Khoa:Cơ khí động lực *khái quát chung Sự tiến bộ của khoa học _ cộng nghệ đã làm thay đổi mọi mặt của đời sống xã hội. Để phù hợp với sự phát triển đi lên của xã hội con người, phục vụ cho cuộc sống trở lên tốt đẹp hơn, cụ thể ở đây là phương tiên giao thông đã có những bước tiến lớn, xe ô tô không chỉ đơn thuần là phương tiện phuc vụ đi lại nữa mà nó còn cần đảm bảo các yếu tố như: + Thân thiện với môi trường + Tiết kiệm năng lượng + An toàn, tiện nghi cao + Giá thành thấp + Dễ dàng điều khiển Vì thế, lĩnh vực ô tô luôn cần được đổi mới để trở lên hoàn thiện hơn. Một trong những vấn đề được đặt ra là: HỆ THỐNG HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH XE. Dưới đây tôi xin đưa ra môt số hệ thống đóng vai trò chính trong việc hỗ trợ cho khả năng ổn định của xe ô tô hiện nay: - Hệ thống VSC: VSC là cụm từ viết tắt tiếng anh của thuật ngữ “Vehicle Stability Control” là một nhóm vấn đề thuộc hệ thống tự động điều khiển nhằm nâng cao khả năng an toàn chủ động cho ô tô. - Hệ thống chống bó cứng khi phanh ABS: Hệ thống ABS gọi theo các chữ viết tắt của tiếng Anh: “Anti-Lock Brake System” và được hiểu là thiết bị chống trượt lết bánh xe khi phanh. - Hệ thống cân bằng điện tử ESP: Chương trình ổn định xe bằng điện tử (Electronic Stability Program - ESP) là một hệ thống an toàn chủ động cải thiện tính ổn định của xe trong tất cả mọi tình huống chuyển động. - Tổng quan Hệ thống TRC (điều khiển lực kéo): Hệ thống TRC (điều khiển lực kéo) giảm mômen xoắn của động cơ khi bánh xe bắt đầu trượt quay không phụ thuộc vào ý định của người lái,cùng lúc đó nó điều khiển hệ thống phanh vì vậy giảm mômen truyền đến mặt đường tới một gía trị phù hợp. - BA-(Brake Assist) – Bộ hỗ trợ phanh là thiết bị hỗ trợ người lái khi phanh gấp (do hoảng hốt). 1 Khoa:Cơ khí động lực Ngoài ra con có các hệ thống như: Điều khiển 4WS tích cực; MRC( đươc phát triển từ TRC hỗ trợ các bánh xe quay trươt khi phanh góp phần đame bảo tính ổn định động học của xe) hay EBD đảm bảo sự ổn định xe trên các khung đường cong thong qua cơ cấu tác động lực quay giữa các bánh xe… vv 1. Tổng quan về hệ thống ổn định xe VSC VSC là cụm từ viết tắt tiếng anh của thuật ngữ “Vehicle Stability Control” là một nhóm vấn đề thuộc hệ thống tự động điều khiển nhằm nâng cao khả năng an toàn chủ động cho ô tô. Hệ thống VSC được hiểu ngắn gọn là hệ thống đảm bảo ổn định điều khiển việc lái và hướng lái của xe (ổn định hướng chuyển động của xe). VSC tự động phát hiện sự lái đột ngột và sự trượt ngang của các bánh xe sau đó tạo ra sự điều khiển tối ưu việc phanh ở mỗi bánh xe và công suất động cơ nhằm làm giảm sự trượt ở các bánh. Về mặt lý thuyết, phương pháp điều khiển này nhằm thực hiện khả năng chuyển về trạng thái quay vòng đúng của ô tô. Hình 1. Sơ đồ các chi tiết được bố chí trong hệ thống VSC Sự phát triển và hoàn thiện hệ thống VSC nhằm tập trung thỏa mãn 2 tiêu chí chính trong 5 tiêu chí trên (tiêu chí 3 và 5). Hệ thống VSC được thiết lập được trên cơ sở của ABS và TRC nên việc một chiếc xe có trang bị VSC sẽ không quá cao về giá thành mà còn đảm bảo nâng cao khả năng an toàn chủ động cho ô tô một vấn đề quan trong hàng đầu đối với ô tô hiện đại. Tổ hợp hệ thống VSC trên ô tô con được trình bày tổng quát như trên hình 1, hệ thống sử dụng 3 cảm biến: góc quay vành lái, gia tốc bên thân xe và vận tốc góc quay thân xe cùng với phần mềm được 2 Khoa:Cơ khí động lực bố chí trong ECU của hệ thống có tên gọi là ESP. Hệ thống VSC thực hiện các chức năng của ABS, MSR, TRC, ESP theo công thức: VSC = ABS + MSR + TRC + ESP Các hệ thống ABS và TRC quản lý độ trượt của bánh xe (trượt lết khi phanh hay trượt quay khi tăng tốc) theo phương dọc. ESP quản lý và điều chỉnh sự chuyển động ô tô theo cả phương dọc và phương ngang bằng chương trình phần mềm máy tính (cùng với các chương trình có sẵn trong ECU + TRC). Sơ đồ khối sau thể hiện mối tương tác giữa hệ thống VSC và các cơ cấu trên ô tô. Hình 2. Sơ đồ điều khiển của hệ thống VSC 1. Cảm biến vận tốc góc quay thân xe. 2. Cảm biến góc quay vành tay lái. 3. Cảm biến gia tốc bên thân xe. 4. Cảm biến tốc độ bánh xe. 5. ECU điều khiển trượt. 6. Block xy lanh thủy lưc. 7. Cơ cấu phanh. 8. ECU động cơ. 9. Vòi phun nhiên liệu. 10. Bugi. 11. Cơ cấu điều khiển bướm ga điện tử. Nguyên tắc làm việc của VSC là tạo nên phản lực tiếp tuyến tối ưu trên các bánh xe giúp ô tô luôn hoạt động ở trạng thái gần với quay vòng đúng. Phản lực tiếp tuyến có thể hình thành bởi: - Cơ cấu phanh và được điều khiển bởi ECU-ABS, nhằm tiêu hao bớt động năng bánh xe. 3 Khoa:Cơ khí động lực a, Khi xe quay vòng thiếu b, Khi xe quay vòng thừa Hình 3. Hệ thống VSC điều khiển phanh chống hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa Khi có hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa hệ thống VSC sẽ nhận biết thông qua các cảm biến và tự động điều khiển một lực phanh chính xác đến các bánh xe tương ứng với cầu trước hoặc cầu sau với mục đích tạo ra một mômen ngẫu lực giúp hướng chuyển động của xe tự động trở về trạng thái ổn định theo sự điều khiển của người lái. Ở hình 3-a khi thấy xe có xu hướng quay vòng thiếu hệ thống VSC sẽ điều khiển phanh bánh xe bên trái. Với trường hợp quay vòng thừa (hình 3-b) thì VSC sẽ điều khiển phanh bánh xe bên phải, nhờ vậy giúp xe ổn định khi quay vòng. Sự hỗ trợ quay thân xe (tăng hay giảm) tuỳ thuộc vào mức độ phức tạp của kết cấu block thuỷ lực và tổ hợp điện tử điều khiển. Cấu trúc có thể chia thành hai loại:  Sự hỗ trợ được thực hiện độc lập trên từng bánh xe của một cầu.  Sự hỗ trợ được thực hiện độc lập trên cả hai cầu. - Động cơ và được điều khiển bởi ECU- ENGINE, nhằm bổ sung thêm động năng cho bánh xe. Nhờ khả năng này, các bánh xe có khả năng thay đổi tốc độ ô tô và thay đổi lực dọc độc lập trên bánh xe để tạo nên khả năng ổn định động lực học cho xe. Trong hệ thống VSC khi xe quay vòng sự tổn thất năng lượng cho trượt bên có thể dẫn tới giảm tốc độ ô tô. Việc tốc độ ô tô bị giảm sẽ làm xấu thêm tình trạng động lực học ô tô (do Z s bị giảm đi) và nếu xử lý vành lái không phù hợp sẽ dẫn tới tình trạng lật xe. Đối với xe có trang bị hệ thống VSC lúc này mặc dù chân ga vẫn không thay đổi vị trí, nhưng hệ thống điều khiển động cơ bắt buộc phải nâng cao công suất nhằm hạn chế sự giảm tốc độ ô tô. Ở đây chúng ta thấy rõ sự cần thiết phải bố trí chân ga điện tử cho ô tô con hiện đại. 4 Khoa:Cơ khí động lực Sự năng cao công suất động có lúc này trên cơ sở đảm bảo ổn định tốc độ ô tô, hạn chế văng mạnh ô tô, điều này ít người sử dụng nào biết được và điều khiển đúng. Trong trường hợp gia tốc bên và vận tốc quay quá lớn tới gần giới hạn nguy hiểm thì hệ thống chuyển sang chế độ giảm tốc độ ô tô nhờ EMS (điều khiển đóng bớt bướm ga hoặc làm chậm thời điểm đánh lửa) và phanh nhẹ ABS. Hình 4 cho chúng ta thấy tác dụng của VSC trong trường hợp ô tô vượt hoặc tránh vật cản đột ngột. Hình 4. Trường hợp vượt gấp hoặc tránh vật cản đột ngột Với mục đích nâng cao khả năng xác định trạng thái quay vòng của ô tô giúp cho việc điều khiển chính xác các hệ thống VSC, các nhà sản xuất đã bố trí 2 cảm biến gia tốc bên và cảm biến góc quay thân xe trên các xe con hiện đại. Hai cảm biến này được thiết kết cùng trong một cụm và được lắp ở vị trí sát với cầu sau cho phép xác định các thông số một cách chính xác. 5 Khoa:Cơ khí động lực Hình 5. Cảm biến góc quay thân xe và cảm biến gia tốc bên Cảm biến gia tốc ngang cho phép ECU đo trực tiếp gia tốc bên của xe trong quá trình quay vòng, là loại cảm biến dạng phototransistor. Ở một số dòng xe người ta sử dụng một kiểu cảm biến khác có khả năng xác định cả gia tốc dọc và gia tốc ngang dựa trên nguyên tắc hiệu ứng Hall (đo chuyển vị nhờ sự thay đổi từ trường). Cảm biến đo góc quay thân xe với dạng đầu đo được đặt trên giá con quay hồi chuyển. Cảm biến đo sử dụng nguyên lý đo gia tốc Coriolis. Giá đặt trên thân xe tham gia chuyển động quay theo hai trục (trong không gian 3 trục). Cảm biến sử dụng bánh đà quay với số vòng quay cao được dẫn động bằng động cơ điện một chiều, Hình 6. Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo góc quay thân xe Ngày nay các cặp phần tử áp điện được chế tạo từ hợp kim gốm sứ nhằm hạn chế khả năng sai lệch kết quả đo do nhiệt độ. Miếng gốm áp điện được lắp vào cả phần rung và phần phát điện. Đặc tính của miếng gốm áp điện là bị biến dạng khi có điện áp đặt vào, và sinh ra điện áp khi có một ngoại lực tác động làm biến dạng miếng gốm này. Để phát hiện độ lệch hướng, người ta đặt điện áp xoay chiều vào phần rung, điện áp này làm cho nó rung. Sau đó, mức lệch hướng được phát hiện từ phần phát hiện theo mức lệch và hướng lệch của miếng gốm áp điện, do tác động của lực coriolis được tạo ra quanh cái cộng hưởng. Mới đây xuất hiện cảm biến do góc quay thân xe bằng các vi phần tử silicon. Giá trị gia tốc bên đặt tại trọng tâm được tính chính xác thông qua các phép tính tổng véctơ, bố trí sẵn ở khối cảm biến này. Cấu tạo của bộ cảm biến góc xoay vô lăng gồm có một đĩa có rãnh, một mạch điện tử và 3 bộ ngắt quang học (SS1, SS2 và SS3). Các tín hiệu do các bộ ngắt quang học SS1, SS2 và SS3 phát hiện được mạch điện tử biến đổi thành các tín 6 Khoa:Cơ khí động lực hiệu chuỗi để đưa vào ECU. ECU sẽ phát hiện một vị trí trung gian của vô lăng, chiều quay hoặc góc xoay của vô lăng bằng sự tổ hợp của các tín hiệu này. Cảm biến có thể phát hiện sự thay đổi chiều quay ở một góc là 1,5 0 . 1. Hệ thống ABS *Tổng quan về ABS Để tránh cho các lốp không bị bó cứng và làm mất khả năng quay vô năng trong khi phanh khẩn cấp, nên lặp lại động tác đạp và nhả bàn đạp phanh nhiều lần. tuy nhiên không có thời gian thực hiện điều này trong khi phanh khẩn cấp. Hệ thống ABS dùng một máy tính để xác định tình trạng quay của 4 bánh xe trong khi phanh có thể tự động đạp và nhả. Sự khác nhau về tỉ lệ giữa tốc độ của xe và tốc độ của bánh xe được gọi là “ hệ số trượt”. Khi sự chênh lệch giữa tốc độ của xe và tốc độ của các bánh xe trở lên quá lớn, sự quay trượt sẽ xảy ra giữa các lốp và mặt đường. 7 Khoa:Cơ khí động lực Điều này cũng tạo lên ma sát và cuối cùng có thể tác động như một lực phanh và làm chậm tốc độ của xe. Mối quan hệ gữa hệ số trượt và lực phanh được biểu thị theo đồ thị sau: Lực phanh không tỷ lệ với hệ số trượt, và đạt cực đại khi hệ số trượt lằm trong khoảng 10-30%. Vượt quá 30% lực phanh sẽ giảm dần. do đó để duy trì mức tối đa của lực phanh, cần phải duy trì hệ số trươt trong khoảng giới hạn 10-30% trong mọi thời điểm…… 8 Khoa:Cơ khí động lực Ngoài ra cũng cần phải giữ lực phanh quay vòng ở mức cao để duy trì sự ổn định về hướng. Xe có ABS và không có ABS *Cấu trúc của hệ thống phanh ABS 9 Khoa:Cơ khí động lực 2.1 Hệ thống phanh ABS và các liên hợp: Hệ thống ABS gọi theo các chữ viết tắt của tiếng Anh: “Anti-Lock Brake System” và được hiểu là thiết bị chống trượt lết bánh xe khi phanh. Ngày nay thiết bị này đã được tích hợp chức năng của ABS với khả năng chống trợt quay bánh xe chủ động (Acceleration Slip Control: ASR), khả năng ổn định động học của ôtô (Vehicle Stability Control: VSC) khi sử dụng. Hệ thống ABS bắt đầu được bố trí ở tất cả các bánh xe vào năm 1971, chế tạo hàng loạt năm 1978, sau đó hoàn thiện theo hướng điều khiển kỹ thuật số vào năm 1984 và từ sau năm 1992 một số quốc gia phát triển đã coi ABS là một hệ thống phanh tiêu chuẩn bắt buộc của ôtô con. Hiện nay hệ thống ABS được tổ hợp từ các kết cấu: cơ khí, thủy lực, điện tử, với kỹ thuật tự động điều chỉnh “Cơ – điện tử” dùng cho hệ thống phanh. Trên cơ sở của hệ thống ABS bố trí trên ôtô đã hình thành các liên hợp điều chỉnh khác nhằm hoàn thiện tính chất động học và động lực học. Tùy theo đặc điểm sử dụng và yêu cầu, hệ thống ABS và các liên hợp điều chỉnh có mức độ phức tạp khác nhau. Mô tả về quá trình hoàn thiện và phát triển hệ thống phanh ABS và các liên hợp trên ôtô con có thể trình bày qua hình duới đây 2.2 Quá trình hoàn thiện và phát triển hệ thống phanh ABS và các liên hợp trên ôtô con Các chữ viết tắt trên hình có ý nghĩa sau: 10