Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máyNghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
NGUYỄN SỸ AN
NGHIÊN C ỨU HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸTHUẬTCƠKHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội – 2019
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
NGUYỄN SỸAN
NGHIÊN C ỨU HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ
TRƯỢT LẾT CHO XE MÁY
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Công trình 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 Hồ Hữu Hải và PGS.TS Lưu Văn Tuấn Các số liệu
và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bốtrong bất kì công trình nào khác
Hà nội, ngày … tháng … năm 2018
Người hướng dẫn
khoa học 1
Người hướng dẫnkhoa học 2
PGS.TS Hồ Hữu Hải PGS.TS Lưu Văn Tuấn Nguyễn Sỹ An
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều nhà khoa học và tập thểnghiên cứu
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Hồ Hữu Hải, PGS.TS Lưu Văn Tuấn – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, là những người đã tận tình hướng
dẫn, định hướng, đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo ở Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện
Cơ khí động lực, Bộ môn Tự động hóa – Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em đồng nghiệp trong Khoa Cơ Điện, lãnh đạo trường Đại học Công nghiệp Dệt may Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian và vật chất để tôi hoàn thành luận án này
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên các khóa thuộc bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện Cơ khí động lực –Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hết lòng hỗ trợ, động viên tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn tới đại gia đình, bạn bè đã
thực sự động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Sỹ An
Trang 5MỤC LỤC
M Ở ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4
1.1 Sự cần thiết phải hạn chế trượt lết cho bánh xe khi phanh 4
1.2 Tình hình nghiên cứu hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh 7
1.2.1 Nghiên cứu về hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh (ABS) trên thế giới 7 1.2.2 Nghiên cứu về hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh trong nước 19
1.3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 21
1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 22
1.5 Kết luận chương 1 23
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ TH ỐNG PHANH HẠN CHẾ TRƯỢT LẾT 24
2.1 Cơ sở lý thuyết hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh 24
2.1.1 Hệ số bám của bánh xe với mặt đường khi phanh 24
2.1.2 Phương pháp điều khiển hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh 28
2.1.3 Quá trình điều khiển hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh theo gia tốc góc 30
2.2 Cấu hình hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy 32
2.2.1 Hệ thống phanh xe máy 32
2.2.2 Đề xuất cấu hình hệ thống phanh hạn chế trượt lết 33
2.3 Đề xuất cơ cấu điều áp 35
2.3.1 Cấu tạo cơ cấu điều áp 36
2.3.2 Nguyên lý làm việc cơ cấu điều áp 37
2.3.3 Tính toán mô phỏng cơ cấu điều áp 38
2.4 Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh xe máy có hệ thống hạn chế trượt lết 42
2.4.1 Mô hình xy lanh – pít tông phanh chính 42
2.4.2 Mô hình xy lanh – pít tông công tác 43
2.5 Mô hình mô phỏng động lực học của quá trình phanh xe 45
2.5.1 Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh 45
2.5.2 Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh (bánh xe trước) 46
2.5.3 Mô hình mô phỏng lốp xe 47
2.5.4 Mô hình mô phỏng quá trình phanh trên đường thẳng 48
2.5.5 Kết quả mô phỏng bằng mô hình đã xây dựng 50
2.6 Mô phỏng xác định thông số cơ cấu điều áp 52
2.6.1 Mô phỏng xác định lực nam châm điện 52
2.6.2 Tính nam châm điện cơ cấu điều áp 55
2.7 Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống có cơ cấu điều áp 58
2.8 Kết luận chương 2 60
Trang 6ii
-CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN (ECU)
62
3.1 Nghiên cứu chọn thuật toán điều khiển 62
3.2 Xác định ngưỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống 66
3.2.1 Mô phỏng điều khiển theo độ trượt bánh xe 67
3.2.2 Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe 72
3.3 Thiết kế chế tạo ECU 79
3.3.1 Cấu trúc hệ thống phanh hạn chế trượt lết và bộ điều khiển 79
3.3.2 Thiết kế khối cấp nguồn 80
3.3.3 Giới thiệu cảm biến đo vận tốc góc bánh xe 81
3.3.4 Khối xử lý tín hiệu cảm biến vận tốc góc 84
3.3.5 Khối xử lý tín hiệu từ công tắc bàn đạp phanh 84
3.3.6 Khối công suất điều khiển cơ cấu điều áp hệ thống phanh hạn chế trượt lết 85
3.3.7 Khối điều khiển 87
3.3.8 Kiểm tra bộ điều khiển 88
3.4 Kết luận chương 3 90
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 91
4.1 Bố trí hệ thống trên xe 91
4.1.1 Sơ đồ bố trí hệ thống trên xe máy 91
4.1.2 Bố trí hệ thống phanh hạn chế trượt lết trên xe máy thực 91
4.2 Thực nghiệm 93
4.2.1 Mục đích thực nghiệm 93
4.2.2 Thiết bị đo ghi dữ liệu dùng trong thực nghiệm 93
4.2.3 Phương án thực nghiệm 97
4.2.4 Kết quả thực nghiệm hệ thống phanh hạn chế trượt lết 98
4.3 Kết luận chương 4 103
5 K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104
TÀI LI ỆU THAM KHẢO 106
DANH M ỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1
Trang 7iii
-DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh m ục ký hiệu
a,b m Khoảng cách từ trọng tâm xe máy đến bánh trước, bánh
sau
Fx, Fy, Fz N Lực tương tác giữa lốp và mặt đường theo các phương
x, y, z
Fd N Lực dầu tác dộng lên đỉnh pít tông cơ cấu điều áp
0
l
Ft, Fs N Lực tác dụng lên má phanh bánh xe trước, bánh xe sau
Mpt, Mps Nm Mô men phanh bánh xe trước, bánh xe sau
p1, pxl N/m2 Áp suất dầu trong xy lanh chính, xy lanh công tác
Q1, Q2, Q3 m3/s Lưu lượng trước, sau cơ cơ cấu điều áp, hồi vào khoang
x , x , 2 x3 m Độ dịch chuyển của pít tông xy lanh chính, con trượt
vanđiều áp, pít tông xy lanh công tácrad/s Vận tốc góc
rad/s2 Gia tốc góc
v, v0, v1 m/s Vận tốc dài xe máy, vận tốc ban đầu, vận tốc kết thúc
điều khiển
Trang 8VDC Vehile Dynamic Control Kiểm soát động lực xe
ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử
EBD Electronic Brake
TCS Traction control system Hệ thống điều khiển lực kéo
ESP Electronic Stability Program Chương trình điều khiển ổn định điện tửVSC Vehicle Stability Control Hệ thống điều khiển ổn định ô tô
W1,W2 vòng Số vòng dây của cuộn dây 1, cuộn dây 2
0 henry/cm Hệ số từ dẫn qua kẽ hở không khí
m W/cm2.0C Hệ số tỏa nhiệt cuộn dây
mm2/m Điện trở suất của dây đồng
0C Nhiệt độ chênh lệch cho phép của cuộn dây
Trang 9v
-DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thông số xe nghiên cứu 21
Bảng 2.1 Hệ số theo công thức Burckhardt của một số loại đường[52] 47
Bảng 2.2 Các thông số đầu vào mô phỏng 50
Bảng 2.3 Các thông số tính nam châm 55
Bảng 2.4 Các thông số nam châm điện một chiều 57
Bảng 3.1 Miền biến thiên ngưỡng giá trị gia tốc góc 72
Bảng 3.2 Tổng hợp các phương án mô phỏng 75
Bảng 3.3 Ma trận trung bình diện tích so sánh 75
Bảng 3.4 Ngưỡng gia tốc góc điều khiển 76
Bảng 4.1 Thông số cảm biến do áp suất M5256-C3079E-050BG của hãng Sensys 94
Bảng 4.2 Thông số cảm biến ADXL335 của Analog Device 95
Bảng 4.3 Giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống phanh hạn chế trượt lết phù hợp với giá trị đo trong thực nghiệm 98
Bảng 4.4 Phương án thực nghiệm khi không điều khiển 98
Bảng 4.5 Phương án thực nghiệm khi có điều khiển 100
Trang 10vi
-DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt [7], [21], [54] 5
Hình 1.2 Trường hợp 1 trong nghiên cứu của Takefumi Sato, Tenri và Japan 10
Hình 1.3 Trường hợp 2 trong nghiên cứu của Takefumi Sato, Tenri và Japan 11
Hình 1.4 Nghiên cứu của Pickenhahn Josef, Barr Stephen P J., Beuerle Christoph, Glasmacher Klaus, Weidele Alois và Fischer Martin 12
Hình 1.5 Hệ thống được đề xuất bởi Chen Po-Hsi, Hwu Long-Cherng và Juang Puu-An 13
Hình 1.6 Mô hình bộ điều khiển trong nghiên cứu 14
Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống của Chun-Kuei HUANG, Ming-Chang SHIH năm 201015 Hình 1.8 Sơ đồ thuật toán các khối trong hệ thống 16
Hình 1.9 Hệ thống được đề xuất bởi Takenouchi Kazuya, Nakayama Masanobu, 17 Hình 1.10 Hệ thống được đề xuất bởi Eckert Alfred, Olejnik Peter và Reviol Ralf18 Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo ABS trên xe máy 19
Hình 2.1 Sơ đồ xác định hệ số A,B,C,D [21] 26
Hình 2.2 Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của một số loại đường [24], [40] 27
Hình 2.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt cho trước 28
Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc giới hạn 29
Hình 2.5 Sự thay đổi của mô men phanh M b(a), áp suất dẫn động phanh (p) và gia tốc góc ( ) của bánh xe khi phanh có ABS [8], [25] 31
Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống phanh 33
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy 34
Hình 2.8 Xy lanh chính 34
Hình 2.9 Xy lanh công tác 34
Hình 2.10 Sơ đồ quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cơ cấu điều áp 36
Hình 2.11 Cấu tạo cơ cấu điều áp 36
Hình 2.12 Cơ cấu điều áp ở chế độ phanh bình thường (chế độ tăng áp) 37
Hình 2.13.Cơ cấu điều áp ở chế độ xảy ra trượt lết bánh xe (chế độ giảm áp) 37
Hình 2.14 Lực tác dụng lên con trượt van điều áp 38
Hình 2.15 Tiết diện cửa I 39
Hình 2.16 Mô hình mô phỏng cơ cấu điều áp 41
Hình 2.17 Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh 42
Hình 2.18 Xy lanh-pít tông phanh chính 42
Hình 2.19 Mô hình mô phỏng xy lanh phanh chính 43
Hình 2.20 Xy lanh-pít tông cơ cấu phanh 43
Hình 2.21 Mô hình mô phỏng xy lanh công tác 44
Hình 2.22 Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh 45
Hình 2.23 Lực tác dụng lên bánh xe khi phanh 45
Hình 2.24 Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh 46
Trang 11vii
-Hình 2.25 Lực tác dụng lên bánh xe không phanh 46
Hình 2.26 Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh 47
Hình 2.27 Mô hình mô phỏng lốp xe 48
Hình 2.28 Lực tác dụng lên xe máy 48
Hình 2.29 Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của xe khi phanh 49
Hình 2.30 Mô hình mô phỏng phanh xe máy 50
Hình 2.31 Kết quả mô phỏng trên đường max=0,3 51
Hình 2.32 Kết quả mô phỏng trên đường max=0,5 51
Hình 2.33 Kết quả mô phỏng trên đường 52
Hình 2.34 Lò xo hồi vị cơ cấu điều áp 53
Hình 2.35 Quy luật tác dụng lực 53
Hình 2.36 Đồ thị vận tốc góc bánh xe 54
Hình 2.37 Đồ thị độ trượt bánh xe 54
Hình 2.38 Bố trí cuộn dây của nam châm điện 55
Hình 2.39 Chiều dài trung bình lõi nam châm điện 57
Hình 2.40 Áp suất dầu trong hệ thống khi phanh bình thường 59
Hình 2.41 Quy luật biến thiên của áp suất dầu trong cơ cấu phanh sau khi điều khiển ở tần số 2,0 Hz(bên trái) và 6,0 Hz (bên phải) 59
Hình 2.42 Giá trị áp suất cao nhất và thấp nhất đạt được trong cơ cấu phanh sau theo tần số của xung điều khiển 60
Hình 3.1 Phạm vi điều khiển [3] 63
Hình 3.2 Nguyên lý xác định pha điều khiển áp suất theo gia tốc góc 64
Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển phanh theo gia tốc góc bánh xe 65
Hình 3.4 Nguyên lý xác định pha điều khiển theo độ trượt 67
Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt 67
Hình 3.6 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển theo độ trượt trong Matlab/Stateflow 68 Hình 3.7 Mô hình mô phỏng điều khiển phanh xe theo độ trượt 68
Hình 3.8 Đồ thị độ trượt của bánh xe khi phanh trên đường max=0,5 69
Hình 3.9 Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường max=0,5 69
Hình 3.10 Đồ thị áp suất phanh trên đường max=0,5 70
Hình 3.11 Đồ thị gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đường max=0,5 70
Hình 3.12 Biến thiên giá trị gia tốc góc theo tín hiệu điều khiển trên đường 5 , 0 max= 71
Hình 3.13 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển theo gia tốc góc trong Matlab/Stateflow 72
Hình 3.14 Mô hình mô phỏng phanh xe điều khiển theo gia tốc góc 73
Hình 3.15 Vận tốc góc bánh xe trong quá trình điều khiển 74
Hình 3.16 Đồ thị quan hệ diện tích so sánh với ngưỡng điều khiển 76
Hình 3.17 Đồ thị độ trượt của các bánh xe khi phanh trên đường max=0,5 77
Trang 12viii
-Hình 3.18 Đồ thị vận tốc góc của các bánh xe khi phanh trên đường max=0,5 77
Hình 3.19 Đồ thị áp suất phanh trên đường max=0,5 78
Hình 3.20 Đồ thị gia tốc góc bánh xe khi phanh trên đường max=0,5 78
Hình 3.21 Cấu trúc mạch điều khiển hệ thống phanh hạn chế trượt lết 80
Hình 3.22 Cấu trúc bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh hạn chế trượt lết 80
Hình 3.23 Mạch nguyên lý của khối cấp nguồn 81
Hình 3.24 Cấu tạo của cảm biến 81
Hình 3.25 Sơ đồ cảm biến 81
Hình 3.26 Đặc điểm tín hiệu làm việc của cảm biến 82
Hình 3.27 Kích thước vành răng tiêu chuẩn 83
Hình 3.28 Ảnh hưởng của vật liệu tới khả năng phát hiện của cảm biến 83
Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến vận tốc bánh xe 84
Hình 3.30 Sơ đồ xử lý tín hiệu từ công tắc bàn đạp phanh 85
Hình 3.31 Sơ đồ tính các thông số để transistor bão hòa 86
Hình 3.32 Khối công suất điều khiển cơ cấu điều áp của bánh xe 87
Hình 3.33 Bộ điều khiển điện tử hệ thống phanh hạn chế trượt lết 88
Hình 3.34 Thử nghiệm bộ điều khiển trong phòng thí nghiệm 89
Hình 3.35 Thử nghiệm bộ điều khiển trên đường thử khô và ướt 89
Hình 3.36 Đồ thị vận tốc góc của bánh xe sau khi phanh gấp ở vận tốc 30 km/h 89
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí hệ thống trên xe máy 91
Hình 4.2 Bố trí hệ thống trên xe máy 92
Hình 4.3 Module đo vận tốc góc bánh xe 93
Hình 4.4 Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu vận tốc góc bánh xe 94
Hình 4.5 Module đo áp suất 95
Hình 4.6 Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu áp suất phanh 95
Hình 4.7 Module đo gia tốc phanh 96
Hình 4.8 Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu gia tốc phanh 96
Hình 4.9 Thiết bị đo 96
Hình 4.10 Sơ đồ đấu nối thiết bị đo và bộ điều khiển với nguồn 97
Hình 4.11 Sơ đồ các bước thực nghiệm 97
Hình 4.12 Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh không điều khiển 99
Hình 4.13 Đồ thị áp suất phanh khi không điều khiển 99
Hình 4.14 Đồ thị gia tốc phanh khi không điều khiển 100
Hình 4.15 Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh có điều khiển 101
Hình 4.16 Đồ thị áp suất phanh khi có điều khiển 101
Hình 4.17 Đồ thị gia tốc phanh khi có điều khiển 102
Trang 13Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full