NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT CỦA HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH FUZZY LOGIC

--- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT CỦA HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH... Chính vì vậy, em chọ

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT CỦA HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI NÓI ĐẦU iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS TRÊN Ô TÔ 4

1.1 Mục tiêu của hệ thống phanh ABS 4

1.2 Đặc tính lốp 6

1.3 Tổng quan về lịch sử 6

1.4 Các thành phần chính của hệ thống phanh ABS 8

1.4.1 Cảm biến tốc độ bánh xe 8

1.4.2 Bộ điều khiển điện tử (ECU) 8

1.4.3 Bộ điều biến áp suất thủy lực 9

1.4.4 Phanh 11

1.5 Kết luận chương 1 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS 14

2.1 Các trạng thái hoạt động của hệ thống phanh ABS 14

2.1.1 Khi phanh bình thường (ABS không hoạt động) 14

2.1.2 Khi phanh gấp (ABS hoạt động) 15

2.2 Động lực học của xe trong quá trình phanh 18

2.2.1 Phân phối tải tĩnh 19

2.2.2 Truyền tải động trong quá trình phanh 19

2.2.3 Lực phanh riêng 20

2.2.4 Khoảng cách dừng 21

2.3 Cơ sở lý thuyết về điều hòa lực phanh 22

2.4 Chống bó cứng bánh xe (ABS) 23

2.5 Giản đồ phanh và chỉ tiêu thực tế 24

2.6 Kết luận chương 2 25

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ABS TRÊN Ô TÔ 27

3.1 Khái niệm điều khiển ABS 27

3.2 Điều khiển bằng fuzzy logic 28

3.2.1 Fuzzy logic 28

3.2.2 Hộp công cụ logic mờ trong Matlab 30

3.2.3 Các ứng dụng của logic mờ trong các hệ thống điều khiển hiện đại 32

3.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ cho mô hình ABS 34

3.3.1 Làm mờ đầu vào 34

3.3.2 Khử mờ đầu ra 35

3.3.3 Quy tắc mờ 35

3.4 Kết luận chương 3 37

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS 39

4.1 Giới thiệu phần mềm Matlab – Simulink 39

4.1.1 Matlab – Simulink 39

4.1.2 Matlab – State flow 40

4.2 Xây dựng mô hình toán của hệ thống ABS 41

4.2.1 Mô hình xe 42

4.2.2 Mô hình bánh xe 43

4.2.3 Trượt bánh xe 44

4.2.4 Hệ số ma sát 45

4.3 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống ABS trên Simulink 46

4.3.1 Mô hình xe 46

4.3.2 Mô hình bánh xe 47

4.3.3 Độ trượt 47

4.4 Khởi chạy mô hình mô phỏng 48

4.5 Kết quả, phân tích và đánh giá 49

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53

Kết luận chung 53

Hướng phát triển 54

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 58

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam mới bắt đầu, với chiến lược phát triển của nhà nước, chính sách nội địa hoá phụ tùng ô tô trong việc sản xuất và lắp ráp ô tô tạo điều kiện cho các nhà thiết kế nghiên cứu, chế tạo các cụm, các hệ thống trên ô tô trong nước trong đó có các hệ thống nâng cao tính năng an toàn cho người sử dụng Vấn để nghiên cứu nâng cao tính năng an toàn cho người sử dụng thông qua kết cấu và điều khiển là vô cùng quan trọng

Do đường xá ngày càng được cải thiện tốt hơn, tốc độ phát triển nghành giao thông vận tải tăng nhanh cho nên tốc độ chuyển động của ô tô cũng ngày càng được nâng cao Tuy nhiên, cùng với những sự phát triển đó mật độ phương tiện

cơ giới trên đường ngày càng cao, vấn để tai nạn giao thông trên đường là vấn

đề quan tâm hàng đầu Chính vì vậy, em chọn nghiên cứu về để tài:

"Nghiên cứu hiệu suất của hệ thống chống bó cứng phanh ABS sử

dụng bộ điều khiển thông minh Fuzzy Logic"

Với tình hình hiện nay ngành công nghiệp ô tô của ta chủ yếu là lắp ráp nên để có thể độc lập chế tạo trong tương lai rất cần những nghiên cứu ứng dụng trong thực tiễn Đây là một hệ thống an toàn được ứng dụng trên ô tô, đặc biệt với ngành công nghiệp ô tô Việt Nam Mặt khác, tài liệu chuyên sâu về hệ thống của các nhà sản xuất không được công khai rộng rãi, cùng với trình độ chuyên môn chưa sâu rộng, do vậy mà việc nghiên cứu cụ thể kết cấu, cấu tạo

và nguyên lý điều khiển của hệ thống gặp nhiều khó khăn và có nhiều thiếu xót Rất mong sự phê bình, đóng góp ý kiến của các thầy trong khoa và những đọc giả quan tâm đến để tài để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Nhân đây, em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Vũ Hải Quân, người

trực tiếp hướng dẫn cùng các thầy giáo bộ môn trong khoa Công nghệ ô tô đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em trong quá trình hoàn thiện đồ án

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Cảm biến tốc độ bánh xe có vòng xung (Bosch) 8

Hình 1 2 Các chức năng điều khiển của ECU 9

Hình 1 3 Bộ điều biến áp suất thủy lực 11

Hình 1 4 Sơ đồ phanh đĩa 11

Hình 1 5 Sơ đồ phanh tang trống 12

Hình 2 1 Sơ đồ hệ thống phanh ABS 14

Hình 2 2 Chế độ phanh thường (ABS không hoạt động) 15

Hình 2 3 Chế độ tăng áp 16

Hình 2 4 Chế độ giữ áp 17

Hình 2 5 Chế độ giảm áp 18

Hình 2 6 Lực tác dụng lên xe trong trường hợp phanh trên đường thẳng 19

Hình 2 7 Đồ thị chỉ quan hệ giữa momen phanh với hệ số bám 22

Hình 2 8 Giản đồ phanh 24

Hình 3 1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mờ 30

Hình 3 2 Tích hợp hộp công cụ logic mờ trong Matlab 31

Hình 3 3 Hệ thống suy luận mờ 31

Hình 3 4 Hàm liên thuộc của hai biến đầu vào trong bộ điều khiển mờ 34

Hình 3 5 Hàm liên thuộc của biến đầu ra trong bộ điều khiển mờ 35

Hình 4 1 Mô hình xe 42

Hình 4 2 Mô hình bánh xe 43

Hình 4 3 Vùng của hệ số trượt 45

Hình 4 4 Sơ đồ khối của mô hình hệ thống ABS 46

Hình 4 5 Sơ đồ khối của mô hình xe 47

Hình 4 6 Sơ đồ khối của mô hình bánh xe 47

Hình 4 7 Khối trượt 48

Hình 4 8 Đồ thị momen phanh 49

Hình 4 9 Đồ thị độ trượt bánh xe 50

Hình 4 10 Đồ thị vận tốc xe và vận tốc bánh xe 51

Hình 4 11 Đồ thị quãng đường phanh 51

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Tiêu chuẩn về hiệu quả phanh (Bộ GTVTVN, 1995) 25

Bảng 3 1 Luật điều khiển mờ cho mô hình mô phỏng ABS 37

Bảng 4 1 Thông số mô phỏng cho hệ thống ABS 48Bảng 4 2 So sánh khi có ABS sử dụng bộ điều khiển Fuzzy Logic và khi không

có ABS 52

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1 ABS Anti-lock Braking System Hệ thống chống bó cứng

phanh

2 ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử

3 ESP Electronic Stability

Program

Cân bằng điện tử

4 FLC Fuzzy Logic Control Điều khiển logic mờ

5 FMVSS Federal Motor Vehicle

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Hệ thống phanh là hệ thống an toàn chủ động quan trọng trên ô tô, dùng

để giảm tốc độ hay dừng và đỗ ô tô trong những trường hợp cần thiết Vận tốc

và tải trọng của xe tải ngày càng cao nên yêu cầu đặt ra với hệ thống phanh cũng càng phải có hiệu quả càng cao và nghiêm ngặt hơn Bên cạnh đó cần phải tăng tính năng ổn định hướng chuyển động cho xe trong quá trình phanh, đặc biệt là khi phanh gấp Hiệu quả phanh và ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó việc điều khiển quá trình phanh là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất

Tai nạn giao thông ngày càng có nhiều diễn biến hết sức phức tạp, số vụ tai nạn ngày càng tăng nên tính cấp thiết là phải nâng cao kỹ thuật cho xe cơ giới nói chung và cho ô tô nói riêng

Do tầm quan trọng của hệ thống phanh trên ô tô về sự an toàn giao thông trong quá trình hoạt động mà việc nghiên cứu để nâng cao kỹ thuật xử lí cho hệ thống phanh mà em đã chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu suất của hệ thống chống

bó cứng phanh ABS sửa dựng bộ điều khiển thông minh Fuzzy Logic”

Mục tiêu nghiên cứu

- Hiểu rõ cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS trên ô tô hiện nay Và tiếp cận được một số công nghệ được áp dụng cho hệ thống phanh trong tương lai

- Nắm được các cơ sở lý thuyết của hệ thống phanh ABS, ứng dụng các phần mềm mô phỏng để khảo sát các thông số của hệ thống phanh trong quá trình phanh, việc ứng dụng các phần mềm chuyên dụng trong mô phỏng và thiết

kế có ý nghĩa hết sức quan trọng, thông qua nghiên cứu cần nắm bắt và có khả năng sử dụng phần mềm Matlab – Simulink

- Tìm hiểu và tiếp cận với việc thiết kế một bộ điều khiển cho hệ thống phanh ABS Từ đó hiểu được thêm phần nào về các ngôn ngữ điều khiển, các thuật toán điều khiển và đặc biệt là điều khiển thông minh được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô nói riêng và ngành công nghiệp Việt Nam nói chung

- Xây dựng được mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS trên ô tô với một bộ điều khiển mới được sử dụng (Logic mờ)

- Đưa ra được các kết quả đánh giá hiệu suất của hệ thống phanh (thời gian phanh, quãng đường phanh,…)

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cơ sở lý thuyết, bộ điều khiển fuzzy logic, hệ thống chống bó cứng phanh ABS trên ô tô

Phạm vi nghiên cứu của đề tài :

- Nghiên cứu tại trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

- Nghiên cứu được thực hiện trong 9 tuần từ 21/03/2022 đến 16/05/2022

- Trong nghiên cứu này tôi quan tâm chủ yếu đến việc xây dựng bộ điều khiển fuzzy logic và xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống chống bó cứng phanh phanh ABS trên phần mềm Matlab-Simulink

Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

Hiện nay trong nước có nhiều doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô sử dụng

hệ thống phanh ABS với sản lượng ngày càng tăng Tuy nhiên hệ thống ABS đang được nhập khẩu nguyên bộ nên phụ thuộc nhiều vào các hãng sản xuất ở nước ngoài, làm tăng giá thành sản xuất, lắp ráp Do đó, việc nghiên cứu hệ thống phanh ABS để từng bước nghiên cứu chế tạo, thay thế các cụm chi tiết trong hệ thống ABS của các hãng có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp ô tô và công nghiệp phụ tùng, phụ trợ trong nước, giúp nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh cho các sản phẩm ô tô chế tạo, lắp ráp trong nước

Đồ án đã giải quyết được các vấn đề: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS, xây dựng được một thuật toán điều khiển hệ thống theo tỷ

số trượt bánh xe với mặt đường và tốc độ thay đổi trượt; Thông qua bước xây dựng cơ sở lý thuyết, xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống trên phần mềm Matlab – Simulink, đồ án đánh giá được gần đúng đặc tính của hệ thống ABS, sơ bộ đánh giá được hiệu suất của hệ thống phanh khi có và không

có ABS Đây là các vấn đề có tính khoa học, là cơ sở cho các nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo của hệ thống ABS

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG

PHANH ABS TRÊN Ô TÔ

Hệ thống chống bó cứng phanh (Antilock Braking System-ABS) là một thành phần quan trọng của xe hơi hiện đại Hệ thống ABS đầu tiên được phát triển cho ngành công nghiệp máy bay Hệ thống ABS trên ô tô đã được triển khai vào năm 1972 ở Anh Jensen Interceptor trở thành chiếc ô tô sản xuất đầu tiên cung cấp một Maxaret-based ABS, mục tiêu chính của hệ thống điều khiển

là ngăn chặn tình trạng bó cứng bánh xe Hầu hết các bộ điều khiển ABS hiện

có trên thị trường đều dựa trên bảng và chuyển tiếp dựa trên nguồn cấp dữ liệu,

sử dụng các bộ truyền động thủy lực để cung cấp lực phanh Ngày nay, mục tiêu điều khiển thay đổi để duy trì độ trượt của lốp được chỉ định thay vì chỉ ngăn chặn bánh xe bị bó cứng Độ trượt điểm đặt được cho là do cấp cao hơn trong hệ thống phân cấp (ví dụ: hệ thống ESP) cung cấp và có thể được sử dụng

để ổn định động lực lái của ô tô khi phanh Điều này có thể ngụ ý các điểm đặt trượt khác nhau cho mỗi bánh xe

Nó chỉ ra rằng nhiệm vụ kiểm soát trượt không phải là nhỏ, một trong những lý do chính là số lượng cao của sự không chắc chắn liên quan Hầu hết

sự không chắc chắn phát sinh từ ma sát giữa lốp xe và mặt đường Ngoài ra, đặc tính đường lốp rất phi tuyến tính Một vấn đề đặc biệt phát sinh do sự thay đổi nhanh chóng của các điều kiện bề mặt trong khi phanh (ví dụ: vết ướt trên

bề mặt khô) Một vấn đề khác được đặt ra là do sự xáo trộn của vận tốc góc của bánh xe do sự bất thường của đường Việc hệ thống ABS hiểu sai những nhiễu động đó có thể làm giảm hiệu suất phanh của xe trên đường không bằng phẳng

1.1 Mục tiêu của hệ thống phanh ABS

Hệ thống chống bó cứng phanh ngăn chặn hiện tượng bó cứng phanh trong quá trình phanh Trong điều kiện phanh bình thường, người lái điều khiển phanh Tuy nhiên, trên đường trơn trượt hoặc trong quá trình phanh gấp, khi người lái làm cho bánh xe gần bị bó cứng, hệ thống chống bó cứng sẽ hoạt động ABS điều chỉnh áp suất đường phanh độc lập với lực bàn đạp, để đưa tốc

độ bánh xe trở lại phạm vi mức trượt cần thiết cho hiệu suất phanh tối ưu Hệ thống chống bó cứng bao gồm bộ điều biến thủy lực, cảm biến tốc độ bánh xe

và bộ điều khiển điện tử ABS là một hệ thống kiểm soát phản hồi điều chỉnh

áp suất phanh để phản ứng với sự giảm tốc của bánh xe và vận tốc góc của bánh

xe để ngăn chặn việc khóa bánh xe được điều khiển Hệ thống sẽ tắt khi tốc độ

xe dưới ngưỡng cài đặt trước [9]

Các mục tiêu của hệ thống chống bó cứng gấp ba lần: giảm khoảng cách dừng, cải thiện độ ổn định và cải thiện khả năng điều khiển trong quá trình phanh

Khoảng cách dừng: Quãng đường dừng lại là một gia tốc của vận tốc ban

đầu, khối lượng của xe và lực hãm Bằng cách tăng tối đa lực phanh, khoảng cách dừng sẽ được giảm thiểu nếu tất cả các yếu tố khác không đổi Tuy nhiên, trên tất cả các loại bề mặt, ở mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn, đều tồn tại một đỉnh trong hệ số hư cấu Theo đó, bằng cách giữ cho tất cả các bánh xe của xe ở gần đỉnh, hệ thống chống bó cứng có thể đạt được lực ma sát tối đa và do đó, khoảng cách dừng tối thiểu Tuy nhiên, mục tiêu này của hệ thống chống bó cứng được khắc phục bởi nhu cầu về độ ổn định và khả năng hoạt động của xe

Tính ổn định: Mặc dù giảm tốc và dừng xe cấu thành mục đích chính của

hệ thống phanh, nhưng lực hư cấu tối đa có thể không được mong muốn trong mọi trường hợp, ví dụ không phải nếu xe đang ở trên bề mặt được gọi là phân chia p (ví dụ như nhựa đường và băng), chẳng hạn như rằng lực phanh có thể đạt được ở một bên của xe nhiều hơn đáng kể ở bên kia Việc tác động lực phanh tối đa lên cả hai bên sẽ dẫn đến một mô men chệch hướng có xu hướng kéo xe về phía có ma sát cao và góp phần gây ra sự mất ổn định của xe, đồng thời buộc người điều khiển phải điều chỉnh tay lái quá mức để chống lại mô men lệch [9] Nếu một hệ thống chống bó cứng có thể duy trì độ trượt của cả hai bánh sau ở mức tương ứng với giá trị thấp hơn của hai đỉnh hệ số giả định

(chọn mức thấp), thì lực bên là hợp lý, mặc dù không tối đa Điều này góp phần vào sự ổn định và là một mục tiêu của hệ thống chống bó cứng

Khả năng điều chỉnh: Kiểm soát tốt lực ma sát đỉnh là cần thiết để đạt

được lực bên thỏa đáng và do đó, khả năng theo dõi đạt yêu cầu Khả năng điều khiển trong khi phanh rất quan trọng không chỉ đối với các chỉnh sửa nhỏ trên đường mà còn đối với khả năng đánh lái xung quanh chướng ngại vật

1.2 Đặc tính lốp

Đặc tính của lốp đóng một vai trò quan trọng trong phản ứng phanh và lái của xe Đối với các xe được trang bị ABS, hiệu suất của lốp có ý nghĩa quan trọng Tất cả lực phanh và lực lái phải được tạo ra trong vùng tiếp xúc của lốp nhỏ giữa xe và đường Lực kéo của lốp cũng như lực bên chỉ có thể được tạo

ra khi có sự khác biệt giữa tốc độ của chu vi lốp và tốc độ của xe so với mặt đường Sự khác biệt này được biểu thị là trượt Người ta thường liên hệ lực hãm lốp với độ trượt phanh của lốp Sau khi đạt đến giá trị đỉnh, độ trượt của lốp tăng lên làm giảm hệ số ma sát giữa lốp và đường ABS phải giới hạn độ trượt đến các giá trị dưới giá trị đỉnh để ngăn bánh xe bị khóa Lốp có điểm hư cấu cao nhất đạt được mức hư cấu tối đa ở mức trượt từ 10 đến 20% Giá trị trượt tối ưu giảm khi ma sát giữa lốp và đường giảm

1.3 Tổng quan về lịch sử

Sự phát triển của phanh ABS, một trong những tính năng an toàn thực sự nổi bật, đã dẫn đến Dunlop "Maxaret" cho máy bay vào năm 1952 Năm 1972 tại Anh, ô tô Jensen Interceptor trở thành chiếc ô tô sản xuất đầu tiên cung cấp ABS dựa trên Maxaret sử dụng trục các đăng cảm biến tốc độ và khớp nối nhớt

Ở Hoa Kỳ, các nhà sản xuất xe đã làm việc với các nhà sản xuất phanh khác nhau để phát triển hệ thống ABS Năm 1969, Hệ thống chống bó cứng phanh ABS chỉ dành cho bánh sau do Ford và Kelsey Hayes phát triển đã được cung cấp trên Thunderbird Chrysler và Bendix đã sản xuất hệ thống chống bó cứng phanh ABS bốn bánh cho chiếc Imperial thập niên 71 General Motors cũng

cung cấp hệ thống phanh ABS trên một số mẫu xe sang của họ vào giữa những năm 1970 Ví dụ, ABS đã có mặt trên GM Eldorado, Toronado, Cadillac Deville và Fleetwood từ năm 1976 đến năm 1982

Tất cả các nhà sản xuất ABS vào đầu những năm 70 đều sử dụng các thành phần hiện đại, bao gồm chân không làm nguồn năng lượng và thiết bị điện tử tương tự Việc phát triển các nguồn năng lượng áp suất cao bao gồm cả bộ tích lũy đang được tiến hành ở Châu Âu Những thiếu sót cơ bản của hệ thống phanh ABS ban đầu là độ tin cậy thấp của hệ thống điện tử và ở một mức độ nào đó cũng có tốc độ vòng tua thấp do những hạn chế liên quan đến nguồn chân không Những lý do này, và có thể là nhận thức của cộng đồng thấp và chi phí

bổ sung cho người mua, đã dẫn đến việc họ rút lui khỏi thị trường một cách lặng lẽ vào giữa những năm 70

Vào đầu những năm 70, Cục Quản lý Đường cao tốc và An toàn Giao thông (NHTSA) thuộc Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ đã ban hành một quy định (FMVSS 121) gián tiếp yêu cầu lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe tải và

xe moóc được trang bị phanh hơi vào năm 1975 Độ tin cậy sớm và điện tử Các vấn đề về bộ điều khiển khiến chính phủ phải sửa đổi tiêu chuẩn, loại bỏ hiệu quả yêu cầu về khóa không có bánh xe của tiêu chuẩn Nghiên cứu của NHTSA cho thấy các nguyên nhân sau gây ra sự cố của ABS: 41% cảm biến, 16% van, 8% máy tính, 3% lắp đặt sai, 1% kết nối điện, 30% nhiễu sóng điện từ

Ở Châu Âu trong những năm đầu và giữa những năm 1970, các nhà cung cấp phanh và điện tử đã phát triển thiết bị điện tử kỹ thuật số thay đổi từ các thành phần tương tự sang bộ vi xử lý Điều này dẫn đến sự ra đời của Bosch ABS đầu tiên trên xe chở khách của Mercedes vào năm 1978 Hệ thống bổ trợ bốn bánh này được lắp đặt trong hệ thống phanh tăng cường thủy lực hoặc chân không hiện có BMW và những người khác theo sau ngay sau đó Các nhà sản xuất xe và phanh Nhật Bản đã giới thiệu hệ thống phanh ABS dựa trên hệ thống của Bosch cũng như thiết kế của riêng họ vào giữa những năm 80 Bosch ABS

đã được sử dụng trên Corvette '86 và Cadillac Allante Năm 1984, hệ thống ABS tích hợp do ITT-Teves sản xuất đã được giới thiệu trên Lincoln Mark VII tại Hoa Kỳ và vào năm 1985, là trang bị tiêu chuẩn trên Ford Scorpio ở Đức

Hệ thống tích hợp Teves kết hợp bộ trợ lực thủy lực dẫn động ABS và xi lanh chính thành một khối Hệ thống Teves ABS cũng đã có trên những chiếc xe sang trọng của GM vào năm 1986

1.4 Các thành phần chính của hệ thống phanh ABS

1.4.1 Cảm biến tốc độ bánh xe

Xe bán tải xung hiệu ứng điện từ hoặc hiệu ứng Hall có bánh răng gắn trực tiếp trên các bộ phận quay của hệ thống truyền động hoặc trục bánh xe Khi bánh xe quay bánh răng (vòng xung) tạo ra điện áp xoay chiều tại cảm biến tốc

độ bánh xe Hiệu điện thế tỷ lệ thuận trực tiếp với tốc độ quay của bánh xe

Hình 1 1 Cảm biến tốc độ bánh xe có vòng xung (Bosch)

1.4.2 Bộ điều khiển điện tử (ECU)

Bộ phận điều khiển điện tử nhận, khuếch đại và lọc các tín hiệu cảm biến

để tính toán tốc độ quay và gia tốc của bánh xe Đơn vị này cũng sử dụng tốc

độ của hai bánh xe đối diện theo đường chéo để tính toán ước tính tốc độ của

xe Độ trượt ở mỗi bánh xe được tính bằng cách so sánh tốc độ tham chiếu này với tốc độ của các bánh xe riêng lẻ Các tín hiệu "bánh xe tăng tốc" và "bánh

xe trượt" dùng để cảnh báo ECU về bất kỳ xu hướng khóa nào Các vi máy tính

phản ứng với cảnh báo như vậy bằng cách gửi tín hiệu để kích hoạt các van điều khiển áp suất của bộ điều biến áp suất để điều chỉnh áp suất phanh trong các xi lanh phanh bánh xe riêng lẻ

ECU cũng tích hợp một số tính năng để nhận dạng lỗi cho toàn bộ hệ thống ABS (cảm biến tốc độ bánh xe, bản thân ECU, van điều khiển áp suất, dây đai) ECU phản ứng với một khiếm khuyết hoặc lỗi đã được nhận biết bằng cách tắt

bộ phận bị trục trặc của hệ thống hoặc tắt toàn bộ ABS

Hình 1 2 Các chức năng điều khiển của ECU

1: Cảm biến tốc độ bánh xe

2: Xylanh phanh bánh xe

3: áp suất dầu phanh

1.4.3 Bộ điều biến áp suất thủy lực

Bộ điều biến áp suất thủy lực là một thiết bị điện thủy lực để giảm, giữ và khôi phục áp suất của phanh bánh xe bằng cách điều khiển các van điện từ trong

hệ thống phanh thủy lực Nó tạo thành liên kết thủy lực giữa xi lanh chủ phanh

và xi lanh phanh bánh xe Bộ điều biến thủy lực được lắp trong khoang động

cơ để giảm thiểu chiều dài của các đường tới xi lanh chủ phanh và xi lanh phanh

bánh xe Tùy thuộc vào thiết kế, thiết bị này có thể bao gồm một máy bơm, cụm động cơ, bộ tích lũy và bình chứa

áp lực thêm từ bàn đạp phanh Chức năng thứ ba của các van này là giảm lượng

áp suất thủy lực tại hệ thống phanh Điều này được thực hiện bằng cách mở các van để cho phép chất lỏng thủy lực thoát ra khỏi hệ thống phanh Hệ thống bơm

và van ABS tiêu chuẩn được thể hiện trong hình 1.3

Phần lớn các sự cố xảy ra với hệ thống van là do van bị tắc Khi một van

bị tắc, nó không thể mở, đóng hoặc thay đổi vị trí Một van không hoạt động sẽ ngăn hệ thống điều chỉnh các van và kiểm soát áp suất cung cấp cho phanh

1.4.3.2 Bơm

Bơm trong hệ thống ABS được sử dụng để khôi phục áp suất cho phanh thủy lực sau khi các van đã nhả nó Tín hiệu từ bộ điều khiển sẽ nhả van khi phát hiện bánh xe trượt Sau khi van xả áp suất được cung cấp từ người dùng, máy bơm được sử dụng để khôi phục một lượng áp suất mong muốn cho hệ thống phanh Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh trạng thái máy bơm để cung cấp lượng áp suất mong muốn và giảm hiện tượng trượt Hệ thống bơm được thể hiện trong hình 1.3

Hình 1 3 Bộ điều biến áp suất thủy lực

1.4.4 Phanh

1.4.4.1 Phanh đĩa

Hình 1.3 cho thấy một sơ đồ của một phanh đĩa Trong loại phanh này, một lực được tác dụng lên cả hai mặt của rôto và tác dụng phanh đạt được thông qua tác động ma sát của má phanh trong và má phanh ngoài đối với rôto Các miếng đệm được chứa trong thước cặp (không được hiển thị), cũng như xi lanh bánh xe Mặc dù không phải là loại phanh có hệ số khuếch đại cao, phanh đĩa

có ưu điểm là cung cấp khả năng phanh tương đối tuyến tính với độ nhạy thấp hơn so với phanh tang trống

Hình 1 4 Sơ đồ phanh đĩa

Lực tác dụng lên rôto bởi các miếng đệm là một hàm của áp suất thủy lực trong hệ thống phanh và của diện tích xi lanh bánh xe (hoặc các xi lanh, như thiết kế quy định) Mômen phanh tĩnh có thể được tính theo công thức sau:

Hình 1 5 Sơ đồ phanh tang trống

Phương trình mômen phanh tĩnh được trình bày trước đây đối với phanh đĩa, có thể áp dụng tương tự cho phanh tang trống với những thay đổi theo thiết

kế cụ thể đối với bán kính phanh tang trống và hệ số hiệu quả Theo thiết kế, bán kính phanh của phanh tang trống là một nửa đường kính tang trống Hệ số hiệu quả thể hiện sự khác biệt chính về chức năng giữa phanh tang trống và

phanh đĩa; hình dạng hình học của phanh tang trống có thể cho phép một thời điểm được tạo ra bởi lực hư cấu lên guốc theo cách làm xoay nó so với tang trống và tăng lực ma sát phát triển Hành động này có thể mang lại lợi thế cơ học làm tăng đáng kể độ lợi của phanh và hệ số hiệu quả so với phanh đĩa Việc tính toán lực phanh động cho phanh tang trống và phanh đĩa phức tạp hơn vì hệ

số ma sát của lớp lót phanh là một hàm của nhiệt độ; khi lớp lót nóng lên trong quá trình điều động phanh, hệ số ma sát hiệu quả tăng lên (đối với nhiệt độ vừa phải) và áp suất không đổi là cần thiết để duy trì mômen phanh không đổi

1.5 Kết luận chương 1

Do yêu cầu ngày càng cao về tính an toàn chuyển động và tiện nghi của

ô tô, việc nghiên cứu động lực học chuyển động ô tô nói chung, nghiên cứu chuyển động của xe và phát triển các hệ thống điều khiển tính an toàn khi chuyển động của xe nói riêng luôn được các nhà khoa học và các hãng sản suất

ô tô trên thế giới dành sự quan tâm đặc biệt Có thể nói, trên thế giới việc nghiên cứu hệ thống chống bó cứng phanh ABS đã phát triển tương đối hoàn thiện nhưng vì nhiều lý do khác nhau mà các kết quả nghiên cứu chưa công bố một cách đầy đủ, chủ yếu mang tính chất giới thiệu, vì vậy việc ứng dụng vào sản xuất ô tô trong nước còn hạn chế

Đối với nước ta xuất phát từ yêu cầu thực tiễn và mang tính cấp thiết của ngành công nghiệp ô tô đòi hỏi nhanh chóng làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại, tiến tới tự chủ khai thác, sửa chữa và sản xuất chế tạo các cụm – tổng thành,

hệ thống trong đó có hệ thống chống bó cứng phanh ABS Tuy đã có khá nhiều công trình nghiên cứ về hệ thống chống bó cứng phanh ABS, nhưng cho đến nay các kết quả nghiên cứu đó chưa đáp ứng được yêu cẩu thiết kế, chế tạo các cụm – tổng thành, hệ thống, chi tiết nhằm nâng cao chất lượng ô tô lắp ráp và sản xuất trong nước Với yêu cầu đó, nội dung nghiên cứu của đồ án có thể làm

cơ sở cho các đề tài tiếp theo về điều khiển hệ thống chống bó cứng phanh ABS

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG

PHANH ABS 2.1 Các trạng thái hoạt động của hệ thống phanh ABS

Sơ đồ (Hình 2.1) thể hiện sự hoạt động của một bộ chấp hành thuỷ lực loại

4 van điện 3 vị trí Hai van điện điều khiển độc lập hai bánh trước trong khi hai van còn lại điều khiển đồng thời hai bánh sau Vì vậy cơ cấu này gọi là ABS 3 kênh [3]

Hình 2 1 Sơ đồ hệ thống phanh ABS

2.1.1 Khi phanh bình thường (ABS không hoạt động)

Khi phanh xe ở tốc độ chậm (dưới 8 km/h hay 12,25km/h tuỳ từng loại xe) hay rà phanh trong trường hợp này ABS không hoạt động và ECU không gửi dòng điện đến cuộn dây của van địên từ Do đó, van 3 vị trí bị ấn xuống bởi

lò xo hồi vị và cửa A vẫn mở trong khi cửa B vẫn đóng (hình 2.2) Dầu phanh

từ xylanh chính qua cửa A đến cửa C trong van điện 3 vị trí rồi tới xylanh bánh

xe Dầu phanh không vào được bơm bởi van một chiều số 1 gắn trong mạch

bơm Khi nhả chân phanh, dầu từ hồi từ xylanh chính về xylanh bánh xe qua cửa C đến cửa A và van một chiều số 3 trong van điện 3 vị trí

Hình 2 2 Chế độ phanh thường (ABS không hoạt động)

2.1.2 Khi phanh gấp (ABS hoạt động)

Nếu có bất kỳ bánh xe nào có xu hướng bị bó cứng khi phanh gấp thì bộ chấp hành thuỷ lực điêu khiển giảm áp suất dầu phanh tác dụng lên bánh xe đó theo tín hiệu từ ECU vì vậy bánh xe không bị bó cứng

Hình 2 3 Chế độ tăng áp

2.1.2.2 Chế độ giữ áp

Khi áp suất trong xylanh bánh xe giảm hay tăng, cảm biến tốc độ bánh xe gửi tín hiệu báo rằng tốc dộ bánh xe đạt đến giá trị mong muốn, ECU cấp dòng điện 2A đến cuộn dây của van điện để giữ áp suất trong bánh xe không đổi Khi dòng điện cấp cho cuộn dây của van điện từ bị giảm từ 5A (ở chế độ giảm áp) xuống còn 2A (ở chế độ giữ áp ) lực từ sinh ra trong cuộn dây cũng giảm, van điện 3 vị trí dịch chuyển xuống vị trí giữa nhờ lực của lò xo hồi vị làm cửa A

và cửa B đều đóng Lúc này bơm dầu vẫn còn làm việc

Hình 2 4 Chế độ giữ áp

Như vậy, khi cơ cấu ABS làm việc bánh xe sẽ có hiện tượng nhấp nhả khi phanh và có sự rung động nhẹ của xe, đồng thời ở bàn đạp phanh có sự rung động do dầu phanh hồi về từ bơm dầu, đây là trạng thái bình thường khi ABS làm việc

Van điện 3 vị trí như trên được sử dụng nhiều trên các xe trước đây, ngày nay kiểu van điện hai vị trí được dùng phổ biến hơn (hình 37) là sơ đồ bộ phận chấp hành ABS sử dụng 8 van điện 2 vị trí, bao gồm 4 van giữ áp suất và 4 van giảm áp suất Hoạt động cơ bản của bộ chấp hành thuỷ lực kiểu này giống như kiểu van 3 vị trí, tín hiệu điều khiển từ ECU đến các van điện dưới dạng điện

áp Ngoài ra bộ phận chấp hành phanh ABS của các xe ngày nay cũng có cải tiến thành rất nhiều loại khác nhau

2.1.2.3 Chế độ giảm áp

Khi một bánh xe gần bị bó cứng, ECU gởi dòng điện 5A đến cuộn dây của van điện từ làm sinh ra môt lực từ mạnh Van 3 vị trí chuyển động lên phía trên đóng cửa A trong khi cửa B mở

Kết quả là, dầu phanh từ xylanh bánh xe qua cửa C tới cửa B trong van điện 3 vị trí và chảy về bình dầu Cùng lúc đó môtor bơm hoạt động nhờ tín hiệu điện áp 12V từ ECU, dầu phanh được hồi trả về xylanh phanh chính từ bình chứa Mặt khác cửa A đóng ngăn không cho dầu phanh từ xylanh chính vào van điện 3 vị trí và van một chiều số 1 và số 3, kết quả là áp suất dầu trong xylanh bánh xe giảm ngăn không cho bánh xe bị bó cứng Mức độ giảm áp suất dầu được điều chỉnh bằng cách lặp lại các chế độ ‘giảm áp’ và ‘giữ áp’

Hình 2 5 Chế độ giảm áp

2.2 Động lực học của xe trong quá trình phanh

Với các lực tác dụng lên xe như hình 2.6, phương trình chuyển động trở thành:

-Fx1 = lực phanh dọc trục trước

-Fx2 = lực phanh dọc trục sau

Da = lực cản khí động học

Fr = lực do lực cản lăn

Hình 2 6 Lực tác dụng lên xe trong trường hợp phanh trên đường thẳng

2.2.1 Phân phối tải tĩnh

Lực pháp tuyến tĩnh trên trục trước và trục sau đối với đường bằng (xem hình 2.6):

2.2.2 Truyền tải động trong quá trình phanh

Trong quá trình phanh, truyền tải trọng động là một hàm của chiều cao trọng tâm, khối lượng của xe, chiều dài cơ sở và gia tốc a, Lực cản khí động học cũng có ảnh hưởng đến sự truyền tải trọng động Tham khảo hình 2.6 ta thấy rằng:

Khi phanh, các hệ số ma sát,  1 và 2 đều âm Nếu sử dụng độ bám như

nhau ở cả hai trục ( 1 = 2 ), thì phương trình (2.3) và (2.5) dẫn đến 1 =2

= a x / g (a x < 0) và lực phân bổ phanh 'lý tưởng' là:

Các phương trình đã trình bày chỉ ra rằng thời gian dừng lại tỷ lệ thuận với vận tốc của xe và quãng đường dừng lại tỷ lệ với bình phương vận tốc của

xe nếu giảm tốc là hằng số

2.3 Cơ sở lý thuyết về điều hòa lực phanh

Để hiệu quả phanh đạt giá trị cao nhất thì lực phanh sinh ra ở các bánh xe trước Fx1 và bánh xe sau Fx2 theo phương trình 2.16

Hình 2 7 Đồ thị chỉ quan hệ giữa momen phanh với hệ số bám

Mô men phanh ở bánh xe tỷ lệ thuận với áp suất trong dẫn động phanh theo phương trình 2.18

Mx1 = k1.p1dđ

(2.18)

Mx2 = k2.p2dđ

Trong đó

p1dđ - áp suất trong dẫn động ở cơ cấu phanh trước

p2dđ - áp suất trong dẫn động ở cơ cấu phanh sau

k1 và k2 - hệ số tỷ lệ tương ứng với phanh trước và phanh sau

Để đảm bảo phanh lý tưởng thì áp suất dẫn động ra cơ cấu phanh trước

p1dđ và áp suất dẫn động ra cơ cấu phanh sau p2dđ cần thỏa mãn điều kiện [1]:

x x

2.4 Chống bó cứng bánh xe (ABS)

Trong quá trình phanh sẽ có sự trượt tương đối λ0 giữa bánh xe với mặt đường Bộ chống bó cứng bánh xe khi phanh giữ cho bánh xe ở độ trượt thay đổi trong phạm vi hẹp xung quanh giá trị λ0 trong suốt quá trình phanh và thực hiện bằng cách điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh dẫn tới các bánh xe

p1dđ và p2dđ [1]

Các hệ thống chống bó cứng bánh xe sử dụng các nguyên lý điều chỉnh như sau:

- Điều chỉnh theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh

- Điều chỉnh theo giá trị độ trượt cho trước

- Điều chỉnh theo giá trị của vận tốc góc của bánh xe với gia tốc chậm dần của nó

Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe ngày nay thường dùng nguyên lý điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh theo gia tốc chậm dần của bánh xe và

ở các bánh xe có cảm biến vận tốc góc [1]

2.5 Giản đồ phanh và chỉ tiêu thực tế

Giản đồ phanh là đồ thị chỉ mối quan hệ giữa lực phanh PP (hoặc mô men phanh MP) với thời gian phanh t, hình 2.8

Thời gian t1 thường nằm trong giới hạn từ 0,3 ÷ 0,8s

t2 - Thời gian chậm tác dụng của dẫn động phanh, tức là từ lúc người lái bắt đầu tác dụng vào bàn đạp phanh tới khi má phanh áp sát vào trống phanh Với phanh dầu t2 = 0,03s và đối với phanh khí t2 = 0,3s

t3 - Thời gian tăng lực phanh hoặc tăng gia tốc chậm dần Với phanh dầu

t3 = 0,2s và đối với phanh khí t3 = 0,5 ÷ 1s