Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô

Do đó, việc nghiên cứu, làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại trên ô tô nói chung, hệ thống điều khiển quá trình phanh nói riêng để từng bước nghiên cứu chế tạo thay thế bộ điều khiển điệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

======  ======

L ẠI NĂNG VŨ

QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ

Hà N ội - Năm 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

======  ======

Lại Năng Vũ

QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi, đề tài được thực hiện

tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới

sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Trọng Hoan và PGS.TS Hồ Hữu Hải Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa

từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tác giá lu ận án

Lại Năng Vũ

L ỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, Tác giả bày tỏ lòng biết ơn, sự kính trọng PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan, PGS.TS Hồ Hữu Hải – Viện Cơ khí động lực Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn, luận giải, tận tình giúp đỡ, dành nhiều thời gian, công sức để luận án này được hoàn thành

Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Phạm Văn Lang, các Thầy giáo,

Cô giáo thuộc Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nói riêng và các Thầy giáo, các chuyên gia trong ngành Cơ khí động lực nói chung

và các đồng nghiệp đã dành nhiều trí tuệ, xem xét, đánh giá, góp ý kiến trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn: Viện Cơ giới quân sự/TCKT/BQP, Khoa Vũ khí/HVKTQS, Xưởng SC ô tô Năm Tám, Tổng công ty ASC, Trường Cao đẳng CN&KT ô tô/TCKT/BQP; cảm ơn Thầy giáo TS Nguyễn Quốc Cường Trường ĐHBK Hà Nội và các sinh viên K49, K51, K52, K53 thuộc Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng/Viện Cơ khí động lực đã giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm

Xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội; Lãnh đạo, chỉ huy Cục Xe-Máy/BQP, tập thể cán bộ Phòng Quân huấn/Cục Xe-Máy luôn động viên, tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi giúp Tác giả vượt qua những khó khăn trong thời gian nghiên cứu

Vô cùng biết ơn các thành viên trong gia đình đã dành mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

M ỤC LỤC

MỤC LỤC I DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT III DANH MỤC CÁC BẢNG V DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ V

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ 4

1.1 Tai nạn giao thông và các yếu tố ảnh hưởng 4

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 6

1.2.1 Sự phát triển của hệ thống phanh ô tô 6

1.2.2 Các công trình nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh 11

1.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 15

1.4 Kết luận chương 1 18

Chương 2 CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH ÔTÔ 19

2.1 Vấn đề điều khiển quá trình phanh ô tô 19

2.1.1 Sự lăn-bám-trượt của bánh xe với mặt đường khi phanh 19

2.1.2 Sự phân bố tải trọng của ô tô khi phanh 24

2.2 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh 26

2.2.1 Chu trình điều khiển ABS 26

2.2.2 Quá trình điều khiển trong hệ thống ABS 27

2.2.3 Ứng dụng lô gic trong điều khiển ABS 29

2.2.4 Phương pháp điều khiển của ABS 32

2.3 Sự quay thân xe khi phanh 35

2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh 36

2.4.1 Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh 36

2.4.2 Các chỉ tiêu đánh giá ổn định hướng 37

2.5 Kết luận chương 2 38

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ 39

3.1 Hệ thống ABS có xét đến ổn định hướng khi phanh 39

3.2 Mô hình động lực học ô tô khi phanh 42

3.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình 42

3.2.2 Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô 43

3.2.3 Mô hình bánh xe 47

3.3 Mô hình hệ thống dẫn động phanh thủy lực 53

3.3.1 Khối xy lanh phanh chính 56

3.3.2 Khối van điều chỉnh áp suất 58

3.3.3 Khối xy lanh công tác và cơ cấu phanh 60

3.4 Bộ điều khiển ABS có xét đến ổn định hướng 62

3.4.1 Bộ suy luận theo lô gic mờ 63

3.4.2 Bộ điều khiển điện tử ABS 67

3.5 Mô phỏng hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô 70

3.5.1 Mô phỏng đánh giá hoạt động của hệ thống điều khiển phanh 71

3.5.2 Mô phỏng đánh giá chất lượng phanh 75

3.5.3 Mô phỏng xác định giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe 79

3.6 Kết luận chương 3 82

Chương 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG PHANH ABS 83

4.1 Cơ sở thiết kế bộ ECU-ABS 83

4.1.1 Cảm biến vận tốc góc bánh xe 84

4.1.2 Cụm rơ le điều khiển 85

4.1.3 Cụm van thủy lực 86

4.1.4 Bộ điều khiển điện tử (ECU-ABS) 87

4.2 Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển (ECU-ABS) 88

4.2.1 Cấu trúc ECU-ABS 88

4.2.2 Thiết kế các mô đun trong bộ điều khiển điện tử 89

4.2.3 Thuật toán điều khiển 92

4.2.4 Chế tạo bộ ECU-ABS 94

4.3 Thử nghiệm đánh giá chất lượng bộ ECU-ABS chế tạo 95

4.3.1 Đối tượng, mục đích và phương pháp thử nghiệm 95

4.3.2 Thiết bị thử nghiệm 96

4.3.3 Thử nghiệm đo vận tốc góc và gia tốc góc 100

4.3.4 Xác định tần số biến đổi vận tốc bánh xe bằng hình ảnh 103

4.4 Thử nghiệm đánh giá chất lượng quá trình phanh 104

4.4.1 Mục đích và phương pháp 104

4.4.2 Thiết bị thử nghiệm 105

4.4.3 Quy trình thử nghiệm 107

4.4.4 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm 110

4.5 Kết luận chương 4 112

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 118

DANH M ỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Ký hiệu bằng chữ cái La tinh

a Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm m

b Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm m

r Vận tốc quay thân xe theo trục thẳng đứng rad/s

p p p p Áp suất phanh tương ứng bánh xe trước trái, trước phải,

sau trái, sau phải

K K K K Hằng số phanh tương ứng với bánh xe trước trái, trước

phải, sau trái, sau phải

định hướng AYC Hệ thống điều khiển góc hướng chủ động (Active Yaw Control)

EBD Hệ thống phân bố lực phanh điện tử (Electronic Brake force

Distribution)

ECU Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit)

ESP Hệ thống ổn định xe bằng điện tử (Electronic Stability Program)

FLC Điều khiển lôgic mờ (Fuzzy Logic Controller)

TCS Hệ thống điều khiển lực kéo (Traction control system)

YSC Hệ thống điều khiển ổn định góc hướng (Yaw Stability Control)

VSC Hệ thống điều khiển ổn định ô tô (Vehicle Stability Control)

Bảng 2.1 Quan hệ mệnh đề hợp thành với mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết

luận trong lô gic truyền thống 30

Bảng 2.2 Bảng luật suy luận mờ 31

Bảng 3.1 Hệ số theo công thức Burckhardt của một số loại đường [53] 50

Bảng 3.2 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ 66

Bảng 3.3 So sánh chỉ tiêu hiệu quả phanh ô tô trên đường khô và đường ướt khi không có và có hệ thống ABS 77

B ảng 3.4 So sánh chỉ tiêu hiệu quả phanh ô tô trên đường nửa khô, nửa ướt khi không có ABS, có ABS và có ABS-SC 78

B ảng 3.5 Kết quả xác định giá trị ngưỡng gia tốc bằng mô phỏng 82

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của bộ chuyển đổi hiển thị vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe 96

Bảng 4.2 Trình tự thí nghiệm xác định gia tốc góc bánh xe 100

Bảng 4.3 Trình tự thí nghiệm chụp ảnh biến đổi vận tốc bánh xe khi phanh 104

Bảng 4.4 Quy trình thử nghiệm đánh giá chất lượng quá trình phanh 107

Bảng 4.5 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh 110

Bảng 4.6 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thử nghiệm 111

DANH M ỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô 6

Hình 2.1 Đặc tính trượt lý tưởng 20

Hình 2.2 Quá trình phanh theo đặc tính trượt lý tưởng 20

Hình 2.3 Sự biến đổi hệ số bám dọc và hệ số bám ngang theo độ trượt 22

Hình 2.4 Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của một số loại đường 23

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa ϕx và λ với các loại lốp 23

Hình 2.6 Mối quan hệ ,ϕ ϕx y với λ ứng với góc lệch bên αi 24

Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển hệ thống ABS 26

Hình 2.8 Sự thay đổi của mô men phanh M (a), áp su b ất dẫn động phanh (p) và gia tốc góc (ω ) của bánh xe khi phanh có ABS 28

Hình 2.9 Hàm thuộc các biến đầu vào và biến đầu ra của bộ suy luận mờ 32

Hình 2.10 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt 33

Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc góc bánh xe 34

Hình 2.12 Điều khiển chống sự quay thân xe khi phanh 35

Hình 2.13 Góc lệch của ô tô khi phanh (a) và độ lệch của ô tô khi phanh (b) 37

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống phanh ABS -SC 40

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển phanh ABS-SC 41

Hình 3.3 Hệ tọa độ nghiên cứu chuyển động ô tô khi phanh 42

Hình 3.4 Mô hình động lực học ô tô trong không gian 44

Hình 3.5 Mô hình mô phỏng chuyển động thân ô tô khi phanh 46

Hình 3.6 Các lực tác dụng lên bánh xe khi phanh 47

Hình 3.7 Mô hình mô phỏng lốp xe theo mô hình Burchardt 50

Hình 3.8 Quan hệ hệ số bám và độ trượt xây dựng theo mô hình Burchardt với hệ số bám lớn nhất là 0,7 và 0,5 51

Hình 3.9 Quan hệ hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt dọc 51

Hình 3.10 Mô hình mô phỏng động lực học của bánh xe 52

Hình 3.11 Mô hình mô phỏng chuyển động ô tô khi phanh 53

Hình 3.12 Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh thủy lực có ABS 54

Hình 3.13 Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh thủy lực có ABS 56

Hình 3.14 Mô hình xy lanh phanh chính 56

Hình 3.15 Mô hình mô phỏng xy lanh phanh chính 57

Hình 3.16 Mô hình mô phỏng cụm van điều chỉnh áp suất 1 59

Hình 3.17 Mô hình mô phỏng cụm van điều chỉnh áp suất 2 60

Hình 3.18 Mô hình mô phỏng xy lanh công tác và cơ cấu phanh 61

Hình 3.19 Sơ đồ thuật toán của hệ thống phanh ABS-SC 62

Hình 3.20 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ABS-SC 63

Hình 3.21 Bộ suy luận theo lôgic mờ 65

Hình 3.22 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào e 65 r Hình 3.23 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào e 66 r Hình 3.24 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra K 66

Hình 3.25 Quan hệ giữa biến đầu ra với các biến đầu vào của bộ suy luận mờ 67

Hình 3.26 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ECU-ABS 70

Hình 3.27 Vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường khô ở v0=40km/h 71

Hình 3.28 Vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường ướt ở v0=40km/h 72

Hình 3.29 Vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường nửa khô, nửa ướt ở v0=40km/h 72

Hình 3.30 Độ trượt dọc của bánh xe khi phanh trên đường khô ở v0=40km/h 73

Hình 3.31 Độ trượt dọc của bánh xe khi phanh trên đường ướt ở v0=40km/h 73

Hình 3.32 Độ trượt dọc của bánh xe khi phanh trên đường nửa khô, nửa ướt ở v0=40km/h 74

Hình 3.33 Hiệu quả phanh trên đường khô ở v0=40km/h 76

Hình 3.34 Hiệu quả phanh trên đường ướt ở v0=40km/h 76

Hình 3.35 Hiệu quả phanh trên đường nửa khô, nửa ướt ở v0=40km/h 77

Hình 3.36 Biến đổi gia tốc góc các bánh xe ở v0=40km/h, ϕmax=0,4 81

Hình 3.37 Quan hệ ngưỡng gia tốc theo hệ số bám (a) và vận tốc phanh (b) 81

Hình 3.38 Mật độ phân bố chuẩn giá trị ngưỡng gia tốc 81

Hình 4.1 Cấu tạo và bố trí của cảm biến đo vận tốc góc bánh xe 84

Hình 4.2 Sơ đồ mạch điện van điện từ bộ chấp hành trên xe 86

Hình 4.3 Sơ đồ tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc góc bánh xe 88

Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc ECU-ABS chế tạo 88

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mô đun chuẩn hóa xung 89

Hình 4.6 Khối cấp nguồn cho mạch điều khiển 90

Hình 4.7 Sơ đồ mạch điều khiển rơ le bơm dầu và van điện từ bộ chấp hành 91

Hình 4.8 Khối vi điều khiển 92

Hình 4.9 Sơ đồ thuật toán điều khiển của ECU-ABS 93

Hình 4.10 Bộ điều khiển điện tử ECU-ABS 95

Hình 4.11 Bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe 97

Hình 4.12 Giao diện phần mềm hiển thị kết quả đo 98

Hình 4.13 Kết nối bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe 98

Hình 4.14 Camera tốc độ cao FASTCAM SA1.1 675K-C1 99

Hình 4.15 Sơ đồ cổng kết nối thiết bị 100

Hình 4.16 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe không có ABS trên đường khô ở vận tốc v0=40km/h 101

Hình 4.17 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS nhập ngoại trên đường khô ở vận tốc v0=40km/h 101

Hình 4.18 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS chế tạo trên đường khô ở vận tốc v0=40km/h 102

Hình 4.19 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe không có ABS trên đường ướt ở vận tốc v0=40km/h 102

Hình 4.20 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS

nhập ngoại trên đường ướt ở vận tốc v0=40km/h 102

Hình 4.21 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS chế tạo trên đường ướt ở vận tốc v0=40km/h 103

Hình 4.22 Thiết bị DEWETRON - 5000 105

Hình 4.23 Vị trí lắp cảm biến S400 và cảm biến đo lực bàn đạp phanh 106

Hình 4.24 Sơ đồ đấu nối thiết bị và các cảm biến 106

Hình 4.25 Kết quả thử nghiệm phanh ở v=40km/h đường khô 109

Hình 4.26 Kết quả thử nghiệm phanh ở v=40km/h đường ướt 109

Hình 4.27 So sánh vận tốc và quãng đường phanh trên đường khô ở v0=40km/h khi không có ABS (a) và có ABS sử dụng ECU chế tạo (b) 110

Hình 4.28 So sánh vận tốc và quãng đường phanh trên đường ướt ở v0=40km/h khi không có ABS (a) và có ABS sử dụng ECU chế tạo (b) 111

M Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, với sự tăng trưởng của nền kinh tế, giao thông đường bộ Việt Nam đã phát triển trên nhiều lĩnh vực, trong đó phải kể đến sự gia

tăng nhanh chóng phương tiện ô tô cả về số lượng, chủng loại Tuy nhiên, khi mật

độ giao thông và vận tốc trung bình của ô tô khi tham gia giao thông tăng lên các

biện pháp bảo đảm an toàn giao thông càng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng

Hệ thống phanh giữ một vai trò quan trọng đảm bảo an toàn khi chuyển động

của ô tô, có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo đảm an toàn cho người, phương tiện khi tham gia giao thông nhất là khi ô tô chuyển động trên các mặt đường xấu, ướt

với vận tốc cao, phanh khẩn cấp Để quá trình phanh ô tô đạt hiệu quả cao và giữ ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh phụ thuộc rất nhiều vào điều khiển quá trình phanh Hiện nay, đa số các ô tô con sử dụng hệ thống phanh có khả năng tự động điều chỉnh quá trình phanh và trở thành tiêu chuẩn đánh giá chỉ tiêu yêu cầu

kỹ thuật và độ tin cậy của xe

Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu, ứng dụng nội dung này, tuy nhiên các tài liệu, kết quả nghiên cứu là tư liệu riêng của hãng không được công bố hoặc có công bố chỉ mang tính chất hướng dẫn sử dụng, có ý nghĩa về lý thuyết, không thống nhất giữa các hãng Trong hệ thống phanh tự điều khiển quá trình phanh, giá thành bộ điều khiển điện tử (ECU) và bộ chấp hành thủy lực chiếm khoảng(70 80)÷ % trị giá của toàn hệ thống Theo thông tin từ các cơ sở sửa chữa ô

tô trên địa bàn Hà Nội tỷ lệ hư hỏng bộ điều khiển điện tử chiếm tỷ lệ cao, nhất là các xe ô tô hoạt động ở khu vực địa bàn thường xuyên bị ngập úng hay trong mùa

mưa bão, việc thay thế chủ yếu nhập khẩu đơn chiếc, giá thành cao Do đó, việc nghiên cứu, làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại trên ô tô nói chung, hệ thống điều khiển quá trình phanh nói riêng để từng bước nghiên cứu chế tạo thay thế bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp ô

tô nước ta, nhằm từng bước nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh cho các sản phẩm ô tô chế tạo trong nước

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên

cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô, đề xuất cấu trúc và mô

phỏng bộ điều khiển chống hãm cứng bánh xe có xét đến ổn định hướng chuyển động của xe khi phanh Xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh dẫn động thủy lực có ABS trên ô tô con nhằm góp

phần từng bước làm chủ công nghệ, kỹ thuật hiện đại ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu bộ điều khiển điện tử hệ thống chống hãm

cứng bánh xe (ECU-ABS) của hệ thống phanh dẫn động thủy lực trên ô tô con

Ph ạm vi nghiên cứu: nghiên cứu điều khiển quá trình phanh xe ô tô con 5 chỗ

dẫn động phanh thủy lực có ABS, chưa kể đến kỹ thuật chẩn đoán và lưu lỗi hệ thống

4 Ph ương pháp nghiên cứu và sản phẩm

Phương pháp nghiên cứu: kết hợp nghiên cứu mô phỏng lý thuyết trên máy

tính và thực nghiệm trên ô tô con

Sản phẩm của đề tài: thuật toán điều khiển ECU-ABS, mô hình mô phỏng quá

trình phanh của hệ thống phanh ABS Chế tạo, thử nghiệm ECU-ABS cho ô tô con

và bộ hiển thị vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe khi phanh

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Động lực học phanh ô tô là quá trình vật lý phức tạp, việc nghiên cứu điều khiển quá trình phanh ô tô là một nội dung quan trọng nâng cao an toàn chuyển động của ô tô Xây dựng mô hình mô phỏng điều khiển quá trình phanh của hệ thống phanh ABS, kết quả nghiên cứu là cơ sở khảo sát điều khiển chống hãm cứng bánh xe và ổn định hướng chuyển động của hệ thống phanh dẫn động thủy lực Đề xuất cấu trúc, thuật toán điều khiển, chế tạo ECU-ABS của hệ thống phanh ABS ô

tô con và thử nghiệm trên xe thực là một sản phẩm cụ thể, góp phần từng bước nắm

bắt công nghệ, tiếp cận khoa học kỹ thuật hiện đại trên ô tô mang ý nghĩa thực tiễn

và có ý nghĩa khoa học Bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc và gia tốc bánh xe của

hệ thống phanh ABS có ý nghĩa thiết thực phục vụ học tập, nghiên cứu kiểm tra sự làm việc của hệ thống phanh trên ô tô có hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh

6 Bố cục của luận án

Luận án ngoài phần mở đầu và kết luận, gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về điều khiển điều khiển quá trình phanh ô tô Trình

bày tổng quát kết quả nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh ô tô trên thế giới và trong nước, tìm hiểu kết quả của các công trình, đề tài nghiên cứu qua đó tìm ra

những vấn đề còn tồn tại trong các công trình nghiên cứu tại Việt Nam để xác định nội dung nghiên cứu của luận án để đạt mục tiêu đề ra

Ch ương 2: Cơ sở điều khiển quá trình phanh ô tô Nghiên cứu vấn đề điều

khiển quá trình phanh ô tô, tập trung làm rõ cơ sở lý thuyết điều khiển chống hãm cứng bánh xe, sự quay thân xe khi phanh của hệ thống ABS và tiêu chuẩn đánh giá

chất lượng quá trình phanh

Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển quá trình phanh

ABS Đề xuất cấu trúc, thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS có xét đến ổn định hướng của xe khi phanh làm cơ sở xây dựng mô hình mô phỏng quá trình điều khiển bằng công cụ Staflow phần mền Matlab Simulink Nhằm đánh giá quá trình điều khiển hệ thống chống hãm cứng bánh xe có xét đến ổn định hướng của xe khi phanh (gọi tắt hệ thống ABS-SC), xác định sơ bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe cho thuật toán điều khiển ECU-ABS chế tạo và mô phỏng khảo sát đánh giá chất

lượng quá trình phanh

Chương 4: Thiết kế chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển điện tử hệ thống phanh

ABS Đề xuất thuật toán điều khiển, thiết kế, chế tạo 1 bộ ECU-ABS và thử nghiệm trên ô tô thực để đánh giá chất lượng ECU-ABS chế tạo và đánh giá chất lượng quá trình phanh khi ô tô không có hệ thống ABS, khi ô tô có hệ thống ABS sử dụng ECU-ABS nhập ngoại và ECU-ABS chế tạo

Phần kết luận và kiến nghị: đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án so với

mục tiêu đã xác định, đề xuất hướng phát triển của các công trình nghiên cứu tiếp theo để từng bước hoàn thiện ECU-ABS với các tính năng chẩn đoán, lưu lỗi phục

vụ cho ô tô sản xuất trong nước

Ch ương 1

Nghiên cứu điều khiển quá trình phanh ô tô nhằm nâng cao hiệu quả phanh và

ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh luôn là vấn đề được các nhà khoa

học quan tâm Trên thế giới và trong nước vấn đề này đã trở thành yêu cầu cấp thiết,

là một trong các biện pháp bảo đảm an toàn cho xe khi chuyển động và hạn chế tai

nạn giao thông do ô tô gây ra Để đạt các chỉ tiêu hiệu quả, ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh hệ thống phanh trên ô tô ngày càng hoàn thiện Sự phát triển của khoa học, công nghệ kỹ thuật điện, điện tử và điều khiển tự động ngày càng ứng dụng phổ biến trong công nghiệp ô tô nói chung và hệ thống phanh nói riêng Trên cơ sở phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại

Việt Nam nhằm đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án

1.1 Tai n ạn giao thông và các yếu tố ảnh hưởng

Trong những năm gần đây, với sự tăng trưởng của nền kinh tế, giao thông đường bộ Việt Nam đã phát triển trên nhiều lĩnh vực, trong đó phải kể đến sự gia tăng nhanh chóng phương tiện ô tô cả về số lượng, chủng loại Theo thống kê của

cơ quan quản lý phương tiện tính đến tháng 9/2011 toàn quốc có khoảng gần 2 triệu

ô tô, trên 33 triệu mô tô Số lượng phương tiện tiếp tục tăng, 8 tháng năm 2011 đăng

ký mới gần 130 nghìn ô tô và 2 triệu mô tô; nếu chỉ tính riêng trong tháng 8/2011 có

gần 14 nghìn ô tô và trên 267 nghìn mô tô đã được đăng ký

Đi đôi với sự gia tăng về phương tiện, nguy cơ mất an toàn giao thông đường

bộ cũng tăng lên, theo số liệu của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia tổng hợp số

vụ mất an toàn giao thông đường bộ xẩy ra 8 tháng năm 2011 là gần 8 nghìn 5 trăm

vụ, làm chết trên 7 nghìn người, bị thương gần 6 nghìn người; riêng trong tháng 8/2011 toàn quốc xẩy ra trên 1 nghìn vụ, làm chết gần 9 trăm người, bị thương trên

8 trăm người

Trên thế giới tai nạn giao thông cũng đang là vấn đề cấp bách, hàng năm tai

nạn giao thông làm chết trên dưới một triệu người, bị thương hàng trục triệu người Nếu chỉ tính năm 2002, tai nạn giao thông làm chết gần 1,2 triệu người, bị thương

hơn 50 triệu người, trong đó nhiều người bị thương tật suốt đời

Qua thống kê, tai nạn giao thông do ô tô gây ra phụ thuộc điều kiện môi trường giao thông, người lái, tình trạng kỹ thuật của ô tô và các yếu tố khác Đây là

mối quan hệ qua lại giữa ba yếu tố: Đường - Xe - Người, các yếu tố có tác động mật thiết và chi phối lẫn nhau Các nhà nghiên cứu đã đưa ra kết quả khảo sát tỷ lệ tai nạn giao thông do yếu tố con người chiếm khoảng (72÷80)%, điều kiện môi trường chiếm (18 ÷ 20)%, yếu tố tình trạng kỹ thuật của ô tô chiếm (1,5 ÷ 2)%

Yếu tố con người là nguyên nhân gây tai nạn giao thông chiếm tỷ lệ cao nhất,

phụ thuộc vào ý thức, trình độ kỹ thuật và trạng thái tâm lý, kinh nghiệm xử lý của

người lái ô tô Để hạn chế các yếu tố này, cần phải tăng cường về thể chế pháp lý, giáo dục, nhận thức, ý thức chấp hành luật giao thông và trình độ, kỹ năng điều khiển ô tô của người tham gia giao thông

Yếu tố môi trường giao thông như hệ thống giao thông, tình trạng mặt đường, khí hậu, thời tiết, cơ sở hạ tầng Khi cơ sở hạ tầng phát triển, nhu cầu nâng cao hiệu

quả kinh tế, năng xuất vận chuyển của ô tô tăng cao, làm cho mật độ tham gia giao thông, vận tốc chuyển động ô tô có xu hướng tăng, do đó nguy cơ xảy ra tai nạn giao thông cũng tăng lên, đòi hỏi trình độ chuyên môn, ý thức chấp hành luật giao thông và yêu cầu kỹ thuật của ô tô khi tham gia giao thông cao hơn

Tình trạng kỹ thuật của ô tô là yếu tố gây mất an toàn giao thông chiếm tỷ lệ

thấp, đó là kết quả của sự ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật, công nghệ hiện đại ngày càng nhiều, đồng thời các trang thiết bị, tài liệu công nghệ về ô tô từng bước hoàn thiện và trình độ chuyên môn, khả năng ứng dụng, khai thác sử dụng của đội

ngũ cán bộ chuyên môn kỹ thuật trong ngành công nghệp ô tô ngày càng cao

Tại Việt Nam, thực trạng tình hình giao thông đường bộ có nhiều vấn đề bất cập, tiềm ẩn khả năng gây mất an toàn giao thông cao, để kiềm chế và ngăn chặn tai

nạn giao thông, ngày 29/6/2007 Chính phủ đã ban hành Nghị quyết 32/2007/NQ -

CP, với 7 nhóm giải pháp chính, trong đó việc nghiên cứu, nâng cao chất lượng,

hiệu quả hệ thống an toàn trên ô tô là yêu cầu không thể thiếu

Hệ thống phanh trên ô tô phải bảo đảm các yêu cầu ổn định hướng chuyển động khi phanh và hiệu quả phanh tốt nhất, do đó việc nghiên cứu, hoàn thiện về bố trí, kết cấu, cấu trúc và thuật toán điều khiển của hệ thống phanh trên ô tô đang được các hãng ô tô đầu tư và đã thu được nhiều kết quả khả quan

1.2 Tình hình nghiên c ứu trên thế giới

1.2.1 Sự phát triển của hệ thống phanh ô tô

Hiện nay, hệ thống phanh ô tô đã tương đối hoàn thiện về bố trí, kết cấu các bộ

phận, cụm và hệ thống, cũng như quá trình điều khiển, giúp bảo đảm, nâng cao hiệu

quả quá trình phanh và tính ổn định hướng Để đạt được những thành tựu đó, hệ thống phanh ô tô đã trải qua một quá trình phát triển trong thời gian dài, tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô được mô tả trên Hình 1.1 [43], [57]

Hình 1.1 Tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô

Theo tiến trình trên, sự phát triển của hệ thống phanh được phản ánh thông qua sự phát triển về cơ cấu phanh, dẫn động phanh và điều khiển phanh

Về cơ cấu phanh: sự phát triển đầu tiên trong thiết kế phải kể đến sự thay đổi

của phanh tang trống, với việc chuyển từ đai phanh ngoài tang trống đến guốc phanh ở trong, thay đổi sử dụng phanh tang trống cơ cấu phanh bốn bánh trên các

xe được thiết kế trước năm 1970 [23], [25],[26], các xe con sản xuất sau năm 1970

ABS- Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh ACC- Hệ thống kiểm soát hành trình

EBD- Hệ thống phân bố lực phanh điện tử ESP - Chương trình điều khiển ổn định điện tử ECU- Bộ điều khiển điện tử

HCU- Bộ điều khiển thủy lực EHB- H ệ thống phanh điện thủy lực EMB- H ệ thống phanh điện tử

sử dụng phanh đĩa ở cơ cấu phanh 2 bánh xe phía trước, hiện nay trên ô tô con hầu hết sử dụng phanh đĩa ở cơ cấu phanh của tất cả các bánh xe

V ề dẫn động phanh: tương tự như cơ cấu phanh bánh xe, dẫn động phanh ngày

càng hoàn thiện, từ dẫn động cơ khí, cơ khí kết hợp với dẫn động thủy lực hay khí nén và dẫn động thủy - khí kết hợp Năm 1924, hệ thống phanh dẫn động thủy lực

bắt đầu được áp dụng, trong hệ thống dẫn động phanh thủy lực đầu tiên xy lanh chính sử dụng loại pít tông đơn, xy lanh có một cửa ra Năm 1967, xy lanh chính kép được sử dụng Hiện nay sử dụng loại xy lanh chính có đường kính bậc

Để nâng cao độ tin cậy làm việc của hệ thống và chất lượng phanh ô tô, dẫn động thủy lực đến các bánh xe cũng thay đổi nhằm phân chia lực tác dụng phanh ngày càng phù hợp với kết cấu và bố trí hệ thống truyền lực Lúc đầu hệ thống phanh dẫn động thủy lực chỉ có 1 đường dẫn động cho cả 4 bánh xe Năm 1931, hệ thống phanh thủy lực dẫn động hai dòng ra đời Đến nay, có 5 kiểu bố trí đường dẫn

dầu phanh: một đường dẫn động 2 bánh xe cầu trước và một đường dẫn động 2 bánh xe cầu sau; một đường dẫn động cho bánh xe phía trước bên phải, bánh sau bên trái và một đường dẫn động cho 2 bánh còn lại; 1 đường dẫn động cho cả 4 bánh xe và 1 đường dẫn động riêng cho 2 bánh trước; có 2 đường trong đó mỗi đường dẫn động 2 bánh phía trước và 1 bánh phía sau; có 4 đường, mỗi đường dẫn động cho cả 4 bánh xe

Bộ phận trợ lực phanh làm giảm lực tác động của người lái lên bàn đạp phanh nhưng vẫn duy trì được cảm giác và độ nhạy khi phanh, thực ra hệ thống phanh trợ

lực thực chất là hệ thống phanh cơ bản có thêm bộ khuếch đại công suất phanh Năm 1952, bộ khuếch đại được đặt giữa bàn đạp phanh và xy lanh chính, khuếch đại lực tác động từ bàn đạp phanh Năm 1952, sử dụng độ chân không trên đường ống nạp của động cơ cung cấp cho bộ trợ lực chân không, đến năm 1963 trợ lực

thủy lực được ra đời, sử dụng áp suất thủy lực từ hệ thống lái thủy lực để hoạt động Vào giữa thập niên 80, bộ khuếch đại công suất phanh kết hợp điện - thủy lực được

giới thiệu, loại này hoạt động tương tự trợ lực thủy lực nhưng dùng bơm thủy lực bằng điện Bộ trợ lực điện - thủy lực chỉ kích hoạt bơm thủy lực khi cần sự trợ lực

vì vậy tính hiệu quả cao hơn, làm cơ sở cho việc điều khiển quá trình phanh điều khiển cơ khí được thay thế điều khiển điện tử càng nhiều

Về điều khiển phanh: một trong những bước đột phá trong tiến trình phát triển

của hệ thống phanh ô tô là sự tích hợp các hệ thống điện, điện tử, dẫn đến sự ra đời

của hệ thống điều khiển phanh tích cực như hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS) Sự phát triển của hệ thống ABS, cũng như các hệ thống điều khiển tích cực trên ô tô khác luôn gắn bó chặt chẽ với sự phát triển của công nghệ trong

cảm biến và cơ cấu chấp hành Hệ thống ABS bắt đầu được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô từ năm 1978 [35], [43] và hiện nay được trang bị trên hầu hết các

xe ô tô hiện đại Theo thông tin của hãng Bosch, năm 2007, 76% xe ô tô chế tạo

mới được trang bị hệ thống ABS và nó trở thành thiết bị tiêu chuẩn cho xe ô tô chở khách tại châu Âu, Mỹ và Nhật

Hệ thống ABS được chia làm 2 loại [23], [57]: hệ thống kín và hệ thống hở

Hệ thống kín có xy lanh chính và cụm van điều tiết (còn gọi là bộ chấp hành) bố trí thành một khối, dùng bơm trợ lực và bộ tích trữ cho tác dụng trợ lực Ngược lại hệ

thống hở xy lanh chính và bộ chấp hành bố trí riêng rẽ và dùng bơm tuần hoàn Trung tâm điều khiển của hệ thống phanh ABS là bộ điều khiển điện tử (ECU) của

hệ thống ABS ngày càng hoàn thiện, ban đầu ECU chỉ thu nhận và xử lý tín hiệu từ

cảm biến vận tốc bánh xe để phát tín hiệu điều khiển bộ chấp hành thực hiện điều chỉnh áp suất dầu dẫn động đến cơ cấu phanh bánh xe Đến nay, tín hiệu đầu vào

của ECU từ các cảm biến bố trí trên xe: lực bàn đạp phanh, áp suất dầu trong hệ

thống dẫn động thủy lực, gia tốc chậm dần của xe khi phanh, góc quay thân xe , để

xử lý và ra lệnh điều khiển bộ chấp hành vì vậy điều khiển quá trình phanh ngày càng chính xác, hiệu quả phanh, ổn định chuyển động của xe khi phanh được nâng cao Bộ chấp hành của hệ thống ABS cũng phát triển không ngừng, thiết kế ban đầu của Teves kết hợp tất cả các van thành một khối, đặt trực tiếp trên xy lanh chính, đây là một tổ hợp gồm: xy lanh chính, trợ lực điện - thủy lực và khối van hay Bosch

chế tạo các van điều khiển đặt trong một thiết bị thủy lực đơn, được nối với xy lanh chính bằng 2 đường ống thủy lực Các van điện từ thay đổi từ loại một van điều khiển một xy lanh bánh xe với 3 chế độ (tăng áp, giữ áp, giảm áp) tín hiệu điều khiển bằng cường độ dòng điện, đến loại 2 van điều khiển một xy lanh bánh xe tín hiệu điều khiển bằng điện áp Tần số đóng, mở của van cũng tăng theo (từ 5÷20Hz)

[1], [23], [25], [35], [44] đáp ứng yêu cầu điều khiển quá trình phanh xe vận tốc cao, quán tính chậm dần của xe khi phanh lớn

Bước phát triển tiếp theo của hệ thống điều khiển phanh tích cực là sự tích hợp

hệ thống ABS với các hệ thống điều khiển khác trên xe Năm 1989, hệ thống phanh ABS tích hợp hệ thống chống trượt quay TCS (Traction Control System) [55], [57], [26] nhằm điều khiển lực kéo của bánh xe chủ động khi ô tô khởi hành hay tăng tốc đột ngột không vượt quá khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường Nguyên lý làm

việc của hệ thống điều khiển TCS trên ô tô dựa vào tín hiệu từ cảm biến vận tốc bánh xe và cảm biến vị trí bướm ga; xử lý, ra tín hiệu điều khiển thay đổi công suất động cơ bằng cách điều chỉnh sự đóng mở bướm ga phụ và điều khiển quá trình phanh bánh xe chủ động theo nguyên lý hệ thống ABS không có sự can thiệp của người lái Đồng thời gửi tín hiệu đến ECU động cơ và ECU-ECT để báo TCS đang hoạt động

Khi phanh, trọng lượng bám lên cầu xe thường xuyên thay đổi, đòi hỏi có sự điều chỉnh mô men phanh bánh xe phù hợp phân bố tải trọng và điều kiện bám bánh

xe với mặt đường Mặt khác, trong những trường hợp đặc biệt cần phanh ô tô khẩn

cấp đòi hỏi lực phanh bánh xe phải đạt đến giá trị tối đa trong thời gian ngắn nhất Vào những năm giữa của thập niên 90, hệ thống EBD & BAS được thiết kế trên cơ

sở kết hợp với hệ thống ABS Hoạt động của hệ thống EBD dựa vào tín hiệu từ cảm

biến vận tốc bánh xe, ECU kiểm soát sự biến thiên tốc độ bánh xe khi phanh, ra tín hiệu điều khiển các van của bộ chấp hành điều chỉnh áp suất dầu (tăng áp, giữ áp và

giảm áp) của các xy lanh bánh xe phù hợp với tải trọng và điều kiện mặt đường trong quá trình phanh Trường hợp trợ lực phanh khẩn cấp (BAS), bơm dầu của bộ chấp hành, hút dầu từ xy lanh chính cấp thẳng đến các xy lanh bánh xe, áp suất này

lớn hơn nhiều áp suất dầu tạo bởi xy lanh chính do người lái tác dụng, làm lực phanh lớn, trợ lực cho phanh khẩn cấp

Năm 1995, hệ thống ổn định xe bằng điện tử ESP ra đời, là một hệ thống an toàn chủ động cải thiện tính ổn định chuyển động của xe bằng cách can thiệp vào hệ thống phanh, có khả năng tác động riêng rẽ một hay nhiều bánh xe, trên cầu trước hay cầu sau [35], [59] ESP điều khiển đảm bảo ổn định trong các trạng thái phanh khi ô tô quay vòng hay khi khởi hành và tăng tốc Để tăng cường cho việc điều

khiển phanh có hiệu quả, thì ESP còn tác động đến cả động cơ và hộp số, như vậy

hệ thống ESP liên kết, tích hợp các hệ thống: ABS, ASR, TCS, BAS

Năm 1998, hệ thống ACC được ứng dụng đây là hệ thống điều khiển tăng tính

an toàn của xe, bằng các cảm biến lade hoặc sóng điện từ, hệ thống máy tính sẽ xác định khoảng cách giữa các xe và ECU tự điều chỉnh khoảng cách an toàn thông qua ESP Giai đoạn này cũng ứng dụng hệ thống treo tự động điều chỉnh phản lực thẳng đứng của mặt đường lên bánh xe, nhằm tối ưu tính ổn định và nâng cao tính tiện nghi của xe

Từ năm 2002 trở lại đây, hệ thống điều khiển trên xe là tích hợp điều khiển đồng thời các hệ thống phanh, lái, treo trên xe (thường gọi là X-by-Wire), bộ chấp hành thủy lực được thay dần bằng hệ thống điện Các hệ thống tự động điều khiển trên xe trước đây điều khiển riêng rẽ hoặc chỉ có sự liên hệ tương đối, hiện nay với X-by-Wire các hệ thống này có mối liên hệ chặt trẽ với nhau Hệ thống điều khiển động lực học của xe là hệ thống điện tử tổng hợp thu, nhận tín hiệu từ các cảm biến trên xe, xác định trạng thái chuyển động của ô tô và những tác động của người lái, tính toán, ra tín hiệu điều khiển các bộ chấp hành của hệ thống treo, lái, phanh, động

cơ nhằm ổn định sự chuyển động của ô tô

Như vậy, hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô đến nay đã khá hoàn thiện

về kết cấu, trong đó hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS vẫn là hệ thống cơ bản

Quá trình điều khiển hệ thống phanh ABS là cơ sở phát triển, tích hợp các hệ thống điều khiển tích cực khác trên xe

Mặt khác để quá trình điều khiển ngày càng tối ưu, số lượng các tín hiệu đầu vào của ECU ngày càng nhiều, có tín hiệu các cảm biến đo được giá trị (tín hiệu rõ), nhưng có tín hiệu chưa rõ (tín hiệu mờ) Việc xử lý, tính toán và đưa ra các tín hiệu điều khiển nhanh, chính xác đòi hỏi mô hình cấu trúc hệ thống, thuật toán điều khiển hợp lý, khoa học hơn do đó nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật, công nghệ mới trên ô tô nói riêng, hệ thống phanh nói riêng không dừng lại vẫn là vấn đề thách

thức các nhà khoa học trên thế giới Tại Việt Nam, yêu cầu cấp bách làm chủ khoa học kỹ thuật hiện đại đã và đang ứng dụng trên ô tô đáp ứng sự phát triển nền công nghiệp ô tô trong nước vì vậy nghiên cứu về hệ thống phanh và điều khiển quá trình phanh là yêu cầu cấp thiết

1.2.2 Các công trình nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh

Một vấn đề đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu động lực học chuyển động

của ô tô là duy trì sự bám của lốp xe với mặt đường nhằm đạt được lực kéo hoặc lực phanh cao, đồng thời phải có tính dẫn hướng tốt Trong nghiên cứu động lực học chuyển động thẳng của ô tô người ta tập trung vào nghiên cứu chuyển động của ô tô khi kéo và chuyển động của ô tô khi phanh Các nghiên cứu chuyển động ô tô khi phanh đã dẫn đến sự ra đời của hệ thống điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi phanh (ABS) [26], [38]

Các lý do chính dẫn đến sự cần thiết phải sử dụng hệ thống ABS trong điều khiển quá trình phanh ô tô, vì hệ thống phanh ABS có khả năng duy trì sự bám của bánh xe với mặt đường, hạn chế sự trượt của bánh xe khi phanh, bảo đảm sự ổn định hướng chuyển động của xe và hiệu quả quá trình phanh Nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến sự lăn, bám trượt của bánh xe khi phanh [33], [35], [61], đã

chỉ ra rằng, nếu duy trì được độ trượt dọc của các bánh xe gần với điểm có giá trị hệ

số bám lớn nhất (vùng độ trượt tốt ưu) thì đồng thời đạt được quãng đường phanh ngắn nhất và giữ ổn định hướng chuyển động của ô tô

Trong bốn thập niên gần đây, trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến hệ thống ABS đã được công bố [43] Các công trình này chủ yếu tập trung vào nghiên cứu điều khiển quá trình phanh dựa vào theo dõi hai tín hiệu điều khiển chính là gia tốc góc và độ trượt dọc của các bánh xe khi phanh [53], [57], [61] Các nghiên cứu hệ thống ABS dựa trên việc theo dõi và điều khiển độ trượt

dọc của các bánh xe có những đặc trưng cơ bản là [29], [31], [48], [49], [63] cơ sở toán học rõ ràng và mô men phanh thường có tính hội tụ về giá trị nhất định Tuy nhiên việc ứng dụng vào thực tế của các nghiên cứu này gặp phải khó khăn Một là,

rất khó ước lượng chính xác độ trượt của các bánh xe do không thể hoặc rất khó đo được chính xác vận tốc thực của xe Hai là, giá trị độ trượt dọc tối ưu khác nhau với

mỗi loại đường và thường không biết hoặc không dễ xác định được trong thực tế

Một số công trình nghiên cứu điển hình theo hướng này là:

Nghiên cứu phương pháp điều khiển hồi tiếp kiểu trượt cho hệ thống ABS của

Cem Unsal và Pushkin Kachroo[29], đã mô tả hệ thống điều khiển phi tuyến nhằm duy trì ổn định chuyển động của ô tô Nghiên cứu đã đưa ra thuật toán điều khiển

dựa trên mô hình điều khiển trượt, sử dụng bộ lọc Kalman để loại bỏ nhiễu Tuy nhiên, các tác giả đã sử dụng bộ điều khiển trượt trên cơ sở theo dõi độ trượt của bánh xe, vì vậy kết quả nghiên cứu của đề tài vẫn chỉ có ý nghĩa về lý thuyết

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển trượt theo độ rộng xung

(PWM-Pulse Width Modulation) trong hệ thống ABS của Chin Wu và Chang Shih [48], đã nghiên cứu kết hợp điều khiển theo độ rộng xung PWM và theo độ trượt để thiết kế mô hình bộ điều khiển hệ thống phanh ABS Trong thử nghiệm tác giả thực hiện trên băng thử với trạng thái đường khô và ướt để đánh giá,

Ming-vì vậy kết quả cũng chưa ứng dụng trên thực tế

Nghiên cứu điều khiển trượt bằng lô gic mờ cho hệ thống ABS của M Oudghiri và các cộng sự [49], đã đề xuất phát triển phương pháp điều khiển theo

kiểu trượt và lô gic mờ để điều chỉnh lực phanh Ứng dụng lô gic mờ trong nghiên cứu này được sử dụng để đánh giá các thông số đầu vào chưa biết của ECU-ABS Trong công trình nghiên cứu điều khiển kéo của Hyeongcheol Lee và Masayoshi Tomizuka [41] (Đại học California, Mỹ) đã ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nghiên cứu chống trượt bánh xe Cũng theo hướng này, trong luận văn thạc

sỹ khoa học và kỹ thuật của Mark A Morton [45] đã nghiên cứu các chế độ điều khiển chống trượt quay bánh xe của ô tô rô bốt

Gần đây, cùng với nghiên cứu về điều khiển chuyển động phanh, nhiều công trình nghiên cứu điều khiển trượt khi kéo cũng được thực hiện Giáo sư Hunsang Jung và các cộng sự [37], đã đề xuất mô hình mô phỏng quá trình điều khiển chống trượt quay của bánh xe Tiếp theo công trình này, một số tác giả khác cũng đã công

bố các nghiên cứu của mình về ổn định điều khiển ổn định kéo, điển hình là công trình của TK CHUN and M SUNWOO [31] Trong công trình này, các tác giả đã

mô phỏng quá trình điều khiển chống trượt bánh xe dùng cho hệ thống TCS

Như vậy, các nghiên cứu hệ thống ABS dựa trên việc theo dõi độ trượt của các bánh xe đều dừng lại trên mô hình lý thuyết hoặc mô hình mô phỏng, chưa có

những ứng dụng và phát triển trong thực tế Tuy nhiên, các nghiên cứu này đã giúp giải thích cơ chế và minh chứng tính đúng đắn của việc cần thiết phải phát triển kỹ thuật ABS trong điều khiển quá trình phanh ô tô Thuật toán điều khiển sử dụng

trong các hệ thống ABS trên xe ô tô thực tế chủ yếu dựa trên tín hiệu điều khiển là gia tốc góc của các bánh xe khi phanh

Các nghiên cứu hệ thống ABS dựa sự theo dõi gia tốc góc của bánh xe [25], [35], [36], [47], [52], [56], [60] có một số ưu điểm sau: có cơ sở để ứng dụng vào thực tế, có tính ổn định cao và có thể duy trì độ trượt của các bánh xe gần với giá trị

tối ưu Tuy nhiên, các nghiên cứu này cũng gặp phải khó khăn đó là việc xác định các giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe, thường phải dựa trên các số liệu thống kê thông qua thực nghiệm, do đó việc xác định và hiệu chỉnh các giá trị ngưỡng này trong các thuật toán điều khiển là nhiệm vụ phức tạp Một số công trình nghiên cứu điển hình theo hướng này như sau:

Việc thực thi các giải pháp kỹ thuật nhằm đưa hệ thống ABS vào sử dụng trên

ô tô thực được hãng Bosch đặc biệt quan tâm [25], [26] Hãng này đã thiết kế và đưa vào ứng dụng hệ thống ABS cho xe ô tô, sử dụng gia tốc góc của các bánh xe làm tín hiệu tác động điều khiển, quá trình điều khiển diễn ra theo ba pha: tăng áp,

giữ áp và giảm áp Điều khiển chuyển đổi giữa các pha nhờ so sánh giá trị gia tốc góc của các bánh xe với các giá trị ngưỡng gia tốc góc được xác định bằng thực nghiệm Hiện nay, thuật toán điều khiển ABS này của hãng Bosch đang được sử

dụng trên hầu hết các xe thương mại

Trong công trình nghiên cứu động lực học hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe của Mark Denny [46], tác giả đã nghiên cứu động lực học lốp xe trên mô hình phi tuyến, hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường là hàm phi tuyến, phụ thuộc

chủ yếu vào vận tốc của xe và vận tốc góc của bánh xe Trên cơ sở đó, đã trình bày phương pháp ước lượng gia tốc góc của bánh xe và quan hệ giữa sự biến đổi gia tốc góc của bánh xe với sự thay đổi độ trượt Tác giả đã xây dựng phương pháp để xác định hai giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe (ngưỡng thấp và ngưỡng cao), từ đó tính toán giá trị mô men phanh tương ứng nhằm điều khiển hệ thống ABS để duy trì độ trượt gần với độ trượt tối ưu Ưu điểm của nghiên cứu này là xây dựng được phương pháp ước lượng gia tốc góc của bánh xe trong quan hệ động lực học dạng phi tuyến giữa lốp xe và mặt đường, sử dụng thuật toán tương đối đơn giản đã xác định được giá trị ngưỡng gia tốc góc để điều khiển hệ thống ABS duy trì được độ trượt dọc gần độ trượt tối ưu Tuy nhiên, nghiên cứu này mới chỉ trình bày trên mô

hình lý thuyết đơn giản (mô hình ¼ xe) nên chưa phản ánh hết các quan hệ động lực học của xe trong quá trình phanh

Trong quá trình phát triển hệ thống ABS, vấn đề luôn được chú trọng nghiên

cứu chính là thuật toán điều khiển ABS Theo hướng này, Kou và Yeh [36] đã xây dựng thuật toán điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi phanh theo bốn pha với tín

hiệu điều khiển là gia tốc góc của các bánh xe Thuật toán điều khiển này khác với thuật toán trước đó chỉ gồm ba pha do được bổ sung thêm pha giữ áp thấp, tạo thành

bộ điều khiển bốn pha gồm: tăng áp, giữ áp cao, giữ áp thấp và giảm áp Các giá trị ngưỡng gia tốc góc được xác định nhằm bảo đảm hiệu quả làm việc của hệ thống với tất cả các điều kiện mặt đường, giúp sinh ra lực phanh lớn trong khi vẫn bảo đảm tính dẫn hướng

Năm 1997, Wellstead và Pettit [60] đã phân tích và thiết kế lại bộ điều khiển điện tử cho hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh Trong công trình này, tác

giả đã phân tích đặc tính động lực học ô tô với hệ thống dẫn động phanh thủy lực khi phanh Trên cơ sở các phân tích, tác giả đã thiết kế lại bộ điều khiển điện tử cho

hệ thống phanh ABS Bộ điều khiển điện tử sử dụng biến điều khiển là gia tốc góc

của bánh xe khi phanh với ba ngưỡng điều khiển, quá trình điều khiển theo chu trình kín điều khiển qua ba pha (tăng áp, giảm áp, giữ áp) Kết quả mô phỏng đã minh chứng tính hiệu quả và đáp ứng tốt của bộ điều khiển điện tử thiết kế theo thuật toán điều khiển này

Gần đây, Pasillas và các cộng sự [52] đã xây dựng thuật toán điều khiển năm pha dựa trên sự thay đổi gia tốc góc bánh xe cho hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh Năm pha điều khiển gồm: tăng áp nhanh, tăng áp chậm, giữ áp cao, giữ

áp thấp và giảm áp Sau đó, Mathieu [47] cùng một số tác giả khác tiếp tục phát triển, hoàn thiện và từng bước dựa vào ứng dụng thuật toán điều khiển ABS theo năm pha

Như vậy, các nghiên cứu điều khiển ABS dựa trên sự theo dõi gia tốc góc của các bánh xe khi phanh đều tập trung vào xây dựng, phát triển các thuật toán điều khiển ABS nhằm nâng cao tính ổn định điều khiển và hiệu quả làm việc của hệ

thống Hệ thống ABS sử dụng thuật toán điều khiển này đã được chế tạo, trang bị trên các xe ô tô thương mại và đã khẳng định được tính thực tế của các nghiên cứu

Một trong những khó khăn nhất gặp phải trong phát triển các hệ thống ABS dựa vào

sự theo dõi gia tốc góc của các bánh xe là việc xác định và hiệu chỉnh các giá trị ngưỡng gia tốc góc Để xác định các giá trị này thường phải thực hiện rất nhiều thực nghiệm phức tạp và sử dụng các phương pháp thống kê hiện đại Thông thường bộ điều khiển điện tử ABS do các hãng chế tạo khác nhau lại có giá trị ngưỡng gia tốc góc khác nhau

Ngoài các công trình nghiên cứu điều khiển quá trình phanh theo các hướng nêu trên, một hướng nghiên cứu khác cũng rất được quan tâm đó là nghiên cứu ứng tích hợp hệ thống điều khiển quá trình phanh với các hệ thống điều khiển khác trên

xe nhằm phát huy tối đã tính ưu việt của các hệ thống, nâng cao tính an toàn chuyển động của ô tô [26], [28], [43], [55]

Có thể nói các công trình nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ở thời kỳ đầu tập trung giải quyết hoàn thiện kết cấu, trong thời gian gần đây các nghiên cứu chủ yếu giải quyết vấn đề xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu nhằm

khắc phục các tồn tại của hệ thống phanh ABS Nhưng các nghiên cứu trên, các kết quả công bố chủ yếu mang tính chất giới thiệu, nhiều nội dung khoa học và các số

liệu không được công bố Các tài liệu nghiên cứu gần như là “tài liệu mật” của các hãng không thể tiếp cận, số liệu không thống nhất, các tài liệu khác chủ yếu mang tính hướng dẫn sử dụng và giới thiệu sản phẩm do đó việc triển khai ứng dụng vào công nghiệp ô tô ở Việt Nam còn rất khó khăn

1.3 Tình hình nghiên c ứu ở Việt Nam

Tại Việt Nam ô tô tăng nhanh cả số lượng, chủng loại, nhãn mác, qua nghiên

cứu, xem xét các nhãn ô tô đang sử dụng phổ biến như: Ford, GM Daewoo, Honda, Huyndai, Isuzu, Kia, Mazda, Mercedes - Benz, Mitsubishi, Suzuki, Toyota…, hầu hết các nhãn xe đã trang bị hệ thống phanh ABS trên ô tô con Nhiều cơ sở sản xuất

ô tô trong nước đang dần nội địa hóa các cụm chi tiết và tiến tới sản xuất ô tô với thương hiệu riêng

Do đó các nhà nghiên cứu trong nước cần nhanh chóng làm chủ kỹ thuật, công nghệ tiên tiến đã và đang ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô trên thế giới Trong thời gian qua trong nước đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về hệ thống

phanh, hệ thống phanh ABS và điều khiển quá trình phanh, tiêu biểu có thể nói đến các công trình sau:

Công trình nghiên cứu các vấn đề cơ bản về lý thuyết phanh ô tô, về chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh và thành tựu mới trong tính toán hệ thống phanh của GS.TSKH Nguyễn Hữu Cẩn [1], PGS.TS Phạm Hữu Nam [12] nghiên cứu bổ sung

một số chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả phanh ô tô ở nước ta Luận án tiến sĩ của Dương Tiến Minh [11] về nâng cao chất lượng phanh ô tô quân sự với hệ thống phanh có lắp bộ điều hòa lực phanh, nhằm nâng cao chất lượng phanh của ô tô quân

sự sử dụng trong Quân đội nhân dân Việt Nam

Nghiên cứu của Nguyễn Mạnh Cường [3], đã nghiên cứu các nguyên lý chung

của hệ thống ABS, ảnh hưởng của tương tác lốp - mặt đường và mô hình tính toán phanh, đề cập tới phương pháp điều khiển ABS theo giá trị độ trượt tối ưu.Trong công trình nghiên cứu của Hồ Hữu Hùng [7], nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển điện tử hệ thống phanh ABS, sử dụng phương pháp điều khiển theo ngưỡng gia tốc góc bánh xe cho bộ chấp hành loại 4 van 3 vị trí Cũng theo hướng này, Nguyễn Thanh Tùng [17] đã nghiên cứu đề xuất kỹ thuật điều khiển hệ thống phanh ABS, xây dựng mô hình mô phỏng, mô hình thực nghiệm ¼ xe để đánh giá kết quả Mới

đây nhất, Nguyễn Sỹ Đỉnh [4], đã đề xuất thiết lập mô hình tính toán động lực học

dẫn động phanh thủy lực theo mô hình đàn hồi và lắp đặt, thử nghiệm hệ thống ABS lên xe UAZ - 31512 nhằm nâng cao chất lượng xe chỉ huy trong quân đội Trong một số năm gần đây, đề tài của tác giả Vũ Tiến Linh [9], Trần Duy Hải [5], Đỗ Ngọc Thịnh [18], các đề tài nghiên cứu trên đây đã xây dựng được mô hình

mô phỏng quĩ đạo chuyển động của ô tô khi phanh có hệ thống tự động điều khiển ABS kết hợp với ASR và VDC để làm rõ sự ổn định hướng, hiệu quả phanh, phân tích phương pháp điều khiển của ECU-ABS Các công trình này mới chỉ dừng lại nghiên cứu mô phỏng lý thuyết với các giả thuyết đơn giản hóa mô hình nên chưa thể ứng dụng vào thực tế

Đáp ứng yêu cầu phát triển của thuật toán điều khiển thích nghi cho các đối tượng phi tuyến, Nguyễn Văn Tiềm [16] đã ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại-điều khiển thích nghi (logic mờ) và mạng nơ ron nhân tạo, để điều khiển chống bó

cứng bánh xe khi phanh trên mô hình mô phỏng ¼ xe

Tóm lại, trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh nói chung, hệ thống phanh ABS nói riêng Các công trình nghiên cứu đã có ý nghĩa góp phần làm rõ cơ sở lý thuyết về quá trình phanh ô tô, cũng như giải quyết các vấn đề về điều khiển quá trình phanh nhằm nâng cao hiệu quả phanh và chất lượng quá trình phanh Tuy nhiên, các công trình mới chủ yếu nghiên cứu điều khiển hệ thống ABS về phương diện lý thuyết, phương pháp nghiên cứu cơ bản là

mô phỏng trên máy tính cho mô hình một nửa xe (mô hình 1 vết) và nếu có thử nghiệm cũng mới chỉ được thực hiện trên mô hình có tính chất minh họa trong phòng thí nghiệm trên mô hình giả định, do vậy kết quả thu được còn khác nhiều so với thực tế Việc thiết kế chế tạo các bộ phận của hệ thống ABS chưa được nhiều,

dừng lại ở việc lắp đặt hệ thống ABS lên xe ô tô, chưa có nhiều đề tài mang tính đột phá về thiết kế, chế tạo các cụm, chi tiết thay thế của hệ thống phanh ABS Gần đây, trong nước cũng đã có đề tài nghiên cứu thực nghiệm trên xe, nhưng do điều kiện

thử nghiệm có nhiều khó khăn: kinh phí, ô tô, đường thử và phương tiện đo kiểm do

đó việc nghiêm cứu còn hạn chế, kết quả chưa hoàn thiện Vì vậy nghiên cứu điều khiển quá trình phanh của hệ thống ABS, đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao hiệu

quả phanh, chất lượng điều khiển quá trình phanh cũng như nghiên cứu chế tạo, lắp đặt, thay thế các bộ phận, các cụm hệ thống phanh ABS là yêu cầu cấp thiết đòi hỏi tính khoa học và thực tiễn phục vụ công nghiệp sản xuất, lắp giáp ô tô trong nước

Kế thừa kết quả của các đề tài nghiên cứu trước đây, với mong muốn nghiên cứu điều khiển hệ thống phanh ABS nhằm tăng tính ổn định và hiệu quả phanh bảo đảm an toàn chuyển động của ô tô Nghiên cứu cấu trúc, đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS nói chung, bộ ECU-ABS nói riêng phục vụ cho nghiên cứu thiết kế chế tạo các bộ phận, các cụm, chi tiết của hệ thống ABS đáp ứng yêu

cầu từng bước nội địa hóa ngành công nghiêp ô tô trong nước

Với phân tích trên, luận án chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô” với các nội dung chính sau:

- Nghiên cứu sự lăn-bám-trượt của bánh xe khi phanh và quá trình điều khiển của hệ thống ABS, điều khiển quay thân xe khi phanh;

- Xây dựng mô hình động lực học ô tô khi phanh, mô hình bộ điều khiển ABS

có xét đến ổn định hướng chuyển động ô tô khi phanh, mô phỏng khảo sát quá trình

phanh ô tô và xác định sơ bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe dùng cho chế tạo ECU-ABS;

- Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh ABS dẫn động

thủy lực trên ô tô con Đề xuất thuật toán điều khiển ECU-ABS hệ thống ABS cho ô

tô con cụ thể Chế tạo bộ hiển thị vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe khi phanh phục

vụ cho quá trình thử nghiệm;

- Thử nghiệm trên xe thực để đánh giá điều khiển ổn định hướng và hiệu quả quá trình phanh khi ô tô không có hệ thống ABS (ECU-ABS không làm việc), khi ô

tô có hệ thống ABS sử dụng ECU-ABS nhập ngoại và ECU-ABS chế tạo

1.4 K ết luận chương 1

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

việc nghiên cứu động lực học chuyển động nói chung, nghiên cứu chuyển động của

xe khi phanh và phát triển các hệ thống điều khiển quá trình phanh nói riêng luôn được các nhà khoa học và hãng sản xuất ô tô trên thế giới dành sự quan tâm đặc biệt

Có thể nói, trên thế giới việc nghiên cứu hệ thống phanh và điều khiển quá trình phanh đã phát triển tương đối toàn diện nhưng vì nhiều lý do khác nhau mà các kết

quả nghiên cứu chưa công bố một cách đầy đủ, chủ yếu mang tính chất giới thiệu, vì vậy việc ứng dụng vào sản xuất ô tô trong nước còn hạn chế

Đối với nước ta, xuất phát từ yêu cầu thực tiễn và mang tính cấp thiết của ngành công nghiệp ô tô đòi hỏi nhanh chóng làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại,

tiến tới tự chủ trong khai thác, sửa chữa và sản xuất chế tạo các cụm, hệ thống, trong đó có hệ thống phanh Tuy đã có khá nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống phanh, điều khiển quá trình phanh ô tô, nhưng cho đến nay, các kết quả nghiên cứu

đó chưa đáp ứng yêu cầu thiết kế, chế tạo các cụm, hệ thống, chi tiết nhằm nâng cao

chất lượng ô tô lắp ráp và sản xuất trong nước Với yêu cầu đó, nội dung nghiên cứu của luận án có thể làm cơ sở cho các đề tài tiếp theo về điều khiển quá trình phanh ô

tô sử dụng hệ thống phanh ABS

Chương 2

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH ÔTÔ

2.1 V ấn đề điều khiển quá trình phanh ô tô

2.1.1 Sự lăn-bám-trượt của bánh xe với mặt đường khi phanh

Trong quá trình chuyển động, bánh xe lăn, bám, trượt trên mặt đường và tiếp

nhận các phản lực từ mặt đường Lực bám của bánh xe với mặt đường khi phanh [1], [58], [61] là cơ sở thiết kế hệ thống phanh và nghiên cứu điều khiển quá trình phanh

ô tô Lực bám đó phụ thuộc vào sự lăn-bám-trượt của bánh xe với mặt đường

Sự bám của bánh xe với mặt đường được đặc trưng bởi hệ số bám ϕcủa bánh

xe với mặt đường, gồm 2 thành phần: hệ số bám theo phương dọc ϕx, hệ số bám theo phương ngang ϕy Hệ số bám ϕ phụ thuộc loại đường, tình trạng mặt đường;

kết cấu, vật liệu, độ cứng, áp suất lốp xe; tải trọng lên bánh xe, vận tốc chuyển động

của xe; điều kiện, nhiệt độ môi trường hoạt động của ô tô

Sự trượt bánh xe, khi ô tô thay đổi vận tốc chuyển động (phanh, khởi hành, tăng tốc) tải trọng, phản lực từ mặt đường, mô men tác dụng lên bánh xe thay đổi làm cho lốp xe bị biến dạng, gây ra hiện tượng trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường Để đánh giá mức độ trượt sử dụng khái niệm độ trượt tương đối λ, được xác định [1], [53]:

Hình 2.1 Đặc tính trượt lý tưởng a- vùng ổn định và b- vùng không ổn định

Trong Hình 2.1, khi bánh xe làm việc trong vùng ổn định (vùng a) hệ số bám

dọc ϕxtăng tuyến tính và đạt giá trị cực đại ϕxmax tại điểm giá trị độ trượt đạt giá

trị độ trượt tối ưu λ0 Khi bánh xe làm việc trong vùng không ổn định (vùng b) yêu cầu hệ số bám dọc ϕxvẫn được duy trì với giá trị ϕxmax, do đó sẽ tận dụng được

hết khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường để lực phanh đạt giá trị tối ưu

max

F =P

Hình 2.2 Quá trì nh phanh theo đặc tính trượt lý tưởng

ω - g ia tốc góc bánh xe; ω max - gia tốc góc lớn nhất của bánh xe khi phanh;

b

M - Mô men phanh; Mϕ - mô men bám; Mϕmax - mô men bám cực đại

Độ trượt dọc

maxω

− 

Quá trình phanh diễn ra khi người lái đạp phanh, qua hệ thống dẫn động phanh tác động tới cơ cấu phanh sinh ra mô men phanh M (mô b men phanh do cơ cấu phanh tạo ra), đồng thời bánh xe còn chịu tác dụng của mô men bám Mϕ(mô men sinh ra do lực bám) Quan hệ giữa giữa mô men phanh M , mô men bám M b ϕ và gia tốc góc của bánh xe (-ω ) với thời gian (t) như trên Hình 2.2 [1]

Theo quan hệ trên Hình 2.2, mô men phanh M b tăng tuyến tính theo thời gian

Mô men bám Mϕ xuất hiện theo mô men phanh với thời gian trễ nhỏ là T khi phanh trong vùng ổn định Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại ϕxmaxsau một thời gian, trong khi M tiếp tục tăng, còn M b ϕ do hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại (ϕxmax) không thể tăng thêm nữa được giữ không đổi Trong vùng ổn định (a) sự chêch lệch M b −Mϕ nhỏ, sự giảm tốc của bánh xe khi phanh chậm và có giá trị nhỏ; trong vùng không ổn định (b) sự chênh lệch M b −Mϕ tăng nhanh, sự giảm tốc

của bánh xe lớn Chính sự biến thiên khác nhau của gia tốc góc bánh xe dẫn đến các kiểu ứng xử trái ngược nhau trong giai đoạn ổn định và không ổn định của đường đặc tính trượt, ABS sử dụng các đặc tính này để thực hiện quá trình điều khiển Như vậy, xét về bản chất điều khiển quá trình phanh của hệ thống ABS là điều chỉnh giá trị mô men phanh (M ) và th b ời điểm phanh tại các bánh xe Để xác định

thời điểm phanh phải giám sát được thời điểm bánh xe có giá trị gia tốc góc đạt giá

trị cực đại (ωmax), tại thời điểm đó giá trị của M l b ớn hơn giá trị Mϕmaxbánh xe bị trượt lết Bằng thực nghiệm người ta có thể xác định giá trị của ωmax ứng với mỗi

loại xe, chạy trên một loại đường với M b xác định-giá trị trên gọi là giá trị “ngưỡng gia tốc góc” Để điều chỉnh giá trị M h b ệ thống ABS tự động điều chỉnh áp suất phanh tại cơ cấu phanh của các bánh xe

Các nghiên cứu điều khiển quá trình phanh ô tô luôn gắn liền với các nghiên

cứu về mối quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của bánh xe khi phanh Cả lý thuyết

và thực nghiệm đã chỉ ra rằng, đặc tính quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của bánh xe phụ thuộc vào loại đường, lốp xe và thường được xác định bằng thực

nghiệm Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám dọc và hệ số bám ngang theo độ trượt được

mô tả trên Hình 2.3 [1], [38]

Hình 2.3 Sự biến đổi hệ số bám dọc và hệ số bám ngang theo độ trượt

Trên hình 2.3, trong vùng a (vùng ổn định): độ trượt λ tăng thì hệ số bám dọc

x

ϕ tăng nhanh, đạt giá trị cực đại trong khoảng λ=(15 30)%÷ và trong vùng này

hệ số bám ngang ϕycó giá trị cao Trong vùng b (vùng không ổn định): khi độ trượt

số bám dọc ϕxđạt giá trị cực đại, hệ số bám ngang ϕy đạt giá trị khá cao khi độ

trượt tương đối λ nằm trong vùng giá trị độ trượt tối ưu [25], [35], [61] Vì vậy, khi nghiên cứu thiết kế hệ thống phanh và điều khiển quá trình phanh ô tô người ta chọn vùng giá trị độ trượt tối ưu λ =15 30%÷ là ngưỡng điều khiển gọi là “Điều khiển theo giá trị độ trượt ” Trong thực tế các bánh xe trên cùng 1 cầu hay trên cùng 1 vết cũng làm việc trên đường có hệ số bám ϕ khác nhau đòi hỏi hệ thống phanh phải

có khả năng tự điều khiển sao cho bánh xe làm việc trong vùng trượt tối ưu

Hình 2.4 Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của một số loại đường

Hình 2.5 trình bày mối quan hệ hệ số bám dọc và độ trượt với các loại lốp: đối

với mỗi loại lốp ô tô (kích thước, kết cấu, áp suất hơi lốp) khác nhau, quan hệ giữa

x

ϕ và λ0 khác nhau Do đó, trong quá trình sử dụng không tùy tiện thay đổi kiểu,

loại lốp do nhà thiết kế qui định cho mỗi loại xe

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa ϕx và λ với các loại lốp 1- l ốp bố tròn chạy trên đường khô; 2- lốp bố chéo chạy trên đường nhựa ướt; 3- lốp bố tròn chạy trên đường tuyết; 4- lốp bố tròn chạy trên đường băng

Hình 2.6 trình bày quan hệ hệ số bám dọc ϕx và hệ số bám ngang ϕy theo độ

trượt dọc λ khi góc lệch bên α của bánh xe thay đổi [50], [61]

Hình 2.6 Mối quan hệ ,ϕ ϕx y với λ ứng với góc lệch bên αi

Như vậy, trên cơ sở quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt, hệ thống ABS được nghiên cứu, thiết kế nhằm duy trì độ trượt của bánh xe nằm trong vùng giá trị độ trượt tối ưu bằng cách theo dõi độ trượt của bánh xe được gọi là “Điều khiển theo giá trị độ trượt” Khi các bánh xe làm việc trên mặt đường có hệ số bám khác nhau đòi hỏi hệ thống ABS phải có khả năng điều khiển quá trình phanh sao cho các bánh

xe không bị hãm cứng nhằm bảo đảm tính dẫn hướng

2.1.2 Sự phân bố tải trọng của ô tô khi phanh

Khi phanh lực cản không khí và lực cản lăn không đáng kể, do vậy có thể xác định phản lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe trước F và các bánh sau zf F zr

như sau [1], [58], [61]:

j g

zf

m g b P h F

trọng tâm xe đến tâm cầu trước [m]; b- khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu

sau [m]; h - kho g ảng cách từ trọng tâm xe đến mặt đường [m]; L - chiều dài cơ sở

của xe [m]; P - l j ực quán tính sinh ra trong quá trình phanh [N]:

Thay P t j ừ (2.5) vào (2.3) và (2.4) ta có:

Khi người lái đạp phanh, thông qua cơ cấu truyền động, cơ cấu phanh bánh

xe xuất hiện mô men phanh (M ), t b ại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường xuất hiện phản lực tiếp tuyến (P p) ngược với chiều chuyển động của xe, phản lực này gọi là lực phanh và được xác định:

b p

b

M P

Để đạt hiệu quả phanh cao khi phanh, yêu cầu lực phanh bánh xe trước (P ) pf

và lực phanh bánh xe sau (P ) luôn luôn tho pr ả mãn biểu thức:

cơ cấu phanh trước và phanh sau Để thực hiện việc này, trên xe bố trí bộ điều hòa

lực phanh hay 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 áp suất dầu dẫn động ra cơ

cấu phanh bánh xe trước và bánh xe sau Trong đó bộ điều hòa lực phanh chỉ giúp cho P và pf P quan h pr ệ một cách gần đúng theo biểu thức (2.9) với sai số khá lớn

2.2 H ệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh

Mục tiêu của hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (gọi tắt là ABS) là

giữ cho bánh xe không bị trượt lết trong quá trình phanh nhằm đảm bảo tính ổn định hướng của ô tô trong quá trình phanh Gần đây, các hãng tiếp tục phát triển hệ thống điều khiển quá trình phanh của hệ thống ABS, duy trì độ trượt của bánh xe trong vùng λ0 để có hệ số bám cao nhằm nâng cao chất lượng phanh

Để giữ cho bánh xe làm việc ở vùng độ trượt quanh giá trị λ0trong giới hạn

hẹp và không bị dẫn tới hiện tượng hãm cứng bánh xe khi phanh thì phải điều chỉnh

áp suất dầu dẫn động ra cơ cấu phanh bánh xe Việc điều chỉnh này có thể tiến hành

bằng cách theo dõi giá trị gia tốc góc hay giá trị độ trượt của bánh xe khi phanh [1], [35], [53], [61]

2.2.1 Chu trình điều khiển ABS

Quá trình điều khiển của hệ thống ABS được thực hiện theo chu trình kín, sơ

đồ nguyên lý hệ thống ABS được nêu trong Hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển hệ thống ABS 1- xy lanh chính; 2- bộ chấp hành; 3- xy lanh bánh xe;

4- b ộ điều khiển điện tử; 5 - cảm biến đo vận tốc góc bánh xe

Các tín hiệu và đại lượng vật lý được quan tâm trong hệ thống gồm:

- Tín hi ệu đầu vào: là lực tác dụng lên bàn đạp của người lái xe, tạo ra áp suất

dầu trong xy lanh chính của hệ thống phanh

- Tín hi ệu điều khiển: là tín hiệu từ các cảm biến đo vận tốc góc bánh xe, cảm

biến đo gia tốc xe

- Tín hi ệu tác động: được bộ điều khiển điện tử phát ra đến bộ chấp hành thuỷ

lực để điều chỉnh áp suất dầu đến các xy lanh ở cơ cấu phanh bánh xe

- Đối tượng điều khiển: là lực phanh ( P ) sinh ra t p ại cơ cấu phanh bánh xe, làm xuất hiện mô men (M ) phù h b ợp với điều kiện mặt đường, duy trì độ trượt bánh xe trong trong vùng tối ưu

- Các nhân t ố ảnh hưởng: điều kiện mặt đường, tình trạng hệ thống phanh, tải

trọng xe, tình trạng của lốp (áp suất, độ mòn, độ biến dạng…)

2.2.2 Quá trình điều khiển trong hệ thống ABS

Mục này giới thiệu sự làm việc của hệ thống ABS điều khiển theo biến đổi của gia tốc góc bánh xe khi phanh, tín hiệu đầu vào bộ điều khiển điện tử do cảm biến

với mặt đường sinh ra [Nm]

Từ phương trình (2.10), ta có:

b w

có ABS, đồng thời là cơ sở xác định giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe cho bộ điều khiển điện tử chế tạo sau này

Hình 2.8 Sự thay đổi của mô men phanh M b (a), áp suất dẫn động phanh (p) và

gia tốc góc (ω ) của bánh xe khi phanh có ABS

Khi người lái đạp phanh, áp suất dầu (p) trong hệ thống tăng lên, làm mô men phanh (M ) t b ại các bánh xe tăng, đồng thời cũng làm cho độ trượt bánh xe tăng và làm tăng giá trị gia tốc góc (ω ) chậm dần của các bánh xe Khi M btăng đến thời điểm hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại (điểm 3 trên đường cong ϕx = f( )λ Hình 2.8a), độ trượt bánh xe đạt giá trị độ trượt tối ưu (λ0) thì ω bánh xe tăng đột ngột,

do giá trị của ϕxbắt đầu giảm và M b−Mϕ có giá trị càng lớn, bánh xe có xu hướng

bị hãm cứng Giai đoạn này ứng với đoạn 0-1 đường cong M b = f( )λ , ϕx = f( )λ

Hình 2.8a và Hình 2.8b, c gọi là pha tăng áp

Bộ điều khiển (ECU) so sánh ω bánh xe với giá trị ngưỡng gia tốc góc chậm

dần ω , khi giá tr1 ị ω bánh xe nhỏ hơn giá trị ngưỡng ω , ECU phát tín hi1 ệu cho bộ

chấp hành giảm áp suất dầu trong dẫn động Sự giảm áp suất bắt đầu với độ trễ nhất định do quán tính của hệ thống ABS Do độ trượt bánh xe tiếp tục tăng làm ϕxgiảm,

3