Luận văn Nghiên cứu hệ thống ASR, phân tích ảnh hưởng của ASR tới tính chất động lực học và ổn định chuyển động của xe (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu hệ thống ASR, phân tích ảnh hưởng của ASR tới tính chất động lực học và ổn định chuyển động của xe (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ THÀNH NHÂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ASR, PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ASR TỚI TÍNH CHẤT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ơ TƠ MÁY KÉO - 605246 S KC 0 0 0 3 9 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2005
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KS VÕ THÀNH NHÂN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ASR, PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ASR TỚI TÍNH CHẤT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE Chuyên ngành :KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ, MÁY KÉO. Mã số ngành : 605246 TP Hồ Chí Minh,tháng 9 năm 2005
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ASR,PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ASR TỚI TÍNH CHẤT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE. Chuyên ngành : KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ. Mã số ngành : 60 5246 Họ và tên học viên : KS Võ Thành Nhân Người hướng dẫn : TS Lâm Mai Long TP Hồ Chí Minh,tháng 9 năm 2005
4. LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô, Tiến sĩ Lâm Mai Long đã có sự hướng dẫn nhiệt tình trong thời gian vừa qua để tôi hoàn tất luận văn đúng tiến độ. Xin chân thành cảm ơn gia đình , bạn bè và các đồng nghiệp đã động viên cổ vũ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Người thực hiện :Võ Thành Nhân
5. TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ và tên:Võ thành Nhân Sinh ngày 08 tháng 10 năm 1960 Tại Biên Hoà Địa chỉ:K2/242B ấp Tân bình phường Bửu Hoà Biên Hoà Quá trình đào tạo : Từ năm 1989-1993 ĐHSPKT TP HCM Cao học ngành Khai thác bảo trì ô tô từ năm 2002 Quá trình công tác: Từ 1994-1995 công ty dệt SAMYANG Từ 1996-2002 công ty sản xuất thuốc trừ muỗi Technopia VN. Từ 2004 đến nay cty Texchem Pack VN
6. MỤC LỤC CHƯƠNG I Trang Tổng quan 1 CHƯƠNG II Cơ sở lý thuyết 4 I.Cơ học lăn của bánh xe chủ động 4 I.1 sự lăn của bánh xe cứng trong mặt phẳng khi Không có lực ngang. 4 I.1.1 Các loại bán kính bánh xe. 5 I.1.2 Các quan hệ động học khi bánh xe lăn trên đường 7 a. Lăn không trượt. b. Lăn có trượt lăn. c. Lăn có trượt lết. I.1.3 Các quan hệ về lực khi bánh xe lăn trên đường 8 a. Bánh xe bị động 9 b. Bánh xe chủ động 10 c. Bánh xe phanh 10 I.1.4 Mối quan hệ giữa các thông số động học và lực 11 a. Sự phụ thuộc của bán kính lăn vào mô men kéo 11 b. Sự phụ thuộc của độ trượt vào lực kéo và phản lực Tiếp tuyến X. 12 I.1.5 Đặc tính trượt. 14 Hệ số bám của bánh xe với mặt đường 13 a. Hệ số bám lăn. b. Hệ số bám trượt. I.2 Đặc tính trượt và hệ số bám của bánh xe trên đường cứng 14 II .Lý thuyết phân phối công suất trên xe 16 II.1 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động. II.2 Dòng công suất trên bánh xe chủ động 17 II.3 Phân phối công suất dùng vi sai. 18 II.3.1 Vi sai và các ảnh hưởng động học,mô men. 18 II.3.2 Quan hệ về lực ở cầu có vi sai. 20 II.3.3 Khả năng bám của cầu có vi sai. 21 II.3.4 Vi sai khớp nối nhớt. 25 CHƯƠNG III ASR và vấn đề ổn định 27 III.1 Khi ô tô chuyển động thẳng. 28 III.2 Khi ô tô chuyển động quay vòng 29 CHƯƠNG IV Lý thuyết kiểm soát lực kéo. 32 IV.1 Khái niệm chung 32
7. IV.2 Những yêu cầu đối với hệ thống ASC và ASR 33 IV.3 Phương pháp điều khiển và tạo tín hiệu. 34 IV.4 Hệ thống điều khiển ASC với việc tác động vào động cơ. 38 IV.4.1 Khái niệm 38 IV.4.2 Lý thuyết điều chỉnh ASC có sự tác động vào động cơ 39 a Giới hạn điều chỉnh 39 b Gia tốc chuyển động của xe và đường đặc tính Lốp xe 41 c Mô men động cơ và đường đặc tính lốp xe 44 IV.5 ASR với sự tác động vào mô men phanh IV.5.1 Tính toán mô men phanh 46 IV.5.2 Lý thuyết điều khiển ASR có sự tác động Của phanh 50 IV.6 Sự điều chỉnh liên hợp ở cầu xe chủ động 52 CHƯƠNG V Các hệ thống điều khiển lực kéo điển hình 54 A .Hệ thống điều khiển lực kéo Toyota Crown 54 1 .Sơ đồ hệ thống điều khiển 54 2 .Các thành phần của hệ thống điều khiển 55 3 .Các phương pháp điều khiển 60 4 .Chế độ dự phòng 63 5 Chuẩn đoán 63 B.Hệ thống điều khiển lực kéo Toyota Lexus LS400 63 1 .Sơ đồ hệ thống điều khiển 64 2. Bộ điều khiển điện tử 65 3 .Điều khiển mô men động cơ 68 4. Hệ thống điều khiển phanh thuỷ lực 68 C .Hệ thống điều khiển ASC+T trên BMW 850 i 71 1 .Giới thiệu chung 71 2 .Hệ thống thuỷ lực 3. Hoạt động của hệ thống 72 CHƯƠNG VI Đánh giá hệ thống điều khiển lực kéo 75 CHƯƠNG VII Kết luận 78
8. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM Chương I TỔNG QUAN Chúng ta vẫn hiểu đối với một người lái xe bình thường khơng cĩ kinh nghiệm nhiều khi gặp đường trơn đều gặp khĩ khăn trong việc điều khiển chiếc xe. Cĩ thể anh ta đạp ga khơng đúng lượng làm cho bánh xe bị trượt quay gây hao tổn nhiên liệu, mất ổn định hướng và cĩ thể gây ra mất an tồn. Để giúp cho người lái xe thích nghi với tình trạng trên một hệ thống tự động điều khiển ra đời. Đĩ là hệ thống ASR. 1- ASR là gì ? Đây là các ký tự được viết tắt của cụm từ tiếng Anh Anti – Slip – Regulation nghĩa là ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TRƯỢT KHI TĂNG TỐC. Đây cũng chính là hệ thống tự động điều khiển lực kéo. Hệ thống tự động điều khiển lực kéo ASR ra đời xuất phát từ cơ sở lý luận như sau: a. Khả năng tiếp nhận lực kéo của ơ tơ phụ thuộc vào độ bám của bánh xe với mặt đường: Lực kéo tiếp tuyến phụ thuộc vào khả năng của động cơ. Tuy vậy lực kéo này cĩ được sử dụng hết hay khơng cịn phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe với mặt đường. Khả năng bám của bánh xe với mặt đường ngồi việc phụ thuộc vào loại đường và tình trạng mặt đường cịn phụ thuộc vào độ trượt tương đối của bánh xe với mặt đường khi kéo. Nếu hệ số bám thấp (đường trơn chẳng hạn) mà lực kéo vẫn lớn thì bánh xe sẽ bị trượt quay. Khi trượt nhiều dẫn đến khả năng tiếp nhận lực kéo kém đi thậm chí ơ tơ khơng thể tiến hay lùi được. b. Theo đồ thị đặc tính trượt: ở trong phạm vi độ trượt tối ưu khơng những hệ số bám dọc φ x cĩ giá trị cực đại mà hệ số bám ngang φ y cũng cĩ giá trị khá cao. Do đĩ nếu chúng ta điều khiển sao cho độ trượt của các bánh xe chủ động ở trong phạm vi độ trượt δ tối ưu (δ tu) này thì hiệu quả truyền lực kéo là lớn nhất đồng thời đảm bảo độ ổn định tốt nhất cho ơ tơ. 2-Nguyên tắc làm việc của hệ thống ASR là tự động điều khiển độ trượt ở bánh xe chủ động trong phạm vi δ tu nhằm đạt mục tiêu : a. Tăng cường sự ổn định của ơ tơ khi chuyển động thẳng cũng như khi quay vịng. b. Truyền lực kéo lớn hơn tới mặt đường khi khởi hành hoặc tăng tốc hoặc khi ơ tơ chạy trên đường trơn. 3. Các hệ thống ASR được thiết kế và sử dụng các phương án nhằm ngăn chận sự trượt của bánh xe chủ động để ổn định chuyển động và tận dụng khả năng bám của bánh xe trên đường như sau: a. Điều khiển đồng thời mơ men động cơ và điều khiển lực phanh: Riêng điều khiển giảm mơ men động cơ ,các nhà chế tạo sử dụng ba phương pháp : điều khiển đĩng mở bướm ga ; điều chỉnh đánh lửa trễ ; điều chỉnh phun nhiên liệu gián đọan hoặc cắt phun nhiên liệu. Trang 1
9. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM b. Điều khiển mơ men động cơ kết hợp điều khiển phanh hoặc sử dụng vi sai ma sát. Tùy theo quan điểm của nhà thiết kế, hoặc tùy vào mục đích sử dụng, các hệ thống ASR sẽ chọn phương án điều khiển thích hợp ,thơng thường nĩ được tích hợp và sử dụng chung các trang bị với hệ thống chĩng hãm cứng khi phanh ABS. Để đạt mục tiêu điều khiển như yêu cầu cần thiết phải theo dõi độ trượt của các bánh xe chủ động nhờ sử dụng chung các cảm biến tốc độ với hệ thống ABS. Nếu phát hiện một trong hai bánh xe hoặc cả hai bánh xe chủ động quay nhanh hơn bánh xe bị động, Hệ thống tự động điều khiển lực kéo ASR sẽ khởi động một quá trình điều khiển. Các giải pháp điều khiển diễn ra khác nhau tùy theo một bánh xe hay cả hai bánh xe của cầu chủ động bị trượt:  Nếu chỉ cĩ một bánh xe cĩ khả năng bị trượt thì chỉ cĩ phanh của bánh xe đĩ được kích hoạt cho phép một phần lực kéo được phân bổ tới bánh xe cịn lại.  Nếu cả hai bánh xe đều cĩ xu hướng bị trượt thì việc điều khiển sẽ thơng qua việc cắt giảm mơ men quay của động cơ cho tới nào độ trượt tối ưu được phục hồi.  Điều khiển mơ men động cơ kết hợp với điều khiển phanh nếu chỉ cĩ một bánh xe bị trượt và tốc độ khác biệt so với bánh xe bị động lớn hơn 10 km/h. Với tốc độ khác biệt lớn hơn 25km/h việc hãm vi sai cũng khơng được sử dụng. Khi đĩ chức năng của hệ thống ASR chỉ do điều khiển giảm mơ men động cơ đảm nhiệm. Khi các bánh chủ động và bánh xe bị động quay cùng tốc độ thì hệ thống tự động điều khiển lực kéo sẽ ngưng việc điều khiển và trả lại việc điều khiển cho người lái xe. 4- Các thành phần của một hệ thống tự động điều khiển lực kéo ASR trên ơtơ : Hệ thống ASR sử dụng chung các cảm biến tốc độ với hệ thống phanh ABS được gắn ở các bánh xe, bộ phận kích hoạt phanh ASR, bộ điều khiển điện tử kết nối với bộ điều khiển động cơ. Cảm biến vị trí bướm ga, mơ tơ bước để dẫn động bướm ga phụ, cơng tắc đĩng mở, các đèn báo 5-Nhiệm vụ của đề tài : Đây là một hướng ứng dụng cơng nghệ khá phức tạp dựa trên cơ sở lý thuyết cũng khơng kém phần phức tạp. Hiện nay ít cĩ tài liệu nghiên cứu về hệ thống ASR nhằm phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu khoa học ở các trường đại học, cao đẳng. Vì vậy đề tài cĩ nhiệm vụ : c. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cơ học lăn của bánh xe chủ động đặc biệt quan tâm tới đặc tính trượt và đặc tính bám. Nghiên cứu đặc tính trượt và lý thuyết phân phối lực kéo. d. Nghiên cứu các hệ thống ASR hiện nay. e. Phân tích các hệ thống ASR điển hình theo quan điểm động lực học và ổn định chuyển động. Trang 2
10. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM 6- Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu các hệ thống ASR – phân tích các hệ thống này theo quan điểm tăng tính chất động lực học và ổn định chuyển động của ơ tơ. 7-Phương pháp nghiên cứu : Nghiên cứu lý thuyết, các hệ thống ASR điển hình hiện nay bằng các giáo trình, các tài liệu thu thập trong quá trình học tập cùng vớI tài liệu tham khảo trên mạng internet. Trên cơ sở nghiên cứu đĩ trình bày cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển,lý thuyết điều khiển, đưa ra các hệ thống điều khiển điển hình và phân tích các hệ thống ASR này theo hai quan điểm tăng tính chất động lực học và ổn định chuyển động. 8- Giới hạn đề tài : Giả thiết bánh xe trong nghiên cứu này là cứng, khơng cĩ biến dạng. Nghiên cứu chỉ tập trung vào các hệ thống ASR trang bị trên xe ơ tơ du lịch. Trang 3
11. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu các quan hệ về động học khi bánh xe lăn trên đường, các mối quan hệ về lực, Mối quan hệ giữa các thơng số động học và lực. Khảo sát đặc tính trượt của bánh xe cũng như hệ số bám của bánh xe trên đường. Qua đĩ nhận thức được khi kéo các bánh xe chủ động luơn luơn luơn bị trượt và tùy thuộc vào hệ số bám của bánh xe trên đường. Hệ số bám của bánh xe trên đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đường, vật liệu chế tạo lốp, áp suất lốp, tải trọng bánh xe Giải quyết bài tốn về khả năng bám của bánh xe trên mặt đường, giúp ơ tơ chuyển động ổn định và tận dụng lực kéo một cách tối ưu khi khởi hành, tăng tốc trên đường trơn cũng như khi quay vịng là tiền đề để chế tạo hệ thống tự động điều khiển lực kéo ASR. I. CƠ HỌC LĂN CỦA BÁNH XE CHỦ ĐỘNG: Bánh xe là một phần tử nối giữa ơ tơ và mặt đường nhờ bánh xe mà các lực được truyền từ ơ tơ xuống mặt đường và từ mặt đường lên xe. Các đặc tính của bánh xe cĩ ảnh hưởng tới các đặc tính của ơ tơ như đặc tính kéo, đặc tính kinh tế nhiên liệu và đặc tính điều khiển của ơ tơ. Khi nghiên cứu cơ học của bánh xe chúng ta cần qui ước một số hệ tọa độ sau : Hình II-1 : Các hệ tọa độ và các lực tác dụng trên bánh xe chủ động. Hệ tọa độ Xo, Yo, Zo là hệ tọa độ cố định của mặt đường. Hệ tọa độ X,Y,Z được nối với bánh xe, gốc tọa độ là điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, ngồi ra mặt phẳng bánh xe trùng với mặt phẳng (X,Z). Hệ tọa độ Hệ toạ độ ξ, ŋ, ε cĩ gốc tọa độ tại tâm bánh xe, ngồi ra mặt phẳng bánh xe trùng với mặt phẳng (ξ, ε). Hướng của các lực và các mơ men tác dụng lên bánh xe trên hình trên sẽ được coi là dương. Trang 4
12. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM I.1 Sự lăn của bánh xe cứng trong mặt phẳng khi khơng cĩ lực ngang : Bánh xe cứng ở đây được hiểu là bánh xe khơng biến dạng. Sự lăn của bánh xe cứng khi khơng cĩ lực ngang là cơ sở cho cơ học chuyển động của bánh xe. Trong trường hợp này bánh xe sẽ chuyển động như sau : Mặt phẳng trung bình của bánh xe sẽ trùng với các mặt (Xo,Zo),(X,Z),(ξ,ɛ); mơ men trả Mz=0 ; mơ men lật Mx = 0. Chuyển động của bánh xe được đặc trưng bởi các thơng số như : tốc độ V; gia tốc tịnh tiến của tâm bánh xe a; tốc độ gốc ωk và gia tốc gốc ɛk trong chuyển động quay của nĩ. I.1.1– Các loại bán kính bánh xe : Bán kính là một thơng số hình học cơ bản của bánh xe. Vì lốp xe là một phần tử đàn hồi cĩ thể biến dạng theo mọi phương cũng như đặc tính truyền năng lượng qua lốp xe cĩ tính chất của một li hợp ma sát nên bán kính bánh xe cĩ lốp sẽ khơng xác định và tùy thuộc vào phương pháp định nghĩa. Chúng ta sẽ định nghĩa một số loại bán kính bánh xe như sau : a. Bán kính danh định rj : Là bán kính của bánh xe khơng quay và khơng chịu tải, áp lực khí trong bánh xe ở mức danh định. Bán kính này được cho trong catelogue của nhà sản xuất. b. Bán kính tự do ro : là bán kính xe khơng chịu tải. Bán kính này sẽ thay đổi do ảnh hưởng của dung sai chế tạo, lực li tâm và áp lực khí trong lốp. Bán kính ro tăng khi ωk tăng, áp lực khí trong lốp càng lớn thì sự gia tăng này càng giảm. c. Bán kính vận hành tĩnh rs :là khoảng cách từ tâm bánh xe tới mặt đường trong trường hợp bánh xe khơng chuyển động và chịu tải hướng kính. d. Bán kính vận hành động rd:tương tự như rs nhưng bánh xe cĩ quay. Cả hai bánh kính tĩnh và bán kính động đều phụ thuộc vào tải trọng Z và áp suất lốp pv riêng rd cịn phụ thuộc vào ωk. e. Bán kính lăn rl : Nĩi chính xác thì bán kính lăn rl khơng phải là một thơng số hình học mà là một thơng số động học, nĩ là một hằng số tỉ lệ giữa tốc độ gĩc ωk và tốc độ thực tế V của xe. Nĩ được xác định bằng mối quan hệ: rl = V/ ωk (2-1) Từ định nghĩa ta rút ra rằng : r 1 là bán kính bánh xe ảo, nĩ chuyển động khơng trượt với vận tốc tương đương với bánh xe thực tế. rl cĩ thể coi là khoảng cách từ tâm bánh xe tới cực P của chuyển động tương đối giữa bánh xe và mặt đường. Bán kính lăn cũng cĩ thể xác định từ quảng đường X và tổng số vịng quay cần thiết N k để đi hết quãng đường đĩ. X rl = (2-2) 2 N k Cĩ ảnh hưởng rõ rệt tới bán kính lăn ngồi tốc độ quay là các thơng số như tải trọng Z, áp suất lốp xe Pv và mơ men xoắn Mk. ảnh hưởng của Z và Pv rõ nét hơn ở loại lốp Diagonal. Trang 5
13. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM Hình II-2:Bán kính lăn của bánh xe và sự phụ thuộc của nĩ vào tải trọng Z, áp suất lốp và mơ men xoắn. Giải thích : : Sự phụ thuộc của r1 (Mk ) cho thấy rằng ở vùng Mk nhỏ quan hệ này gần như là tuyến tính. Sự phi tuyến xuất hiện ở vùng Mk đủ lớn, khi đĩ xuất hiện sự trượt giữa bánh xe và mặt đường. Ở giới hạn trượt kéo ứng với M k max thì r 1 = 0 ;ở giới hạn trượt lết khi phanh r 1 = Bán kính tính tốn r : ở trên chúng ta đã định nghĩa nhiều loại bán kính và chúng phụ thuộc vào nhiều thơng số khác nhau. Điều này gây khĩ khăn cho việc chọn một bán kính nhất định nào đĩ để tính tốn. Để giải quyết vấn đề này người ta đưa ra một bán kính tính tốn thống nhất gọi là bán kính tính tốn r. Bán kính tính tốn được lựa chọn là bán kính lăn của bánh xe bị động mà trên đĩ khơng cĩ bất kỳ một mơ men kéo hay một mơ men phanh nào. Như vậy r = r10, bán kính r10 được cho trong catelogue. Nĩ cĩ thể xác định dễ dàng trên đường cứng cũng như đường đàn hồi, ít phụ thuộc vào các yếu tố vận hành, ngồi ra nĩ khơng khác biệt mấy so với rd và tỉ ố r10/rd vào khoảng 1.02 đối với lốp Diagonal và bằng 1.05 – 1.08 đối với loại Radial. Trang 6
14. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM I.1.2.- Các quan hệ động học khi bánh xe lăn trên đường: Sơ đồ động học các trạng thái lăn của bánh xe được mơ tả trên hình dưới đây. Chúng ta phân biệt 3 trường hợp cơ bản : lăn khơng trượt, lăn cĩ trượt quay ở bánh xe kéo và trượt lết ở bánh xe phanh. a b c Hình 11-3: Các trạng thái lăn của bánh xe. Giải thích : a. Khi lăn khơng trượt: Trong trường hợp này, tốc độ của tâm bánh xe (cũng là tốc độ của xe) bằng với tốc độ vịng. Nĩi cách khác tốc độ thực tế V của xe bằng với tốc độ lý thuyết V o, ta cĩ : V=Vo= ωk.r (2-3) Do vậy tâm quay tức thời (cực P) của bánh xe nằm trên vịng bánh xe và bán kính lăn bằng bán kính tính tốn r 1 = r (2-4) Nếu chúng ta đã chọn r = r 10 thì trạng thái này chỉ cĩ ở bánh xe bị động với M k = 0 Vì tốc độ của bánh xe bị động trong thực tế bằng với tốc độ lý thuyết nên trong hệ thống tự động điều khiển lực kéo nĩ được sử dụng để so sánh với tốc độ của bánh xe chủ động. Từ kết quả so sánh này ECU quyết định gửi tín hiệu điều khiển tới các bộ phận chấp hành để thực hiện việc điều khiển. b. Khi lăn cĩ trượt lăn : Đây là trường hợp của bánh xe kéo khi đĩ tốc độ của tâm bánh xe (tốc độ thực tế) V nhỏ hơn tốc độ lý thuyết Vo = ω k.r do vậy cực P nằm bên trong vịng bánh xe và r 1 0 (2-7) Vo Trang 7
15. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM ở trạng thái trượt lăn hồn tồn : V= 0; ωk >0 ; rl = 0; Vδ = – Vo = - r . ωk (2-8) δk = 1 c. Khi lăn cĩ trượt lết : Đây là trường hợp bánh xe đang được phanh. Trong trường hợp này tốc độ thực tế V lớn hơn tốc độ lý thuyết Vo, cực P nằm bên ngồi bánh xe và r1 > r. Tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường cũng xuất hiện vận tốc trượt Vδ nhưng theo hướng dương của trục X. Tương tự ta cĩ khái niệm độ trượt khi phanh δb . Các quan hệ động học được biểu hiện dưới đây : V = r. ωk +Vδ = rl. ωk (2-9) Vδ = V – r. ωk =V – Vo >0 (2-10) δb = - Vδ/ V = ( r / rl ) - 1<0 (2-11) Vo V V0 Ở trạng thái trượt lết hồn tồn, tức là khi phanh hãm cứng bánh xe, ta cĩ quan hệ : Vδ = V ; ωk = 0 rl ∞ δb = -1 (2-12) Kết luận : Khi bánh xe lăn trên đường luơn luơn xảy ra ba trạng thái : trạng thái lăn khơng trượt khi tốc độ thực tế V của xe bằng tốc độ lý thuyết Vo(trường hợp bánh xe bị động). Trạng thái lăn cĩ trượt lăn khi đĩ tốc độ thực tế V của xe nhỏ hơn tốc độ lý thuyết Vo. Ở trạng thái này sự trượt xảy ra khi mơ men kéo M k càng lớn. Bánh xe chủ động bị trượt hồn tồn khi mơ men kéo Mk cực đại. Trạng thái trượt lết xảy ra khi phanh. Khi đĩ tốc độ thực tế V của xe lớn hơn tốc độ lý thuyết Vo. I.1.3- Các quan hệ về lực khi bánh xe lăn trên đường: Chúng ta khảo sát ứng với 3 trạng thái lăn của bánh xe, sơ đồ lực tác dụng ở các trạng thái được chỉ ra ở hình sau : Trang 8
16. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM Hình II-4 :Các lực và mơ men tác dụng lên bánh xe bị động, bánh xe chủ động và bánh xe phanh. Giải thích: a. Bánh xe bị động: Để cho bánh xe cĩ tải trọng F cĩ thể chuyển động được với vận tốc V (hoặc ωk ) thì tại ổ trục của nĩ phải cĩ lực Fξ hướng theo hướng của V. Hợp lực của F và Fξ đi qua ổ trục và nghiêng một gĩc , cắt mặt đường ở khoảng cách a. Tại điểm này cĩ tác dụng của tất cả các phản lực của bánh xe với mặt đường X và Z. Phản lực Z ngược hướng với tải trọng thẳng đứng trên bánh xe F và bằng nĩ về giá trị : Z= Fε (2-13) Phản lực X sẽ ngược chiều chuyển động của xe, tức là ngược chiều trục X và được coi là lực cản. Đĩ là lực cản lăn, ký hiệu là Of. Lực cản lăn phải được khắc phục bởi lực đẩy Fξ, vì thế ta cĩ phương trình : F ξ = X= Of (2-14) Trang 9
17. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM Về mặt định lượng, lực cản lăn được mơ tả bằng quan hệ : Of = Z.f (2-15) Trong đĩ f được gọi là hệ số cản lăn. Nếu viết phương trình cân bằng mơmen tại tâm bánh xe, ta cĩ : Z.a = Of .rd =Z.f.rd =Mf (2-16) Trong đĩ mơ men Mf sẽ được đưa vào sơ đồ nếu giả thuyết rằng các phản lực tác dụng từ mặt đường nằm tại giao điểm của trục thẳng đứng đối xứng của bánh xe với mặt đường. Mơ men Mf được gọi là mơ men cản lăn. Cũng từ sơ đồ ta rút ra mối quan hệ như sau : tg α = a/rd =Of/Z = f (2-17) b. Bánh xe chủ động : Nếu ta đặt trên bánh xe bị động một mơ men chủ động Mk (cùng chiều với ωk ) và cân bằng với nĩ là một cặp lực Fk , một đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường (gọi là lực kéo tiếp tuyến) và một đặt tại tâm bánh xe (là thành phần đẩy vào khung xe do mơ men chủ động Mk gây ra). Ta cĩ quan hệ : Tải trọng thẳng đứng F vẫn bằng phản lực thẳng đứng Z : Z = Fɛ (2-18) Lực kéo tiếp tuyến Fk xác định bằng quan hệ : Fk = Mk/rd (2-19) rd là bán kính vận hành động học Lực đẩy tổng cộng vào khung xe: F ξ = Fk - Of =X (2-20) với O f là lực cản lăn. X là phản lực tiếp tuyến của bánh xe với mặt đường. Lực X cùng chiều chuyển động khi kéo. c. Bánh xe phanh: Tương tự như trường hợp bánh xe chủ động nhưng trong trường này mơ men Mk ngược chiều quay ωk (hay cịn gọi là mơ men phanh Mb ).Theo qui ước về dấu thì mơ men phamh và lực phanh Mb và F b trong trường hợp này được coi là âm. Một cách tương tự ta cĩ quan hệ : Fɛ = Z (2-21) F ξ = Fb + Of =X (2-30) Như vậy trong trường hợp này lực đẩy lên khung Fξ bằng tổng của lực phanh (do cơ cấu phanh sinh ra)và lực cản lăn cân bằng với phản lực tiếp tuyến của bánh xe với mặt đường khi phanh. Chúng ta đã coi hệ thống di chuyển là một bộ biến đổi năng lượng cơ học, trong đĩ lực F k và tốc độ V = r. ωk là các thành phần của cơng suất ra. Nhưng từ quan hệ về lực của bánh xe chủ động ta rút ra kết luận rằng : Lực truyền cho khung xe khơng phải là lực F k mà là phản lực tiếp tuyến X = Fξ. Theo quan điểm truyền cơ năng chúng ta thường quan tâm tới quan hệ giữa M k và X, quan hệ này được rút ra từ (3-7) và (3-8) như sau : M k X O f (2-31) rd Trang 10
18. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM Thực nghiệm chứng tỏ rằng lực cản lăn Of khơng phụ thuộc vào mơ men xoắn M k và vì thế đồ thị mơ tả quan hệ (2-31) cho thấy ở hình dưới đây, cũng từ hình vẽ này chúng ta phân biệt thêm một số trạng thái lăn của bánh xe: Fk X Fk Trạng thái phanh X Mk Of Trạng thái kéo  Trạng thái tự do Trạng thái trung tín Trạng thái bị động Hình II-5 : Các trạng thái chuyển động của bánh xe. Ở trạng thái phanh : Mk Mf , Fk > Of ,X > 0, X= Fk -Of I.1.4- Mối quan hệ giữa các thơng số động học và lực: Đây là mối quan hệ cĩ ý nghĩa quan trọng khi nghiên cứu về cơ học lăn của bánh xe. Cĩ hai phương pháp để biểu thị mối hệ giữa các thơng số động học và lực như sau : a. Sự phụ thuộc của bán kính lăn rl vào mômen kéo Mk hay lực kéo Fk: Nhĩm đặc tính này thường được sử dụng phù hợp khi nghiên cứu sự phân phối cơng suất cho nhiều bánh xe khơng sử dụng vi sai (thường là hộp phân phối). Để đơn giản thì mối quan hệ r1 (M k ) thường được tuyến tính hố trong tồn bộ vùng từ M kmin - M kmax theo mối quan hệ sau : rl = rlo - λM Mk = rlo – λF Fk λF = r. λM -1 -1 Với λM /N / và λF /N m/ là các hệ số thay đổi bán kính lăn hay hệ số biến dạng vịng của lốp. Giá trị của chúng thay đổi trong phạm vi rộng phụ thuộc vào loại lốp.Thí dụ λF= 0.001 – 0.01m/kN.Sự phụ thuộc của nĩ vào các thơng số như tải trọng Z,áp suất lốp pv đ ược mơ tả trên đồ thị hình II-2 Trang 11
19. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM r [m} l rlo rl = rlo –λF.Fk Fk [N] Fkmin Fkmax O Hình II-6: Đặc tính lực của bán kính lăn được tuyến tính hố. b. Sự phụ thuộc của độ trượt vào lực kéo hay phản lực tiếp tuyến : δ (Fk) và δ(X) diễn biến cơ bản được biểu diễn trên hình sau : [N] Hình II-7: Đặc tính trượt tồn bộ của lực Fk và X. Thường người ta sử dụng các thơng số khơng thứ nguyên μx là hệ số lực vịng và μk là hệ số lực kéo. Khi đĩ các quan hệ μx(δ) và μk(δ) được gọi là các đặc tính trượt chúng được mơ tả trên hình sau: Trang 12
20. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM I-1-5- Đặc tính trượt: Hình II-8 : Đặc tính trượt Trên đồ thị fo là hệ số cản lăn của bánh xe bị đ ộng . Đặc tính trượt được chỉ ra trên đồ thị hình II-8. Đối với bánh xe chủ động, đặc tính trượt thường bao gồm các mối quan hệ μx(δ) xác định từ lực X và μk(δ) xác định từ mơ men xoắn Mk .Nĩi cách khác hệ số lực kéo, hệ số lực vịng là một hàm của độ trượt. Đây là đặc tính cĩ ý nghĩa quan trọng đặc biệt đối với xe chuyển động trên đường địa hình hoặc khi nghiên cứu về hệ thống tự động điều chỉnh lực kéo (ASR hay TCS). Trong các đặc tính này, khi μx và μk tăng thì hệ số cản lăn f= μk - μx tăng theo. Khi phanh, đặc tính trượt thường cho ở dạng μx(δ). Để đặc trưng cho mức độ biến thiên của đường cong trượt thường người ta đưa ra khái niệm gọi là độ cứng C δ hay độ cứng trượt riêng Cδ chúng được định nghĩa như sau : FX C δ   X c δ  Nếu độ trượt khơng lớn lắm thì cĩ thể coi đặc tính trượt là tuyến tính, khi đĩ ta cĩ thể viết: FX M K  X C δ cδ  r.  Hệ số bám của bánh xe với mặt đường: Trên đặc tính trượt, các giá trị cực đại của hệ số lực vịng μx hay hệ số lực kéo μk cĩ ý nghĩa đặc biệt quan trọng : nĩ xác định giá trị lực vịng (phản lực tiếp tuyến X) hay lực kéo hoặc lực phanh cực đại mà bánh xe cĩ khả năng truyền được cho mặt đường. Giá trị cực đại đĩ được gọi là hệ số bám của bánh xe và mặt đường. Theo đặc tính trượt chúng ta phân làm hai trường hợp : Trang 13
21. Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐHSPKT TP.HCM a. Hệ số bám lăn : chính là giá trị μv = μx max , nĩ xác định giá trị phản lực tiếp tuyến cực đại mà bánh xe cĩ thể tuyền được cho mặt đường khi lăn. Ngồi ra ứng với μv thì 0 < | δv |< 1. Hệ số bám lăn thường được sử dụng trong tính tốn thiết kế hệ thống truyền lực. Trong các tài liệu nĩ thường được ký hiệu là φx. b. Hệ số bám trượt (trượt lăn hay trượt lết) μs . Nĩ xác định giá trị cực đại của phản lực tiếp tuyến X mà bánh xe cĩ thể truyền được trong tình trạng trượt (lăn hoặc lết) hồn tồn, tức là khi đĩ bánh xe khơng lăn và | δv | = 1. Trong tính tốn hệ thống phanh (xác định mơ men phanh cần thiết) thì hệ số này thường được ký hiệu là φ’x . Giá trị của hệ số bám lăn (thường được gọi tắt là hệ số bám) dao động trong khoảng từ 0.1 (đường đĩng băng) tới 1.0 (đường beton hay asfal khơ). Từ đây ta gọi là φx để chỉ hệ số bám dọc và φy để chỉ hệ số bám ngang I-2 – Đặc tính trượt và hệ số bám của lốp xe trên đường cứng: Khái niệm về đặc tính trượt và hệ số bám đã được đề cập, trong mục này chúng ta sẽ khảo sát những yếu tố nào ảnh hưởng tới chúng khi lốp xe lăn trên đường cứng. Khả năng bám của lốp xe trên đường cứng một mặt phụ thuộc vào các tính chất của lốp như hình dạng và vật liệu của hoa lốp, nhiệt độ và áp suất khí, một mặt phụ thuộc vào mặt đường như : vật liệu phủ mặt đường, độ uớt, nhiệt độ và hình dạng vĩ mơ của mặt đường, cũng như phụ thuộc cả vào tốc độ chuyển động. Từ kết quả thực nghiệm chúng ta cĩ thể rút ra những kết luận quan trọng sau : Tất cả các đặc tính trượt trong điều kiện khác nhau đều cĩ dạng biến thiên tương tự nhau, tức là φxmax thường đạt được trong khoảng độ trượt từ 0.1 – 0.2 trên đường khơ và trong khoảng độ trượt từ 0.2 – 0.5 trên đường uớt. Ngồi ra φx luơn ≥ φ’x Về giá trị thì φx biến thiên trong khoảng từ 0.1 tới 1.2 cịn φ’x biến thiên trong khoảng từ 0.1 – 1 trong các điều kiện khác nhau. φx Hình II-9: Đặc tính trượt phụ thuộc vào tính chất mặt đường. Ngay trên các loại đường khơ và ở tốc độ như nhau thì các giá trị φx cũng khơng phải là cố định mà chúng cĩ thể thay đổi tới 50% tùy thuộc vào tính chất ma sát khơng Trang 14