Mô phỏng hệ thống phanh ABS-TCS

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU2 DANH MỤC CÁC HÌNH3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN7 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT9 2.1. Tổng quan về hệ thống ABS (Anti- Lock Brake System)9 2.1.1. Giới thiệu ABS9 2.1.2. Tính cần thiết của hệ thống9 2.2.1. Giới thiệu TCS10 2.2.2. Tính cần thiết của TCS10 2.3.1. Đặc điểm quá trình phanh ô tô11 2.3.2. Các tiêu chí đánh giá hiệu quả quá trình phanh11 2.3.2.1. Thời gian phanh11 2.3.2.2. Gia tốc chậm dần khi phanh12 2.3.2.3. Quãng đường phanh12 2.3.2.4. Lực phanh và lực phanh riêng13 2.3.3. Hệ số trượt13 2.3.4. Hệ số bám và lực bám17 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN SIMULINK20 3.2.1. Xây dựng mô hình hệ thống ABS21 3.2.2. Mô hình hóa hệ thống ABS Matlab Simulink22 3.3.1. Xây dựng mô hình của hệ thống TCS25 3.3.2. Mô hình hóa hệ thống TCS Matlab Simulink26 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM SIMULINK/CARSIM..30 4.1.1. Mô phỏng ABS trên đường có 2 hệ số bám khác nhau30 4.1.1.1. Các bước thiết lập30 4.1.1.2. Phân tích đồ thị kết quả đạt được37 4.1.2. Mô phỏng ABS khi xe chạy với vận tốc 120km/h vào cua và phanh39 4.1.2.1. Các bước thiết lập39 4.1.2.2. Phân tích đồ thị kết quả đạt được42 4.1.3. Mô phỏng ABS khi xe đi trên đường, đột ngột gặp vật cản, phanh và đánh lái tránh vật cản44 4.1.3.1. Các bước thiết lập44 4.1.3.2. Phân tích đồ thị kết quả đạt được48 4.2.1. Mô phỏng hệ thống TCS trên đường có 2 hệ số bám khác nhau51 4.2.1.1. Các bước thiết lập51 4.2.1.2. Phân tích đồ thị kết quả đạt được55 4.2.2. Mô phỏng xe có TCS và không có TCS chạy trên đường dốc có hệ số bám 0.359 4.2.2.1. Các bước thiết lập59 4.2.2.2. Phân tích kết quả đạt được62 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ67 TÀI LIỆU THAM KHẢO68

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO MÔN HỌC

ANTILOCK-BRAKING SYSTEM AND TRACTION

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2021

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và rèn luyện tại môi trường đại học chúng em đã học được rấtnhiều kiến thức bổ ích về chuyên môn lẫn kiến thức cuộc sống từ các thầy cô, chúng emđược các quý thầy cô tân tình chỉ dạy và giúp đỡ trong quá trình học tập Từ những kiến thức

mà các quý thầy cô chỉ dạy giúp chúng em có cơ sở nền tảng để hoàn thành Báo cáo cuối kỳmột cách tốt đẹp

Nhóm chúng em đặc biệt gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn đề tài, ngườithầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều khiện, động viên và giúp đỡ chúng em rất nhiều

về mặt tinh thần cũng như kiến thức để chúng em vượt qua những ngày tháng khó khăntrong sự tìm tòi hiểu biết về lĩnh vực mới, kiến thức mới để rồi cuối cùng hoàn thành đượcBáo cáo môn học ngày hôm nay

Mặc dù đã rất cố gắng và nỗ lực nhiều, nhưng vốn kiến thức hạn chế của chúng emcũng như thời gian nghiên cứu là có hạn nên những thành quả đạt được không tránh khỏinhững thiếu sót Do đó chúng em kính mong nhận được những sự đóng góp, chỉ dạy của quýthầy cô để chúng em hoàn thiện đồ án được tốt hơn

ABS: Anti- Lock Brake System

TCS: Traction Control System

ESC: Electronic Stability Control

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Lăn có trượt quay 15

Hình 2.2 Lăn có trượt lết 16

Hình 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám 19

Hình 3.1 ON/OFF controller with dead band 20

Hình 3.2 Mô hình hệ thống phanh ABS 21

Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển hệ thống ABS 22

Hình 3.4 Khối Process 22

Hình 3.5 Đầu vào khối Process 22

Hình 3.6 Đầu ra khối Process 23

Hình 3.7 Sơ đồ khối Controller 23

Hình 3.8 Thông số khối Relay 24

Hình 3.9 Thông số khối Speed limit 24

Hình 3.10 Sơ đồ khối Actuator 24

Hình 3.11 Mô hình hệ thống TCS 25

Hình 3.12 Sơ đồ khối bộ điều khiển hệ thống TCS 26

Hình 3.13 Khối Process 26

Hình 3.14 Đầu vào khối Process 27

Hình 3.15 Đầu ra khối Process 27

Hình 3.16 Khối Controller 27

Hình 3.17 Sơ đồ khối tính toán độ trượt và kiểm soát vận tốc xe 28

Hình 3.18 Sơ đồ tính áp suất phanh đến các bánh xe 28

Hình 3.19 Khối xử lý tín hiệu ESC 28

Hình 4.1 Tạo dataset mới ABS 30

Hình 4.2 Thay đổi các thông số 31

Hình 4.3 Thay đổi bộ điểu khiển Simulink 31

Hình 4.4 Thay đổi đường dẫn Simulink 32

Hình 4.5 Các chân input ABS 32

Hình 4.6 Các chân output ABS 32

Hình 4.7 Copy and link thông số xe 33

Hình 4.8 Copy and link phương thức vận hành 33

Hình 4.9 Phương thức vận hành 34

Hình 4.10 Thiết lập loại đường 35

Hình 4.11 Thiết lập xe ABS 35

Hình 4.12 Thiết lập xe không có ABS 36

Hình 4.13 Thực hiện chạy và so sánh 36

Hình 4.14 Đồ thị vận tốc mỗi bánh xe 37

Hình 4.15 Đồ thị áp suất phanh mỗi bánh xe 38

Hình 4.16 Đồ thị hệ số trượt ở các bánh xe của xe có ABS và không ABS 39

Hình 4.17 Thiết lập phương thức vận hành 40

Hình 4.18 Thiết lập vị trí xuất phát 40

Hình 4.19 Thiết lập thời gian bắt đầu phanh 41

Hình 4.20 Thực hiện chạy và so sánh 41

Hình 4.21 Đồ thị vận tốc xe, các bánh xe của hai xe ABS và không ABS 42

Hình 4.22 Đồ thị áp suất phanh từng bánh xe của 2 xe ABS và không ABS 42

Hình 4.23 Đồ thị hệ số trượt các bánh xe của xe có ABS và không ABS 43

Hình 4.24 Đồ thị hệ số trượt các bánh xe của xe có ABS 44

Hình 4.25 Tạo dataset mới 45

Hình 4.26 Thiết lập các thông số 45

Hình 4.27 Thiết lập thời gian phanh 46

Hình 4.28 Thiết lập đánh lái 46

Hình 4.29 Thiết lập dạng đường 47

Hình 4.30 Thiết lập tọa độ vật cản 47

Hình 4.31 Đồ thị vận tốc xe, bánh xe của hai xe ABS và không ABS 49

Hình 4.32 Đồ thị áp suất phanh từng bánh xe của hai xe có ABS và không có ABS 50

Hình 4.33 Đồ thị hệ số trượt các bánh xe của hai xe có ABS và không có ABS 51

Hình 4.34 Đồ thị hệ số trượt các bánh xe có ABS trong khoảng 4,2 đến 6,8 giây 51

Hình 4.35 Tạo dataset TCS mới 52

Hình 4.36 Thiết lập các thông số 53

Hình 4.37 Tạo dataset xe không có TCS 54

Hình 4.38 Đồ thị momen của hai xe với chế độ mở hoàn toàn bướm ga 55

Hình 4.39 Đồ thị vận tốc các bánh xe, xe của hai xe chế độ mở hoàn toàn bướm ga 56

Hình 4.40 Đồ thị áp suất phanh từng bánh xe với chế độ mở hoàn toàn bướm ga 56

Hình 4.41 Đồ thị hệ số trượt từng bánh xe của hai xe TCS và không TCS 58

Hình 4.42 Đồ thị hệ số trượt từng bánh xe của xe TCS 58

Hình 4.43 Tạo dataset mới 59

Hình 4.44 Thiết lập điều chỉnh dạng đường 60

Hình 4.45 Thiết lập Driver Controls 61

Hình 4.46 Đồ thị momen của hai xe TCS và không TCS 62

Hình 4.47 Đồ thị vận tốc các bánh xe, xe của hai xe TCS và không TCS 63

Hình 4.48 Đồ thị áp suất phanh từng bánh xe của 2 xe TCS và không TCS 63

Hình 4.49 Đồ thị hệ số trượt từng bánh xe của 2 xe TCS và không TCS 65

Hình 4.50 Đồ thị hệ số trượt từng bánh xe của xe có TCS 65

Hình 5.1 Vòng mở hệ thống cảnh báo điểm mù 69

Hình 5.2 Vòng kín hệ thống nâng hạ kính 69

Hình 5.3 Phân tích lực trên xe 70

Hình 5.4 Chọn thông số ban đầu Matlab Simulink 71

Hình 5.5 Đồ thị vận tốc 72

Hình 5.6 Thay đổi đầu vào Matlab Simulink 72

Hình 5.7 Đồ thị vận tốc khi thay đổi đầu vào 73

Hình 5.9 Đồ thị vận tốc khi thay đổi tham số hệ thống 74

Hình 5.10 Thay đổi đầu vào 75

Hình 5.11 Đồ thị quãng đường khi thay đổi đầu vào 75

Hình 5.12 Thay đổi các tham số hệ thống 76

Hình 5.13 Đồ thị quãng đường khi thay đổi các tham số hệ thống 76

Hình 5.14 Hệ thống MSD 77

Hình 5.15 Thay đổi giá trị lực F 78

Hình 5.16 Độ thị vị trí khi thay đổi giá trị lực F 79

Hình 5.17 Thay đổi khối lượng vật nặng m 79

Hình 5.18 Đồ thị vị trí khi thay đổi tham số hệ thống 80

Hình 5.19 Thay đổi hệ số cản b 80

Hình 5.20 Đồ thị vị trí khi thay đổi hệ số cản b 81

Hình 5.21 Thay đổi độ cứng lò xo k 81

Hình 5.22 Đồ thị vị trí khi thay đổi độ cứng k 82

Hình 5.23 Thay đổi giá trị lực F 83

Hình 5.24 Đồ thị vận tốc khi thay đổi giá trị lực F 83

Hình 5.25 Thay đổi khối lượng vật nặng m 84

Hình 5.26 Đồ thị vận tốc khi thay đổi khối lượng vật nặng m 84

Hình 5.27 Thay đổi hệ số cản b 85

Hình 5.28 Đồ thị vận tốc khi thay đổi hệ số cản b 85

Hình 5.29 Thay đổi độ cứng lò xo k 86

Hình 5.30 Đồ thị vấn tốc khi thay đổi độ cứng lò xo k 86

Hình 5.31 Thay đổi giá trị lực F 88

Hình 5.32 Đồ thị gia tốc khi thay đổi giá trị lực F 88

Hình 5.33 Thay đổi khối lượng vật nặng m 89

Hình 5.34 Đồ thị gia tốc khi thay đổi khối lượng vật nặng m 89

Hình 5.35 Thay đổi hệ số cản b 90

Hình 5.36 Đồ thị gia tốc khi thay đổi hệ số cản b 90

Hình 5.37 Thay đổi độ cứng lò xo k 91

Hình 5.38 Đồ thị gia tốc khi thay đổi độ cứng lò xo k 91

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lí do chọn đề tài

Cơ cấu phanh là cơ cấu an toàn chủ động của xe, dùng để giảm tốc độ hay dừng và đỗ

xe trong những truờng hợp cần thiết

Nền công nghiệp đang ngày càng phát triến mạnh, số luợng phương tiện giao thôngtăng nhanh, mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn Các xe ngày càng được thiết kế vớicông suất cao hơn, tốc độ chuyển động nhanh hơn thì yêu cầu đặt ra với cơ cấu phanh cũngcàng cao và nghiêm ngật hơn Một xe có cơ cấu phanh tốt, có độ tin cậy cao thì mới có khảnăng phát huy hết công suất, xe mới có khả năng chạy ở tốc độ cao, tăng tính kinh tế nhiênliệu, tính an toàn và hiệu quả vận chuyển của xe

Theo thống kê 10% số vụ tai nạn xảy ra trong trường hợp cần dừng khẩn cấp, tài xếđạp phanh mạnh đột ngột làm xe bị rê bánh và trượt đi, dẫn đến mất lái Hệ thống ABS giúpkhắc phục tình trạng này không phụ thuộc vào kỹ thuật phanh của người lái

Có tầm quan trọng như ABS, hệ thống TSC giúp xe không bị trượt khi tăng tốc cũngnhư vào những khúc cua Tuy nhiên ABS và TCS chỉ trang bị phổ biến trên ô tô và xe phânkhối lớn những năm gần đây các nhà sản xuất bắt đâug trang bị trên các xe máy phổ thông

Ở VN tai nạn giao thông ngày một gia tăng cả về số vụ và tính chất nguy hiểm Trênthế giới cũng có nhiều diễn biến hết sức phức tạp, số vụ tai nạn ngày càng tăng nên tính cấpthiết là phải nâng cao tính kỹ thuật cho xe cơ giới là rất quan trọng

Do tầm quan trọng của hệ thống phanh về sự an toàn giao thông trong quá trình hoạtđộng mà việc nghiên cứu để nâng cao kỹ thuật xử lí cho hệ thống phanh mà nhóm đã tìmhiểu về hệ thống phanh ABS và hệ thống kiểm soát lực kéo TCS.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu cách thức hoạt động qua mô phỏng trên Carsim Thông qua đó sử dụng Matlab Simulink để triển khai và cải tiến sơ đồ hệ thống

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu quá trình điều khiển của hệ thống ABS (Anti-lock Braking System) vàTCS (Traction Control System), các ảnh hưởng của hệ số bám và các yếu tố khác đến hệthống trên ô tô

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Mô phỏng và diễn tả quá trình làm việc của hệ thống chống bó cứng bánh xe bằngCarsim, từ đó sử dụng Matlab Simulink để phân tích sơ đồ hệ thống, hàm truyền và các khốiliên quan Phân tích yếu tố như: vận tốc chuyển động của xe, hệ số bám bánh xe với mặtđường đến quá trình phanh

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống ABS (Anti- Lock Brake System)

2.1.1 Giới thiệu ABS

ABS (viết tắt của cụm từ Anti- Lock Brake System) - hệ thống chống bó cứng phanhhay chống khóa phanh là một trong những hệ thống an toàn được trang bị trên xe ô tô, giúp

hỗ trợ tài xế trong quá trình vận hành xe an toàn hơn

ABS là một hệ thống tự động sử dụng các nguyên tắc phanh theo ngưỡng và phanhtheo nhịp, những kỹ thuật đã từng được thực hành bởi những người lái xe thành thạo trướckhi ABS phổ biến Hiểu một cách đơn giản, hệ thống chống bó cứng phanh ABS giúp ngườilái không cần phải nhấp/nhả phanh liên tục để kiểm soát tốc độ trong các trường hợp khẩncấp mà hệ thống này sẽ tự động điều chỉnh và kiểm soát tốc độ, giúp xe không bị trượt bánhhay quay vòng ABS hoạt động với tốc độ nhanh hơn nhiều và hiệu quả hơn hầu hết các trìnhđiều khiển có thể quản lý Mặc dù ABS nói chung giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe vàgiảm khoảng cách dừng xe trên các bề mặt khô và trơn trượt, nhưng trên các bề mặt có nhiềusỏi đá hoặc tuyết, ABS có thể làm tăng đáng kể quãng đường phanh, trong khi vẫn cải thiệnkhả năng kiểm soát lái ABS hoạt động bằng cách ngăn không cho bánh xe bị bó cứng trongquá trình phanh, do đó duy trì lực kéo tiếp xúc với mặt đường và cho phép người lái duy trìkhả năng kiểm soát xe nhiều hơn

2.1.2 Tính cần thiết của hệ thống

Hiện nay nghành công nghiệp ô tô đang phát triển rất mạnh mẽ đặc biệt là tại ViệtNam, trong những năm gần đây ô tô đang ngày càng phổ biến và phù hợp với nhu cầu sửdụng của khách hàng Mọi người sử dụng ô tô với nhiều mục đích khác nhau, nhất là vậnchuyển hành khách, hàng hóa, giao thông công cộng, Nhu cầu cao dẫn đến mật độ ô tô lưuthông trên đường ngày càng cao dẫn đến tai nạn giao thông ngày càng nhiều Chính vì thế,

luôn được quan tâm của các nhà thiết kế và chế tạo ô tô nói chung Trong đó hệ thống phanhđóng vai trò rất quan trọng và ngày càng phổ biến trên các dòng xe ô tô hiện nay Để đảmbảo việc thích nghi với các điều kiện giao thông hiện nay như thời tiết, mặt đường, chướngngại vật,…tránh những tình hướng và hậu quả xảy ra đối với người điều khiển thì ABS cóvai trò cực kì quan trọng Trong đó, ABS là một trong những công nghệ an toàn bổ sung cho

hệ thống phanh hữu dụng nhất của ngành công nghiệp ô tô hiện nay Vai trò chủ yếu của hệthống ABS là giúp tài xế duy trì khả năng kiểm soát xe trong những tình huống phanh gấp.Hiện nay, hệ thống phanh càng được cải tiến, tiêu chuẩn về thiết kế, chế tạo, và sửdụng ABS cũng ngày càng nghiêm ngặt và chặt chẽ Hầu hết các dòng xe ô tô hiện nay đềuđược trang bị hệ thống chống bó cứng phanh ABS

2.2 Tổng quan về hệ thống TCS (Traction Control System)

2.2.1 Giới thiệu TCS

TCS (Traction Control System) là tên gọi thường được dùng nhất của hệ thống này,ngoài ra nó còn có các tên gọi khác như TRC, ASR, DSC tùy theo từng hãng TCS đượctrang bị phổ biến trên nhiều loại xe hoạt động chủ yếu với mục đích giúp đảm bảo độ tiếpxúc của xe (chính xác là lốp xe) với mặt đường bằng các thiết bị điện tử rất hiện đại

Hệ thống TCS được dùng để làm giảm sự trượt của bánh xe và để tăng tối đa khảnăng bám đất mà không bị trượt Hệ thống này tác động lên hệ thống thắng và động cơ đểđiều hòa lực tiếp tiếp đặt tại điểm tiếp xúc vỏ xe và mặt đường Hệ thống này không chỉdùng trong khi thắng xe mà còn dùng khi tăng tốc

Hệ thống kiểm soát lực kéo xe đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cân bằng điện

tử (ESC) Nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động kéo xe trên đường có hệ số ma sát (µ) thấp vàphát huy tối đa hệ số ma sát theo chiều dọc, TCS được sử dụng để kiểm soát tỷ lệ trượt trongphạm vi tỷ lệ trượt tối ưu bằng cách điều chỉnh momen động cơ hoặc áp lực phanh

2.2.2 Tính cần thiết của TCS

TCS hoạt động để đảm bảo xe không bị mất ma sát (giữa lốp xe và mặt đường) trongquá trình gia tốc Theo một cách khác, bạn có thể hình dung khi xe bạn tăng tốc từ một tốc

độ ổn định nào đó, TCS hoạt động để đảm bảo sự tiếp xúc lớn nhất giữa lốp xe với mặtđường, thậm chí ngay cả trong tình trạng đường xấu Bạn thử nghĩ xem nếu xe bạn khôngđược trang bị hệ thống trên thì sẽ như thế nào nếu đang đi trên đoạn đường trơn, lầy lội hayđường bị đóng băng, lúc đó xe của bạn sẽ càng bị lún sâu hơn hoặc sẽ bị trượt không ma sáttrên mặt đường.

Một mặt đường bị ướt hoặc đóng băng sẽ làm giảm đáng kể ma sát giữa lốp xe vớimặt đường Vì lốp xe là bộ phận duy nhất của xe thực sự tiếp xúc với mặt đất, nên khi xảy rahiện tượng mất ma sát đều dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng Mặt khác khi xe đượctrang bị hệ thống TCS sẽ làm giảm mất mát công suất và tiêu hao nhiên liệu không cần thiết

Hệ thống TCS giảm mômen xoắn của động cơ khi bánh xe bắt đầu trượt quay không phụthuộc vào ý định của người lái, cùng lúc đó nó điều khiển hệ thống phanh vì vậy giảmmômen truyền đến mặt đường tới một giá trị phù hợp Ở đường có hệ số ma sát thấp, chẳnghạn như đường tuyết, băng, hay đường ướt, bánh xe chủ động sẽ bị quay tại chỗ nếu xe khởihành hay tăng tốc nhanh, làm mất mát mômen chủ động và có thể làm trượt xe

Vì vậy trên các dòng xe mà không trang bị hệ thống TCS khi mà khởi hành hay tăngtốc trên các đoạn đường xấu như vậy tài xế sẽ khó kiểm soát xe, gây tiêu hao nhiên liệu hơn

Vì vậy có hệ thống TCS trên xe là rất cần thiết vì nó giúp ta dễ điều khiển xe hơn và tiếtkiệm nhiên liệu hơn khi ta điều khiển xe trong các tình huống trên

2.3 Cơ sở lý thuyết hoạt động hệ thống ABS, TCS

2.3.1 Đặc điểm quá trình phanh ô tô

Tính năng phanh hay chất lượng quá trình phanh được định lượng thông qua 2 nhómchỉ tiêu: “Hiệu quả phanh” và “Tính ổn định khi phanh”

Hiệu quả phanh đánh giá mức độ giảm tốc độ của ô tô khi người lái tác động lên cơcấu điều khiển phanh trong trường hợp phanh khẩn cấp

Tính ổn định khi phanh đánh giá khả năng duy trì quỹ đạo của ô tô theo ý muốn củangười lái trong quá trình phanh.

2.3.2 Các tiêu chí đánh giá hiệu quả quá trình phanh

2.3.2.1 Thời gian phanh

Thời gian phanh là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Thời gianphanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt Biểu thức xác định thời gian phanh nhỏ nhất:

dv g

v1: vận tốc của xe tại thời điểm bắt đầu phanh

v2: vận tốc của xe tại thời điểm kết thúc phanh

: hệ số bám

δj: hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay

2.3.2.2 Gia tốc chậm dần khi phanh

Gia tốc chậm dần khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất

lượng phanh và là đại lượng đặc trưng cho mức độ giảm tốc độ của ô tô trong quá trìnhphanh Biểu tức xác định gia tốc chậm dần khi phanh lớn nhất:

Trong đó:

: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các trọng khối quay của ô tô

j pmax: Gia tốc chậm dần khi phanh lớn nhất

2.3.2.3 Quãng đường phanh

Quãng đường phanh là chỉ tiêu đặc trưng và có ý nghĩa quan trọng nhất để đánh giáchất lượng phanh của ô tô vì quãng đường phanh cho phép người lái hình dung được vị trí xe

sẽ dừng trước chứng ngại vật mà họ phải xử trí để khỏi xảy ra tai nạn khi người lái xe phanh

ở tốc độ cao Vì vậy trong tính năng kỹ thuật của ô tô, các nhà chế tạo cho biết quãng đườngphanh của ô tô ứng với vận tốc bắt đầu phanh đã định So với các chỉ tiêu khác thì quãngđường phanh là chỉ tiêu mà người lái xe có thể nhận thức được một cách trực quan, dễ dàngtạo điều kiện cho người lái xe xử lý tốt trong khi phanh ôtô trên đường Biểu thức xác địnhquãng đường phanh nhỏ nhất:

2 1 min

Trong đó:

v1: Vận tốc chuyển động của ôtô lúc bắt đầu phanh

ϕ

: Hệ số bám

δj: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay

2.3.2.4 Lực phanh và lực phanh riêng

Lực phanh và lực phanh riêng cũng là chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Chỉ tiêu

p p

b

b pr

M F

r F F

Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt

Vận tốc chuyển động lý thuyết v0: v0 là vận tốc của xe khi chuyển động hoàn toànkhông có trượt

vo = = =

Ở đây:

Sl: Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn

t: Thời gian bánh xe đã lăn

rb: Bán kính tính tốn của bánh xe

N: Tổng số vòng quay của bánh xe

: Vận tốc góc của bánh xe

Vận tốc chuyển động thực tế v: v là vận tốc chuyển động của xe khi có tính đến ảnhhưởng của sự trượt của bánh xe với mặt đường.

v = = = Trong đó:

St: quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn

t: thời gian mà bánh xe đã lăn

rl: bán kính lăn của bánh xe

Vận tốc trượt: = vo -v

*Trường hợp bánh xe lăn có trượt quay:

Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt khi kéo :

= = 1 - Bánh xe lăn có trượt quay: Đây là trường hợp của bánh xe đang có lực kéo, khi đó tốc

độ của tâm bánh xe (tốc độ thực tế) V nhỏ hơn tốc độ lý thuyết , do vậy cực P nằm trongvòng bánh xe và rl < rb Trong vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường, theo quy luật phân

bố vận tốc sẽ xuất hiện một vận tốc trượt ngược hướng với trục x Ta có quan hệ sau:

Hình 2.1: Lăn có trượt quay

→ = = 1 (Trượt quay hoàn toàn)

*Trường hợp bánh xe lăn có trượt lết:

Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt khi phanh :

= = Trong đó:

v0: là vận tốc lý thuyết của xe

v: là vận tốc thực tế của xe

: bán kính lăn của bánh xe

: bán kính tính toán của bánh xe

Hình 2.2: Lăn có trượt lết

Ta có khi bánh xe bị trượt lết đây là trường hợp bánh xe đang được phanh Trongtrường hợp này v >v0, cực P nằm bên ngoài bánh xe và rl > rb Tại vùng tiếp xúc của bánh xevới mặt đường cũng xuất hiện tốc độ trượt nhưng hướng theo hướng dương của trục x

Ta có:

v = + vo = + =

→ = v - > 0

Mà = =

Độ bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bởi hệ số bám Tùy theo chiềucủa phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe mà hệ số bám sẽ có tên gọi khác nhau Nếu xétkhả năng bám theo chiều dọc (khi dưới bánh xe chỉ có phản lực dọc: lực kéo hoặc lựcphanh), thì hệ số bám được gọi là hệ số bám dọc và được định nghĩa như sau:

= Nếu xét khả năng bám theo chiều ngang (khi dưới bánh xe chỉ có phản lực ngangYb), thì hệ số bám được gọi là hệ số bám ngang và được định nghĩa như sau:

= Trường hợp tổng quát, khi dưới bánh xe có tác dụng đồng thời cả phản lực dọc Xb vàphản lực ngang Yb, thì phải xét khả năng bám theo chiều của vectơ lực Q = , là hợp lực của

Xb và Yb Lúc này hệ số bám được gọi là hệ số bám tổng quát và được định nghĩa như sau:

= =

Để cho bánh xe chủ động không bị trượt quay thì lực kéo tiếp tuyến cực đại ở bánh xe

đó phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường:

với , = Nếu bánh xe đang phanh, để bánh xe không bị trượt lết thì lực phanh cực đại ở bánh

xe đó phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc:

Khi dưới bánh xe có phản lực ngang tác dụng thì khả năng bám theo chiều ngangđược thể hiện qua lực bám ngang y :

Để cho bánh xe không bị trượt ngang thì phản lực ngang cực đại phải nhỏ hơn hoặcbằng lực bám ngang:

Nếu xét theo chiều dọc (chiều chuyển động của xe) thì lực kéo cực đại Fkmax bị giớihạn bởi lực bám Nếu muốn sử dụng tồn bộ lực kéo từ động cơ truyền xuống để thắng cáclực cản chuyển động thì cần phải tăng lực bám Để tăng lực bám, chúng ta phải tăng hệ sốbám hoặc trọng lượng bám

Yếu tố ảnh hưởng đến lực bám:

Không có trọng lượng, không có lực bám: Nếu bánh trước nhấc lên, sẽ không còn lựcbám giữa bánh và mặt đường nữa Để khắc phục điều này, các hệ thống treo đóng vai tròquan trọng, bên cạnh vai trò mang lại sự êm dịu còn giúp bánh luôn tiếp xúc với mặt đường.Một chiếc xe tốt sẽ không “bốc đầu” khi tăng tốc đột ngột hay “nhấc đuôi” khi phanh gấp dùđiều này tưởng như làm nhiều người thích thú

Nguyên nhân thứ hai là bánh bị trượt do tăng tốc hay đạp phanh đột ngột Không ítlần trong các bộ phim hành động có cảnh một chiếc xe tăng tốc, bánh quay tròn và bốc khói,nhưng sau vài một khoảng thời gian xe mời di chuyển Nguyên nhân do độ trượt của bánhquá lớn Yếu tố quan trọng thứ ba là mặt đường Đường trơn làm giảm lực, khi phải lái xetrên đường bùn, đường có cát, lực bám dọc giảm khiến cho xe không thể tăng tốc

Hình 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám

Hình A: Ảnh hưởng của áp suất trong lốp

Hình B: Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động của ô tô

Hình C: Ảnh hưởng của phản lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe

Hình D: Ảnh hưởng của độ trượt của bánh xe với mặt đường

Cuối cùng là tình trạng lốp Áp suất lốp quá thấp hay quá cao đều làm giảm khả năngbám của bánh Hãy duy trì áp suất lốp theo khuyến cáo của nhà sản xuất Lốp bị mòn cũngmột nguyên nhân làm giảm lực bám, rõ ràng lốp mới có khả năng bám đường tốt hơn lốp đã

bị mòn Khi lăn trên mặt đường, phần rãnh giữa các hoa lốp tại vị trí lốp biến dạng là nơithoát khí, nước giúp cho nó luôn được tiếp xúc trực tiếp với mặt đường

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN SIMULINK

3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển

Điều khiển ON/OFF

Là phương pháp điều khiển đơn giản, dễ thiết kế và giá thành rẻ, nhưng điều khiển sẽ

bị dao động quanh giá trị nhiệt độ đặt chứ không ổn định Phương pháp này thường dùngtrong những đối tượng cho phép khoảng nhiệt rộng

Đầu ra của bộ điều khiển chỉ có hai vị trí phụ thuộc vào dấu của sai lệch Nếu hai vịtrí này đóng hoàn toàn và mở hoàn toàn thì người ta gọi đó là bộ điểu khiển ON/OFF Hầuhết các bộ điều khiển hai vị trí này đều có vùng trung hòa để ngăn ngừa sự dao động của đầura

Vùng trung hòa là vùng xung quanh điểm đặt mà tại đó không xảy ra hành động điềukhiển nào cả Độ sai lệch phải vượt qua vùng này thì mới xảy ra hành động điều khiển

Bộ điều khiển ON/OFF cung cấp các xung năng lượng đến quá trình điều khiển, điềunày sẽ tạo ra một chu kỳ điều khiển có biên độ phụ thuộc vào ba yếu tố: độ quán tính, thờigian trễ, và mức độ thay đổi của tải

Độ dao động sẽ giảm khi xảy ra một hay nhiều thay đổi: tăng độ quán tính, giảm thờigian trễ, giảm độ thay đổi của tải.

Điều khiển hai vị trí chỉ phù hợp cho quá trình có độ quán tính lớn, thời gian trễ và độthay đổi trên tải nhỏ (ví dụ như điều khiển nhiệt độ lò nung chẳng hạn Tuy điều khiển hai vịtrí hạn chế đối tượng điều khiển như vậy, nhưng do nó đơn giản và rẻ tiền nên người ta vẫnthích dùng nó

3.2 Điều khiển ABS

3.2.1 Xây dựng mô hình hệ thống ABS

Hình 3.2 Mô hình hệ thống phanh ABS

Nguyên lý hoạt động: Hệ thống chống bó cứng phanh ABS hoạt động dựa trên cảmbiến tốc độ của các bánh xe sau đó gửi về cho bộ điều khiển ABS Khi phát hiện ra một hoặcnhiều bánh xe có tốc độ chậm hơn quy định lúc này qua van thủy lực và bơm, hệ thốngphanh sẽ tự động làm giảm áp suất tác động lên đĩa để bánh xe ô tô không bị bó cứng Hệthống ABS sẽ tác động ấn - nhả thanh kẹp trên phanh đĩa với tần suất 15 lần/s thay vì tácđộng lực mạnh trong 1 thời gian khiến bánh xe có thể bị chết (hiện tượng thường gặp trêncác dòng xe không được trang bị hệ thống phanh ABS) Sau đó hệ thống máy tính điều khiển

sẽ dựa trên thông số cảm biến vận tốc và những thao tác của người lái xe để đưa ra áp lựcphanh tối ưu nhất cho các bánh xe Đảm bảo sự ổn định thân xe và kiểm soát quỹ đạo xe

Ngược lại nếu trong quá trình di chuyển, một hay nhiều bánh xe quay quá nhanh, hệ thốngphanh cũng sẽ tự động tác động lực trở lại để đảm bảo quá trình hãm.

3.2.2 Mô hình hóa hệ thống ABS Matlab Simulink

Về cơ bản có loại điều khiển là: điều khiển ON/OFF đối với phương pháp này cónhững ưu điểm và nhược điểm riêng chúng ta sẽ đi xem xét các kết quả để kết luận ABS phùhợp hay không

Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển hệ thống ABS

Khối Process:

Hình 3.4 Khối Process

Đầu vào gồm: áp suất phanh tại các bánh xe

Hình 3.5 Đầu vào khối Process

Đầu ra gồm: vận tốc của các bánh xe, vận tốc xe (Vx_SM) và áp suất phanh tại xylanh chính Master Cylinder Pressure (Pbk_Con)

Hình 3.6 Đầu ra khối Process

Khối Controller:

Hình 3.7 Sơ đồ khối Controller

Sau khi xử lý độ trượt ở mỗi bánh xe ta truyền hệ số trượt vào 2 bộ Relay (ON-OFF)tương ứng với 2 bánh xe ở phía trước và 2 bánh xe ở phía sau Trong đó, ‘0’ là nhả lựcphanh, ‘1’ là tác dụng lực phanh vào Sau đó đi qua bộ Speed Limit, bộ này có nhiệm vụ sosánh tốc độ xe với giá trị định sẵn là 7 km/h Nếu tốc độ xe lớn hơn hoặc bằng 7 km/h thì tínhiệu ON-OFF từ bộ Relay sẽ tiếp tục truyền sang cơ cấu chấp hành (Actuator) Trong đó, tínhiệu ON/OFF của hai bánh xe sau sẽ được kiểm tra và lấy tín hiệu chung theo bánh xe có độtrượt nhỏ hơn (thông qua khối “min”) Khi tốc độ xe dưới 7 km/h thì bộ điều khiển ABS

không hoạt động nữa do chúng ta chỉ cần dùng phanh bình thường là đủ nên tín hiệu

“Increase Signal” có giá trị không đổi là “1” sẽ được truyền sang Actuator như bình thường

Hình 3.8 Thông số khối Relay

Hình 3.9 Thông số khối Speed Limit

Khối Actuator:

Hình 3.10 Sơ đồ khối Actuator

Tín hiệu từ Brake Control sẽ được truyền vào Actuator, sau đó qua khối “Gain” có giátrị là 1 với hai bánh trước và 0,4 với hai bánh sau để đảm bảo nguyên tắc phân bố tải trọngkhi phanh nhầm đạt hiệu quả phanh tốt nhất, sau đó các hệ số này được nhân với giá trị ápsuất xy lanh phanh chính Tiếp theo các giá trị này sẽ được biến đổi và tạo độ trễ (theo giá trị0,06) trước khi đưa vào Process (Carsim S-Function 2) bằng hàm truyền (Transfer Fcn) Ápsuất xy lanh bánh xe sau đó được trả về môi trường Carsim và được áp dụng lên từng bánh

xe để tiến hành quá trình vận hành của hệ thống ABS trên xe trong cửa sổ mô phỏng

3.3 Điều khiển TCS

3.3.1 Xây dựng mô hình của hệ thống TCS

Hình 3.11 Mô hình hệ thống TCS

Điều khiển quá trình phanh: Khi nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe bộ điềukhiển ABS sẽ tính toán và đưa ra tín hiệu tới bộ chấp hành phanh khi có độ trượt Khi đó bộchấp hành phanh sẽ tăng giảm áp xuất dầu phanh để phanh cái bánh xe sao cho xe hoạt động

ổn định nhất

3.3.2 Mô hình hóa hệ thống TCS Matlab Simulink

Xe tăng tốc khi mở bướm ga, nhờ vào các cảm biến tốc độ, tốc độ bánh xe và tốc độ

xe sẽ được gửi vào bộ điều khiển TCS, bộ điều khiển TCS xử lý thông tin từ tín hiệu truyềntới rồi tín hiệu qua bộ truyền động phanh Thông tin tín hiệu áp suất xy lanh chính truyềntrực tiếp tới bộ truyền động phanh Sau đó bộ phân truyền động phanh sẽ xử lý thông tin đểđiều khiên áp suất ở 4 bánh xe

Hình 3.12 Sơ đồ khối bộ điều khiển hệ thống TCS

Khối Process:

Hình 3.13 Khối Process

Đầu vào gồm: Tín hiệu điều khiển giảm momen động cơ của ESC(IMP_ESC_ENGINE_CON_STATE), tín hiệu điều khiển momen động cơ của ESC(IMP_MENGINE_ESC_REQUEST), áp suất phanh tại các bánh xe (IMP_PBK_L1/R1/L2/R2)

Hình 3.14 Đầu vào khối Process

Đầu ra gồm: tốc độ của các bánh xe (Vx_L1/R1/L2/R2), tốc độ xe (Vx_SM), momentrục khuỷu động cơ (M_Eng_In), momen trục khuỷu yêu cầu bởi tài xế (M_Eng_Rq)

Hình 3.15 Đầu ra khối Process

Khối Controller:

Hình 3.16 Khối Controller

Hình 3.17 Sơ đồ khối tính toán độ trượt và kiểm soát vận tốc xe

Sau khi tính toán độ trượt (khi phanh) ở mỗi bánh xe, ta truyền vào bộ Relay(ON/OFF) được chia ra thành hai phần là bánh xe ở phía trước và bánh xe ở phía sau Trong

đó, ‘1’ là nhả lực phanh, ‘-1’ là tác dụng lực phanh vào Sau đó đi qua bộ Speed Limit, bộnày có nhiệm vụ kiểm soát tốc độ xe thông qua tín hiệu ON/OFF của Relay và tín hiệu tăng(‘-1’ là tác dụng thêm lực phanh) và ở bộ này cài đặt tốc độ xe dưới 1,5 km/h thì bộ điềukhiển ABS không hoạt động nữa Từ bộ Speed Limit truyền tín hiệu (ON/OFF) tới bộ điềukhiển 4 bánh xe qua bộ truyền động phanh

Áp suất xy lanh chính (Master Cylinder Pressure) có giá trị lớn nhất 10MPa sẽ đượctruyền đến các bánh xe thông qua khối MUX Từ những giá trị độ trượt khác nhau mà ta sẽ

có những M/C Pressure khác nhau thông qua khối Look–up Table Sau đó, áp suất này sẽ đilần lượt đến các bánh xe

Hình 3.19 Khối xử lý tín hiệu ESC

Hệ thống ESC sẽ nhận yêu cầu của xe mà phân tích để điều chỉnh momen ra cho cầnthiết Trong đó nếu “max” tín hiệu điều khiển 4 bánh xe bé hơn 0,001 thì sẽ giảm momenthông qua khối Transfer Fcn (hệ số trước s là thời gian trễ của cơ cấu cơ khí để điều chỉnh),

từ đó momen tại đầu ra của “ESC request” sẽ tăng Sau đó tổng của 2 giá trị momen của xe

và giá trị cần thay đổi sẽ được gửi đến Process (Carsim S-Function)

Khối Actuator:

Hai tín hiệu điều khiển và áp suất phanh từ bộ phận điều khiển sẽ được gửi trực tiếpđến cơ cấu chấp hành

Hình 3.20 Sơ đồ khối Actuator

Bộ điều khiển phanh sau khi xử lí cơ bản hệ thống phanh đến mỗi bánh xe thông quakhối demux thì sẽ chia tín hiệu ra mỗi bánh xe theo thứ tự bánh phía trước bên trái (L1),bánh phía trước bên phải (R1), bánh phía sau bên trái (L2) và bánh phía sau bên phải (R2)tất cả phải đi qua Relay để đưa tín hiệu về hai tín hiệu “0” và “1” trong hệ thống phanh vàqua bộ “Gain” để phân biệt phía sau và trước Sau đó tín hiệu đó nhân với áp suất xy lanhchính từ bộ điều khiển gửi qua, sau đó đi tới Transfer Fcn là hàm truyền thể hiện sự biến đổi

để nhận được áp suất xy lanh bánh xe W/C cylinder với độ trễ (0,2) của cơ cấu cơ học (Thủylực) của dầu truyền đến các cơ cấu phanh của bánh xe

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM SIMULINK/CARSIM

Để kết luận trực quan về kết quả hệ thống ta tiến hành đưa hệ thống điều khiển đãthiết kế Simulink vào Carsim để tiến hành mô phỏng Hệ thống có thể hoạt động khác vớithực tế tuy nhiên nó cũng phản ánh đúng với các phương pháp điều khiển đã thiết lập

4.1 Các trường hợp mô phỏng hệ thống ABS bằng Simulink/Carsim

4.1.1 Mô phỏng ABS trên đường có 2 hệ số bám khác nhau

4.1.1.1 Các bước thiết lập

Bước 1: Chọn một dataset phù hợp với case study để dễ dàng cho việc chỉnh thông

số Sau đó tạo một dataset mới copy trên dataset đã chọn trước đó

Ví dụ: Chọn dataset Braking – Slip Mu: ABS, Sau đó ấn tổ hợp phím Ctrl + N để tạo mộtdataset mới và đặt tên cho case study của chúng ta

Hình 4.1 Tạo dataset mới ABS

Bước 2: Sau khi tạo được một case study mới bắt đầu thay đổi thông số.

Hình 4.2 Thay đổi các thông số

- (1): Thay đổi bộ điều khiển Simulink:

+ Đầu tiên chúng ta copy and link Simulink hệ thống ABS của hệ thống để khi thayđổi không ảnh hưởng đến bộ điều khiển của hệ thống

+ Sau khi tạo một Simulink mới, chúng ta nhấp vào và thay đổi đường dẫn simulink,các đầu nhận và xuất của chúng ta.

Hình 4.4 Thay đổi đường dẫn Simulink

+ (1.1): Chọn vào 3 chấm và thay đổi đường dẫn simulink của chúng ta

+ (1.2): Copy and link Import Channels và Export Channels để việc thay đổi khôngảnh hưởng tới hệ thống

Import Channels: Ở hệ thống ABS nhóm sử dụng 4 chân input

Hình 4.5 Các chân input ABS