Luận văn Nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo hệ thống điều khiển lực phanh trên xe Hybrid (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo hệ thống điều khiển lực phanh trên xe Hybrid (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 QUÃNG MINH ÐẰNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ VIỆC ÐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN LỰC PHANH TRÊN XE HYBRID NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ÐỘNG LỰC - 605246 S K C0 0 5 0 9 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ QUÃNG MINH ĐẰNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ VIỆC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỰC PHANH TRÊN XE HYBRID NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC-605246 Tp. Hồ Chí Minh, 04/2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ QUÃNG MINH ĐẰNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ VIỆC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỰC PHANH TRÊN XE HYBRID NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC-605246 Hướng dẫn khoa học: TS. LÂM MAI LONG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
4. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ và tên: QUÃNG MINH ĐẰNG Giới tính:NAM Ngày, tháng, năm sinh: 12/01/1987 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: Mỏ Cày Nam, Bến Tre Dân tộc: Kinh Nơi thường trú: 620B/1 Kp 3 Phường Trung Mỹ Tây Quận 12 Tp. Hồ Chí Minh. Điện thoại: 0982129959 Email: dangqmspkt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: 2008-2012 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh. Ngành học: Cơ Khí Động Lực III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Năm 2013 - nay Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Quản Lý Xưởng 53 Võ Văn Ngân Phường Linh Chiểu Quận Thủ Đức Tp. Hồ Chí Minh XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN NGƯỜI KHAI LÝ LỊCH HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 i
5. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Quãng Minh Đằng HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 ii
6. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long LỜI CÁM ƠN Hoàn thiện luận văn tốt nghiệp cao học này, tôi muốn gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, quý Thầy Cô đã giúp tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cám ơn tất cả quý Thầy Cô Khoa Cơ Khí Động Lực Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Thầy cô đã giảng dạy các học phần trong chương trình mà tôi đã học tập tại Trường, đặc biệt là giảng viên hướng dẫn Thầy TS. Lâm Mai Long, Thầy phản biện PGS.TS Nguyễn Văn Phụng, PGS.TS Nguyễn Hữu Hường đã hướng dẫn giúp đỡ, góp ý tận tình và đầy nhiệt huyết giúp tôi hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện học tập, làm việc của tôi đến Ban giám hiệu, Trưởng Khoa Cơ Khí Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016 Quãng Minh Đằng HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 iii
7. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long TÓM TẮT Tên đề tài: Nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống điều khiển lực phanhh trên xe Hybrid. Trong luận văn này, trình bày phương pháp nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo ASR (Anti Slip Regulation) và hệ thống điều khiển lực phanh ASB (Anti – Lock System Braking) trên xe ô tô Hybrid. Khi ô tô Hybrid hoạt động thì có hai nguồn năng lượng hoạt động là động cơ đốt trong (ICE) và motor MG2 hoạt động tùy theo trạng thái chuyển động của ô tô thì phương án phối hợp hoạt động giữa hai động cơ trên cũng khác nhau. Trên ô tô Hybrid cũng trang bị đầy đủ các hệ thống kiểm soát lực kéo (ASR), hệ thống phanh ABS, VSC Vì vậy sự làm việc của hệ thống kiểm soát lực kéo ASR và hệ thống điều khiển lực phanh ABS trên ô tô Hybrid cũng có những điểm khác biệt so với ô tô thông thường. Trong quá trình kiểm soát lực kéo và điều khiển lực phanh trên xe Hybrid thì chúng ta thu hồi được một phần năng lượng trong quá trình phanh hay giảm tốc. Kết quả nghiên cứu giúp chúng ta hiểu sâu sắc hơn về nguyên lý điều khiển cũng như làm việc của hệ thống kiểm soát lực kéo, điều khiển lực phanh trên xe Hybrid. Ngoài ra đề tài còn nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phanh tái sinh năng lượng, tính toán năng lượng thu được dựa vào tính toán lý thuyết trên ô tô Hybrid Prius. Từ cơ sở nghiên cứu trên ta có thể đi đến thiết kế chế tạo, hệ thống phanh tái sinh năng lượng kiểu cơ khí và có thể ứng dụng trên các loại ô tô thông thường đang hoạt động ở nước ta, nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường cũng như tiết kiệm năng lượng. HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 iv
8. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long ABSTRACT Subject: Research of control theory traction control system, braking control system on Hybrid Vehicle. In this thesis, presented theoretical research method of controlling traction control system ASR (Anti Slip Regulation) and braking force control system ASB (Anti - Lock Braking System) on Hybrid Vehicle. Hybrid Vehicle operates when there are two active energy is the internal combustion engine (ICE) and the motor MG2 according to the state operation of the automobile motion the plans for coordination of activities between the two engines on the other also together. Hybrid Vehicle is also equipped with full traction control system (ASR), ABS, VSC So the work of the control system ASR traction control system and ABS braking force on the box Hybrid vehicle are also different from conventional vehicle. In the traction control and braking force control on Hybrid, we recovered a portion of energy during braking or deceleration. The research results help us to understand more deeply the control principle and working of the traction control system, braking force control on Hybrid vehicle. Besides, subject also researched the basis theoretical of regenerative braking energy, energy calculations obtained based on theoretical calculations Prius Hybrid vehicle. From the research facility we can go to the designing, manufacturing, regenerative braking system type mechanical energy and can be applied on conventional vehicles are operating in our country, in order to limit pollution environment as well as save energy. HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 v
9. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Abstract v Mục lục vi Danh sách cách chữ viết tắt ix Danh sách các hình x Chương 1: TỔNG QUAN 01 1.1. Tính cấp thiết của đề tài. 01 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 02 1.2.1. Khái quát về xe Hybrid 02 1.2.2. Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài ở nước ngoài. 03 1.2.3. Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài trong nước. 03 1.3. Mục đích của đề tài 03 1.4. Những nội dung cần giải quyết và những nét mới trong luận văn 04 1.5. Phương pháp nghiên cứu 04 1.6. Giới hạn phạm vi nghiên cứu 04 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG PHANH ABS - HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO ASR 05 2.1. Đặt vấn đề 05 2.2. Hệ số bám 06 2.3 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 07 2.3.1 Lực và moment tác dụng lên bánh xe khi phanh 07 2.3.2 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 08 2.3.3 Đặc tính trượt khi phanh 10 HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 vi
10. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long 2.4 Hiện tượng trượt quay của bánh xe khi kéo 12 Chương 3: LÝ THUYẾT KIỂM SOÁT LỰC KÉO ĐIỀU KHIỂN LỰC PHANH 14 3.1. Lý thuyết kiểm soát lực kéo 14 3.1.1 Khái niệm chung 14 3.1.2 Những yêu cầu đối với hệ thống ASR 15 3.1.3 Phương pháp điều chỉnh và tạo tín hiệu 15 3.1.4 Hệ thống điều khiển ASR với việc tác động vào động cơ 19 3.1.5 Hệ thống ASR có sự tác động của phanh 19 3.1.6 So sánh những ưu điểm và hạn chế của 2 phương pháp điều chỉnh trên 19 3.1.7 Nguyên tắc điều khiển ASR 21 3.2 Lý thuyết điều khiển lực phanh 24 3.2.1 Khái niệm chung 24 3.2.2 Những yêu cầu đối với hệ thống phanh ABS 25 3.2.3 Phương pháp điều chỉnh và tạo tín hiệu 26 3.2.4 Nguyên tắc điều khiển phanh ABS 28 3.2.5 Chu trình điều khiển của ABS 32 Chương 4: NGUYÊN TẮC KIỂM SOÁT LỰC KÉO ĐIỀU KHIỂN LỰC PHANH TRÊN XE HYBRID 35 4.1. Nguyên lý điều khiển lực kéo trên xe Hybrid. 36 4.1.1. Cụm truyền động Hybrid 36 4.1.1.1 Khái quát chung 36 4.1.1.2 Các qui ước 37 4.1.2 Các trạng thái làm việc và điều khiển của xe Hybrid 47 4.1.2.1 Khởi động động cơ 47 4.1.2.2 Khởi động 48 4.1.2.3 Trong khi tăng tốc nhẹ bằng động cơ. 50 4.1.2.4 Xe chạy ở tải thấp 51 4.1.2.5 Xe chạy ở chế độ giảm tốc 53 4.1.2.6 Chế độ lùi xe 55 HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 vii
11. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long 4.1.3 Nguyên lý kiểm soát lực kéo trên xe Hybrid 55 4.1.4 Điều khiển ECU HV 59 4.1.5 Điều khiển lực kéo motor 61 4.1.5.1 Khái quát chung 61 4.1.5.2 Nguyên lý hoạt động 62 4.2 Nguyên lý điều khiển lực phanh trên xe Hybrid 64 4.2.1 Khái quát về hệ thống phanh trên xe Hybrid 64 4.2.2 Các tín hiệu điều khiển và quá trình điều khiển 67 Chương 5: CƠ SỞ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA PHANH TÁI SINH NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID 73 5.1 Nguyên tắc cơ bản của phanh tái sinh 73 5.2 Sự tiêu thụ năng lượng trong lúc phanh, cơ sở lý thuyết của phanh tái sinh 73 5.2.1 Sự tiêu thụ năng lượng trong lúc phanh 73 5.2.2 Cơ sở lý thuyết của phanh tái sinh 75 5.2.3 Nguyên lý làm việc của phanh tái sinh trên xe Toyota Prius Hybrid 80 5.2.3.1 Cụm truyền động trên xe Toyota Prius Hybrid II 80 5.2.3.2 Nguyên lý làm việc phanh tái sinh trên xe Toyota Prius Hybrid II 82 5.2.3.3 Tính toán điện áp thu được khi phanh trên xe Toyota Prius Hybrid II 83 5.2.3.4 Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa vận tốc góc và cường độ dòng điện I khi sử dụng phanh tái sinh trên xe Hybrid 92 Chương 6: KẾT LUẬN 97 6.1 Nhận xét về đề tài 97 6.2 Kiến nghị 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 viii
12. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ABS: Anti – Lock Braking System – Hệ thống phanh chống bó cứng. ASR: Anti Slip Regulation – Hệ thống kiểm soát chống trượt CVT: Continuously Variable transmission – Hộp số vô cấp. ECU HV: Electronic Control Unit Hybrid Vehicle – ECU xe Hybrid. ECU Skid – ECU điều khiển trượt HV: Hybrid Vehicle – Xe lai sử dụng động cơ đốt trong và động cơ điện. MG1: Motor MG1 MG2: Motor MG2 RBS: Regenerative Braking System – Hệ thống phanh tái sinh. SOC: State of charge – Tình trạng accu. HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 ix
13. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 1.1: Mẫu xe Hybrid của hãng Toyota 2 Hình 2.1: Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi phanh 7 Hình 2.2: Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết 09 Hình 2.3: Đặc tính trượt, thể hiện sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo độ trượt tương đối λ của bánh xe khi phanh 10 Hình 2.4: Đặc tính trượt tương ứng với các loại đường khác nhau 11 Hình 2.5: Lăn có trượt quay của bánh xe khi kéo 13 Hình 3.1: Đặc tính trượt 14 Hình 3.2: So sánh độ trượt giữa các bánh xe theo đường chéo, cùng bên 16 Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống ASR 23 Hình 3.4: Đồ thị chỉ mối quan hệ giữa moment phanh Mp1, Mp2 với hệ số bám φ . 25 Hình 3.5: Sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo độ trượt tương đối λ của bánh xe khi phanh 25 Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống phanh ABS 29 Hình 3.7: Sự thay đổi các thông số moment phanh Mp, áp suất dẫn động phanh p và gia tốc a của bánh xe khi phanh có ABS 30 Hình 3.8: Sự thay đổi tốc độ góc ωb của bánh xe, tốc độ ô tô v và độ trượt λ theo thời gian t khi phanh có hệ thống chống hãm cứng bánh xe 31 Hình 3.9: Chu trình điều khiển kín của ABS 32 Hình 3.10: Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS 33 Hình 3.11: Lưu đồ thuật toán hoạt động của ABS 34 Hình 4.1: Cụm truyền động Hybrid 36 Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý cụm bánh răng hành tinh trên xe Hybrid 37 Hình 4.3: Đường đặc tuyến động cơ điện và máy phát điện 38 Hình 4.4: Bộ truyền hành tinh trên xe Hybrid 41 Hình 4.5: Chế độ kéo do MG2 43 Hình 4.6 Chế độ động cơ và MG2 cùng kéo 43 HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 x
14. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long Hình 4.7: Chế độ động cơ nạp điện cho accu HV 44 Hình 4.8: Hoạt động ở chế độ phanh tái sinh 44 Hình 4.9: Bảng mô tả điều kiện lái xe 45 Hình 4.10: Biểu đồ mô tả chiều quay, tốc độ quay và cân bằng công suất bộ truyền bánh răng hành tinh, tình trạng nạp, phát điện của MG1, MG2 và tình trạng moment 46 Hình 4.11: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ khởi động động cơ 47 Hình 4.12: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ động cơ nạp điện cho accu 47 Hình 4.13: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ kéo do MG2 48 Hình 4.14: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ khởi động động cơ 49 Hình 4.15: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ dẫn động máy phát MG1 chuẩn bị tăng tốc 50 Hình 4.16: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ tăng tốc nhẹ 51 Hình 4.17: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ tải thấp 52 Hình 4.18: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ tăng tốc mạnh 53 Hình 4.19: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ giảm tốc 54 Hình 4.20: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ giảm tốc vùng ‘B’ 54 Hình 4.21: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ số lùi 55 Hình 4.22: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển ASR trên Hybrid 58 Hình 4.23: Sơ đồ điều khiển ECU HV 59 Hình 4.24: Sơ đồ nguyên lý điều khiển ECU HV 60 Hình 4.25: Đồ thị đặc tính trượt khi kéo 61 Hình 4.26: Tốc độ bánh xe dẫn động hoạt động khởi hành khi nhấn bàn đạp ga trên đường có tuyết 62 Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lý cụm bánh răng hành tinh 62 Hình 4.28: Sơ đồ ý tưởng về điều khiển lực kéo motor 63 HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 xi
15. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long Hình 4.29: Sơ đồ đơn giản điều khiển hệ thống phanh trên xe Hybrid 64 Hình 4.30: Đồ thị thể hiện đặc tính trượt khi phanh 64 Hình 4.31: Sơ đồ khối điều khiển phân phối lực phanh trên xe Hybrid 65 Hình 4.32: Sơ đồ hệ thống phanh trên xe Hybrid 66 Hình 4.33: Sơ đồ điều khiển hệ thống phanh trên xe Hybrid 67 Hình 4.34: Đồ thị phân tích điều khiển lực kéo và lực phanh trên xe Hybrid 68 Hình 4.35: Sơ đồ điều khiển của ECu Skid trên Hybrid 69 Hình 4.36: Sơ đồ tình trạng accu và vùng hoạt động của phanh tái sinh 70 Hình 4.37: Lưu đồ thuật toán hoạt động điều khiển lực phanh trên xe Hybrid 71 Hình 4.38: Quá trình điều khiển của hệ thống phanh trên xe Hybrid 72 Hình 5.1: Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô khi xuống dốc có lực phanh 74 Hình 5.2: Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa hệ số bám φx, φy và độ trượt, vùng làm việc tối ưu của ABS 75 Hình 5.3: Các lực và moment tác dụng lên ô tô khi phanh 76 Hình 5.4: Sơ đồ thu gọn động năng của toàn ô tô qui về bánh xe 77 Hình 5.5: Bộ truyền động trên xe Toyota Prius Hybrid II 80 Hình 5.6: Sơ đồ hoạt động của xe Hybrid ở chế độ phanh tái sinh 80 Hình 5.7: Sơ đồ khối cụm truyền động trên xe Hybrid Toyota Prius 81 Hình 5.8: Các lực tác dụng lên xe khi chuyển động xuống dốc 87 Hình 5.9: Sơ đồ khối cụm hành tinh trên xe Hybrid 90 Hình 5.10: Đồ thị moment cấp cho motor MG2 khi phanh tái sinh ở tốc độ 80km/h 94 Hình 5.11: Đồ thị moment cấp cho motor MG2 khi phanh tái sinh ở tốc độ 50km/h 94 Hình 5.12: Đồ thị moment cấp cho motor MG2 khi phanh tái sinh ở tốc độ 40km/h 95 Hình 5.13: Đồ thị thể hiện tốc độ của xe 95 Hình 5.14: Đồ thị thể hiện đường đặc tính của cường độ dòng điện theo tốc độ góc khi thực hiện phanh tái sinh 96 HVTH: Quãng Minh Đằng MSHV: 138520116004 xii
16. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Cách đây hơn thế kỷ, các mẫu xe tương tự như xe Hybrid ngày nay đã ra đời tại Pháp, Áo Trong giai đoạn nửa đầu thế kỷ trước, còn nhiều tên tuổi khác tham gia chế tạo xe Hybrid như Green Electric và Woods Motor Vehicle (các hãng xe trên đều của Mỹ), Siemens-Schukert (Đức). Nhìn chung những mẫu xe Hybrid của thế kỷ trước nhằm mục đích tăng tốc độ xe, đồng thời với giá nhiên liệu thấp lúc bây giờ, và không có bất cứ quy định nào về khí thải khiến cho người sử dụng ô tô và xe máy đều không quan tâm tới các hệ thống động cơ lạ lẫm. Ngày nay, phương tiện ô tô phát triển rầm rộ. Cũng chính vì thế mà tình trạng ô nhiễm không khí do khí thải từ động cơ ô tô ngày càng trầm trọng hơn. Tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống là mối đe dọa cho nền kinh tế các nước. Vì lý do đó, nhiều giải pháp kỹ thuật đã được ra đời như: ô tô chạy điện, ô tô dùng pin nhiên liệu, động cơ khí nén vv Tuy nhiên, những công nghệ trên vẫn chưa được đưa vào sử dụng rộng rãi vì còn nhiều giới hạn về công nghệ. Bên cạnh những giải pháp trên, các nhà kỹ thuật đặc biệt quan tâm đến công nghệ Hybrid. Đây được coi là giải pháp thành công hiện nay nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng hiệu suất động cơ. Các ô tô Hybrid này đã và đang sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển như Châu Âu, Mỹ, Nhật Vì vậy việc nghiên cứu công nghệ ô tô Hybrid là cần thiết, nên tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu là: Nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống điều khiển lực phanh trên xe Hybrid. HVTH: Quãng Minh Đằng Trang 1
17. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1 Khái quát về xe Hybrid Động cơ Hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong với động cơ điện dùng năng lượng accu. Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào dùng động cơ đốt trong, khi nào vận hành đồng bộ. Xe ô tô sử dụng động cơ Hybrid gọi là xe Hybrid. Xe Hybrid vừa có thể đạt công suất không kém so với xe ô tô dùng động cơ đốt trong nhưng lại giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các hệ thống Hybrid kết hợp hai nguồn động lực khác nhau, chẳng hạn như một động cơ xăng và một động cơ điện cùng được lắp trên một ô tô. Mục đích của việc này là tận dụng tối đa những lợi ích của các nguồn động lực khác nhau, hạn chế những thiếu sót của chúng, nhằm đạt hiệu quả cao nhất. Hình 1.1 Mẫu xe Hybrid của hãng Toyota [7] HVTH: Quãng Minh Đằng Trang 2
18. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long 1.2.2 Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài ở nước ngoài Năm 1900, các công ty ở Mỹ sản xuất máy hơi nước, thiết bị điện và xe hơi. Trong thời gian ngắn trước đó, các nhà khoa học đã nghĩ tới việc kết hợp các nguồn năng lượng khác lại với nhau. Vào năm 1905, kỹ sư người Mỹ tên Hiper đã đề nghị cấp bằng sáng chế về một dạng động cơ kết hợp giữa xăng và điện như các hệ thống Hybrid ngày nay. Nhờ phát minh ra hệ thống đề năm 1913 động cơ xăng trở nên phổ biến bởi nó dễ khởi động và tốt hơn động cơ hơi nước và động cơ điện, lúc đó xe Hybrid tạm thời mất vị trí dẫn đầu. Nhưng tình trạng khan hiếm nguồn năng lượng hóa thạch và vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải xe hơi thải ra, thì ngành công nghiệp xe ô tô quay lại nghiên cứu và phát triển xe Hybrid và chính thức trở thành hiện thực năm 2000. Song song với việc ra đời của xe Hybrid, đã có không ít phát minh và đề tài nghiên cứu về nó như: thiết kế hệ thống phanh cho xe Hybrid của Christian von Albrichsfeld and Jürgen Karner, vv xe Hybrid ngày càng phổ biến trên toàn thế giới. Các hãng xe Toyota, Honda, Ford lần lượt cho ra đời những mẫu xe Hybrid. Hầu hết các nhà phân tích công nghiệp dự đoán xe Hybrid vẫn là xu hướng đúng đắn cho tương lai và phát triển trong những năm tới. 1.2.3 Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài ở trong nước. Tình hình nghiên cứu trong nước thì bước đầu chỉ đi vào tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung xe Hybrid. Năm 2008 đề tài: Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô Hybrid bốn chỗ ngồi bố trí song song của sinh viên Đoàn Xuân Biên Trường Đại học Đà Nẵng, chưa có đề tài nghiên cứu về vấn đề này. 1.3 Mục đích của đề tài Trên cơ sở phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có thể đưa ra kết luận như sau: Đề tài này là cần thiết, đây là vấn đề mấu chốt khi giải quyết xong ta có thể hiểu sâu sắc hơn về hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống điều khiển lực phanh trên xe Hybrid. HVTH: Quãng Minh Đằng Trang 3
19. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long Tính toán lý thuyết năng lượng thu được khi phanh tái sinh trên xe Hybrid. 1.4 Những nội dung cần giải quyết và những nét mới trong luận văn Đề tài nghiên cứu được bố cục thành 6 chương với nội dung sau đây: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống phanh ABS- hệ thống kiểm soát lực kéo ASR Chương 3: Lý thuyết kiểm soát lực kéo - điều khiển lực phanh ABS Chương 4: Nguyên tắc kiểm soát lực kéo - điều khiển lực phanh trên xe Hybrid Chương 5: Cơ sở và nguyên lý làm việc của phanh tái sinh Chương 6: Kết luận và kiến nghị Trong đó chương 4, 5 là chương có nội dung trọng tâm của đề tài. Trong hai chương này tôi nghiên cứu lý thuyết kiểm soát lực kéo, điều khiển lực phanh trên xe Hybrid, tính toán năng lượng thu được khi sử dụng phanh tái sinh năng lượng. 1.5 Phương pháp nghiên cứu - Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài thì việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu tài liệu tham khảo. - Phương pháp tính toán lý thuyết - Dùng phần mềm Matlab để vẽ đồ thị mô tả năng lượng thu được khi phanh tái sinh trên xe Hybrid dựa trên các công thức tính toán lý thuyết. 1.6 Giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài Chỉ nghiên cứu lý thuyết hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống điều khiển lực phanh trên xe Hybrid. Tính toán lý thuyết năng lượng thu được dựa vào công thức lý thuyết, bỏ qua ảnh hưởng của trượt, biến dạng của lốp khi phanh tái sinh. Tính toán trên xe Hybrid Prius. HVTH: Quãng Minh Đằng Trang 4
20. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG PHANH ABS- HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO ASR 2.1 Đặt vấn đề Một vấn đề lớn cũng là bài toán quan trọng cần giải quyết đối với hoạt động của hệ thống phanh, đó là khi ô tô phanh gấp hay phanh trên các loại đường có hệ số bám thấp như đường trơn, đường đóng băng, tuyết thì dễ xảy ra hiện tượng các bánh xe sớm bị hãm cứng, tức là hiện tượng bánh xe bị trượt lết trên đường khi phanh. Khi đó quãng đường phanh sẽ kéo dài hơn, tức hiệu quả phanh thấp đi, đồng thời dẫn đến tình trạng mất ổn định và khả năng điều khiển của xe. Nếu các bánh xe trước sớm bị hãm cứng sẽ làm cho xe không thể chuyển hướng theo sự điều khiển được, nếu các bánh sau bị hãm cứng, do sự khác nhau về hệ số bám giữa bánh trái và phải và mặt đường nên làm cho đuôi xe bị lạng, trượt ngang và chuyển động lệch hướng so với lúc bắt đầu phanh. Trong trường hợp xe phanh khi đang quay vòng, hiện tượng trượt ngang của các bánh xe dễ dẫn đến các hiện tượng quay vòng thiếu hay quay vòng thừa làm mất ổn định khi xe quay vòng. Để giải quyết bài toán về vấn đề hiệu quả và tính ổn định khi phanh, phần lớn các ô tô hiện nay điều được trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh, tức chống hiện tượng trượt lết của bánh xe gọi là “ Anti-lock Braking System” và thường được gọi tắt là hệ thống phanh ABS. Hệ thống ABS hoạt động chống hãm cứng bánh xe khi phanh bằng cách điều khiển thay đổi áp suất dầu tác dụng lên các xy lanh bánh xe để cho nó không bị hãm cứng khi phanh trên đường trơn hay khi phanh gấp, đảm bảo tính hiệu quả và tính ổn định trong quá trình phanh. Hệ số bám và lực bám có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn chuyển động của ô tô, nó có liên quan chặt chẽ đến tính chất động lực học của ô tô HVTH: Quãng Minh Đằng Trang 5
21. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Lâm Mai Long đến hiệu quả phanh và độ ổn định khi phanh, tính năng dẫn hướng, hệ thống ABS, ASR được thiết kế cũng dựa trên cơ sở phân tích và xử lý để đạt được các giá trị tối ưu này. 2.2 Hệ số bám Bánh xe là phần tử đàn hồi kết nối giữa xe và mặt đường. Nhờ có sự bám giữa xe và mặt đường mới có sự truyền động các moment kéo, moment phanh được tạo ra từ động cơ hay cơ cấu phanh đến mặt đường, giúp cho xe chuyển động hay dừng lại được. Sự bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bằng hệ số bám φ. Về cơ bản, có thể xem hệ số bám tương tự như hệ số ma sát giữa hai vật thể cơ học. Tuy nhiên do mối quan hệ truyền động giữa bánh xe và mặt đường là vấn đề rất phức tạp, vừa có tính chất của một ly hợp ma sát vừa theo nguyên lý ăn khớp thanh răng bánh răng, còn sự mấu bám của bề mặt gai lốp vào mặt đường. Hệ số bám φ giữa bánh xe và mặt đường được chia làm hai thành phần: hệ số bám trong mặt phẳng dọc, tức là mặt phẳng chuyển động của ô tô được gọi là hệ số bám dọc φx. Ngoài ra còn hệ số bám trong mặt phẳng ngang vuông góc với mặt phẳng dọc và được gọi là hệ số bám ngang φy. Hệ số bám dọc φx được hiểu là tỷ số của lực phanh cực đại Fmax trên tải trọng Gb tác dụng lên bánh xe. 퐹 φx= (2.1) Tương tự hệ số bám ngang φy được xác định theo biểu thức: 푌 φy= (2.2) Trong đó Ymax là lực ngang cực đại tác dụng lên bánh xe. HVTH: Quãng Minh Đằng Trang 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4