Đang tải...

Công nghệ vật liệu Văng ngang đuôi ô tô, hiện tượng cần kiểm soát

Thảo luận trong 'Công nghệ mới' bắt đầu bởi khoadongluc, 24/8/10.

Thành viên đang xem bài viết (Users: 0, Guests: 0)

  1. khoadongluc
    Offline

    Nothing Is Impossible
    Thành viên BQT
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    17/3/09
    Số km:
    22,748
    Được đổ xăng:
    7,022
    Mã lực:
    2,289
    Giới tính:
    Nam
    Xăng dự trữ:
    31,204 lít xăng
    A. Thực tiễn văng ngang đuôi ô tô.
    [​IMG]

    [​IMG]
    Trong thời gian gần đây các nhà sản xuất và cơ quan kiểm định chất lượng công bố về việc thu hồi một số xe hiện đại có hiện tượng “văng ngang đuôi ô tô”. Sự “văng ngang đuôi ô tô” ở tốc độ cao thực chất là hiện tượng “trượt ngang cầu sau”. Để hiểu rõ về vấn đề văng ngang cầu sau trên xe con hiện đại cần làm rõ về mặt lý luận:
    - Tại sao hiện tượng văng ngang cầu sau chỉ xảy ra khi quay vòng trên ô tô con hiện đại?
    - Tính chất nguy hiểm của vấn đề này như thế nào? Bạn đọc có thể tự trả lời sau khi đọc bài này.
    Sự văng ngang (còn gọi là trượt ngang bánh xe) được xuất phát từ việc xem xét mối quan hệ của bánh xe đồng thời tiếp nhận cả lực dọc (phanh tay hay kéo) và lực ngang.
    B. Động lực học bánh xe và bản chất của hiện tượng trượt ngang.
    Chưa bàn tới hiện tượng trượt ngang bánh xe trên ô tô con hiện đại, trượt ngang bánh xe là một vấn đề không lạ với mọi trạng thái hoạt động của ô tô, kể cả ô tô truyền thống hay ô tô hiện đại, kể cả bánh xe đặt trên cầu trước hay ở bánh xe đặt trên cầu sau, kể cả xe đi trên đường nghiêng, khi gặp gió ngang tác dụng hay khi quay vòng. Vì vậy về mặt động lực học tổng quát của bánh xe có thể xem xét tại đây.
    Hiện tượng trượt ngang bánh xe, trướt hết về mặt lý thuyêt, luôn tồn tại khi bánh xe chịu tác động của phản lực bên. Tương thích trong mối quan hệ tổng thể, sự trượt ngang bánh xe có thể lớn hay nhỏ và ảnh hưởng nhiều hay ít tới quỹ đạo chuyển động và khả năng điều khiển ô tô.
    Để đơn giản vấn đề, ở đây giải thích hiện tượng trượt tổng cộng (cả dọc và ngang) của bánh xe khi chịu tác động của tải trọng thẳng đứng theo đồ thị Kamm (hình 1)
    Một bánh xe lăn khi chịu tải trọng thẳng đứng Gbx sẽ xuất hiện phản lực thẳng đứng Zbx tại chỗ tiếp xúc của mặt đường lên bánh xe. Bánh xe lăn và quay tròn xung quanh trục quay của nó do tác dụng của mô men (lực đẩy từ từ khung đối với bánh xe bị động, kéo đối với bánh xe chủ động) và tại chỗ tiếp xúc với mặt đường xuất hiện lực dọc (được lý hiệu trên hình vẽ là lực X (X có dấu âm khi là lực phanh, X có dấu dương khi là lực kéo). Khi bánh xe chịu tải trọng ngang, hình thành phản lực bên là Sk.
    Đồ thị Kamm biểu diễn quan hệ của lực dọc Xk và lực ngang Sk tác động trong khi bánh xe chuyển động với giả thiết khả năng bám dọc và bám ngang của bánh xe trên nền là như nhau ( φx=φy). Mô tả ban đầu là bánh xe lăn tựa trên nền có trục tọa độ: x trùng phương của vận tốc bánh xe v, phương y vuông góc với trục x. Trên hình minh họa vết tiếp xúc là hình elip.
    Phản lực trên mặt phẳng nền là Rk được chiếu theo hai phương x và y tạo nên Pk và Sk. Theo khả năng truyền lực của bánh xe theo bám, phản lực tổng cộng Rk phải nằm trong đường biên giới hạn bám, tức Rk≤ Rkmax. Đầu mút của các giá trị Rkmax sẽ vẽ nên một đường giới hạn (đồ thị Kamm giả thiết: φx=φy=φ) của phản lực là vòng tròn tâm là vết tiếp xúc, bán kính là Rkmax=φmax.Zk.
    Nếu lực tổng Rk nhỏ hơn Rkmax các phản lực được tiếp nhận và sự trượt xảy ra nhỏ. Khi Rk lớn tới hay vượt qua giới hạn bám Rkmax bánh xe bị trượt mạnh (sự trượt xảy ra có thể theo cả hai phương x, y).
    Nhờ đồ thị Kamm có thể rút ra kết luận:
    a. Nếu bánh xe chịu lực doc cực đại, bánh xe không có khả năng tiếp nhận lực bên, hay nói cách khác: khi truyền lực dọc cực đại, chỉ cần một lực bên nhỏ tác động bánh sẽ bị trượt mạnh.
    b. Ngược lại: khi bánh xe đã bị trượt bên hoàn toàn (Sk đạt Skmax) bánh xe không còn khả năng tiếp nhận lực dọc.
    Phần lớn ô tô hiện đại đều mong muốn tận dụng cao khả năng bám theo phương dọc, nhằm đảm bảo cho xe có khả năng cơ động. Điều này còn giúp cho sự chuyển động của ô tô có tính kinh tế nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao độ bền lốp xe…. Như vậy trong trường hợp mong muốn đó (rơi vào kết luận a), việc quản lý lực bên là cần thiết sao cho: phản lực tổng cộng tạo nên đảm bảo bánh xe lăn với độ trượt nhỏ hợp lý.
    Như vậy, bản chất của hiện tượng trượt tổng cộng bánh xe xảy ra là do tổng phản lực vượt quá giới hạn của khả năng bám. Xét trong trường hợp cụ thể đối với ô tô con hiện đại khi đang có mặt lực dọc lớn dễ dàng xảy ra trượt ngang bánh xe do sự xuất hiện lực bên (văng ngang bánh xe).
    Như đã nêu ở phần trên Rkmax phụ thuộc chính vào hệ số bám (φmax) và tải trọng thẳng đứng (Zk) tác dụng lên bánh xe. Ảnh hưởng của hệ số bám và tải trọng thẳng đứng được xem xét ở các mục tiếp theo.
    C. Khả năng điều khiển ở cầu trước và sau.
    Về mặt lý thuyết hiện tượng trượt ngang ở cầu trước và cầu sau đều có thể xảy ra. Tuy nhiên xét về thực tiễn sử dụng và khả năng điều khiển ô tô:
    –>Sự trượt xảy ra trên cầu trước người lái dễ dàng cảm nhận và điều khiển bằng vành lái;
    –>Sự trượt xảy ra trên cầu sau người lái có trình độ nhận thức nhạy bén và có kinh nghiệm mới có thể xử lý được.
    Trong quá trình chuyển động của ô tô, sự thay đổi tốc độ chuyển động luôn kèm theo sự thay đổi phản lực thẳng Z tác động lên các cầu xe (hình 3):
    [​IMG]


    –>Khi ô tô tăng tốc (a) phản lực Zs đặt trên cầu sau tăng lên và Zt đặt trên cầu trước giảm, nếu sử dụng lực dọc trên các bánh xe chủ động của cầu trước ô tô ở vùng gần giới hạn bám có thể dẫn tới trượt ngang cầu trướt khi quay vòng và khó có khả năng điều khiển dẫn hướng ô tô. Tuy nhiên, trong trường hợp này, người lái có thể giảm tốc độ rồi điều chỉnh vành lái.
    –>Trong trường hợp giảm tốc độ (b) hay phanh phản lực Zs. Cùng với sự giảm phản lực Zs trên bánh xe cầu sau dẫn tới sự giảm nhỏ khả năng tiếp nhận phản lực tổng cộng (thu nhỏ đường biên giới hạn) và do đó khi giảm tốc (phanh trên đường nghiêng hay đường vòng) dễ dàng dẫn tới sự trượt ngang cầu sau. Sự trượt ngang này càng gia tăng khi người lái tiếp tục giảm tốc độ. Như vậy sự trượt ngang cầu sau vừa có xác suất xảy ra lớn vừa gây khó khăn cho việc điều khiển ô tô.
    Từ các nhận xét tổng quát trên, ô tô con hiện đại quan tâm nhiều tới vấn đề tránh khả năng gây trượt ngang cho các bánh xe sau, đặc biệt khi ô tô quay vòng ở tốc độ cao.
    D. Quay vòng ô tô ở tốc độ cao
    Khi chuyển động trên đường, sự thay đổi các phản lực thẳng đứng do sự thay đổi tốc độ ô tô là thường xuyên. Các tai nạn ô tô xảy ra kể cả khi ô tô không gặp chướng ngại trên đường. Hãy để ý đến trường hợp ô tô đang hoạt động ở tốc độ cao (khoảng trên 60 km/h) và vào đường vòng:
    Xu hướng chung trong trường hợp này là: người lái xe không nhấn sâu chân ga và như vậy nếu coi công suất động cơ không đổi, có nghĩa là bánh xe ô tô vừa lăn và vừa trượt. Một phần công suất động cơ bị tiêu hao cho trượt bên nhỏ của bánh xe và tốc độ dọc của ô tô bắt buộc phải giảm nhỏ. Các nghiên cứu trên ô tô con hiện đại, công suất tiêu hao do quay vòng của ô tô có thể lên tới 20%. Zs bị giảm đi. Khi quay vòng dưới tác dụng của lực ly tâm, các phản lực bên xuất hiện. Ở cầu sau sự xuất hiện của phản lực bên sẽ có thể dẫn tới trượt ngang các bánh xe sau, đặc biệt ở trên ô tô hiện đại có cấu trúc hệ thống treo độc lập. Một trong hai bánh xe cầu sau sẽ bị trượt (tương ứng với các bánh xe sau nằm bên trên tâm quay vòng) và sau đó toàn bộ cả hai bánh xe sau cùng nhanh chóng dẫn tới trượt ngang, gây nên hiện tượng văng mạnh đuôi xe (hình 3). Hậu quả của việc văng mạnh đuôi xe, được người lái xử lý bằng cách giảm bàn đạp chân ga và hiệu chỉnh vành lái. Tuy nhiên sự giảm bàn đạp chân ga dẫn tới giảm tốc độ ô tô (kể cả có thêm phanh gấp) sẽ làm xấu thêm tình trạng động lực học ô tô và nếu xử lý vành lái không phù hợp sẽ dẫn tới tình trạng lật xe. Do vây đây là trường hợp nguy hiểm và cũng là hiện tượng được các nhà thiết kế ô tô đặc biệt quan tâm.
    E. Các giải pháp kỹ thuật trên ô tô hiện đại.
    Một trong giải pháp nâng cao tính ổn định động học là phối hợp chặt chẽ giữa tải trọng thẳng đứng Z với các chế độ truyền mô men tới các bánh xe. Mặc dù các hệ thống như vậy (về lý thuyết) có thể giải quyết cơ bản hiện tượng văng ngang đuôi xe, tuy nhiên mọi sự hoàn thiện kết cấu và hoàn thiện các chương trình điều khiển đều bị giá thành của thị trường khống chế. Do vậy cách lựa chọn giải pháp hoàn thiện của các nhà sản xuất khác nhau đều dẫn tới khác biệt đáng kể về chất lượng. Tổng quan trên các ô tô con hiện đại đều sử dụng giải pháp “ứng dụng cơ điện tử – (Mechatronic)” để thực hiện ý đồ ổn định động học trên ô tô. Giải pháp như vậy cho phép giảm nhỏ sự phức tạp của kết cấu, có khả năng đáp ứng các tác động điều khiển tự động. Vì vậy cho phép giảm nhỏ sự phức tạp của kêt cấu, có khả năng đáp ứng các tác động điều khiển tự động nhanh chóng, tạo thành các hệ tổ hợp điều khiển đa chức năng (xử lý nhiều thông tin đàu vào).
    Để hạn chế hiện tượng văng mạnh đuôi xe, trên ô tô con hiện đại sử dụng các hệ thống ổn định động lực học với các tên gọi khác nhau:
    - VDC (Vehicle Dynamic Control).
    - VSC (Vehicle Stability Con trol).
    Các hệ thống như vậy về cơ bản không có nhiều khác biệt, song tùy thuộc vào các nhà thiết kế khác nhau các phần mềm sử dụng cũng khac nhau. Tên gọi của phần mềm bố trí trong ECU của hệ thống có tên gọi là ESP (Electronic Stability Program).
    Chương trình Esp liên quan chặt chẽ với hệ thống ABS trên ô tô và nhằm giúp cho ô tô có khả năng tự động ổn định động lực của ô tô khi chuyển động trên đường cong (bài đã đăng trong Tạp chí Đăng kiểm năm 2008 về VSC).
    Nguyên tắc của VSC là tạo nên phản lực tiếp tuyến tối ưu trên các bánh xe sao cho 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;
    - 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.
    Khác với hệ thống TRC (điều khiển lực kéo chống quay trơn bánh xe – Traction control), hệ thống VSC thực hiện điều khiển lực dọc ở vùng tốc độ cao, vì ở vùng tốc độ này bánh xe cầu sau dễ bị dẫn tới văng ngang và gây lật 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, khi đó 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 một lần nữa lại thấy rõ sự cần thiết phải bố trí chân ga điện tử cho ô tô con hiện đại.
    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 như đã trình bày ở trên. Điều này ít người sử dụng nào biết được và điều khiển đúng.
    Tuy vậy cũng cần nhận thấy rằng: trên ô tô con hiện đại việc tận dụng công suất động cơ là một nhu cầu thiết yếu, và có thể coi các loại ô tô con hiện đại ngày nay đa số thời gian làm việc gần vùng đường biên giới hạn bám. Việc lựa chọn giá trị lực bám giới hạn trong điều chỉnh của VSC cũng khác biệt với ABS:
    - Giá trị lực bám giới hạn trong chương trình ESP thường chỉ tiếp nhận bằng 0,70 đến 0,75 phần dư còn lại để dành cho việc tiếp nhận lực bên đột suất sinh ra;
    - Việc quản lý hệ số bám cùng thực hiện giống như ABS, tuy nhiên hệ số trượt của bánh xe được lựa chọn theo chế độ “SH- Select hight” (bài đã nêu trong tạm chí đăng kiểm năm 2008 về ABS và TRC), có nghĩa là chương trình điều khiển đảm bảo khả năng cơ động của ô tô.
    G. Các vướng mắt kỹ thuật có thể xảy ra.
    Đối với hệ thống động lực học của ô tô, sự nhạy cảm gây nên biến động lớn của chuyển động ô tô chính lại là hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường. Sự biến động này vừa lớn về biên độ và rộng cả về tần số. Để đáp ứng điều khiển trong hệ thống không phải là vấn đề đơn giản.
    Hãy thử xem lại khả năng đáp ứng của hệ thống điều khiển có liên kết cơ thủy lực điện tử. Tín hiệu điện điều khiển có thể điều khiển với độ chậm tác dụng trong khoảng giá trị 1/1000 (s) đến 1/12 (s). Trong khoảng khắc điều khiển ở vùng tốc độ cao này sẽ đòi hỏi phải tăng độ nhạy của hệ thống, tuy nhiên điều này hiện thời khá khắc phục, một xu hướng mới đang nổi lên là chuyển sang hệ thống điều khiển bằng dây dẫn điện “by- wire” nhằm loại trừ hạn chế của dẫn động thủy lực (hay khí nén). Tuy nhiên, hệ thống “by- wire” còn chưa đáp ứng cao về độ tin cậy, đặc biệt là khả năng điều khiển khi có sự cố về linh kiện và nguồn điện.
    Hạn chế hiện tượng văng đuôi xe còn được quan tâm tới bởi việc tăng mô men quán tính của ô tô quay xung quanh trục thẳng đứng Jz, nhưng điều này bị phản bác bởi sẽ dẫn tới việc tăng tiêu thụ nhiên liệu. Như vậy việc lựa chọn duy nhất là xác định được tối ưu tần số điều khiển của hệ thống điều khiển với mô men quán tính Jz của ô tô. Điều đó có nghĩa là mỗi loại xe phải có các giá trị thực nghiệm nhất định và chương trình ESP riêng biệt. Việc này lại dẫn tới gia tăng giá thành sản xuất ô tô.
    Và đây có thể là vướng mắc kỹ thuật trong quá trình hoàn thiện chất lượng động lực học của ô tô hiện đại dẫn tới thu hồi và hủy bỏ các mẫu xe có giá trị hàng vài chục ngàn đô la hiện nay của một số nhà sản xuất.
    H. Kết luận.
    Hiển nhiên với ô tô có giá thành thấp không có các hệ thống thiết bị hiện đại, hiện tượng trượt ngang ô tô phụ thuộc vào trình độ người lái, và phương thức truyền thống là giảm tốc độ ô tô trước khi đi vào đường cong (tùy thuộc vào bán kính cong của cung đường). Điều này hạn chế tối đa các tác hại của việc văng ngang đuôi xe, song các loại ô tô như vậy chấp nhận khả năng an toàn giao thông. Còn ở trên con ô tô hiện đại cần thiết vừa phải đảm bảo tốc độ di chuyển vừa phải đảm bảo khả năng an toàn là nhu cầu cần thiết và dẫn tới việc phải hoàn thiện.
    Để hình thành một chiếc ô tô con hiện đại, hiện nay vấn đề ứng dụng cơ điện tử đang trở thành một dòng chảy không thể ngăn lại được. Song quá trình chỉ mới là bắt đầu, do vậy các kiến thức cơ bản giúp cho cán bộ kỹ thuật nhập cuộc với dòng chảy này là hết sức cấp bách.
    Mọi quan điểm truyền thống là chưa đủ, và cũng cần thay đổi để từ đó thực thi công việc kỹ thuật một cách thấu đáo nhằm đảm bảo tính chất an toàn trong vận tải, đặc biệt đối với phương tiện vận tải bằng ô tô.
    PGS.TS Nguyễn Khắc Trai, ĐHBK Hà Nội
     

Chia sẻ trang này