Mô phỏng quá trình phanh có điều khiển abs sử dụng phần mềm matlab

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ BẢNG 2.1 Tiêu chuẩn về hiệu quả phanh chính khi thử không tải BẢNG 2.2 Tiêu chuẩn về hiệu quả phanh chính khi thử đầy tải BẢNG 3.1 Bảng thông số kỹ thuật của

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỀ TÀI:

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHANH

CÓ ĐIỀU KHIỂN ABS SỬ DỤNG

PHẦN MỀM MATLAB

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN HẢI

Số thẻ sinh viên: 103150114

Lớp: 15C4B Người hướng dẫn: TS LÊ VĂN TỤY

Người phản biện: TS PHẠM QUỐC THÁI

Đà Nẵng, 12/ 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỀ TÀI:

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHANH

CÓ ĐIỀU KHIỂN ABS SỬ DỤNG

PHẦN MỀM MATLAB

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN HẢI

Số thẻ sinh viên: 103150114

Lớp: 15C4B Người hướng dẫn: TS LÊ VĂN TỤY

Người phản biện: TS PHẠM QUỐC THÁI

Đà Nẵng, 12/ 2019

ra trong quá trình phanh Từ đó, đưa ra cơ sở lý thuyết tính toán kết hợp với phần mềm

mô phỏng MATLAB để tiến hành xây dựng các thuật toán mô phỏng, đánh giá hiệu quả của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS Để quá trình mô phỏng đảm bảo tính chính xác cao và gần với thực tế nhất, các số liệu phục vụ cho quá trình mô phỏng sẽ sử dụng các thông số kỹ thuật của xe Toyota Corolla Altis 2.0 Kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ tạo cơ sở để thực hiện các nghiên cứu khác có tính ứng dụng thực tế liên quan đến hệ thống chống bó cứng phanh ABS như: thiết kế hệ thống cảnh báo an toàn hệ thống phanh cho xe, thiết bị kiểm tra mức độ an toàn của hệ thống phanh …

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: … ……….………….…… Số thẻ sinh viên: ………

Lớp:……… Khoa: Ngành: ………

1 Tên đề tài đồ án: ……… ………

………

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện 3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……… ……… ……

………

… ……….… ……… ………

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: … ………

… ………

… ………

… ………

… ………

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): … ………

… ………

… ………

… ………

6 Họ tên người hướng dẫn: ……… ………

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …… /……./201…

8 Ngày hoàn thành đồ án: …… /……./201…

Đà Nẵng, ngày tháng năm 201

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển của ngành ô tô Việt Nam như hiện nay, cùng với chiến lược phát

triển của nhà nước, chính sách nội địa hoá phụ tùng ôtô trong việc sản xuất và lắp ráp

đã tạo điều kiện cho các nhà thiết kế nghiên cứu, chế tạo các cụm, các hệ thống trên ôtô

trong trước, trong đó có hệ thống phanh Vấn đề nghiên cứu thiết kế và chế tạo các phần

tử của hệ thống phanh ABS là phù hợp với xu hướng phát triển của nhà nước về chủ

trương nội địa hoá sản phẩm ôtô của Việt Nam Chính vì vậy, em đã quyết định thực

hiện đề tài:

“Mô phỏng quá trình phanh có điều khiển ABS

sử dụng phần mềm MATLAB”

Trong tình hình hiện nay, ngành ôtô của nước ta chủ yếu là lắp ráp nên để có thể

độc lập chế tạo các chi tiết của ô tô rất cần những nghiên cứu ứng dụng vào thực tế

Nghiên cứu các vấn đề về lý thuyết và điều khiển hệ thống phanh ôtô hiện đại nhằm ứng

dụng thiết kế và chế tạo các hộp đen ECU điều khiển hệ thống phanh là một vấn đề rất

phức tạp nhưng đó là công việc cần phải bắt tay vào làm để trong tương lai không xa

chúng ta có thể tự nghiên cứu và sản xuất ra những sản phẩm ô tô riêng của Việt Nam

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài này là nhằm xây dựng cơ sở lý

thuyết cho hệ thống phanh ABS, từ cơ sở đó thực hiện mô phỏng trên phần mềm

MATLAB để thấy rõ diễn biến cũng như hiệu quả của quá trình phanh có điều khiển

ABS

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Lê Văn Tụy người trực tiếp

hướng dẫn cùng các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật ô tô – Máy động lực, khoa Cơ Khí

Giao Thông, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng đã giúp đỡ nhiệt tình để

em có thể thực hiện đề tài này

Đà Nẵng, ngày 15 tháng 12 năm 2019

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN VĂN HẢI

CAM ĐOAN

Đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới

sự hướng dẫn khoa học của TS LÊ VĂN TỤY Các số liệu, những kết luận nghiên cứu

được trình bày trong đồ án tốt nghiệp này hoàn toàn trung thực

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

Sinh viên thực hiện

{Chữ ký, họ và tên sinh viên}

NGUYỄN VĂN HẢI

MỤC LỤC

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

Lời nói đầu và cảm ơn i

Lời cam đoan liêm chính học thuật ii

Mục lục iii

Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ v

Danh sách các cụm từ viết tắt vii

Trang MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS 2

1.2 Tình hình nghiên cứu của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS trên thế giới 3

1.3 Tình hình nghiên cứu của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS ở Việt Nam 4

1.4 Tổng quan về hệ thống phanh

1.4.1 Cơ cấu phanh 5

1.4.2 Dẫn động phanh 10

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lực phanh sinh ra ở bánh xe 17

2.2 Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu 19

2.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh 21

2.3.1 Gia tốc chậm dần khi phanh 22

2.3.2 Thời gian phanh 23

2.3.3 Quãng đường phanh 23

2.3.4 Lực phanh và lực phanh riêng 25

2.4 Cơ sở lý thuyết về điều hòa lực phanh và chống bó cứng bánh xe khi phanh 26

2.4.1 Điều hòa lực phanh 26

2.4.2 Chống hãm cứng bánh xe khi phanh 29

2.5 Giản đồ phanh và chỉ tiêu phanh thực tế 31

2.6 Tính ổn định của ô tô khi phanh 35

2.7 Hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS 38

2.7.1 Cấu trúc chung của hệ thống ABS 38

2.7.2 Phân loại hệ thống ABS theo kiểu điều khiển 39

2.7.3 Các phương án bố trí cơ cấu điều khiển của hệ thống ABS 40

2.7.4 Quá trình điều khiển của hệ thống ABS 43

2.7.5 Các chế độ làm việc khi phanh của hệ thống ABS 51

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG BÁNH XE ABS

3.1 Giới thiệu chung về phần mềm Matlab 54

3.1.1 Giao diện Matlab 54

3.1.2 Các lệnh thông dụng trong Matlab 54

3.2 Nội dung tính toán và mô phỏng 55

3.2.1 Mô phỏng diễn biến áp suất dầu phanh tại cơ cấu phanh, tổng mô men phanh của xe 55

3.2.2 Mô phỏng gia tốc bánh xe 57

3.2.3 Mô phỏng tốc độ dài bánh xe và tốc độ góc bánh xe 58

3.2.4 Các số liệu ban đầu để thực hiện quá trình mô phỏng 60

Chương 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Trường hợp 1 61

4.2 Trường hợp 2 65

4.3 Trường hợp 3 69

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 76

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

BẢNG 2.1 Tiêu chuẩn về hiệu quả phanh chính khi thử không tải

BẢNG 2.2 Tiêu chuẩn về hiệu quả phanh chính khi thử đầy tải

BẢNG 3.1 Bảng thông số kỹ thuật của xe Toyota Corolla Altis 2.0V

BẢNG 4.1 Bảng kết quả các thông số của quá trình mô phỏng diễn biến hệ thống phanh

có điều khiển ABS trong TH1

BẢNG 4.2 Bảng kết quả các thông số của quá trình mô phỏng diễn biến hệ thống phanh

có điều khiển ABS trong TH2

BẢNG 4.3 Bảng kết quả các thông số của quá trình mô phỏng diễn biến hệ thống phanh

có điều khiển ABS trong TH3

HÌNH 1.1 Cơ cấu phanh trống cuốc loại 1

HÌNH 1.2 Cơ cấu phanh trống cuốc loại 2

HÌNH 1.3 Cơ cấu phanh trống cuốc loại 3

HÌNH 1.4 Cơ cấu phanh trống cuốc loại 4

HÌNH 1.5 Cơ cấu phanh đĩa

HÌNH 1.6 Sơ đồ các loại phanh dải

HÌNH 1.7 Dẫn động thủy lực tác dụng trực tiếp

HÌNH 1.8 Dẫn động thủy lực trợ lực chân không

HÌNH 1.9 Dẫn động thủy lực trợ lực khí nén

HÌNH 1.10 Sơ đồ dẫn động thủy lực trợ lực bằng bơm thủy lực

HÌNH 1.11 Dẫn động phanh bằng thủy lực dùng bơm và các bộ tích năng

HÌNH 1.12 Sơ đồ dẫn động phanh khí nén

HÌNH 2.1 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh

HÌNH 2.2 Lực tác dụng lên ô tô khi phanh

HÌNH 2.3 Đồ thị thể hiện sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo tốc độ bắt đầu

HÌNH 2.5 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh sau và trong dẫn

động phanh trước để đảm bảo sự phanh lý tưởng

HÌNH 2.6 Đường đặc tính của bộ điều hòa lực phanh

HÌNH 2.7 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo

độ trượt tương đối λ của bánh xe khi phanh

HÌNH 2.8 Giản đồ phanh

HÌNH 2.9 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh mà bị quay ngang

HÌNH 2.10 Sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô

HÌNH 2.11 Các phương án điều khiển của ABS

HÌNH 2.12 Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS

HÌNH 2.13 Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe

HÌNH 2.14 Sơ đồ điều khiển kín của ABS

HÌNH 2.15 Lưu đồ thuật toán tính toán hệ thống phanh có ABS

HÌNH 2.16 Diễn biến các thông số của ô tô khi phanh có điều khiển của ABS

HÌNH 2.17 Chế độ phanh bình thường

HÌNH 2.18 Chế độ giảm áp

HÌNH 2.19 Chế độ giữ áp

HÌNH 3.1 Giao diện Matlab

HÌNH 3.2 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng quá trình phanh có điều khiển ABS

HÌNH 4.1 Đồ thị áp suất dầu phanh

HÌNH 4.2 Đồ thị tổng mô men phanh của xe

HÌNH 4.3 Đồ thị gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh

HÌNH 4.4 Đồ thị vận tốc và tốc độ góc bánh xe

HÌNH 4.5 Hình thể hiện một phần diễn biến vận tốc và tốc độ góc bánh xe khi phanh

HÌNH 4.6 Đồ thị áp suất dầu phanh

HÌNH 4.7 Đồ thị tổng mô men phanh của xe

HÌNH 4.8 Đồ thị gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh

HÌNH 4.9 Đồ thị vận tốc và tốc độ góc bánh xe

HÌNH 4.10 Hình thể hiện một phần diễn biến vận tốc và tốc độ góc bánh xe khi phanh

HÌNH 4.11 Đồ thị áp suất dầu phanh

HÌNH 4.12 Đồ thị tổng mô men phanh của xe

HÌNH 4.13 Đồ thị gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh

HÌNH 4.14 Đồ thị vận tốc và tốc độ góc bánh xe

HÌNH 4.15 Hình thể hiện một phần diễn biến vận tốc và tốc độ góc bánh xe khi phanh

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:

A - Diện tích cản chính diện của ô tô

a, b, hg - Tọa độ trọng tâm của ô tô

dp - Đường kính piston công tác của cơ cấu phanh

Fép - Lực ép sinh ra tại một cơ cấu phanh

g - Gia tốc trọng trường ( g = 9,81 m/s2 )

G - Trọng lượng ô tô

jp - Gia tốc chậm dần khi phanh

k - Hệ số cản không khí

L - Chiều dài cơ sở của ô tô

Mp - Mômen phanh tác dụng lên bánh xe

pd - Áp suất dầu phanh trong xylanh công tác của cơ cấu phanh

Pf1 và Pf2 - Lực cản lăn tác dụng lên bánh trước và bánh sau

Pj - Lực quán tính sinh ra do khi phanh sẽ có gia tốc chậm dần

Pp - Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường

đường

Pφ - Lực bám giữa bánh xe với mặt đường

ω

P - Lực cản không khí

rbx - Bán kính làm việc của bánh xe

Rms - Bán kính làm việc trung bình của tấm ma sát má phanh

ε - Gia số thời gian

λ - Độ trượt tương đối

μ - Hệ số ma sát giữa đĩa phanh và tấm ma sát

φ - Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường

CHỮ VIẾT TẮT:

ABS – Anti-lock Braking System: Hệ thống chống bó cứng phanh

BAS – Brake Assist System: Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp

EBD – Electronic Brake force Distribution: Hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử

ECU – Electronic Control Unit: Cụm điều khiển điện tử

ESP – Electronic Stability Program: Hệ thống điều khiển ổn định ô tô bằng điện tử

GTVT – Giao thông vận tải

MỞ ĐẦU

i Mục đích thực hiện đề tài

- Hiểu được các cơ sở lý thuyết về quá trình phanh của ô tô; nắm được cấu tạo cơ

bản, nguyên lý làm việc của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS

- Đánh giá được hiệu quả của quá trình phanh

- Tạo cơ sở thực hiện các nghiên cứu khác liên quan đến hệ thống chống bó cứng

bánh xe ABS

ii Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình phanh của ô tô

- Nghiên cứu hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS

- Xây dựng thuật toán mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống chống bó cứng

bánh xe ABS; từ đó phân tích, đánh giá các chỉ tiêu hiệu quả phanh dựa trên kết quả mô

phỏng thu được

iii Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

* Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện nghiên cứu trên xe Toyota Corolla Altis 2.0V

* Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phanh dẫn động thủy lực có trang bị ABS trên

xe Toyota Corolla Altis 2.0V

iv Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các nguồn tài liệu lý thuyết liên quan đến đề tài nghiên cứu, tiến hành chọn

lọc, phân tích, giải thích các bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong quá trình

phanh Từ đó, đưa ra các cơ sở lý thuyết tính toán kết hợp với phần mềm mô phỏng

MATLAB để tiến hành xây dựng các thuật toán mô phỏng, đánh giá hiệu quả của hệ

thống chống bó cứng bánh xe ABS

v Cấu trúc đồ án tốt nghiệp

Đồ án ngoài phần “mở đầu” và phần “kết luận chung và hướng phát triển của đề

tài”, gồm có 4 chương:

Chương 1 Tổng quan đề tài nghiên cứu

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Tính toán và mô phỏng bằng Matlab

Chương 4 Phân tích kết quả mô phỏng

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS

Để tránh hiện tượng các bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe trên

đường trơn, người lái xe đạp phanh bằng cách nhịp liên tục lên bàn đạp phanh để duy

trì lực bám, ngăn không cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển được

hướng chuyển động của xe Về cơ bản, chức năng của hệ thống phanh ABS cũng giống

như vậy nhưng hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn

ABS được sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm 1949, chống

hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh Tuy nhiên, kết cấu của ABS

lúc đó còn cồng kềnh, hoạt động không tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi

tình huống Trong quá trình phát triển, ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại

điện và hiện nay là loại điện tử

Vào thập niên 1960, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử ( microchip)

ra đời, giúp hệ thống ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô vào năm 1969 Sau đó, hệ

thống ABS đã được nhiều công ty sản xuất ôtô nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ

những năm 1970 Công ty Toyota sử dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật từ năm 1971,

đây là hệ thống ABS 1 kênh điều khiển động thời hai bánh sau Nhưng phải đến 1980

hệ thống này mới được phát triển mạnh nhờ hệ thống điều khiển kỹ thuật số, vi xử lý

(digital microprocessors / microcontrollers) thay cho các hệ thống điều khiển tương tự

(analog) đơn giản trước đó

Lúc đầu hệ thống ABS chỉ được lắp trên các xe du lịch cao cấp, đắt tiền, được trang

bị theo yêu cầu và theo thị trường Dần dần hệ thống này được đưa vào sử dụng rộng rãi

hơn, đến nay ABS gần như đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại xe tải,

một số xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đường băng,

tuyết dễ trơn trượt Hệ thống ABS không chỉ được thiết kế trên các hệ thống phanh thủy

lực, mà còn ứng dụng rộng rãi trên các hệ thống phanh khí nén của các xe tải và xe

khách lớn

Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động như

khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với tốc độ cao, khi phanh

trong những trường hợp khẩn cấp,… hệ thống ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều

hệ thống khác :

- Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo - Traction control (hay ASR)

làm giảm bớt công suất động cơ và phanh các bánh xe để chống hiện tượng các bánh xe

bị trượt lăn tại chỗ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, bởi điều này làm tổn hao vô

ích một phần công suất của động cơ và mất tính ổn định chuyển động của ôtô

- Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử EBD

(Electronic Brake force Distribution) nhằm phân phối áp suất dầu phanh đến các bánh

xe phù hợp với các chế độ tải trong và chế độ chay của xe

- Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp BAS (Brake Assist

System) làm tăng thêm lực phanh ở các bánh xe để có quãng đường phanh là ngắn nhất

trong trường hợp phanh khẩn cấp Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống ổn định ôtô bằng

điện tử (ESP), không chỉ có tác dụng trong khi dừng xe, mà còn can thiệp vào cả quá

trình tăng tốc và chuyển động quay vòng của ôtô, giúp nâng cao hiệu suất chuyển động

của ôtô trong mọi trường hợp Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của

kỹ thuật điện tử, của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình cực

mạnh đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới

trong ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hóa quá trình điều khiển

ABS

Các công ty như BOSCH, AISIN, DENSO, BENDIX là những công ty đi đầu trong

việc nghiên cứu, cải tiến và chế tạo các hệ thống ABS cho ô tô

1.2 Tình hình nghiên cứu của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS trên thế giới

Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống phanh ABS, tiêu

biểu trong số đó có thể kể đến các công trình như:

+ C Rengaraj, A.Adgar, C.S.Cox, D.A.Crolla, “Cosimulation of parameter based

vehicle dynamics and an ABS control system”, International Conference on Systems

Engineering(ICSE2006) at University of Coventry, Coventry, United Kingdom, Sep

2006 Là công trình nghiên cứu động lực xe và hệ thống điều khiển ABS, đã xây dựng

mô hình trên Matlab Simulink và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng CarSim, sau

đó tiến hành thử nghiệm và đánh giá trên mô hình mô phỏng

+ Cem Unsal, Pushkin Kachroo, “Sliding Mode Measurement Feedback Control for

Antilock Braking Systems”, IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS

TECHNOLOGY, Vol 7, No 2, March 1999 Nghiên cứu đã đưa ra thuật toán điều khiển

dựa trên mô hình điều khiển theo kiểu trượt kết hợp với bộ lọc Kalman để loại bỏ các

thành phần nhiễu do môi trường tác động nhằm điều khiển động lực học dọc của xe

+ Ming-chin Wu, Shih Ming-chang, “Simulated and experimental study of

hydraulic anti-lock braking system using sliding-mode PWM control”, Department of

Mechanical Engineering, National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan, ROC, 2

February 2001 Nghiên cứu kết hợp điều khiển theo độ rộng xung PWM và điều khiển

theo kiểu trượt để thiết kế mô hình điều khiển hệ thống phanh ABS

+ M Ouddhiri , M Chadli, A El Hajjaji, “Robust Fuzzy Sliding Mode Control for

Antilock Braking System”, Int Journal on Sciences and Techniques of Automatic

control Vol 1, No 1, June 2007 Nghiên cứu đề xuất phương pháp điều khiển theo kiểu

trượt kết hợp với logic mờ để điều chỉnh lực phanh

+ Hyeongcheol Lee, Masayoshi Tomizuka,“Adaptive Traction Control”, California

Partners for Advanced Transit and Highways (PATH), Department of Mechanical

Engineering, University of California, Berkeley, September 1995 Là đề tài đã ứng dụng

lý thuyết điều khiển thích nghi để nghiên cứu chống trượt bánh xe

Qua đây ta có thể thấy, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ

thống phanh ABS, góp phần nâng cao hiệu quả, mức độ tối ưu của hệ thống phanh ABS

trên ô tô Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu này chỉ được công bố sơ lược, mang tính

chất giới thiệu; còn các nội dung, số liệu nghiên cứu cụ thể vẫn chưa công bố rõ ràng,

thống nhất Điều này đã gây khó khăn cho việc tiếp cận, cùng tham gia nghiên cứu đối

với nhà nghiên cứu ở nước ta

1.3 Tình hình nghiên cứu của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS ở Việt Nam

Hiện tại ở Việt Nam cũng đã có nhiều đề tài nghiên cứu về hệ thống phanh ABS,

trong đó có thể kể đến như:

+ Luận án tiến sĩ của Nguyễn Văn Tiềm (2009): Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều

khiển chuyển động thích nghi trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo

+ Luận án tiến sĩ của Nguyễn Sĩ Đỉnh (2010): Nghiên cứu động lực học dẫn động

phanh thủy lực để lắp hệ thống chống hãm cứng bánh xe lên ô tô quân sự

+ Đào Mạnh Hùng, Nguyễn Đức Trung, “ Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống

chống bó cứng bánh xe (ABS) trên cơ sở lý thuyết điều khiển trượt”, Tạp chí Cơ khí

Việt Nam, số 4, tháng 4 năm 2010

+ Lê Hùng Lân, Nguyễn Văn Tiềm, “Tổng hợp điều khiển thích nghi hệ thống chống

bó cứng bánh xe ô tô khi phanh trên cơ sở mô hình mạng nơ ron xuyên tâm- RBFN”,

Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, Trường đại học Giao thông vận tải, số 24, tr

38-45

+ Lê Hùng Lân, Nguyễn Văn Tiềm, Lê Chung, “Tổng hợp điều khiển thích nghi hệ

thống chống bó cứng bánh xe ô tô khi phanh trên cơ sở mô hình mờ”, Tạp chí khoa học

Giao thông vận tải, Trường đại học Giao thông vận tải, số 21, 03/2008

Nhìn chung, đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống ABS xuất hiện ở nước

ta, các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào điều khiển hệ thống ABS trên phương diện

cơ sở lý thuyết kết hợp với phương pháp mô phỏng trên máy tính và thử nghiệm trên

các mô hình trong phòng thí nghiệm Do đó, các kết quả thu được vẫn còn rất hạn chế

nên chỉ có thể phục vụ cho mục đích nghiên cứu, giảng dạy; chưa thể tiến hành thiết kế,

lắp đặt hệ thống ABS lên xe ô tô

1.4 Tổng quan về hệ thống phanh

1.4.1 Cơ cấu phanh

Cơ cấu phanh là bộ phận trực tiếp tạo ra lực cản và làm việc theo nguyên lý ma

sát.Trong quá trình phanh động năng của ô tô được biến thành nhiệt năng ở cơ cấu phanh

rồi tiêu tán ra môi trường bên ngoài

Ngoài ra cơ cấu phanh còn có một số bộ phận phụ khác Bộ phận điều chỉnh khe hở

giữa các bề mặt ma sát, bộ phận để xả khí đối với dẫn động thuỷ lực

a.Cơ cấu phanh trống guốc

Đây là loại cơ cấu phanh được sử dụng phổ biến nhất

- Trống phanh: là một ống quay hình trụ gắn với may-ơ ở bánh xe

- Các guốc phanh: trên bề mặt gắn các tấm ma sát (má phanh)

- Mâm phanh: là một đĩa cố định bắt chặt với dầm cầu là nơi định vị hầu hết các bộ

phận khác của cơ cấu phanh

- Cơ cấu ép: Khi phanh cơ cấu ép sẽ ép lên các bề mặt ma sát của guốc phanh tỳ

chặt vào vào mặt trong của tang trống tạo nên lực ma sát phanh bánh xe lại

- Bộ phận điều chỉnh khe hở và xả khí: chỉ có đối với dẫn động thủy lực

* Cơ cấu phanh trống guốc loại 1 (loại trống guốc có cơ cấu ép bằng xy lanh kép và

có hai điểm tựa cố định của guốc được bố trí cùng phía)

Hình 1.1 Cơ cấu phanh trống guốc loại 1

Cơ cấu phanh loại 1 có các đặc điểm về kết cấu đáng chú ý:

- Hai guốc của cơ cấu phanh có điểm tựa tâm quay cố định của guốc được bố trí

về cùng một phía đối với cơ cấu phanh

- Hai guốc sử dụng chung một cơ cấu ép là xy lanh kép (một xy lanh với hai

piston thường có cùng đường kính nhưng chiều tác dụng là trái chiều nhau), nên

mô-men ma sát do hai guốc tạo ra cho tang trống là khác nhau do tính chất tách/siết mặc

dù lực ép do xy lanh kép tạo ra là giống nhau hoàn toàn

* Cơ cấu phanh trống guốc loại 2 (loại trống guốc có cơ cấu ép bằng xy lanh đơn và

có hai điểm tựa cố định của tâm quay guốc được bố trí khác nhau)

- Đây là loại cơ cấu phanh kiểu tang trống có tính chất đối xứng hoàn toàn về phương

diện kết cấu qua tâm quay bánh xe

- Nên momen ma sát của tang trống tạo ra bởi hai guốc có giá trị giống nhau

Hình 1.2 Cơ cấu phanh trống guốc loại 2

*Cơ cấu phanh trống guốc loại 3 – cường hóa (loại trống guốc có cơ cấu ép bằng

xylanh kép và thanh cường hóa)

Hình 1.3 Cơ cấu phanh trống guốc loại 3

Đây là loại cơ cấu phanh tang trống kiểu đặc biệt có tính chất đối xứng về phương

diện kết cấu qua mặt phẳng

Tuy momen ma sát được tạo ra bởi hai guốc có giá trị tăng lên nhờ guốc này tự

cường hoá cho guốc kia mặc dù các thông số cơ bản của cơ cấu phanh không thay đổi

so với hai loại trên

Đặc điểm của cơ cấu phanh này là:

- Đầu trên của hai guốc sử dụng chung một xy lanh kép để tạo lực ép chính cho hai guốc

- Đầu dưới của hai guốc được nối với nhau bằng thanh cường hóa tùy động

- Mỗi guốc của cơ cấu phanh đều có thêm một tâm quay tùy động cùng được bố trí

cùng phía với xy lanh kép

* Cơ cấu phanh trống guốc loại 4 (loại trống guốc với cam ép)

Hình 1.4 Cơ cấu phanh trống guốc loại 4 Hai guốc sử dụng chung một cam ép cùng kiểu và hành trình nâng để tạo lực ép

cho hai guốc Hai guốc có tâm quay của điểm tỳ bố trí về cùng một phía

Do tính chất bố trí tâm quay của hai điểm tựa cố định cùng phía nên momen ma sát

của hai guốc tác dụng lên tang trống hoàn toàn khác nhau theo theo tính chất tách siết

mặc dù kích thước hoàn toàn giống nhau

b Cơ cấu phanh đĩa

Hình 1.5 Cơ cấu phanh đĩa

Phanh đĩa có các loại: kín, hở, một đĩa, nhiều đĩa, loại vỏ quay, đĩa quay, vòng ma

sát quay

Đĩa có thể là đĩa đặc, đĩa có xẻ các rãnh thông gió, đĩa một lớp kim loại hay ghép

hai kim loại khác nhau

Trên ôtô sử dụng chủ yếu loại một đĩa quay dạng hở, ít khi dùng loại vỏ quay Trên

máy kéo còn dùng loại vỏ và đĩa cố định, vòng ma sát quay

Ta chỉ xét hai loại phanh đĩa: Loại má kẹp cố định và loại má kẹp tùy động

- Ưu điểm so với cơ cấu phanh trống - guốc:

+ Áp suất phân bố đều trên bề mặt má phanh, do đó má phanh mòn đều

+ Má phanh ít bị mòn và mòn đều hơn nên ít phải chỉnh

+ Điều kiện làm mát tốt

+ Momen phanh tiến lùi bằng nhau

+ Lực chiều trục tác dụng lên đĩa làm cân bằng

+ Có khả năng làm việc khe hở bé nên giảm thời gian tác dụng phanh

+ Có độ nhạy tốt

- Nhược điểm:

+ Nhạy cảm với bụi bẩn và khó làm kín

+ Các đĩa phanh loại hở dễ bị oxy hóa, bị bẩn làm các má phanh mòn phanh

+ Áp suất làm việc cao nên các má phanh dễ bị nứt, xước

c.Phanh dải

Loại phanh này chủ yếu được sử dụng trên máy kéo xích Vì nó dùng phối hợp với

ly hợp chuyển hướng tạo được một kết cấu rất đơn giản và gọn

Hình 1.6 Sơ đồ các loại phanh dải

a-Phanh dải đơn giản không tự siết; b-Phanh dải tự siết một chiều;

c-Phanh dải loại kép; d-Phanh dải loại bơi

Phanh dải có một số loại (Hình 1.6), khác nhau ở phương pháp nối các đầu dải phanh

và do đó khác nhau ở hiệu quả phanh

Hình 1.6a là sơ đồ phanh dải đơn giản không tự siết Khi tác dụng lực, cả hai đầu

dải phanh được rút lên siết vào trống phanh Ưu điểm của sơ đồ này là không có hiện

tượng tự siết, nên phanh êm dịu, hiệu quả phanh không phụ thuộc chiều quay Nhược

điểm là: Hiệu quả phanh không cao

Hình 1.6b là sơ đồ phanh dải đơn giản tự siết một chiều Nhờ có một đầu được nối

cố định nên hiệu quả phanh theo chiều tự xiết cao hơn chiều ngược lại tới gần 6 lần Tuy

vậy khi phanh thưòng dễ bị giật, không êm

Hình 1.6c là sơ đồ phanh dải loại kép Kết cấu của nó giống như ghép hai phanh dải

loại đơn có chung một đầu cố định Bất kỳ trống phanh quay theo chiều nào thì hiệu quả

phanh của nó cũng không đổi và luôn luôn có một nhánh tự siết

Hình 1.6d là sơ đồ phanh dải loại bơi Nó làm việc tương tự như phanh dải đơn giản

tự siết, nhưng hiệu quả phanh không phụ thuộc chiều quay

Tất cả các loại phanh dải đều có chung nhược điểm là áp suất trên bề mặt ma sát

phân bố không đều Nên má phanh mòn không đều và tải trọng hướng kính tác dụng lên

trục lớn

1.4.2 Dẫn động phanh

a Dẫn động thủy lực

*Ưu điểm của dẫn động thủy lực

- Độ nhạy lớn, thời gian chậm tác dụng nhỏ (dưới 0,2  0,4 s)

- Luôn luôn đảm bảo phanh đồng thời các bánh xe vì áp suất trong dẫn động chỉ bắt

đầu tăng lên khi tất cả các má phanh đã ép sát trống phanh

- Hiệu suất cao (=0,8  0,9)

- Kết cấu đơn giản, kích thước, khối lượng, giá thành nhỏ

- Có khả năng dùng trên nhiều loại xe khác nhau mà chỉ cần thay đổi cơ cấu phanh

*Nhược điểm của dẫn động thủy lực

- Yêu cầu độ kín khít cao Khi có một chỗ nào đó bị dò rỉ thì cả dòng dẫn động

không làm việc được

- Lực cần thiết tác dụng lên bàn đạp lớn nên thường phải sử dụng các bộ trợ lực để

giảm lực đạp, làm cho kết cấu phức tạp

- Sự dao động áp suất của chất lỏng làm việc có thể làm cho các đường ống bị rung

động và mô men phanh không ổn định

- Hiệu suất giảm nhiều ở nhiệt độ thấp

*Phạm vi sử dụng

- Sử dụng rộng rãi trên các ô tô du lịch, ô tô tải cỡ nhỏ hoặc đặc biệt lớn

*Các loại và sơ đồ dẫn động

Theo loại năng lượng sử dụng phanh thuỷ lực có thể chia thành ba loại:

- Dẫn động tác dụng trực tiếp: Cơ cấu được điều khiển trực tiếp bằng lực tác dụng

của người lái

Hình 1.7 Dẫn động thuỷ lực tác dụng trực tiếp

1,8 Xilanh bánh xe trước/sau; 2,7 Ống dẫn dầu đến các xilanh; 3 Piston xilanh phụ;

4 Piston xilanh chính; 5 Bàn đạp; 6 Xilanh chính

- Dẫn động tác dụng gián tiếp: Cơ cấu phanh được dẫn động một phần nhờ lực người

lái, một phần nhờ các bộ trợ lực lắp song song với bàn đạp

- Dẫn động dùng bơm và các bộ tích năng: Lực tác dụng lên các cơ cấu phanh là áp

lực của chất lỏng cung cấp từ bơm và các bộ tích năng thủy lực Người lái chỉ điều khiển

các van, qua đó điều chỉnh áp suất và lưu lượng chất lỏng đi đến các cơ cấu phanh tùy

theo cường độ phanh yêu cầu

Sơ đồ và nguyên lý dẫn động thủy lực trợ lực chân không

Hình 1.8 Dẫn động thủy lực trợ lực chân không 1-Xylanh chính; 2- Piston; 3- Bình dầu phụ; 4- Bầu trợ lực; 5- Màng cao su;

6- Màng cao su ở cơ cấu tỷ lệ; 7- Van không khí; 8- Phần tử lọc; 9- Bàn đạp;

11- Van chân không; 12- Đường ống nạp; 13- Van một chiều;

14,15- Đường dầu đi đến các cơ cấu phanh trước/sau

-Nguyên lý làm việc của sơ đồn dẫn động thủy lực trợ lực chân không:

+ Khi nhả phanh: Van chân không 11 mở, do đó khoang A sẽ thông với khoang B

qua van này và có cùng áp suất chân không

+ Khi phanh: người lái tác dụng lên bàn đạp đẩy cần dịch chuyển sang phải làm van

chân không 11 đóng lại cắt đường thông hai khoang A và B, còn van không khí 7 mở ra

cho không khí qua phần tử lọc 8 đi vào khoang A Độ chênh lệch áp suất giữa hai khoang

A và B sẽ tạo nên một áp lực tác dụng lên piston (màng) của bầu trợ lực, và qua đó tạo

nên một lực phụ hỗ trợ cùng người lái tác dụng lên các piston trong xi lanh chính 1, ép

dầu theo các ống dẫn (dòng 14 và 15) đi đến các xi lanh bánh xe để thực hiện quá trình

phanh Khi lực tác dụng lên màng cao su 5 tăng thì biến dạng của màng cao su của cơ

cấu tỷ lệ 6 cũng tăng theo làm cho piston hơi dịch về phía trước so với cần đẩy làm cho

van không khí 7 đóng lại, giữ cho độ chênh áp không đổi tức lực trợ lực không đổi

Muốn tăng lực phanh người lái phải tiếp tục đạp mạnh hơn, cần đẩy lại dịch chuyển sang

trái làm van không khí 7 mở ra cho không khí đi thêm vào khoang A Độ chênh áp tăng

lên, màng cao su 6 biến dạng nhiều hơn làm piston hơi dịch về phía trước so với cần

đẩy, van không khí lại đóng lại đảm bảo cho độ chênh áp hay lực trợ lực không đổi và

tỷ lệ với lực đạp Khi lực phanh đạt cực đại thì van không khí mở hoàn toàn và độ chênh

áp hay lực trợ lực cũng đạt giá trị lớn nhất

Sơ đồ và nguyễn lý dẫn động thủy lực trợ lực khí nén

Hình 1.9 Dẫn động thủy lực trợ lực khí nén

1- Bàn đạp; 2- Tay đòn; 3- Cụm van phân phối khí nén;

4- Bình chứa khí nén; 5- Xylanh lực; 6- Xylanh chính; 7- Đường dầu phanh trước;

8- Xylanh phanh trước; 9- Đường dầu phanh sau

- Nguyên lý làm việc của sơ đồ dẫn động thủy lực trợ lực khí nén:

+ Khi tác dụng lên bàn đạp 1, qua đòn 2 lực sẽ truyền đồng thời lên các cần của xi

lanh chính 6 và của cụm van 3 Van 3 dịch chuyển: mở đường nối khoang A của xi lanh

lực với bình chứa khí nén 4 Khí nén từ 4 sẽ đi vào khoang A tác dụng lên piston của xi

lanh trợ lực, hỗ trợ cho người lái ép các piston trong xi lanh chính 6 dịch chuyển - đưa

dầu đến các xi lanh bánh xe Khi đi vào khoang A, khí nén đồng thời đi vào khoang phía

sau piston của van 3, ép lò xo lại, làm van dịch chuyển lùi sang trái Khi lực khí nén cân

bằng với lực lò xo thì van dừng lại ở vị trí cân bằng mới, đồng thời đóng luôn đường khí

nén từ bình chứa đến khoang A - duy trì một áp suất không đổi trong hệ thống, tương

ứng với lực tác dụng và dịch chuyển của bàn đạp Nếu muốn tăng áp suất lên nữa thì

phải tăng lực đạp để đẩy van sang phải, mở đường cho khí nén tiếp tục đi vào Như vậy

cụm van 12 đảm bảo được sự tỷ lệ giữa lực tác dụng, chuyển vị của bàn đạp và lực

phanh

Sơ đồ và nguyên lý dẫn động thủy lực trợ lực bằng bơm thủy lực

Hình 1.10 Sơ đồ dẫn động thủy lực trợ lực bằng bơm thủy lực

1.Bơm; 2 Van an toàn; 3 Đường đầu cao áp; 4 Đường dầu hồi; 5.Van phân

phối; 6 Xylanh lực; 7 Xylanh chính; 8 Xylanh cơ cấu phanh trước;

9 Xylanh cơ cấu phanh sau

- Nguyên lý hoạt động của sơ đồ dẫn động thủy lực trợ lực bằng bơm thủy lực:

+ Khi tác dụng lên bàn đạp: kênh nối đường cao áp 3 của bơm với đường hồi 4 trong

van 5 đóng lại, còn kênh nối 5 với khoang làm việc của xi lanh trợ lực 6 mở ra cho chất

lỏng đi vào ép piston của xi lanh lực đẩy piston của xi lanh chính dịch chuyển, ép dầu

đến các xi lanh bánh xe để thực hiện quá trình phanh Lực tác dụng lên bàn đạp càng

mạnh, áp suất làm việc càng cao, mô men phanh sinh ra càng lớn

+ Ở trạng thái nhả phanh, van 5 nối các đường 3 và 4 với nhau nên bơm làm việc

không tải

Sơ đồ và nguyên lý dẫn động phanh bằng thủy lực dùng bơm và các bộ tích năng

Hình 1.11 Dẫn động phanh bằng thủy lực dùng bơm và các bộ tích năng

1 Bàn đạp; 2 Xylanh chính; 3,4 Các van phanh; 5,6 Xylanh bánh xe;

7,9 Bộ tích năng; 8 Bộ điều chỉnh tự động áp suất kiểu role;

10 Van an toàn; 11 Bơm

- Nguyên lý hoạt động dẫn động phanh bằng thủy lực dùng bơm và các bộ tích năng:

+ Khi tác dụng lên bàn đạp 1, dầu tác dụng lên các van 3 và 4, mở đường cho chất

lỏng từ các bộ tích năng 7 và 9, đi đến các xi lanh bánh xe 5 và 6 Lực đạp càng lớn, áp

suất trong các xi lanh 5 và 6 càng cao Bộ điều chỉnh tự động áp suất kiểu rơ le 8 dùng

để giảm tải cho bơm 11 khi áp suất trong các bình tích năng 7 và 9 đã đạt giá trị giới hạn

trên van an toàn 10 có tác dụng bảo vệ cho hệ thống khỏi bị quá tải

b.Phanh dẫn động khí nén

*Ưu điểm:

- Điều khiển nhẹ nhàng, lực điều khiển nhỏ

- Làm việc tin cậy hơn dẫn động thủy lực (khi có dò rỉ nhỏ, hệ thống vẫn có thể tiếp

tục làm việc được, tuy hiệu quả phanh giảm)

- Dễ phối hợp với các dẫn động và cơ cấu sử dụng khí nén khác, như: phanh rơ

moóc, đóng mở cửa xe, hệ thống treo khí nén,

- Dễ cơ khí hóa, tự động hóa quá trình điều khiển dẫn động

*Nhược điểm:

- Độ nhạy thấp, thời gian chậm tác dụng lớn

- Do bị hạn chế bởi điều kiện dò rỉ, áp suất làm việc của khí nén thấp hơn của chất

lỏng trong dẫn động thủy lực tới 10  15 lần Nên kích thước và khối lượng của dẫn

động lớn

- Số lượng các cụm và chi tiết nhiều

- Kết cấu phức tạp và giá thành cao hơn

Hình 1.12 Sơ đồ dẫn động phanh khí nén

1 Máy nén khí; 2 Bình chứa chung; 3 Bình chứa cầu trước;

4 Bình chứa cầu sau; 5 Bầu phanh sau; 6 Nút chia cầu sau; 7 Van phân phối;

8 Bàn đạp; 9 Nút chia cầu trước; 10 Bầu phanh trước

*Nguyên lý làm việc của dẫn động phanh khí nén

- Không khí được nén từ máy nén 1 qua bộ điều chỉnh áp suất , bộ lắng lọc và tách

ẩm sau đó vào bình chứa chung 2 rồi từ van chia đi vào bình chứa 3 và 4 Rồi sẵn sàng

đến các dòng cao áp trước van phân phối 7

- Khi tác dụng lực lên bàn đạp 8 để mở van phân phối 7:

+ Trước hết là dòng sau cấp qua khoang trên của van phân phối 7 khí nén: từ bình

chứa 4 qua van phân phối đến bầu phanh sau tích trữ đủ áp suất để thực hiện quá trình

phanh

+ Ngay tiếp đó, khoang dưới của van phân phối cũng mở ra để dòng cao áp qua van

đi đến các bầu phanh trước

- Quá trình xả phanh:

+ Nhả lực tác dụng vào bàn đạp các van trong van phân phối đóng dòng cấp khí và

mở các van xả khí

+ Khí các bầu phanh trước đi ngược về khoang dưới của van phân phối theo cửa xả

của van phân phối ra ngoài

+ Khí các bầu phanh sau đi ngược về khoang trên của van phân phối theo cửa xả

của van phân phối ra ngoài

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lực phanh sinh ra ở bánh xe

Khi người lại tác dụng vào bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra mômen ma

phanh và xác định theo biểu thức:

bx

p p

rbx - bán kính làm việc của bánh xe

Lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường, nghĩa

là:

đường;

Zb - phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe;

φ - hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường

Hình 2.1 Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh

rbx

Khi phanh thì bánh xe chuyển động với gia tốc chậm dần, do đó trên bánh xe sẽ có

và có tác dụng hãm bánh xe lại Như vậy, trong khi phanh bánh xe thì lực hãm tổng cộng

Ppo sẽ là:

bx

jb f p bx

jb f p po

r

M-M+P

=r

M-M+M

=PTrong quá trình phanh ô tô, mômen phanh sinh ra ở cấu phanh tăng lên, đến một lúc

nào đấy sẽ dẫn đến sự trượt lê bánh xe Khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thì hệ số bám

φ có giá trị thấp nhất, cho nên khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thị lực phanh sinh ra

giữa bánh xe và mặt đường là nhỏ nhất, dẫn tới hiệu quả phanh thấp nhất Không những

thế, nếu các bánh xe trước bị trượt lê sẽ làm mất tính dẫn hướng khi phanh, còn nếu các

bánh xe sau bị trượt lê sẽ làm mất tính ổn định khi phanh

Vì vậy để tránh hiện tượng trượt lê hoàn toàn bánh xe (tức là không để bánh xe bị

hãm cứng khi phanh) thì trên ô tô hiện đại có đặt bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh

Từ biểu thức (2-2) ta thấy rằng muốn có lực phanh lớn không những cần có hệ số

được hết toàn bộ trọng lượng bám của ô tô cần phải bố trí phanh ở tất cả các bánh xe

của ô tô

Trong quá trình phanh xe, động năng hoặc thế năng (khi ô tô chuyển động xuống

dốc) của xe bị tiêu hao cho ma sát giữa trống phanh và má phanh, giữa lốp và mặt đường

cũng như để khắc phục sức cản lăn, sức cản không khí, ma sát trong hệ thống truyền

lực, ma sát trong động cơ Năng lượng bị tiêu hao trong quá trình phanh phụ thuộc vào

chế độ phanh của xe

Mômen phanh càng tăng thì cơ năng biến thành nhiệt năng giữa trống phanh và má

phanh cũng như sự trượt lê giữa lốp và mặt đường càng tăng, còn năng lượng để khắc

phục các sức cản khác tương đối nhỏ Khi các bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn thì công

ma sát giữa trống phanh và má phanh cũng như sự cản lăn hoàn toàn không có nữa, tất

cả năng lượng hầu như biến thành nhiệt ở khu vực tiếp xúc giữa lốp và mặt đường Sự

trượt lê sẽ làm giảm hiệu quả nhanh, tăng độ mòn lốp, tăng độ trượt dọc và ảnh hưởng

xấu đến tính ổn định ngang của xe

2.2 Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu

Để xét điều kiện đảm bảo phanh tối ưu ( phanh có hiệu quả nhất ) chúng ta dùng sơ

đồ ở hình (2.2) trình bày các lực tác dụng lên ô tô khi phanh ở trường hợp xe trên mặt

phẳng nằm ngang

Hình 2.2 Lực tác dụng lên ô tô khi phanh Khi phanh sẽ có những lực sau tác dụng lên ô tô: trọng lượng ô tô G đặt tại trọng

trước và sau ( Z1 và Z2 ), lực phanh ở các bánh xe trước và sau Pp1 và Pp2, lực cản không

khí Pω, lực quán tính Pj sinh ra do khi phanh sẽ có gia tốc chậm dần

jp - gia tốc chậm dần khi phanh

Khi phanh thì lực cản không khí Pω và lực cản lăn Pf1 và Pf2 không đáng kể, có thể

bỏ qua Sự bỏ qua này sai số khoảng 1,5-2 %

Bằng cách lập các phương trình cân bằng mômen của các lực tác dụng lên ô tô khi

phanh đối với các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường A và B, ta có thể xác định

các phản lực thẳng góc Z1 và Z2 như sau:

L

h.P+G

=

L

h.P-G

=

Ở đây:

a, b, hg - tọa độ trọng tâm của ô tô;

L - chiều dài cơ sở của ô tô

Thay giá trị Pj từ công thức (2-3) vào (2-4) và (2-5) ta được:

)g

h.j+b(L

G

=

)g

h.j-a(L

G

=

Để sử dụng hết trọng lượng bám của ô tô thì cơ cấu phanh được bố trí ở các bánh

xe trước và sau và lực phanh lớn nhất đối với toàn bộ xe là:

Sự phanh có hiệu quả nhất là khi lực phanh sinh ra các bánh xe tỷ lệ thuận với tải

trọng tác dụng lên chúng, mà tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong quá trình phanh

thay đổi do có lực quán tính Pj tác dụng

Trong trường hợp phanh có hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh

xe trước và lực phanh ở các bánh sau sẽ là:

2 1

2 1

2

1

Z

ZZ.φ

Z.φP

g j b

2

1

h.P-G

h.PGP

Trong quá trình phanh thì lực cản lăn Pf1 và Pf2 không đáng kể, có thể bỏ qua, do đó

2

1

h.φ-a

h.φbP

Biểu thức ( 2-12 ) chính là điều kiện để đảm bảo sự phanh có hiệu quả nhất, nghĩa

là muốn đạt hiệu quả nhất ( quãng đường phanh nhỏ nhất, hoặc gia tốc chậm dần lớn

nhất, hoặc thời gian nhanh nhỏ nhất ) thì trong quá trình phanh quan hệ giữa lực phanh

thức (2-12)

Từ biểu thức (2-12) thấy rằng, trong điều kiện sử dụng của ô tô thì tọa độ trọng tâm

luôn thay đổi do chất tải khác nhau và hệ số bám φ cũng thay đổi do ô tô có thể chạy

trên các loại đường khác nhau, do vậy tỷ số Pp1/Pp2 luôn thay đổi trong điều kiện sử

hợp để thỏa mãn điều kiện nêu ở biểu thức (2-12) Muốn vậy phải thay đổi được mômen

với cơ cấu phanh đã thiết kế thì mômen phanh của cơ cấu phanh có thể thay đổi bằng

cách thay đổi áp suất dầu hoặc áp suất khí nén dẫn đến các xylanh bánh xe hoặc dẫn đến

bầu phanh (phanh khí) Đa số các xe sản xuất trước kia thường có áp suất dầu hoặc khí

nén dẫn động ra cơ cấu phanh trước và cơ cấu phanh sau như nhau, như vậy không đảm

bảo được điều kiện (2-12) ở các trường hợp sử dụng khác nhau Vì thế để thỏa mãn hơn

điều kiện (2-12) nhằm tăng hiệu quả phanh thì ngày nay trên nhiều xe đã bố trí bộ điều

hòa lực phanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh Các cơ cấu này sẽ tự động

điều chỉnh lực phanh ở các bánh xe bằng cách thay đổi quan hệ áp suất dẫn động ra cơ

cấu phanh trước và cơ cấu phanh sau

2.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh

Để đánh giá chất lượng của quá trình phanh có thể dùng các chỉ tiêu sau: quãng

đường phanh, gia tốc chậm dần, thời gian phanh, lực phanh Chúng ta sẽ lần lượt xem

xét các chi tiêu nói trên

2.3.1 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 ô tô Khi phân tích các lực tác dụng lên ô tô có thể viết phương trình cân

bằng lực kéo khi phanh ô tô như sau:

i η ω f p

j = P + P + P + P ± P

Ở đây:

Pj - lực quán tính sinh ra khi phanh ô tô;

Pp - lực phanh sinh ra ở các bánh xe;

Pf - lực cản lăn;

ω

η

Pi - lực cản lên dốc Khi phanh trên đường nằm ngang thì lực cản lên dốc

Pi=0

Thực nghiệm chứng tỏ rằng các lực Pj, Pω, Pη cản lại sự chuyển động của ô tô có

phương trình (2-14) sau:

Lực phanh lớn nhất Ppmax xác định theo điều kiện bám khi các bánh xe bị phanh

hoàn toàn và đồng thời theo biểu thức:

Ppmax = G φ

Từ đó, phương trình ( 2-14 ) có thể viết như sau:

=jg

G

Ở đây:

i

Từ biểu thức ( 2.15 ) có thể xác định gia tốc chậm dần cực đại khi phanh:

i max

g.φ

giảm và jpmax sẽ tăng

Gia tốc chậm dần cực đại phụ thuộc vào hệ số bám ở giữa lốp và mặt đường mà trị

của hệ số bám lớn nhất φ max = 0,75 ÷ 0,8 trên đường nhựa tốt Nếu coi δi ≈ 1 và gia tốc

đường nhựa tốt, khô, nằm ngang có thể đạt trị số jpmax đến 7,5 ÷ 8 (m/s2)

Trong quá trình ô tô làm việc, thường phanh với gia tốc chậm dần thấp hơn nhiều,

phanh đột ngột ( phanh ngặt ) chỉ xảy ra trong những lúc cấp thiết

2.3.2 Thời gian phanh

Thời gian nhanh cũng là một trong các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Thời

gian nhanh càng nhỏ thì chất lượng càng tốt Để xác định thời gian phanh có thể sử dụng

biểu thức (2-16) viết ở dạng sau:

i

δ

g.φdt

dv

Biểu thức (2-17) có thể viết:

dv.g.φ

δ

Muốn xác định thời gian nhanh nhỏ nhất cần tích phân dt trong giới hạn từ thời điểm

ứng với vận tốc phanh ban đầu v1 tới thời điểm ứng với vận tốc v2 ở cuối quá trình

phanh:

)v-v.(

g.φ

δdv.g.φ

v.δ

Từ biểu thức (2-18) ta thấy rằng thời gian nhanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc

khi phanh

2.3.3 Quãng đường phanh

Quãng đường phanh là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng phanh của ô

tô Cũng vì vậy mà trong tính năng kỹ thuật của ô tô, các nhà máy chế tạo thường cho

biết quãng đường phanh của ô tô ứng với vận tự đã định

So với các chỉ tiêu khác thì quãng đường là chỉ tiêu mà người lái xe có thể nhận

thức được một cách trực quan và dễ dàng tạo điều kiện cho người lái xử lý trong khi

phanh ô tô trên đường

Để xác định quãng đường phanh nhỏ nhất, có biểu thức (2-17) bằng cách nhân hai

vế với dS ( dS – vi phân của quãng đường ), ta có:

dSδ

g.φdSdt

dv

i

=Hay là:

dSδ

g.φdv.v

i

Quãng đường phanh nhỏ nhất xác định bằng cách tích phân dS trong giới hạn từ

phanh v2 Ta có:

2 1

2

v

v i v

v

i

g.φ

δdv.v.g.φ

δ

)v-v(g.φ.2

δ

g.φ.2

v.δS

2 1 i

Từ biểu thức (2-21)ta thấy quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc của

ô tô lúc bắt đầu phanh ( theo hàm bậc hai ), phụ thuộc vào hệ số bám φ và hệ số tính

phanh thì quãng đường phanh sẽ ngắn hơn

Cần chú ý ràng theo các công thức (2-16), (2-18) và (2-21) thì jpmax, tmin, Spmin phụ

thuộc vào hệ số bám φ, nhưng φ phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên bánh xe, cho nên

gia tốc chậm dần, thời gian phanh và quãng đường phanh có phụ thuộc vào trọng lượng

toàn bộ G của ô tô Điều này đã được thực nghiệm chứng minh

Để hình dung rõ sự thay đổi của quãng đường phanh nhỏ nhất theo vận tốc bắt đầu

phanh v1 và theo giá trị hệ số bám φ, chúng ta có thể quan sát đồ thị hình (2.3)

Từ đồ thị thấy rằng vận tốc phanh ban đầu càng cao thì quãng đường phanh S càng

Hình 2.3 Đồ thị thể hiện sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất

2.3.4 Lực phanh và lực phanh riêng

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

tiêu này được dùng thuận lợi nhất là khi thử phanh ô tô trên bệ thử Lực phanh sinh ra ở

các bánh xe của ô tô xác định theo biểu thức:

bx

p p

Lực phanh riêng P là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lượng toàn bộ G của ô tô,

G.φG

P

Từ biểu thức (2-24) ta thấy rằng lực phanh riêng cực đại bằng hệ số bám φ Như

vậy trên lý thuyết, đối với mặt đường nhựa khô nằm ngang, lực phanh riêng cực đại có

thể đạt được giá trị 75 ÷ 80 % Trong thực tế giá trị đạt được thấp hơn nhiều, chỉ trong

khoảng 45 ÷ 65 %

Trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh thì chỉ tiêu quang đường phanh là đặc

trưng nhất và có ý nghĩa quan trọng nhất, vì quãng đường phanh cho phép người lái hình

dung được vị trí xe sẽ dừng trước một chướng ngại vật mà họ phải xử lý để khỏi xảy ra

tai nạn khi người lái xe phanh ở tốc độ ban đầu nào đấy

Cần chú ý rằng bốn chỉ tiêu nêu trên đều có giá trị ngang nhau ( giá trị tương đương),

nghĩa là khi đánh giá chất lượng phanh chỉ cần dùng một trong bốn chỉ tiêu nói trên

2.4 Cơ sở lý thuyết về điều hòa lực phanh và chống bó cứng bánh xe khi phanh

2.4.1 Điều hòa lực phanh

Muốn đảm bảo phanh có hiệu quả nhất thì lực phanh sinh ra ở các bánh xe trước

trước rbx1 và bánh xe sau rbx2 bằng nhau trong quá trình phanh ta có thể viết quan hệ giữa

1 2

1 bx 1

2 bx 2

r.P

=M

M

(2-25) Kết hợp biểu thức (2.12) và (2.25) ta có quan hệ sau:

)h.φb(

)h.φ-a(M

M

g g

Như vậy muốn đảm bảo hiệu quả nhanh tốt nhất thì mômen phanh sinh ra ở các

theo mức độ và vị trí chất tải lên ô tô

xác định từ điều kiện bám theo biểu thức sau:

)h.φb(L

r.φ.Gr

.Z.φ

)h.φ-a(L

r.φ.Gr.Z.φ

Đối với ô tô đã chất tải nhất định, ta có a, b, hg cố định Bằng cách thay đổi giá trị

φ, dựa trên biểu thức (2-27) và (2-28) ta có thể vẽ đồ thị Mp1 = f 1(φ ) và Mp2 =f2 (φ)

φ Đường đậm nét ứng với ô tô đầy tải và đường nét đứt ứng với ô tô không tải

Hình 2.4 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa mômen phanh

Mp1 và Mp2 với hệ số bám φ Đối với ô tô hiện nay thường dùng dẫn động phanh thủy lực hoặc dẫn động phanh

bằng khí nén, quan hệ giữa mômen phanh sinh ra ở bánh xe và áp suất trong dẫn động

phanh biểu thị như sau:

đ d 1

1 = k p

đ d 2

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

Từ các biểu thức (2-29) và (2-30) có thể xác định quan hệ giữa áp suất trong dẫn

động phanh trước và phanh sau:

1 2

2 1

đ d

đ d

M.k

M.k

=P

P

(2-31)

Trên hình (2.5) trình bày đồ thị quan hệ giữa áp suất P1d.đ và P2d.đ khi quan hệ giữa

Như vậy để đảm bảo sự phanh lý tưởng thì quan hệ giữa áp suất trong dẫn động

phanh sau và trong dẫn động phanh trước phải tuân theo đồ thị hình (2.5) Đồ thị này

được gọi là đường đặc tính lý tưởng của bộ điều hòa lực phanh

Hình 2.5 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh sau

và trong dẫn động phanh trước để đảm bảo sự phanh lý tưởng

1-Đầy tải; 2-Không tải

Muốn đảm bảo đường đặc tính p2 = f (p1) theo đúng đồ thị trên hình (2.5) thì bộ điều

hòa lực phanh phải có kết cấu rất phức tạp Các kết cấu trong thực tế chỉ đảm bảo đường

đặc tính gần đúng với đường đặc tính lý tưởng

Trên hình (2.6) trình bày đường đặc tính của bộ điều hòa lực phanh loại piston bậc

Đường đặc tính lý tưởng đậm nét ứng với tải trọng đẩy và đường nét đứt ứng với lúc

không tải

Hình 2.6 Đường đặc tính của bộ điều hòa lực phanh

1- Đầy tải; 2- Không tải

nghiêng với trục hoành một góc 45°, lúc đó bộ điều hòa lực phanh chưa làm việc Khi

áp suất trong xi lanh phanh chính đạt giá trị pđch ( áp suất điều chỉnh ) thì lúc đó bộ điều

2