Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy (tt)

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, luận án chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy” Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Xe máy sử dụng trong nướ

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Ở Việt Nam hiện nay, xe máy là phương tiện giao thông chủ yếu Số lượng và tốc độ tăng xe máy rất lớn, số liệu ước tính đến hết năm 2016 Việt Nam có gần 45 triệu xe máy và năm 2017 có 3,2 triệu chiếc xe máy được bán ra Trong số các phương tiện tham gia giao thông trên đường bộ ở Việt Nam thì số lượng xe máy đang áp đảo các phương tiện khác Người đi xe máy hầu như chỉ trang bị duy nhất là mũ bảo hiểm Khi xảy ra va chạm, người ngồi trên xe máy có mức độ chấn thương cao hơn hẳn ô tô Vì thế việc đảm bảo an toàn cho người sử dụng phương tiện xe máy ở Việt Nam là rất cấp thiết

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, luận án chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy”

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Xe máy sử dụng trong nước chủ yếu là các xe có tốc độ thấp và chưa được trang bị hệ thống phanh ABS Muốn trang bị hệ thống phanh ABS phải mua nguyên bộ của các hãng và không phải

xe máy nào cũng được thiết kế chờ sẵn để có thể lắp được Do đó, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lựa chọn các phương án bố trí lắp đặt hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy nhằm mục đích từng bước cải thiện hiệu quả và nâng cao tính ổn định chuyển động của xe máy trong quá trình phanh

Luận án đã giải quyết được các vấn đề: Đề xuất được nguyên lý hệ thống điều chỉnh áp suất phanh nhằm hạn chế trượt lết bánh xe; Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh thủy lực trên

xe máy, mô phỏng chuyển động của xe máy khi phanh, đề xuất bộ điều khiển cũng như một thuật toán điều khiển hệ thống theo gia tốc góc bánh xe; Thông qua mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính, luận án sơ bộ xác định được ngưỡng giá trị gia tốc góc của bánh xe để điều khiển chuyển đổi giữa các pha tăng áp, giảm áp trong chu trình hoạt động của hệ thống; Nghiên cứu thiết

kế chế tạo được thiết bị thu thập tín hiệu từ 3 cảm biến để đo 3 thông số trong quá trình phanh; Nghiên cứu thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển và nhận xét hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh hạn chế trượt lết bánh xe Đây là các vấn đề có tính khoa học, là

cơ sở cho các nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo để ứng dụng trên xe máy

Nội dung và bố cục của luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ TRƯỢT LẾT

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Các kết quả nghiên cứu mới của luận án

Luận án đạt được các kết quả nghiên cứu mới sau:

- Đề xuất, thiết kế chế tạo được cơ cấu điều áp có thể điều chỉnh được áp suất phanh trong hệ thống phanh dẫn động thủy lực trên xe máy;

- Xây dựng được mô hình mô phỏng hệ thống phanh có điều chỉnh áp suất phanh nhằm hạn chế trượt lết bánh xe trên xe máy và mô hình mô phỏng động lực học quá trình phanh xe máy trên đường thẳng;

- Xác định được khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh hạn chế trượt lết đã

đề xuất trên xe nghiên cứu;

- Đề xuất phương pháp hiệu chỉnh và xác định được giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe bằng

mô phỏng lý thuyết để điều khiển chuyển pha làm việc của cơ cấu điều áp trong quá trình hệ thống hoạt động

- Thiết kế chế tạo, bố trí lắp đặt được các thiết bị cho thực nghiệm và thực nghiệm lấy được số liệu đánh giá hoạt động của hệ thống phanh hạn chế trượt lết trên xe máy

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sự cần thiết phải hạn chế trượt lết cho bánh xe khi phanh

bám ngang φy phụ thuộc độ trượt dọc

của bánh xe cả khi truyền lực kéo

(trượt quay) lẫn khi truyền lực phanh

(trượt lết) Hình 1.1 thể hiện mối quan

hệ giữa hệ số bám dọc φx và hệ số

bám ngang φy với độ trượt dọc s của

bánh xe khi phanh

Từ trên đồ thị cho thấy hệ số bám dọc φx có giá trị cao nhất khi hệ số trượt s nằm trong

khoảng 15% - 25% Khi hệ số trượt s = 1 (trượt lết hoàn toàn) giá trị φx chỉ còn khoảng xấp xỉ

0,6φxmax Đối với hệ số bám ngang φy khi độ trượt s tăng lên, φy suy giảm nhanh và khi hệ số trượt s

= 1 giá trị φy không đáng kể

Có thể chia quá trình phanh theo độ trượt dọc thành 3 vùng như hình vẽ có thể thấy: Khi phanh xe, vùng II là vùng bánh xe có khả năng truyền lực dọc cao nhất đồng thời khả năng truyền lực ngang tương đối cao Nếu bánh xe hoạt động trong vùng này thì hiệu quả phanh cao và khả năng ổn định chuyển động của xe cũng cao

Từ các phân tích trên, luận án hướng tới việc nghiên cứu điều chỉnh áp suất phanh từ đó điều chỉnh lực phanh sao cho bánh xe phanh hoạt động trong vùng II

1.2 Tình hình nghiên cứu hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh

1.2.1 Nghiên cứu về hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh (ABS) trên thế giới

1.2.1.1 Nghiên cứu ABS trên ô tô

Cho đến thời điểm hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ABS trên ô tô được công

bố Các công trình nghiên cứu gần đây tập trung chủ yếu nghiên cứu về hệ thống điều khiển ABS trên xe Các hệ thống điều khiển theo dõi tín hiệu gia tốc chậm dần và độ trượt dọc của bánh xe trong quá trình phanh [25], [52], [56]

Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển ABS theo độ trượt dọc của bánh xe khá hoàn thiện [27], [48], [49] Vì thế các nghiên cứu về hệ thống ABS điều khiển theo độ trượt của 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

Các công trình nghiên cứu về hệ thống ABS theo gia tốc góc chậm dần của bánh xe khi phanh

đã chứng minh được những ưu điểm là duy trì được độ trượt của bánh xe gần miền tối ưu từ đó ổn định được độ bám đường trong quá trình phanh Tuy nhiên để xác định được ngưỡng gia tốc góc

Hình 1.1 Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt [7][21][54]

bánh xe để hệ thống điều khiển làm việc là một việc hết sức khó khăn, phải sử dụng thống kê, mô phỏng, đo đạc và hiệu chỉnh phức tạp trong thuật toán điều khiển [24], [40], [41], [46]

1.2.1.2 Nghiên cứu về ABS trên xe máy

Các nghiên cứu về hệ thống ABS hoặc một hệ thống có tính năng tương tự như ABS cho xe máy được tập trung chủ yếu nghiên cứu đề xuất cơ cấu chấp hành và phương pháp điều khiển cho

xe máy Một số nghiên cứu đã đề xuất hệ thống chống bó cứng cho xe máy bằng cách đề xuất cơ cấu chấp hành hoạt động theo nguyên lý khác với ABS trên ô tô [59], [51], [28], [39], [58] Một số nghiên cứu đưa ra phương pháp điều khiển bằng cách xác định hệ số bám của bánh xe với mặt đường bằng phương pháp đo góc nghiêng thân xe sử dụng nguồn phát sóng siêu âm [37], điều khiển bằng logic mờ [28], điều khiển theo PID [58]

1.2.2 Nghiên cứu về hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh trong nước

1.2.2.1 Nghiên cứu về ABS trên ô tô

Tại Việt Nam lượng ô tô ngày càng tăng nhanh và phát triển đa dạng cả về chủng loại cũng như các hãng xe Các xe ô tô lưu hành ở Việt nam hiện nay rất nhiều xe được trang bị các hệ thống tích cực như ABS, ASR, VSC, VDC… Do đó đã có các nghiên cứu về hệ thống tích cực trên ô tô nhằm làm chủ công nghệ cũng như làm cơ sở để nội địa hóa các hệ thống trên ô tô Các công trình nghiên cứu về lý thuyết phanh ô tô [19], [8], động lực học phanh ô tô [9] hay các đề tài nghiên cứu

về quỹ đạo chuyển động của ô tô có trang bị các hệ thống tích cực như ABS, ASR, VSC [15], [20] Ngoài ra còn có các công trình nghiên cứu tương đối đầy đủ và hoàn thiện về điều khiển hệ thống ABS cho nhiều đối tượng khác nhau từ xe ô tô con [2] đến xe du lịch [4] và xe quân sự [14] và cả

hệ thống phanh dẫn động thủy lực [5] và hệ thống phanh dẫn động khí nén [3] Các nghiên cứu về phương pháp điều khiển như điều khiển theo logic mờ [5], điều khiển theo gia tốc góc bánh xe [3], điều khiển thích nghi theo logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo [18]

Từ các nghiên cứu ABS trên ô tô trong nước 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 Đây cũng là cơ sở để luận án lựa chọn các phương án thu thập tín hiệu điều khiển và đề xuất thiết kế chế tạo bộ điều khiển với thông số điều khiển phù hợp cho hệ thống phanh hạn chế trượt lết của luận án

1.2.2.2 Nghiên cứu về ABS trên xe máy

Trong nước hiện nay mặc dù vấn đề cải thiện tính an toàn và hiệu quả khi sử dụng xe máy tham gia giao thông ngày càng cấp thiết tuy nhiên chưa có đề tài khoa học nào nghiên cứu về việc thiết kế ABS hoặc hệ thống phanh tương tự cho xe máy

Từ những phân tích cho thấy trên thế giới đã có nhiều đề xuất và nhiều hệ thống ABS cho xe máy Tuy nhiên, các đề xuất khá phức tạp, các hệ thống ABS đã có trên xe máy vì lý do bí quyết công nghệ không được công bố và giá thành rất đắt tiền Tại Việt Nam chưa có một công trình khoa học nào nghiên cứu và đưa ra một hệ thống tương tự Do vậy cần thiết có một nghiên cứu về hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy có kết cấu đơn giản và phù hợp với điều kiện Việt Nam

1.3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu, tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đánh giá hệ

thống phanh có khả năng điều chỉnh áp suất nhằm hạn chế trượt lết bánh xe cho xe máy

Đối tượng nghiên cứu: Xe máy có hệ thống phanh trước và phanh sau đều là phanh dẫn động

thủy lực không có ABS

Phạm vi nghiên cứu: Luận án nghiên cứu quá trình phanh xe máy trên đường thẳng, bằng

phẳng và xe máy chuyển động thẳng khi phanh, thân xe thẳng đứng không nghiêng về hai bên Luận án không xét đến các lực bên (lực ngang) tác động vào xe nghiên cứu Bỏ qua mô men cản

lăn, cản không khí tác động vào xe nghiên cứu, bỏ qua sự đàn hồi của lốp và sự thay đổi chiều cao trọng tâm trong quá trình phanh phanh

Do điều kiện thực nghiệm trên xe thực có nhiều khó khăn, luận án chỉ nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho bánh xe phía sau Trong quá trình thực nghiệm phanh xe máy có sự phân bố lại trọng lượng làm trọng tâm xe dịch về phía trước dẫn đến bánh xe phía sau thường có xu hướng dễ trượt hơn Do vậy luận án đề xuất thiết kế chế tạo và thử nghiệm hệ thống phanh hạn chế trượt lết trang bị trên hệ thống phanh bánh xe phía sau xe máy để thuận lợi cho thực nghiệm hệ thống

Luận án thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên hại loại đường thẳng, bề mặt bằng phẳng đường Asphalt khô và asphalt phủ bùn sét ở vận tốc từ 30 km/h đến 50 km/h nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh hạn chế trượt lết trang bị trên xe máy

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Luận án nghiên cứu phát triển một hệ thống điều khiển điện tử do đó nội dung nghiên cứu của luận án gồm các bước chính sau đây:

- Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng đối tượng điều khiển nhằm kiểm tra hiệu chỉnh thiết kế (nếu cần) Để rút ngắn quá trình thiết kế luận án đi nghiên cứu về hệ thống phanh trên đối tượng nghiên cứu, nghiên cứu hệ thống ABS trên ô tô, mô phỏng động học của xe máy khi phanh và mô phỏng cơ cấu điều áp - đối tượng điều khiển đã đề xuất từ đó hiệu chỉnh thiết kế

- Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khi lắp thêm cơ cấu điều áp Đề xuất thuật toán điều khiển và mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thống phanh hạn chế trượt lết (hệ thống phanh có lắp thêm cơ cấu điều áp) có điều khiển nhằm đánh giá và hiệu chỉnh thuật toán điều khiển Sau đó tiến hành mô phỏng xác định sơ bộ ngưỡng điều khiển theo lý thuyết

- Nghiên cứu chế tạo mô hình thực nghiệm và mô phỏng thực nghiệm nhằm đánh giá hoạt động của hệ thống

Luận án sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính, thực hiện mô phỏng để khảo sát đặc tính của hệ thống, từ đó xác định các thông số cơ cấu điều áp, xác định sơ bộ giá trị ngưỡng điều khiển

Nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo hệ thống phanh hạn chế trượt lết bánh xe Thực nghiệm đánh giá khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống Thực nghiệm trên cơ sở giá trị ngưỡng được xác định từ mô phỏng lý thuyết và nhận xét khả năng hoạt động thực tế của hệ thống

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương này của luận án, tổng quan các vấn đề trong nước cũng như trên thế giới liên quan đến đề tài đã được nghiên cứu, từ đó làm cơ sở đề lựa chọn đề tài nghiên cứu cụ thể:

Trên thế giới có các công trình nghiên cứu về ABS cho xe máy chủ yếu đi nghiên cứu đề xuất

cơ cấu chấp hành và phương pháp điều khiển Tuy nhiên, các công trình chủ yếu ở dạng các sáng chế kết quả mới chỉ dừng lại ở mô phỏng trên các phần mềm Đây cũng là các cơ sở để luận án đề xuất cơ cấu chấp hành và phương pháp điều khiển hệ thống hạn chế trượt lết của đề tài

Ở Việt Nam có rất nhiều các công trình nghiên cứu về ABS cho ô tô Các công trình nghiên cứu gần đây chủ yếu là về điều khiển ABS cho ô tô khá hoàn thiện Từ các công trình nghiên cứu về ABS cho ô tô, luận án lựa chọn phương pháp điều khiển hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy theo gia tốc góc bánh xe Tuy ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu về ABS hoặc một hệ thống có tính năng tương tự cho xe máy, mặc dù xe máy vẫn là phương tiện chủ yếu và vấn đề an toàn cho người và xe máy khi tham gia giao thông vẫn là cấp thiết Đây là lý do cần thiết có các công trình nghiên cứu về hệ thống hạn chế trượt lết cho xe máy ở Việt Nam

Thực tế về thương mại, ABS cho xe máy trên thế giới đã chế tạo thành công ở một số hãng xe gắn máy lớn và đã cho ứng dụng trên một số mẫu xe Tuy nhiên, chủ yếu các mẫu xe được trang bị

là các xe phân khối lớn và giá thành cao Ngoài ra, do yếu tố bí mật kinh doanh nên các hãng này không công bố nguyên lý cũng như kết cấu của hệ thống ABS đó

Từ các phân tích trong chương này, luận án đã xác định được mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, nội dung cũng như phạm vi nghiên cứu phù hợp với hướng đề tài phát triển một hệ thống phù hợp sẽ được trình bày trong các phần sau

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH

HẠN CHẾ TRƯỢT LẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh

Trong mục này, luận án đi nghiên cứu sự lăn, trượt, bám ảnh hưởng tới việc tiếp nhận lực từ bánh xe xuống mặt đường và ngược lại từ mặt đường phản lực lên bánh xe khi phanh Phương pháp

và quá trình điều khiển hạn chế trượt lết khi phanh theo gia tốc góc bánh xe trên ô tô Từ cơ sở lý thuyết đó, có thể thấy ABS của ô tô hoạt động ở 3 chế độ tăng áp, giữ áp và giảm áp khá phức tạp

để trang bị cho xe máy và điều khiển ABS theo độ trượt gặp khó khăn trong việc xác định chính xác vận tốc dài của xe để xác định độ trượt Do đó luận án đi đề xuất hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy có cấu hình và nguyên lý hoạt động khác với ABS của ô tô và chọn phương pháp điều khiển hệ thống đó theo vận tốc góc bánh xe

2.2 Cấu hình hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy

2.2.1 Hệ thống phanh xe máy

2.2.2 Đề xuất cấu hình hệ thống phanh hạn chế trượt lết

Hệ thống phanh hạn chế

trượt lết cho xe máy được đề xuất

có sơ đồ cấu hình như trên Hình

2.7 Hệ thống bao gồm xy lanh

phanh chính, cơ cấu điều áp, cơ

cấu phanh, bộ điều khiển và cảm

biến vận tốc góc bánh xe Trong

đó xy lanh phanh chính và cơ cấu

phanh có sẵn trên xe nghiên cứu,

còn cơ cấu điều áp, bộ điều khiển

và cảm biến vận tốc góc bánh xe

sẽ được trang bị thêm vào hệ

thống

2.3 Đề xuất cơ cấu điều áp

2.3.1 Cấu tạo cơ cấu điều áp

Cơ cấu điều áp được đề xuất có cấu tạo như Hình 2.11 bao gồm 2 bộ phận chính là van điều

áp và nam châm điện (4), van điều áp bao gồm con trượt (1), vỏ van (2) và lò xo hồi vị (3)

2.3.2 Nguyên lý làm việc cơ cấu điều áp

Ở chế độ tăng áp, dầu phanh từ cửa I được thông hoàn toàn sang cửa II nghĩa là dầu phanh đi

từ xy lanh chính đến cơ cấu phanh, áp suất phanh đến cơ cấu phanh phụ thuộc lực bàn đạp Lúc này nam châm điện không sinh lực (không có dòng điện đi đến nam châm), con trượt 1 bị lò xo hồi vị 3 đẩy hoàn toàn sang phía trái, dầu thông từ cửa I sang cửa II (Hình 2.11)

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy

Ở chế độ giảm áp, nam

châm điện được cấp dòng tạo lực

hút, hút con trượt 1 dịch chuyển

sang phải, nén lò xo hồi vị 3 lại

Khi con trượt vượt dịch chuyển

qua cửa I, cửa I bị đóng lại, ngăn

dầu từ xy lanh chính Con trượt

tịnh tiến dịch chuyển sang phải,

làm xuất hiện khoang hồi dầu B,

dầu từ cơ cấu phanh đi đến khoang

B và áp suất phanh ở cơ cấu phanh

giảm xuống (Hình 2.13)

Khi ngừng cấp dòng vào

nam châm điện, lực hút điện từ

mất đi, con trượt 1 bị lò xo hồi vị

3 đẩy sang trái đẩy dầu phanh từ

khoang B trở lại xy lanh công tác

và hệ thống trở về chế độ tăng áp:

cửa I thông với cửa II

Để đảm bảo cơ cấu điều áp

hoạt động hiệu quả có ba thông số

quan trọng là lực hút của nam

châm điện 4, lực đàn hồi của lò xo

hồi vị 3 và đường kính con trượt 1

van điều áp cần phải được xác

định phù hợp

2.3.3 Tính toán mô phỏng cơ cấu điều áp

Từ sơ đồ các lực tác dụng vào con trượt van điều áp (Hình 2.14), phương trình chuyển động của con trượt van điều áp được viết như sau :

•

•

−

−+

2

Tùy theo độ dịch x2 của con trượt van

điều áp hệ thống làm việc theo bốn trạng thái:

+ Trạng thái 1: Khi ở chế độ phanh

bình thường con trượt van điều áp không dịch

chuyển: x2 = 0 Q2 = Q1 Áp lực dầu trong

khoang b: F d =0 ,pp= p1 (theo [13]);

+ Trạng thái 2: Khi bánh xe bị trượt lết lực nam châm kéo con trượt van điều áp dịch chuyển sang phải x2: 0  x2  0 , 003m đóng dần cửa I Áp suất trong xy lanh chính :

(Q Q )dt V

p p Q Q

Hình 2.14 Lực tác dụng lên con trượt van điều áp

1 Con trượt 3 Lo xo hồi vị

2 Vỏ van 4 Nam châm điện I: Cửa dầu vào cơ cấu điều áp từ xy lanh chính II: Cửa dầu từ cơ cấu điều áp đến xy lanh công tác

A Khoang cấp dầu từ xy lanh chính

B Khoang hồi dầu từ xy lanh công tác

Hình 2.11 Cấu tạo cơ cấu điều áp

Hình 2.13 Cơ cấu điều áp ở chế độ xảy ra trượt lết bánh xe

(chế độ giảm áp)

phanh hạn chế trượt lết trên Hình

2.7, luận án đề xuất sơ đồ mô hình

Bỏ qua ảnh hưởng của lò xo

hồi vị, phương trình dịch chuyển của pít tông xy lanh chính:

1 1

Q

•

2.4.2 Mô hình xy lanh – pít tông công tác

Phương trình chuyển động của pít tông xy lanh công tác:

)( 3 3(0)

R mf F R mf

2.5 Mô hình mô phỏng động lực học của quá trình phanh xe

2.5.1 Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh

Trong quá trình phanh, các lực và các mô men tác

động vào bánh xe sau (bánh xe phanh) như trên Hình 2.22,

từ đó có thể xây dựng được phương trình chuyển động

quay của bánh xe sau:

bxs xs ps s

bxs M F r

2.5.2 Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh (bánh

xe trước)

Trong quá trình phanh xe máy, bánh xe phía trước

không phanh chỉ lăn bị động trong suốt quá trình phanh

bxt xt t

bxt F r

Hình 2.17 Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh

2.5.4 Mô hình mô phỏng quá trình phanh trên đường thẳng

Trong quá trình phanh, với các giả thiết đã nêu, xe máy chịu các lực tổng hợp tác dụng theo phương chuyển động của xe như trên Hình

2.27, phương trình chuyển động của xe khi

phanh được viết như sau:

••

++

= gb h x

b a

••

−+

= ga h x

b a

m

2.5.5 Kết quả mô phỏng bằng mô hình đã xây dựng

Để kiểm tra mô hình mô phỏng luận án tiến hành mô phỏng bằng mô hình hệ thống phanh như Hình 2.29, khi cơ cấu điều áp chưa được cấp lực nam châm điện Fnc=0 và thông số đầu vào như Bảng 2.2 trên các loại đường có hệ số bám cực đại lần lượt là max= 0,3; 0,5; 0,7 với các mức tác động phanh khác nhau với giả thiết sau 0,5s đạt mức đạp phanh cần thiết lần lượt là Fs= 50N, 90N, 130N thu được các kết quả như trên các hình từ Hình 2.31 đến Hình 2.33

Hình 2.32 Kết quả mô phỏng trên đường max=0,5

Hình 2.27 Lực tác dụng lên xe máy

Từ các kết quả mô phỏng trên có thể thấy quy luật sự thay đổi độ trượt, vận tốc góc bánh xe,

áp suất phanh và gia tốc góc bánh xe trong quá trình phanh trên các loại đường có hệ số bám cực đại khác nhau với các mức tác động phanh khác nhau phù hợp với các quy luật đã công bố trên các tài liệu lý thuyết Từ đó có thể khẳng định mô hình đã xây dựng với các giả thuyết đã nêu có thể sử dụng để mô phỏng xác định các thông số cơ cấu điều áp cũng như xác định sơ bộ ngưỡng điều khiển lý thuyết nhằm tiết kiệm thời gian và chi phí tiến hành thực nghiệm

2.6 Mô phỏng xác định thông số cơ cấu điều áp

2.6.1 Mô phỏng xác định lực nam châm điện

Mô phỏng hoạt động của cơ cấu điều áp theo mô hình mô phỏng như Hình 2.29 với các thông

số chọn trước là đường kính cong trượt dp=0,008m; lò xo hồi vị có độ cứng kxl = 30.103 (N/m) và biến dạng ban đầu (nén) l0 =0,0055(m) và các thông số của đối tượng nghiên cứu như Bảng 2.2

Do chưa có bộ điều khiển, luận án sử dụng bộ tạo xung để tạo ra quy luật biến thiên lực nam châm điện có dạng xung vuông như Hình 2.35a Đưa vào quy luật tác động phanh trong quá trình mô phỏng như Hình 2.35b

Tiến hành mô phỏng với nhiều giá trị lực nam châm điện khác nhau, phân tích sự thay đổi vận tốc góc bánh xe và độ trượt bánh xe, luận án thấy rằng nam châm điện phải có giá trị tối thiểu 193N đảm bảo cơ cấu điều áp cũng như hệ thống làm việc tương đối tốt Kết quả mô phỏng trên đường có

hệ số bám cực đạimax = 0 , 5 với giá trị lực nam châm điện là 193N như các hình sau:

Từ đồ thị kết quả mô phỏng hệ thống phanh có cơ cấu điều áp cho thấy:

Vận tốc góc của bánh xe giảm dần về giá trị “0” trong suốt quá trình phanh và biến thiên tăng giảm cùng pha với quy luật biến thiên của lực nam châm điện với chu kỳ 1s (0,5s tăng, 0,5s giảm)

Hình 2.35 Quy luật tác dụng lực

Tức là trong chu kỳ 1s, 0,5s đầu nam châm điện chưa tạo lực hút vận tốc góc giảm mạnh, 0,5s sau khi lực nam châm điện tăng Hình 2.35b vận tốc góc của xe tăng (giảm ít hơn) (Hình 2.36)

Độ trượt của bánh xe biến thiên ngược pha với biến thiên của lực nam châm điện (Hình 2.37) Trong chu kỳ 1s, 0,5s đầu nam châm điện chưa làm việc độ, trượt tăng mạnh, 0,5s sau nam châm điện tạo lực hút độ trượt giảm xuống Tuy nhiên do có sự phân bố lại trọng lượng xe khi phanh làm lực bám bánh xe phía sau giảm dẫn đến bánh xe phía sau rất dễ trượt nên độ trượt tăng nhanh đến giá trị bằng 1

Như vậy với hai thông số klx =

30.103 N/m, dp = 8 mm luận án đã xác

định được giá trị lực nam châm điện tối

thiểu Fncs =193N cho kết quả làm việc

của hệ thống tương đối tốt, đây là cơ sở

cho việc tính toán thiết kế nam châm

điện của cơ cấu điều áp

2.6.2 Tính nam châm điện cơ cấu

điều áp

Với phương án tính toán thiết kế

chế tạo nam châm điệ thông qua 2 bước:

tính nam châm điện bằng công thức từ (2.36) đến (2.43) và kiểm nghiệm lực từ công thức (2.44) đến (2.47) luận án chế tạo được lực nam châm điện có thông số như Bảng 2.4

2.7 Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống có cơ cấu điều áp

Để khảo sát quá trình thay đổi áp

suất trong hệ thống phanh, tiến hành thử

nghiệm với trình tự như sau: Đạp phanh

dứt khoát với lực đạp lớn để áp suất tăng

cực đại và cố gắng giữ nguyên trạng thái

đó trong khoảng 3 - 5 giây và sau đó nhả

phanh dứt khoát Sự biến thiên áp suất

dầu phanh được thiết bị đo ghi lại như

đồ thị Hình 2.40

Qua đồ thị này có thể nhận thấy tỉ

lệ thời gian của quá trình tăng áp suất và

thời gian của quá trình giảm áp suất

trong hệ thống phanh ở mức khoảng

60/40% Từ nhận xét này, luận án tiếp

tục tiến hành các thí nghiệm như sau:

Tạo dãy xung có tần số thay đổi từ

2,0 Hz, 2,5Hz … 8 Hz để điều khiển cơ

cấu điều áp của hệ thống với tỉ lệ thời

gian tăng áp/giảm áp là 60/40 % Theo

dõi, khảo sát sự biến thiên áp suất dầu

phanh trong hệ thống phanh bánh xe

sau

Thống kê giá trị áp suất dầu phanh

cao nhất và thấp nhất trong cơ cấu

Hình 2.40 Áp suất dầu trong hệ thống khi phanh bình thường

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

Bảng 2.4 Các thông số nam châm điện một chiều

1 Lực nam châm điện một chiều 193 N

2 Khe hở đường sức từ thông 0,4 cm

4 Số cuộn dây (mắc song song) 2 cuộn

6 Đường kính dây dẫn (cả cách điện) 0,87 mm

phanh sau theo tần số của xung điều khiển, thu được đồ thị quy luật biến thiên áp suất theo tần số xung điều khiển như trên Hình 2.42

Từ đồ thị trên Hình 2.42 có thể thấy khi tần số xung điều khiển lớn hơn 6Hz khoảng biến thiên áp suất trong cơ cấu phanh bị thu hẹp rất nhanh Khi điều khiển hệ thống làm việc với tần số lớn hơn 6Hz, mặc dù hệ thống vẫn làm việc tuy nhiên khả năng điều chỉnh áp suất hệ thống bị thu hẹp Do vậy có thể nhận thấy hệ thống phanh hạn chế trượt lết với cơ cấu điều áp đã chế tạo có thể làm việc với tần số điều khiển đến khoảng 6Hz Đây là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển điện tử của

hệ thống

2.8 Kết luận chương 2

Trên cơ sở phân tích hệ thống phanh dẫn động thủy lực có sẵn trên xe máy, chương này của luận án đã đề xuất hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy với các bộ phận sẵn có là xy lanh chính, cơ cấu phanh và trang bị thêm vào hệ thống cơ cấu điều áp và bộ điều khiển Hệ thống phanh hạn chế trượt lết hoạt động theo nguyên tắc sử dụng cơ cấu điều áp gồm hai trạng thái tăng áp và giữ áp, điều chỉnh áp suất phanh trong cơ cấu phanh từ đó thay đổi mô men phanh tại bánh xe

Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh thủy lực có hệ thống hạn chế trượt lết kết hợp với mô hình mô phỏng động lực học quá trình phanh đã được xây dựng với một số giả thiết cho trước của xe máy trên phần mềm Matlab – Simulink Kết quả mô phỏng trên mô hình này phù hợp với quy luật hoạt động đã phổ biến của hệ thống trong thực tế

Các thông số của cơ cấu điều áp của hệ thống phanh hạn chế trượt lết bánh xe đã được xác định thông qua tính toán, thiết kế chế tạo và mô phỏng cơ cấu điều áp, cụ thể: đường kính con trượt

cơ cấu điều áp (8mm), lò xo có độ cứng (30.103 N/m được lắp với độ biến dạng ban đầu

m

l0 = 0 , 0055

 ) và lực nam châm điện (193N)

Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của cơ cấu điều áp cũng như hệ thống phanh hạn chế trượt lết đã được xác định thông qua thực nghiệm, kết quả cho thấy hệ thống có thể làm việc đến tần

số khoảng 6Hz

Để hệ thống phanh hạn chế trượt lết hoạt động hiệu quả, việc điều khiển hệ thống hay điều khiển cơ cấu điều áp kiểm soát áp suất phanh trong hệ thống khi phanh có vai trò rất quan trọng Do vậy thuật toán điều khiển cơ cấu điều áp cũng như chế tạo bộ điều khiển sẽ được luận án tiếp tực trình bày trong các chương sau

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN (ECU)

3.1 Nghiên cứu chọn thuật toán điều

khiển

Gia tốc góc của bánh xe khi phanh là

đạo hàm theo thời gian của vận tốc góc

bánh xe nên nó thể hiện xu hướng tăng

tốc, giảm tốc cũng như bó cứng của bánh

xe Vận tốc góc bánh xe  có thể xác định

bằng cảm biến vận tốc góc thông thường,

từ đó hệ thống có thể tính toán được gia

tốc góc của các bánh xe trên cơ sở đạo

hàm giá trị vận tốc góc đo được đó Do đó

luận án chọn phương pháp điều khiển hệ

thống phanh hạn chế trượt lết theo gia tốc góc của bánh xe khi phanh

Hình 3.2 Nguyên lý xác định pha điều khiển áp suất theo

gia tốc góc

Khi phanh, bộ điều khiển được cấp

nguồn điện và liên tục theo dõi vận tốc

góc bánh xe từ đó tìm ra vận tốc ban đầu

của xe v và gia tốc góc của các bánh xe

Nếu vận tốc này của xe máy nhỏ hơn giá

trị định trước v1, hệ thống phanh không

kích hoạt chế độ có điều khiển của hệ

thống phanh hạn chế trượt lết mà chỉ hoạt

động như trạng thái phanh bình thường

Nếu vận tốc v của xe máy lớn hơn v1, bộ

điều khiển sẽ chạy chương trình điều

khiển hệ thống phanh hạn chế trượt lết đã

được lập trình sẵn như lưu đồ thuật toán

Một bộ điều khiển tạm thời được

xây dựng trên thuật toán điều khiển theo độ trượt của bánh xe Bắt đầu quá trình phanh, áp suất dầu trong hệ thống phanh tăng làm độ trượt của bánh xe tăng dần Khi độ trượt vượt quá ngưỡng giới hạns1, bộ điều khiển chuyển sang trạng thái (pha) giảm áp suất trong hệ thống phanh Vận tốc góc của bánh xe tăng dần, độ trượt giảm dần đến khi nhỏ hơn giá trị s2, bộ điều khiển chuyển sang pha điều khiển tăng áp suất Chu trình điều khiển gồm các pha tăng áp, giảm áp được điều khiển biến đổi qua lại liên tục đến khi kết thúc quá trình hoạt động Các pha điều khiển của bộ điều khiển và các giá trị ngưỡng độ trượt của bánh xe s1,

2

s được minh họa trên Hình 3.4

Bộ điều khiển được xây dựng trên thuật

toán điều khiển theo độ trượt bánh xe Các

trạng thái làm việc của bộ điều khiển – hệ

thống phanh hạn chế trượt lết và các ngưỡng

giới hạn điều khiển và được mô tả như trên

Hình 3.5

Tiến hành mô phỏng hệ thống theo bộ

giá trị ngưỡng độ trượt (s1, s2) tương ứng

với giả thiết biết trước được miền biến thiên

độ trượt mong muốn (từ 15% đến 25%) và

quy luật tác dụng lực lên bàn đạp phanh Hình

2.35a Quá trình này được thực hiện lặp lại

nhiều lần trên các đường có hệ số bám cực

đại khác nhau, phân tích, đánh giá các kết quả

mô phỏng tương ứng (độ trượt bánh xe, vận

tốc góc, gia tốc góc, áp suất phanh …) khi hệ thống đạt hiệu quả phanh tương đối tốt Kết quả mô phỏng trên đường có hệ số bám cực đại max=0,5 như trên các hình từ Hình 3.8 đến Hình 3.11

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển phanh theo gia tốc

góc bánh xe

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt

bánh xe