Trân trọng gửi lời cảm ơn đến toàn thể Thầy mơn Cơ khí Ơ tơ hướng dẫn, tư vấn, đóng góp ý kiến q trình thực luận án Trân trọng cảm ơn Thầy Cô, đồng nghiệp Trường Đại học Giao Thông vận tải, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Cao đẳng Lý Tự Trọng Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi góp ý trình thực luận án Trân trọng cảm ơn người thân gia đình, bạn bè động viên hỗ trợ trình thực luận án Tác giả iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô 1.1.1 Khái quát an toàn chuyển động 1.1.2 Ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô 1.1.3 Bánh xe dẫn hướng 10 1.1.4 Quá trình phát triển hệ thống lái ô tô 11 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 18 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 18 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 22 1.3 Xác định mục tiêu, đối tượng, phương pháp nội dung nghiên cứu luận án 23 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 23 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 24 1.3.4 Nội dung nghiên cứu đề tài 24 1.4 Kết luận chương 24 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ VÀ HỆ THỐNG LÁI 26 2.1 Xây dựng mơ hình chuyển động ô tô 26 2.1.1 Mơ hình động lực học tơ chuyển động mặt phẳng 26 2.1.2 Mơ hình động lực học bánh xe đàn hồi 29 2.1.3 Mô hình xác định tải trọng tác dụng lên bánh xe 32 2.2 Xây dựng mô hình mơ chuyển động tơ 33 2.2.1 Sơ đồ khối mô chuyển động ô tô mặt phẳng 33 2.2.2 Sơ đồ thuật toán 34 2.2.3 Sơ đồ mô Matlab - Simulink 35 2.3 Xây dựng mơ hình hệ thống lái tơ 37 2.3.1 Mơ hình hệ thống lái tích cực 37 iv 2.3.2 Mơ hình tốn học hệ thống lái tích cực 40 2.4 Mơ hình mơ hệ thống lái 49 2.4.1.Sơ đồ khối mô động lực học ô tô chuyển động mặt phẳng với hệ thống lái 49 2.4.2 Sơ đồ thuật tốn mơ hệ thống lái tích cực 51 2.4.3 Sơ đồ Matlab - Simulink mô hệ thống lái 52 2.5 Kết luận 53 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ơ TƠ VỚI HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC 54 3.1 Thiết kế điều khiển 54 3.1.1 Đặt vấn đề 54 3.1.2 Sơ đồ khối động lực học chuyển động ô tô với hệ thống lái tích cực 54 3.1.3 Thiết kế điều khiển AFS - Fuzzy Logic 55 3.1.4 Thiết kế điều khiển Fuzzy logic mơ tơ với hệ thống lái tích cực 61 3.2 Mô khảo sát chuyển động ô tô với tác động điều khiển tỉ số truyền hệ thống lái 62 3.2.1 Khảo sát chuyển động tơ quay vịng điều kiện khai thác khác 62 3.2.2 Khảo sát chuyển động ô tô chuyển động thẳng 69 3.2.3 Khảo sát chuyển động ô tô chuyển 72 3.3 Kết luận chương 75 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 76 4.1 Mục đích, nhiệm vụ đối tượng thí nghiệm 76 4.1.1 Mục đích thí nghiệm 76 4.1.2 Đối tượng thí nghiệm 76 4.1.3 Điều kiện thí nghiệm 77 4.2 Thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống lái tích cực AFS 78 4.2.1 Kết cấu khí hệ thống lái cầu trước 78 4.2.2 Bộ phận tạo tải 80 4.2.3 Cụm đo góc quay bánh xe dẫn hướng 81 4.2.4 Cảm biến đo góc quay 81 4.2.5 Máy tính kết nối 81 4.2.6 Cấu trúc điều khiển động chiều không chổi than (BLDCM) 82 4.2.7 Chế tạo điều khiển mô tơ hệ thống lái tích cực 87 4.3 Quy trình thí nghiệm khảo sát chuyển động tơ với hệ thống lái tích cực 93 v 4.4 Kết thí nghiệm khảo sát chuyển động quay vịng ô tô (J-turn) 94 4.4.1 Khi độ cứng ngang lốp trước nhỏ độ cứng ngang lốp sau 95 4.4.2 Khi độ cứng ngang lốp trước lớn độ cứng ngang lốp sau 97 4.5 Kết khảo sát quỹ đạo ô tô chuyển động thẳng 99 4.5.1 Quỹ đạo chuyển động ô tô tác động lực gió ngang 99 4.5.2 Khảo sát quỹ đạo chuyển động ô tô thay đổi tốc độ 100 4.6 Khảo sát chuyển động ô tô chuyển 101 4.7 Phương pháp đánh giá sai số lý thuyết thực nghiệm 102 4.8 So sánh đánh giá kết thực nghiệm với mô lý thuyết 103 4.9 Kết luận chương 105 KẾT LUẬN 106 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 108 PHỤ LỤC 113 PHỤ LỤC 114 PHỤ LỤC 129 PHỤ LỤC 143 PHỤ LỤC 148 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình tơ vết Hình 1.2 Quan hệ trạng thái quay vòng với độ cứng bên lốp tọa độ trọng tâm ô tô Hình 1.3 Ảnh hưởng Ks đến quan hệ góc quay thực tế gia tốc hướng tâm với bán kính quay vịng R = const Hình 1.4 Ảnh hưởng gió ngang biến dạng lốp đến ổn định hướng chuyển động Hình 1.5 Mất ổn định hướng lực phanh không 10 Hình 1.6 Các góc đặt bánh xe 10 Hình 1.7 Sơ đồ tiến trình phát triển hệ thống lái 11 Hình 1.8 Hệ thống lái khí 11 Hình 1.9 Hệ thống lái thủy lực 12 Hình 1.10 Hệ thống lái thủy lực điều khiển điện tử 12 Hình 1.11 Hệ thống lái trợ lực điện 13 Hình 1.12 Mơ hình hệ thống lái AFS 14 Hình 1.13 Cơ cấu chấp hành hệ thống lái tích cực AFS 14 Hình 1.14 Quan hệ tỷ số truyền hệ thống lái tốc độ chuyển động ô tô 15 Hình 1.15 Bộ chấp hành VGRS 15 Hình 1.16 Cơ cấu VGRS 16 Hình 1.17 Cơ cấu giảm tốc 16 Hình 1.18 Cơ cấu hãm mơ tơ 17 Hình 1.19 Quy luật thay đổi tỷ số truyền góc cấu lái 17 Hình 1.20 Đồ thị tỷ số truyền hệ thống lái tích cực 18 Hình 1.21 Quan hệ tỷ số truyền vận tốc ô tô 19 Hình 1.22 Đường thử nghiệm chuyển ô tô 20 Hình 1.23 Sơ đồ điều khiển hệ thống AFS 22 Hình 1.24 Mối quan hệ tỷ số truyền tốc độ 22 Hình 2.1 Mơ hình chuyển động tơ mặt phẳng 27 Hình 2.2 Các lực tác dụng từ mặt đường lên bánh xe 30 Hình 2.3 Các góc quay bánh xe 30 Hình 2.4 Quan hệ góc lệch bên phản lực ngang theo cơng thức Magic Formula 32 Hình 2.5 Mơ hình xác định tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe 32 Hình 2.6 Sơ đồ khối mô chuyển động ô tô mặt phẳng 33 vii Hình 2.7 Sơ đồ thuật tốn khảo sát mơ hình chuyển động tơ 34 Hình 2.8 Sơ đồ Simulink mơ động lực học chuyển động ô tô 35 Hình 2.9 Sơ đồ Simulink mơ bánh xe đàn hồi 36 Hình 2.10 Sơ đồ Simulink mơ chuyển động ô tô mặt phẳng 36 Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống lái tích cực 37 Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống lái bị động 39 Hình 2.13 Sơ đồ động học cấu Harmonic 39 Hình 2.14 Sơ đồ khối mơ động lực học ô tô chuyển động mặt phẳng với hệ thống lái bị động 49 Hình 2.15 Sơ đồ khối mô động lực học ô tô chuyển động mặt phẳng với hệ thống lái tích cực 50 Hình 2.16 Sơ đồ thuật tốn mơ hệ thống lái tích cực 51 Hình 2.17 Sơ đồ xác định góc quay bánh xe dẫn hướng từ góc quay vành lái 52 Hình 2.18 Sơ đồ xác định mơ men mơ tơ điều khiển từ góc bù bánh xe dẫn hướng 52 Hình 2.19 Sơ đồ Simulink hệ thống lái tổng quát 53 Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống lái tích cực tơ 55 Hình 3.2 Hệ kín, phản hồi âm sử dụng điều khiển mờ 55 Hình 3.3 Sai lệch vận tốc góc quay thân xe 58 Hình 3.4 Sai lệch gia tốc góc quay thân xe 58 Hình 3.5 Góc quay điều chỉnh bánh xe 58 Hình 3.6 Tập luật điều khiển 59 Hình 3.7 Thiết bị hợp thành 60 Hình 3.8 Bộ điều khiển mờ hệ thống lái tích cực 60 Hình 3.9 Quan hệ truyền đạt điều khiển mờ 60 Hình 3.10 Sơ đồ thuật tốn điều khiển mơ tơ 61 Hình 3.11 Mơ hình tổng qt điều khiển mơ tơ hệ thống lái tích cực 62 Hình 3.12 Góc quay vành lái 63 Hình 3.13 Các lực ngang tác dụng lên lốp 63 Hình 3.14 Góc quay trục lái trước sau mơ tơ lái tích cực 64 Hình 3.15 Góc quay hiệu chỉnh mơ tơ lái tích cực 64 Hình 3.16 Góc quay trung bình bánh xe dẫn hướng 64 Hình 3.17 Gia tốc ngang tác dụng trọng tâm ô tô 65 Hình 3.18 Quỹ đạo chuyển động ô tô 65 Hình 3.19 Tỷ số truyền tốc độ V= 40 km/h 65 viii Hình 3.20 Các lực ngang tác dụng lên lốp 66 Hình 3.21 Góc quay trục lái trước sau mơ tơ lái tích cực 67 Hình 3.22 Góc quay hiệu chỉnh mơ tơ lái tích cực 67 Hình 3.23 Góc quay bánh xe dẫn hướng 67 Hình 3.24 Gia tốc ngang tác dụng trọng tâm ô tô 68 Hình 3.25 Quỹ đạo chuyển động ô tô 68 Hình 3.26 Đồ thị tỷ số truyền tốc độ V= 40 km/h 68 Hình 3.27 Lực gió ngang 70 Hình 3.28 Các lực ngang tác dụng lên lốp 70 Hình 3.29 Gia tốc ngang tác dụng trọng tâm ô tơ 70 Hình 3.30 Quỹ đạo chuyển động ô tô 71 Hình 3.31 Đồ thị tỷ số truyền 71 Hình 3.32 Đồ thị tỷ số truyền theo vận tốc 72 Hình 3.33 Thí nghiệm chuyển theo tiêu chuẩn ISO 3888 73 Hình 3.34 Đồ thị góc quay vành lái 73 Hình 3.35 Đồ thị góc quay hiệu chỉnh mô tơ 73 Hình 3.36 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng 73 Hình 3.37 Đồ thị lực ngang tác dụng lên lốp 74 Hình 3.38 Đồ thị gia tốc ngang tác dụng trọng tâm ô tô 74 Hình 3.39 Đồ thị quỹ đạo chuyển động ô tô 74 Hình 3.40 Đồ thị tỷ số truyền 75 Hình 4.1 Lưu đồ điều khiển mơ tơ lái tích cực 77 Hình 4.2 Khung mơ hình thực nghiệm hệ thống lái 78 Hình 4.3 Cụm cầu trước xe Lexus LX 470 79 Hình 4.4 Mơ tơ chiều ba pha không chổi than hệ thống lái tích cực 79 Hình 4.5 Mơ hình hệ thống lái tích cực AFS 80 Hình 4.6 Các phận tạo tải cho mơ hình AFS 80 Hình 4.7 Cụm đo góc quay bánh xe dẫn hướng 81 Hình 4.8 Cảm biến đo góc quay 81 Hình 4.9 Mơ hình mơ tơ BLDC 82 Hình 4.10 Sơ đồ cấu tạo mơ tơ chiều không chổi than 83 Hình 4.11 Mơ đun điều khiển đồng khơng chổi quét nam châm vĩnh cửu 86 Hình 4.12 Đồ thị dòng pha suất điện động phản hồi motor 86 Hình 4.13 Sơ đồ chức mạch điều khiển mô tơ BLDC 87 Hình 4.14 Hộp điều khiển hệ thống lái tích cực AFS 87 ix Hình 4.15 Sơ đồ chuyển đổi điện áp 12~24DC 88 Hình 4.16 Sơ đồ mạch đọc giá trị cảm biến 90 Hình 4.17 Sơ đồ mạch điều khiển mô tơ 92 Hình 4.18 Sơ đồ chân card Arduino 92 Hình 4.19 Sơ đồ khối 12V điều khiển khóa mơ tơ 93 Hình 4.20 Mạch điều khiển mô tơ chiều không chổi than 93 Hình 4.21 Đồ thị lực ngang tác dụng lên lốp 95 Hình 4.22 Đồ thị góc quay trục lái quay vịng 95 Hình 4.23 Đồ thị góc quay hiệu chỉnh mô tơ 96 Hình 4.24 Đồ thị tỷ số truyền V = 40 km/h 96 Hình 4.25 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng 96 Hình 4.26 Đồ thị lực ngang tác dụng lên bánh xe 97 Hình 4.27 Đồ thị góc quay trục lái 97 Hình 4.28 Đồ thị góc quay hiệu chỉnh mô tơ 98 Hình 4.29 Đồ thị tỷ số truyền 98 Hình 4.30 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng 98 Hình 4.31 Đồ thị quỹ đạo chuyển động ô tô gió ngang tác động 100 Hình 4.32 Đồ thị tỷ số truyền theo vận tốc 101 Hình 4.33 Đồ thị góc quay trục lái chuyển 101 Hình 4.34 Đồ thị góc quay hiệu chỉnh mô tơ 102 Hình 4.35 Đồ thị quỹ đạo chuyển động ô tô 102 Hình 4.36 So sánh sai lệch góc quay bánh xe dẫn hướng mong muốn thực tế 103 Hình 4.37 So sánh sai lệch góc quay mô tơ mong muốn thực tế 103 x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Tập luật điều khiển logic mờ 59 Bảng 3.2 Các thông số đầu vào chế độ mơ quay vịng 62 Bảng 3.3 Các thông số đầu vào chế độ mô chuyển động thẳng 69 Bảng 4.1 Các thông số ô tơ thí nghiệm Lexus LX 470 76 Bảng 4.2 Các thông số đầu vào mơ hình thí nghiệm quay vịng 94 Bảng 4.3 Các thông số đầu vào chế độ thí nghiệm chuyển động thẳng 99 Bảng 4.4 Bảng so sánh thơng số góc góc bánh xe dẫn hướng mong muốn thực nghiệm 104 Bảng 4.5 Bảng so sánh thông số góc mơ tơ mong muốn thực nghiệm……………………………………………………………………104 ... ngành cơng nghiệp ô tô phải tăng tốc để trở thành ngành công nghiệp quan trọng, đáp ứng tối đa nhu cầu thị trường nội địa loại ô tô tải, ô tô khách thông dụng, ô tô số loại ô tô chuyên dùng Sau... trên, nghiên cứu sinh chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ô? ?n định quỹ đạo chủn đợng của tơ” nhằm góp phần tạo dựng sở lý thuyết kiểm nghiệm mơ... trượt (ESP)… giúp cho tô đảm bảo quỹ đạo chuyển động mong muốn Trong xu tác giả nghiên cứu điều khiển hệ thống lái tích cực tô (AFS) 1.1.2 Ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô Khi ô tô chuyển động đường,