Mô phỏng động lực học hệ thống phanh abs dẫn động khí nén

Các nghiên cứu mới chỉ tập trung xây dựng thuật toán để nâng cao hiệu quả phanh, trong khi các công trình về việc điều khiển để đảm bảo tính ổn định khi phanh của hệ thống phanh ABS dẫn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG PHANH ABS

DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC TRUNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ DỘNG LỰC

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC

Họ & tên: TRẦN ĐỨC TRUNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1991 Nơi sinh: Quảng Ninh

Quê quán: La Phù, Hoài Đức, Hà Nội Dân tộc: Kin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC TRUNG

MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG PHANH ABS

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1991 Nơi sinh: Quảng ninh Quê quán: La Phù, Hoài Đức, Hà Nội Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Trường Sĩ quan Kỹ thuật quân sự (Trường Đại học Trần Đại Nghĩa), số 189, đường Nguyễn Oanh, Phường 10, Quận Gò Vấp, Thành phố Hồ Chí Minh E-mail: ductrung160391@gmail.com

Người hướng dẫn: Tiến sĩ Trần Minh Sơn

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

09/2017 -

nay

Khoa Ô tô - Trường Đại học Trần Đại

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và thầy hướng dẫn Các phương pháp, số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình nào khác

TP HCM, Ngày…tháng 10 năm 2022

Trần Đức Trung

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của quý thầy cô, đồng nghiệp và các tổ chức Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:

Ban Giám hiệu, Khoa Ô tô cùng toàn thể đồng nghiệp tại Trường Đại học Trần Đại Nghĩa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tiến sĩ Lê Thanh Tuấn, người thầy kính mến đã tận tình chỉ bảo, động viên và hướng dẫn cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Tập thể các thầy giáo, nhà khoa học tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt kiến thức và có những

ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn chỉnh luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

iv

TÓM TẮT

Ngày nay việc nghiên cứu xây dựng thuật toán để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén còn hạn chế Các nghiên cứu mới chỉ tập trung xây dựng thuật toán để nâng cao hiệu quả phanh, trong khi các công trình về việc điều khiển

để đảm bảo tính ổn định khi phanh của hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén công bố còn hạn chế Khi tiến hành phanh thì hành lang phanh có thể không ổn định do nhiều yếu tố, điều này gây nguy hiểm cho xe ô tô Trong số đó xét tới yếu tố hệ số bám của một bánh xe bất kỳ với mặt đường sẽ thấp hơn so với các bánh xe còn lại sẽ gây ra lực phanh ở các bánh xe bên phải và bên trái không bằng nhau tạo thành mô men quay vòng theo phương thẳng đứng đi qua trọng tâm của ô tô Sự lệch hướng này có thể làm cho xe lệch ra khỏi phạm vi di chuyển trên đường và gây tai nạn Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển nâng cao hiệu quả phanh và ổn định phanh trong mô hình không gian

Đầu tiên là nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển đảm bảo hiệu quả phanh cao nhất của hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén bằng cách tối ưu hóa ngưỡng trượt điều khiển ở các pha tăng áp, giữ áp và giảm áp suất của van chấp hành ABS bằng thuật toán di truyền để nhận được bộ giá trị điều khiển tối ưu nhất Tiếp theo là nghiên cứu xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển sự ổn định của quá trình phanh khi lực phanh sinh ra ở các bánh xe không bằng nhau do hệ số bám giữa bánh

xe với mặt đường khác nhau Kết quả là hành lang phanh của ô tô đạt được sự ổn định cao nhất

Từ khóa: Mô phỏng phanh ABS, Phanh ABS khí nén, Dẫn động phanh khí

nén, Động lực học phanh ABS khí nén

v

ABSTRACT

Currently, the research and development of the control block design algorithm for the ABS pneumatic brake system are still limited New studies only focus on building algorithms to improve braking efficiency, while there is no control work to ensure the braking stability of the pneumatic ABS braking system When braking, the brake corridor can become unstable due to many factors, which can be dangerous to the vehicle Among them, when considering the coefficient of traction of one wheel compared to the road surface will be lower than that of the other wheel, which will make the braking force of the right and left wheels unequal, creating a torque of the vehicle body relative to the vertical through the vehicle's center of gravity This deviation can cause the vehicle to go out of range on the road and cause an accident The research focuses on the control to improve braking efficiency and brake stability

in the spatial model

The first is to study and build a control algorithm to ensure the highest braking efficiency of the pneumatic ABS braking system by optimizing the control slip threshold in the stages of turbocharging, keeping pressure, and reducing the pressure

of the ABS valve Performed by genetic algorithm to get the most optimal set of control values The next step is to study and build the algorithm and program to control the braking stability when the braking force generated at the wheels is not equal due to the different coefficients of adhesion between the wheel and the road surface As a result, the vehicle's brake corridor achieves the highest stability

Keywords: Simulation of ABS brakes, Pneumatic ABS brakes, Pneumatic

brake actuation, Pneumatic ABS brake dynamics

vi

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xv

CHƯƠNG 1 5

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Đặt vấn đề 5

1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan 6

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 6

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 9

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 11

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 12

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 13

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 14

1.6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 14

1.6.1 Nội dung nghiên cứu 14

1.6.2 Phương pháp nghiên cứu 14

1.7 Kết luận chương 1 14

CHƯƠNG 2 16

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1 Động lực học quá trình phanh 16

vii

2.1.1 Giả thiết lập mô hình 16

2.1.2 Thiết lập mô hình 17

2.1.3 Động học chuyển động của ô tô khi phanh 18

2.1.3.1 Động học chuyển động của ô tô gắn với hệ quy chiếu OV 18

2.1.3.2 Động lực học chuyển động khối lượng được treo 20

2.1.3.3 Động học chuyển động khối lượng không được treo 22

2.1.4 Động lực học bánh xe khi phanh 25

2.2 Dẫn động khí nén 26

2.2.1.Cơ sở tính toán áp suất và lưu lượng khí nén trong hệ thống phanh 26

2.2.2 Tính toán phần cung cấp khí nén của dẫn động phanh khí nén 28

2.3 Lý thuyết điều khiển phanh ABS dẫn động khí nén 30

2.3.1 Đặc tính lý tưởng của hệ thống phanh ABS 30

2.3.2 Phạm vi điều khiển 32

2.3.3 Tín hiệu điều khiển phanh ABS 34

2.3.4 Chu trình và quá trình điều khiển hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén 35

2.4 Kết luận chương 2 41

CHƯƠNG 3 43

MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG PHANH ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 43

3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng 43

3.2 Mô phỏng động lực học hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén 46

3.2.1 Mô phỏng dẫn động khí nén 46

3.2.1.1 Mô hình mô phỏng nguồn cung cấp khí nén 47

3.2.1.2 Mô hình mô phỏng Tổng van phanh 48

3.2.1.3 Mô hình mô phỏng van xả nhanh 49

viii

3.2.1.4 Mô hình mô phỏng van gia tốc 49

3.2.1.5 Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh 50

3.2.2 Mô phỏng động lực học và điều khiển quá trình phanh 52

3.4.2.1 Mô phỏng chuyển động của ô tô khi phanh 53

3.4.2.2 Mô phỏng xác định dao động của ô tô 56

3.4.2.3 Mô phỏng xác định các lực tác dụng lên ô tô 59

3.3 Tối ưu hóa ngưỡng trượt 60

3.4 Mô phỏng điều khiển ổn định quá trình phanh 62

CHƯƠNG 4 65

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 65

4.1 Ảnh hưởng của ngưỡng trượt điều khiển tới hiệu quả phanh 65

4.1.1 Lực phanh sinh ra ở các bánh xe 65

4.1.2 Vận tốc chuyển động của ô tô và các bánh xe 65

4.1.3 Gia tốc phanh của ô tô khi phanh 66

4.1.4 Quãng đường phanh của ô tô khi phanh 67

4.2 Khắc phục hiện tượng mất ổn định khi phanh 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

1 Kết luận 71

2 Kiến nghị 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

Os Điểm đặt tại tọa độ trọng tâm phần khối lượng được treo

Ou1 Điểm đặt tại tọa độ trọng tâm phần khối lượng không được treo cầu

F Lực phanh ở các bánh xe theo điều kiện bám

Mpi Mô men do cơ cấu phanh sinh ra ở cầu thứ i

 Góc xoay theo phương x



 Góc xoay theo phương z

Fzu sR Lực đàn hồi của hệ thống treo tác dụng lên thân xe của bánh trước

bên phải 2

Fzu sL Lực đàn hồi của hệ thống treo tác dụng lên thân xe của bánh sau bên

trái 2

Fzu sR Lực đàn hồi của hệ thống treo tác dụng lên thân xe của bánh sau bên

dROuiL Vận tốc dịch chuyển của các liên kết của cầu xe trước với hệ thống

treo và bánh xe bên trái

dROuiR Vận tốc dịch chuyển của các liên kết của cầu xe trước với hệ thống

treo và bánh xe bên phải q1L Kích thích từ mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu trước bên trái q1R Kích thích từ mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu trước bên phải q2L Kích thích từ mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu sau bên trái q2R Kích thích từ mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu sau bên phải

J bx Mô men quán tính khối lượng quay của bánh xe

BF Lực phanh theo phương dọc, được xác định theo điều kiện bám

n Khối lượng mol phân tử [mol]

γ Trọng lượng riêng của chất khí, γ = ρg [N/m3]

ρ Khối lượng riêng của chất khí [kg/m3]

g Gia tốc trọng trường [m/s2]

u Vận tốc chuyển động của khí nén [m/s]

A Tiết diện dòng chảy [m2]

Cv Hệ số tiết lưu

Kg Hệ số chuyển đổi (theo hệ SI, Kg = 114,5)

Δp Độ chênh lệch áp suất giữa điểm trước và sau tiết lưu

G Trọng lượng riêng trung bình của chất khí (với không khí, G = 1)

pd Áp suất khí nén trong dung tích N/m2 ]

Cn Khí dung của chất khí – thể hiện tính chịu nén của chất khí

xi

Qwv , Qwr Lần lượt là lưu lượng khí nén đi vào và đi ra khỏi dung tích [m3/s]

pd Áp suất tại cơ cấu chấp hành trong thời gian phanh; (Pa)

R Hằng số khí

T nhiệt độ; [0K]

pv Áp suất không khí ở đầu vào máy nén khí

xmax Hệ số bám dọc cực đại

y max Hệ số bám ngang cực đại

M𝜑 Mô men giới hạn khả năng bám của bánh xe với mặt đường

φ1L01 Hệ số bám của bánh xe cầu trước bên trái

φ1R01 Hệ số bám của bánh xe cầu trước bên phải

φ2L01 Hệ số bám của bánh xe cầu sau bên trái

φ2R01 Hệ số bám của bánh xe cầu sau bên phải

xiii

Hình 3.9.Van xả nhanh 49 Hình 3.10 Van gia tốc 50 Hình 3.11 Cụm phanh tại bánh xe 50 Hình 3.12 Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh 51 Hình 3.13 Van chấp hành ABS 51 Hình 3.14 Áp suất khí nén tại cổng 2 ở các chế độ tăng, giữ và giảm áp 52 Hình 3.15 Mô hình mô phỏng điều khiển dẫn động khí nén 53 Hình 3.16 Mô phỏng xác định vận tốc, gia tốc của ô tô trong hệ quy chiếu OV 53 Hình 3.17 Mô phỏng chuyển vận tốc, gia tốc về hệ quy chiếu quán tính 54 Hình 3.18 Mô phỏng xác định vận tốc của các bánh xe 54 Hình 3.19 Mô phỏng xác định độ trượt và khả năng bám theo trượt 55 Hình 3.20 Quan hệ giữa lực phanh lớn nhất theo độ trượt dọc của bánh xe 55 Hình 3.21 Mô hình mô phỏng xác định tín hiệu điều khiển bộ chấp hành van chấp hành ABS 56 Hình 3.22 Mô phỏng dao động của thân xe trong hệ quy chiếu Os 56 Hình 3.23 Mô phỏng dao động và chuyển vị của các điểm treo trong hệ quy chiếu cố định 57 Hình 3.24 Mô phỏng dao động của cầu trước trong hệ quy chiếu Ou1 57 Hình 3.25 Mô phỏng dao động và chuyển vị của các điểm không treo cầu trước trong

hệ quy chiếu cố định 58 Hình 3.26 Mô phỏng dao động của cầu sau trong hệ quy chiếu Ou2 58 Hình 3.27 Mô phỏng dao động và chuyển vị của các điểm không treo cầu sau trong

hệ quy chiếu cố định 58 Hình 3.28 Mô phỏng xác định lực phanh tác dụng lên ô tô 59 Hình 3.29 Mô phỏng xác định lực đàn hồi tác dụng lên phần treo 59 Hình 3.30 Các pha điều khiển hệ thống phanh theo độ trượt bánh xe 60 Hình 3.31 Lực phanh theo điều kiện bám ở các bánh xe khi bánh xe cầu trước bên

xiv

trái (φ1L01 = 0.56) nhỏ hơn các bánh xe còn lại (φ1R01 = 0.8, φ2L01 = 0.8 và φ2R01

= 0.8) 62 Hình 3.32 Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô tương ứng với các trường hợp giảm

hệ số bám ở các bánh xe 63 Hình 4.1 Kết quả mô phỏng lực phanh ở các bánh xe 65 Hình 4.2 Kết quả mô phỏng vận tốc phanh của ô tô 66 Hình 4.3 Kết quả mô phỏng gia tốc phanh của ô tô 67 Hình 4.4 Kết quả mô phỏng quãng đường phanh của ô tô 67 Hình 4.5 Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có sự điều chỉnh quỹ đạo trong trường hợp hệ số bám bánh xe cầu trước bên trái giảm 68 Hình 4.6 Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có sự điều chỉnh quỹ đạo chuyển động trong trường hợp hệ số bám bánh xe cầu sau bên trái giảm 69 Hình 4.7 Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có sự điều chỉnh quỹ đạo chuyển động trong trường hợp hệ số bám bánh xe bên trái trước bên trái giảm 70

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề

ABS là một hệ thống chống bó cứng cơ cấu phanh của bánh xe khi người điều khiển tiến hành đạp phanh Hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén điều khiển áp suất khí nén tác dụng lên cơ cấu phanh để nhằm duy trì lực bám theo phương dọc và ngang của bánh xe với mặt đường luôn ở mức cao, nhờ đó sẽ nâng cao chất lượng quá trình phanh bao gồm sự ổn định hướng chuyển động để đảm bảo khả năng dẫn hướng của các bánh xe và giảm quãng đường phanh trên đường tính từ khí người lái tác dụng lực lên bàn đạp phanh Trong trường hợp phanh trên đường khô và với vận tốc cao, quãng đường phanh khi có ABS ngắn hơn đáng kể so với xe ô tô cùng loại nhưng hệ thống phanh không được trang bị ABS

Ngày nay việc nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén được trang bị trên một số dòng xe tải còn hạn chế Mới chỉ tập trung thiết kế cho ABS dẫn động thủy lực để nâng cao hiệu quả phanh, đồng thời tính ổn định hướng khi phanh cũng cao Trong quy định về điều kiện lưu hành xe có quy định góc lệch hướng

xe khi phanh, là một trong những chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả phanh Tuy nhiên, hiện nay Bộ Giao thông vận tải quy định xe khi đi đăng kiểm, việc thử phanh chỉ tiến hành trên bệ thử do vậy quy định về góc lệch hướng xe khi phanh đã không được áp dụng Do đó vấn đề nghiên cứu về độ ổn định hướng cũng là một trong những tiêu chí quan trọng cần được nghiên cứu để nâng cao tính năng an toàn cho ô tô khi phanh trên một số điều kiện mặt đường nhất định

Chúng ta biết rằng hệ thống phanh ABS duy trì lực phanh lớn nhất bằng cách duy trì khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường ở giá trị lớn Lực phanh tối đa được giới hạn theo điều kiện lực bám, lệ thuộc vào hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường, trong khi đó hệ số bám này lại phụ thuộc vào độ trượt tương đối của bánh xe so với bề mặt tiếp xúc trên từng điều kiện mặt đường khác nhau Do đó, để nâng cao lực phanh sinh

6

ra tại các bánh xe nhằm nâng cao chất lượng khi phanh cần phải điều chỉnh độ trượt bánh xe với mặt đường nằm trong khoảng trượt tối ưu là khoảng 10% – 30% Ở khoảng này khi lực phanh tiếp tục tăng thì bánh xe sẽ chuyển từ trượt do biến dạng đàn hồi của lốp sang trượt do có sự trượt tương đối của lốp và mặt đường nhưng lúc

đó dải hệ số bám dọc đạt giá trị lớn nhất, khi lực phanh đạt cực đại hệ số bám ngang

có suy giảm nhưng vẫn còn giá trị khá cao Duy trì độ trượt của bánh xe xung quanh

độ trượt tối ưu cần phải tối ưu hóa các giá trị ngưỡng trượt điều khiển của hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén Từ đó, tiến hành lập mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén và mô hình mô phỏng động lực học phanh nhằm khảo sát quá trình phanh của

ô tô để đạt được hiệu quả phanh và ổn định phanh tốt nhất Đây chính là mục tiêu để nghiên cứu, thiết kế thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén

1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống ABS, trong số đó có một số công trình nghiên cứu như sau:

Cao cùng các cộng sự [7] xây dựng, nghiên cứu mô hình hệ thống phanh ABS khí nén dựa trên phần mềm Matlab, bao gồm mô hình xe một bánh, mô hình lốp và

mô hình hệ thống phanh xe Trong bài báo này môi trường mô phỏng Matlab / Simulink được sử dụng để mô phỏng hiệu quả phanh của ô tô khi được trang bị và không được trang bị hệ thống ABS bằng cách kết hợp dữ liệu xe thực tế cụ thể Kết quả mô phỏng phù hợp để đánh giá được hiệu quả của phanh ABS dẫn động khí nén

Lin và Song [8] nghiên cứu phương pháp điều khiển logic mờ của điều khiển ABS cho EV với đề xuất trên hệ thống phanh của xe điện Nghiên cứu đã thiết lập

mô hình đồng mô phỏng phanh bằng AMESim và Simulink Kết quả mô phỏng trong bài báo cho thấy bộ điều khiển ABS logic mờ có thể cải thiện hiệu quả, hiệu suất và

độ ổn định phanh của EV Các thông số của mô hình có thể được điều chỉnh, do đó

7

có thể tiếp tục nghiên cứu các thông số khác nhau về ảnh hưởng của ABS và mô hình

mô phỏng có thể được sử dụng như một nền tảng tốt để nghiên cứu ABS trên EV

Xiaohan Li cùng các cộng sự [9] tập trung nghiên cứu hiệu suất phanh và quy luật của xe trong các chế độ trượt dưới dạng tiềm ẩn của ABS khí nén Tác giả sử dụng mô hình đồng mô phỏng ABS khí nén của xe thương mại đã được thiết lập dựa trên phần mềm AMESim và Simulink Mô hình đồng mô phỏng đã được xác nhận bằng các thử nghiệm Kết quả cho thấy, sai số tối đa của phanh giảm tốc là 13,51% Dựa trên điều này để xác định một số chế độ trượt điển hình của ABS khí nén đã được mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của các chế độ trượt khác nhau đến khả năng phanh Từ kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng sự cố của van điện từ điều khiển cấp khí

và van điện từ điều khiển xả khí của bộ điều áp gây ra hiện tượng bó cứng bánh xe Việc khoang dưới của tổng van phanh và van chấp hành ABS bị hỏng có ảnh hưởng lớn đến quãng đường phanh

Ma và Chen [10] đã thiết lập mô hình mô phỏng van chấp hành ABS khí nén của xe thương mại dựa trên AMESim để nghiên cứu các đặc tính tĩnh và đặc tính động của van được đăng trên tạp chí Advanced Materials Research Sau đó các đặc tính tĩnh và đặc tính động được nghiên cứu bằng mô hình mô phỏng và được so sánh với các đường cong đặc trưng Từ đó so sánh với dữ liệu thực nghiệm để kiểm chứng Kết quả bài báo cho thấy rằng các đường cong mô phỏng và đường cong thực nghiệm phù hợp với nhau

Wu cùng các cộng sự của mình [11] đã nghiên cứu thành lập các mô hình ở chế độ mô phỏng hệ nhiều đối tượng bao gồm van gia tốc, tổng van và bầu phanh bánh xe trên hệ thống phanh dẫn động khí nén với công cụ hỗ trợ là phần mềm Simcenter AMESim Kết quả thu được là quy luật biến thay đổi áp suất của khí nén được xác định bằng phương pháp thử nghiệm trên đường và các số liệu ảnh hưởng lớn đến thời gian chậm trễ tác dụng Bài báo đã nêu một số khả năng cải tiến bề mặt

để đạt được độ chậm tác dụng nhỏ nhất và các thông số tối ưu của hệ thống

8

Việc xây dựng các mô hình hệ thống phanh dẫn động khí nén đang được trang

bị trên ô tô, Patil cùng các cộng sự của mình [12] đã tiến hành nghiên cứu xây dựng

mô hình toán học cho van chấp hành ABS Tác tác giả đã thiết lập các phương trình

mô tả nguyên lý làm việc của từng phần tử trong van chấp hành ABS, việc xây dựng

mô hình nghiên cứu bằng phần mềm Simcenter AMeSim Bài báo đã mô phỏng quá trình tiến hành đạp phanh gồm quá trình đạp phanh (ở pha tăng áp suất khí nén trong bầu phanh) trong 0.4 giây sau đó giữ phanh (pha giữ áp suất khí nén trong bầu phanh) trong 2.8 giây và cuối cùng nhả phanh (pha giảm áp suất khí nén trong bầu phanh) trong thời gian 0.4 giây Mô hình này tạo điều kiện cho hướng nghiên cứu cả hệ thống phanh khí nén Kết quả này đã mô tả hoạt động của van chấp hành ABS, kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng có độ chính xác cao

Vào năm 2010, Wu cùng các đồng nghiệp [13] cũng đã tiến hành xây dựng sự thử nghiệm trong phòng thí nghiệm chuyên dùng với các trang thiết bị thí nghiệm như trên xe thực tế Ban đầu, mô hình bắt đầu được tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink với một số tình huống sự cố nhất định, sau khi tiết hành xong,

hệ thống được phân tích thành các mã điều khiển với thời gian được cập nhật vào bộ phần cứng DSPACE Hệ thống có thể kiểm soát các pha tăng áp suất, giữ áp suất và giảm áp suất trong quá trình mô phỏng, quá trình thử nghiệm có thể giám sát và tinh chỉnh một số thông số trong một số khoảng thời gian khác nhau

Các công trình nghiên cứu hệ thống phanh ABS khí nén kể trên chủ yếu tập trung vào một phần giải quyết vấn đề về thuật toán điều khiển bằng các phần mềm

mô phỏng trên máy tính để đánh giá nâng cao hiệu quả phanh, một số công trình có kết hợp với thực nghiệm nhằm tối ưu hóa hiệu quả phanh Tuy nhiên kết quả công bố vẫn còn tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của một số phần tử trong hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén mà chưa xét tới toàn hệ thống Chưa có các công trình nghiên cứu về tính ổn định khi phanh đối với xe tải có trang bị hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén Một số hãng lớn sản xuất về dòng phanh ABS khí nén như Wabco,

9

Bendix, Bosch … nghiên cứu rất sâu vào hệ thống ABS, có đầy đủ hệ thống phòng thí nghiệm nghiên cứu cảm biến, tối ưu kết cấu van chấp hành ABS và thuật toán để điều khiển và thiết kế bộ điều khiển… Sản phẩm của những hãng này được thử nghiệm, tối ưu hóa trong thiết kế và sản xuất thương mại để lắp đặt trên xe ô tô Bên cạnh đó những tài liệu của các hãng đưa ra thường là bí mật, không được công khai rộng rãi Tài liệu chỉ có sách hướng dẫn sử dụng hệ thống phanh ABS khí nén và giới thiệu sản phẩm

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam các đề tài nghiên cứu về hệ thống phanh ABS khí nén vẫn còn hạn chế khi mà số lượng xe tải và xe chở khách nhập khẩu sử dụng hệ thống phanh

có trang bị ABS đang ngày càng tăng nhanh về số lượng, cụ thể là một số loại xe lắp ráp ở trong nước Trong những năm vừa qua có một số đề tài nghiên cứu về vấn đề này, tiêu biểu có các công trình nghiên cứu như sau: Luận văn của Nguyễn Trung Kiên [3] nghiên cứu tập trung mô phỏng dẫn động khí nén trong hệ thống phanh có trang bị thêm ABS Tác giả đã xây dựng được mô hình nghiên cứu và mô phỏng số

hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén trên xe tải KaMaz có thông số kết cấu cụ thể [1] Tác giả đã tiến hành xây dựng mô hình của một số phần tử chính trong hệ thống phanh như: tổng van phanh, van chấp hành ABS, cơ cấu phanh bánh xe, đường ống khí nén và bầu phanh bánh xe với một số giả thiết nhằm đơn giản hóa quá trình tính toán Nhưng chưa xét đến sự ảnh hưởng của van gia tốc trên mạch phanh cầu sau và van xả nhanh trên mạch phanh cầu trước Nghiên cứu mô phỏng bộ điều khiển bằng Stateflow trong tiện ích của Matlab với thuật toán để điều khiển hệ thống dựa vào sự chênh lệch về vận tốc của bánh xe và ô tô khi tiến hành phanh ô tô Tác giả thực hiện

mô phỏng ở các vận tốc ban đầu khác nhau, trên những loại đường có hệ số bám khác nhau Tác giả đã mô phỏng quãng đường phanh và vận tốc dài của xe, nhưng luận văn mới chỉ đề cập đến quy luật biến thiên của các thông số liên quan đến bánh xe trước bên trái như: áp suất khí nén trong bầu phanh, mô men phanh bánh xe, vận tốc

10

góc và độ trượt bánh xe Quy luật biến thiên của các thông số liên quan đến các bánh

xe khác chưa đề cập đến Các kết quả của luận văn mới chỉ dừng lại ở mô phỏng trên máy tính, chưa được kiểm chứng qua thực nghiệm nên chưa thể ứng dụng trực tiếp vào công nghiệp sản xuất

Trịnh Văn Tuấn [4] với đề tài "Xây dựng mô hình tính toán cơ cấu chấp hành trong hệ thống phanh khí nén trang bị ABS" đã khảo sát đặc tính van chấp hành ABS nhằm tính toán độ trễ chuyển trạng thái giữa các pha hoạt động Khi ECU phát tín hiệu đến van điện từ thì van không hoạt động ngay lập tức dẫn đến độ trễ về dòng gây ảnh hưởng tới chu kỳ làm việc Mô hình tính toán sẽ dự đoán được tần số làm việc của hệ thống phanh ABS

Phạm Việt Anh [5] thực hiện nghiên cứu đề tài về khả năng đáp ứng về tần số điều khiển của áp suất khí nén trên hệ thống phanh dẫn động khí nén ở trạng thái làm việc có sự can thiệp của hệ thống ABS Luận văn đã sử dụng phương pháp mô phỏng tập trung để tính toán động lực học trong dẫn động phanh khí nén Kết hợp giữa xe tham khảo và xe cải biên trong hai điều kiện đường khô và ướt để mô phỏng động lực học phanh Tác giả đã lấy số liệu thực trên xe thử nghiệm của luận án [6] để chạy chương trình khảo sát áp suất tại bầu phanh trong các chế độ làm việc của ABS Kết quả luận văn đã đưa ra được đồ thị biểu diễn quá trình tăng áp khi hệ thống ABS hoạt động và tần số điều khiển cùng với hệ số tăng áp trong các trường hợp mô phỏng

Nhìn chung, các vấn đề tập trung nghiên cứu trong nước về hệ thống ABS dẫn động bằng khí nén được mô phỏng trên máy tính với một số giả thuyết nhằm đơn giản hóa trong tính toán đã có nhiều ý nghĩa quan trọng trong việc hoàn thiện cơ sở

lý thuyết quá trình phanh cũng như giải quyết các vấn đề về điều khiển quá trình phanh của hệ thống phanh có sự hỗ trợ của ABS dẫn động khí nén Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chưa đề cập nhiều tới về vấn đề ổn định hướng chuyển động khi phanh của hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén Hệ thống phanh này được bố trí

11

trên xe rất phức tạp và mô hình nghiên cứu hiện nay còn ít nên việc tìm hiểu sâu về động lực học quá trình phanh của hệ thống này để đảm bảo chất lượng phanh hiện nay còn hạn chế, cụ thể là cả hiệu quả phanh và độ ổn định khi phanh Đây là điểm khác biệt trong nghiên cứu của đề tài

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén là một trong những hệ thống an toàn quan trọng nhất trên một số dòng ô tô tải Vận tốc dài và tải trọng tác dụng lên xe tải ngày càng có sự gia tăng nên yêu cầu hệ thống phanh trên ô tô phải đạt được hiệu quả làm việc tối ưu Chúng ta biết rằng khi tiến hành quá trình phanh thì xe có thể bị lệch hướng chuyển động do ảnh hưởng từ góc lệch hướng của bánh xe, điều này gây nguy hiểm cho xe Ngoài ra còn do tổng các lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên phải và bên trái không bằng nhau tạo thành mô men quay vòng theo phương thẳng đứng đi qua trọng tâm của ô tô Sự lệch hướng này có thể làm cho xe ra khỏi phạm vi di chuyển trên đường và gây tai nạn Hiệu quả quá trình phanh và ổn định hướng chuyển động khi phanh phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có sự tiến hành điều khiển quá trình phanh bằng cách kiểm soát độ trượt của bánh xe khi tiến hành phanh, đặc biệt

là khi phanh gấp là yếu tố có ảnh hưởng nhiều nhất

Trên những loại xe ô tô tải có tải trọng trung bình và thậm chí là lớn đều sử dụng hệ thống phanh khí nén, dẫn động phanh khí nén có thời gian chậm tác dụng lớn hơn dẫn động phanh thủy lực và do áp suất làm việc thấp hơn nên kết cấu phức tạp, kích thước các cụm trong hệ thống dẫn động cồng kềnh, chiều dài các đường ống dẫn lớn (có thể đến 30 m) Vì vậy thời gian chậm tác dụng của hệ thống sẽ lớn Việc yêu cầu phải được trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh là cấp thiết, nhằm gia tăng chất lượng phanh của ô tô Nhờ đó có thể nâng cao độ an toàn khi người lái xe điều khiển hệ thống phanh Tại các nước bạn, nhiều hãng sản xuất lớn đã tập trung nghiên cứu rất kỹ lưỡng về hệ thống ABS nói chung và ABS dẫn

12

động khí nén nói riêng, có thực nghiệm kiểm chứng và đã ứng dụng thương mại vào hầu hết các loại xe Tuy nhiên các tài liệu, kết quả nghiên cứu đều là tài liệu riêng của các hãng, không được công bố phổ biến hoặc có công bố chỉ mang tính chất hướng dẫn sử dụng và quảng bá sản phẩm Trong khi hiện nay, các xe tải hiện đang

sử dụng trong nước đa phần sử dụng hệ thống phanh khí nén và trong số đó có một

số ít được trang bị thêm hệ thống chống bó cứng phanh ABS Do đó, việc nghiên cứu động lực học của hệ thống phanh ABS khí nén là cơ sở cần thiết để đánh giá chất lượng phanh, từng bước nghiên cứu chế tạo, thay thế các cụm chi tiết trong hệ thống ABS của các hãng Việc mô phỏng động lực học hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén trên ô tô bằng cách xây dựng thuật toán và mô phỏng điều khiển hoạt động nhằm đảm bảo được hiệu quả quá trình phanh ô tô và khả năng ổn định về hướng chuyển động khi phanh của ô tô

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên tác giả lựa chọn đề tài " Mô phỏng động lực học hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén" với mục đích xây dựng

thuật toán để xây dựng mô hình mô phỏng nghiên cứu động lực học phanh ABS khí nén đảm bảo về hiệu quả phanh và tính ổn định khi phanh Việc nghiên có ý nghĩa thực tiễn đối với việc phát triển ngành công nghiệp ô tô trong nước về việc tiến hành nghiên cứu sản xuất hệ thống phanh ABS khí nén trang bị cho ô tô tải, góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh cho các sản phẩm ô tô chế tạo trong nước Bên cạnh đó, đề tài nghiên cứu còn là tài liệu phục vụ công tác giảng dạy cho học viên, sinh viên các trường về việc điều khiển hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu mô phỏng dẫn động của khí nén, động lực học quá trình phanh và thiết lập xây dựng thuật toán để điều khiển hoạt động của phanh ABS dẫn động khí nén đảm bảo về hiệu quả phanh và ổn định phanh

13

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là thông số kết cấu của hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén được trang bị trên xe tải KAMAZ-43266

Bảng 1.1.Thông số kỹ thuật xe KAMAZ-43266

- Trọng lượng phân bố lên cầu trước kg 5180

- Trọng lượng phân bố lên cầu sau kg 9500 1.3 Trọng lượng thùng kéo cho phép tham gia giao

1.6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.6.1 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các nghiên cứu liên quan tới động lực học phanh;

- Xây dựng mô hình toán học mô tả động lực học chuyển động của ô tô khi phanh;

- Xây dựng mô hình toán học mô tả dẫn động điều khiển hệ thống phanh khí nén;

- Nghiên cứu thiết lập thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén;

- Mô phỏng động lực học quá trình phanh và điều khiển các phần tử hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén bằng phần mềm Simcenter Amesim;

1.6.2 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật toán và mô phỏng điều khiển hoạt động của phanh ABS đảm bảo hiệu quả và tính ổn định khi phanh

1.7 Kết luận chương 1

Hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS dẫn động khí nén gần đây được nhiều nhà nghiên cứu và hoàn thiện về mặt kết cấu cũng như các tính năng làm việc, chúng được lắp đặt trên nhiều dòng xe tải với các thông số kết cấu khác nhau Các vấn đề nghiên cứu về ABS khí nén ngày nay được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu và đạt được nhiều thành quả rõ rệt Bên cạnh đó, các kết quả nghiên cứu mới chỉ được công

cả hai chỉ tiêu nói trên, qua đó giúp người sử dụng có thể làm chủ được hệ thống, và công nghệ chế tạo ABS khí nén trên các xe ô tô, điều này có ý nghĩa trong thực tiễn

và trong nghiên cứu khoa học, giúp phát triển ngành công nghiệp phát triển ô tô được trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS trong nước

16

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động lực học quá trình phanh

2.1.1 Giả thiết lập mô hình

Luận văn đưa ra các giả thiết nhằm đơn giản hóa bài toán mà vẫn đạt được các thông số đánh giá cần thiết Cụ thể các giả thiết được đặt ra như sau:

- Dao động của hệ là dao động tuyến tính, nhỏ xung quanh vị trí cân bằng tĩnh Góc lắc dọc và lắc ngang rất nhỏ và tuyến tính với hàm lượng giác của các góc trên;

- Toàn bộ khối lượng phần được treo và không được treo là khối cứng tuyệt đối, khối lượng được treo và không được treo được quy dẫn về trọng tâm và biểu thị qua giá trị khối lượng và mô men quán tính khối lượng;

- Thân xe, cầu xe đối xứng qua mặt phẳng dọc xe với mặt phẳng chuyển động của ô tô;

- Các liên kết của các vật trong cơ hệ được coi là lý tưởng;

- Các đặc tính của phần tử đàn hồi và giảm chấn là đặc tính tuyến tính và các

bộ phận đàn hồi và giảm chấn chỉ biến dạng theo phương thẳng đứng vuông góc với mặt phẳng chuyển động của xe;

- Bánh xe được coi là không nghiêng so với mặt phẳng chuyển động Hiện tượng đàn hồi biến dạng của lốp chỉ xét trong phương thẳng đứng;

- Bỏ qua các nguồn kích thích dao động trên xe Coi mấp mô mặt đường là nguồn kích thích duy nhất;

- Bỏ qua ảnh hưởng đàn hồi hệ thống lái;

- Khung xe ô tô cứng tuyệt đối;

- Chuyển động phương dọc của cầu xe tương đương với chuyển động dọc của khối lượng được treo tương ứng;

- Cầu xe không lắc dọc tương đối với khối lượng được treo;

- Bỏ qua ảnh hưởng của vi sai đến phân bố mô men chủ động

- Khi tiến hành phanh xe coi rằng vận tốc ô tô sẽ nhỏ do đó bỏ qua lực cản không khí ;

- Khi phanh xe do lực cản lăn rất nhỏ so với lực phanh nên có thể bỏ qua

18

- Hệ quy chiếu cố định OXYZ

- Hệ quy chiếu gắn với quỹ đạo chuyển động của ô tô OvXvYvZv, (Hình 2.1)

có OV đặt tại hình chiếu của tọa độ trọng tâm thân xe lên mặt phẳng đường Trong hệ quy chiếu này ô tô sẽ có 3 bậc tự do là chuyển động theo phương Xv,Yv và xoay theo phương ψv

- Hệ quy chiếu gắn với khối lượng được treo của ô tô OsXsYsZs, (Hình 2.1) có

Os đặt tại tọa độ trọng tâm phần khối lượng được treo Trong hệ quy chiếu này khối lượng được treo của ô tô có 3 bậc tự do là chuyển động theo phương Zs, xoay theo phương φs và ϴs

- Hệ quy chiếu gắn với khối lượng không được treo cầu trước của ô tô

Gu1Xu1Yu1Zu1, (Hình 2.1) có Ou1 đặt tại tọa độ trọng tâm phần khối lượng không được treo cầu trước Trong hệ quy chiếu này khối lượng được treo của ô tô có 2 bậc tự do

là chuyển động theo phương Zu1, xoay theo phương φu1)

- Hệ quy chiếu gắn với khối lượng không được treo cầu sau của ô tô

Gu2Xu2Yu2Zu2, (Hình 2.1) có Ou2 đặt tọa độ trọng tâm phần khối lượng không được treo cầu sau Trong hệ quy chiếu này khối lượng được treo của ô tô có 2 bậc tự do là chuyển động theo phương Zu1, xoay theo phương φu1)

2.1.3 Động học chuyển động của ô tô khi phanh

2.1.3.1 Động học chuyển động của ô tô gắn với hệ quy chiếu OV

Ma trận cosin chỉ hướng chuyển động của ô tô gắn với hệ quy chiếu Ov, chuyển động của ô tô gắn với hệ quy chiếu Ov như sau:

cos( ) sin( ) 0 sin( ) cos( ) 0

xv xqu L xqu R xqu L xqu R

zv xqu L xqu R xqu L xqu R

1 1 min ; 1 1 min ; 1 2 min ; 2 2 min

phanh ở các bánh xe Lực phanh tại các bánh xe trên các cầu được xác định tương

tự nhau từ công thức xác định mô men phanh trên một bánh xe như sau: