Luận văn thạc sỹ - Nghiên cứu tổng hợp hệ thống chống bó cứng phanh ABS

1. Lý do chọn đề tài Cơ cấu phanh là cơ cấu an toàn chủ động của ô tô, dùng để giảm tốc độ hay dừng và đỗ ôtô trong những trường hợp cần thiết. Nền công nghiệp ô tô đang ngày càng phát triển mạnh, số lượng ô tô tăng nhanh, mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn. Các xe ngày càng được thiết kế với công suất cao hơn, tốc độ chuyển động nhanh hơn thì yêu cầu đặt ra với cơ cấu phanh cũng càng cao và nghiêm ngặt hơn. Một ô tô có cơ cấu phanh tốt, có độ tin cậy cao thì mới có khả năng phát huy hết công suất, xe mới có khả năng chạy ở tốc độ cao, tăng tính kinh tế nhiên liệu, tính an toàn và hiệu quả vận chuyển của ô tô. 10% số vụ tai nạn xảy ra trong trường hợp cần dừng khẩn cấp, tài xế đạp phanh mạnh đột ngột làm xe bị rê bánh và trượt đi, dẫn đến mất lái. Hệ thống ABS giúp khắc phục tình trạng này không phụ thuộc vào kỹ thuật phanh của người lái. Năm2005200620072008 Số vụ tai nạn15000155001606016700 Số người chết (người )11200123001460015740 Số người bị thương (người )11840121401241012780 Trên thế giới cũng có nhiều diễn biến hết sức phức tạp,số vụ tai nạn ngày càng tăng nên tính cấp thiết là phải nâng cao kỹ thuật cho xe cơ giới nói chung và nói riêng. Báo cáo năm 2004 của WHO cho biết mỗi ngày trên thế giới, hơn 3000 người chết do tai nạn giao thông. Trong số này, cá c nước có thu nhập thấp và trung bình chiếm đến 85% số ca tử vong. Do tầm quan trọng của hệ thống phanh trên ô tô về sự an toàn giao thông trong quá trình hoạt động mà việc nghiên cứu để nâng cao kỹ thuật sử lí cho hệ thống phanh.mà nhà trường đã giao cho em tìm hiểu về hệ thống phanh ABS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

&

-VŨ TRẦN HOÀNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ THỐNG

CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : Điều khiển tự động

Người hướng dẫn khoa học : Đại tá-TS : DƯƠNG QUỐC TUẤN

HÀ NỘI -2015

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học Đại

Tá TS Dương Quốc Tuấn, đã tận tình hướng dẫn và đóng góp nhiều ý kiếnkhoa học trong quá trình nghiên cứu và xây dựng luận văn này

Tôi xin cảm ơn tập thể các thày, cô giáo bộ môn Điều khiển tự động,khoa Sau Đại học, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, giúp đỡ và tạo điều kiệnthuận lợi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp và những ngườithân đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Mặc dù đã cố gắng hết sức mình nhưng do khó khăn về tài liệu, thờigian nghiên cứu và khả năng hạn chế của bản thân cho nên luận văn khôngtránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp từ cácThày, cô và bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Nội, ngày 05 tháng 01 năm 2015 Tác giả luận văn

Vũ Trần Hoàng

LỜI NÓI ĐẦU

Sản xuất ô tô trên thế giới ngày nay tăng vượt bậc, ô tô trở thànhphương tiện quan trọng về hành khách và hàng hóa cho các ngành kinh tếquốc dân, đồng thời trở thành phương tiện tư nhân ở các nước có nền kinh tếphát triển ngay ở nước ta số ô tô tư nhân cùng phát triển cùng với sự tăngtrưởng kinh tế, mật độ xe trên đường ngày càng tăng

Mỹ và Nhật là hai nước sản xuất ô tô nhiều nhất thế giới hàng năm mỗinước sản xuất khoảng 12 đến 13 triệu chiếc

Do mật độ ô tô trên đường ngày càng tăng và tốc độ chuyển động ngàycàng cao cho lên vấn đề tai nạn giao thông trên đường là vấn đề cấp thiết hàngđầu luôn phải quan tâm ở nước ta chỉ trong hai năm 1998 đến 2000 mỗi năm

có 20.000 vụ tai nạn giao thông làm 7100 người chết và 30772 người bịthương Năm 2002 xẩy ra 27420 vụ tai nạn giao thông, làm 12998 người bịchết và hơn 30.000 người bị thương Đến năm 2006 có 42000 vụ tai nạn giaothông làm hơn 20.000 người chết Nó không những gây thiệt hại lớn về người

mà còn gây thiệt hại lớn về tài sản của nhà nước và của công dân Một trongnhững nguyên nhân đó là do con người gây ra ( như lái xe say riệu, mệt mỏi,buồn ngủ ) Do hư hỏng máy móc trục trặc về kỹ thuật và đương xá qúaxấu

Trong nguyên nhân hư hỏng máy móc trục trặc kỹ thuật thì tỉ lệ tai nạngiao thông do hệ thống phanh là 52.2 % đến 74.4% Từ số liệu trên thấy rằngtai nạn do hệ thống phanh chiếm tỉ lệ lớn nhất vì thế mà hiện nay hệ thốngphanh càng được cải tiến, tiêu chuẩn về thiết kế, chế tạo và sử dụng nghiêmngặt và chặt chẽ nhằm tăng hiệu quả phanh tính ổn định hướng, tăng độ tincậy làm việc với mục đích đảm bảo an toàn chuyển động của ô tô

Trong những cải tiến đó thì có hệ thống phanh trang bị ABS No còn

được gọi là hệ thống phanh chống bó cứng bánh là một trong những hệ thốngphanh có ưu điển vượt trội nhất hiện nay Nó đảm bảo cho người và phươngtiện trên các loại đường làm cho người lái chủ động được tốc độ.

Trong đồ án này của em tìm hiểu về hệ thống phanh, để hiểu rõ về côngdụng và cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống từ đó tìm ra cách sử dụngtốt nhất, cách bảo dưỡng và chuẩn đoán hư hỏng và đưa ra biện pháp sử lý

Do hệ thống ABS mới được biết đến tại việt nam nên trong quá trình làm đồ

án gặp một số khó khăn về tiếp xúc thực tế và tài liệu tham khảo Cùng với sựgiúp đõ của thầy hướng dẫn Dương Quốc Tuấn và các thầy trong khoa cơ khíđộng lực Mặc dù vậy trong đồ án không tranh khỏi những thiếu sót chưa thểhoàn chỉnh được Mong các thầy và các bạn góp ý để đồ án được hoàn thiệntốt hơn

Hà Nội,ngày 5 tháng 5 năm 2015.

Học viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU

GIỚI THIỆU CHUNG 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

1.Sự phát triển chung của công nghệ ô tô trên thế giới và Việt Nam 2

2.Quá trình phát triển của hệ thống phanh trên ô tô 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU 9

1.Yêu cầu cơ bản đối với hệ thống phanh ô tô 9

2 Các cơ sở lý thuyết của quá trình phanh ô tô 11

2.1.Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh 11

2.2 Các chỉ tiêu đánh giá tính ổn định khi phanh 16

2.3 Đặt vấn đề 20

2.4.Hệ số bám 21

CHƯƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG ABSĐ 22

3.1 Hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS (Anti- lock Bracking System) 22

3.1.1 Sơ lược về nội dung và các thiết bị,mô hình cơ cấu ABS ở nước ta thời gian qua 22

3.1.2 Mục tiêu của cơ cấu ABS 22

3.1.3 Quá trình hoạt động hệ thống phanh ABS 26

3.2 Các trạng thái làm việc của ABS 27

3.2.1 Trạng thái phanh thường 27

3.2.2 Trạng thái giảm áp lực phanh: 27

3.2.3 Trạng thái giữ áp lực phanh 28

3.2.4 Trạng thái tăng áp lực phanh 28

3.4.Sơ đồ chung của hệ thống phanh ABS 30

3.4.1 Cụm điều khiển điện tử 31

3.4.2 Hệ thống các cảm biến 34

3.4.3 Cảm biến gia tốc 37

3.5.4 Bộ điều khiển thủy lực 41

3.5.5 Van điện 42

3.5.6 Các phương án bố trí của hệ thống ABS 49

3.6 Tính toán giá trị các thành phần lực và mômen 52

3.6.1 Xác định phản lực pháp tuyến 52

3.6.2 Xác định lực phanh trên bánh xe 53

3.6.3 Lực cản lăn 54

3.6.4 Lực quán tính 54

3.6.5.Lực cản không khí 54

3.6.6 Tính mômen xoay thân xe 55

3.6.7 Xác định mômen quán tính 56

3.6.8 Phương trình cân bằng chuyển động quay quanh bánh xe 56

3.7 Xây dựng sơ đồ mô phỏng bằng Simulink 58

3.7.1 Giới thiệu sơ lược phần mềm Matlab-Simulink 58

3.7.2 Mô hình mô phỏng và các phương án khảo sát 61

4 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ABS 75

4.1 Cơ sở thiết kế ECU 75

4.1.1 Tín hiệu điều khiển ABS 75

4.1.2 Quá trình điều khiển ABS 77

4.2 Cách thức điều khiển ECU theo giá trị ngưỡng 80

4.3 Thiết kế bộ điều khiển điện tử ECU – ABS 85

4.3.1 Thiết kế các module bên trong ECU 85

5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 90

5.1 Kết luận 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH MỤC BẢNG, HÌNH

Hình 2.1 Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo tốc độ bắt đầu phanh

v 1 và hệ số bám 15

Hình 2.2 Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh mà bị quay ngang 17

Hình 3.1 Sự thay đổi mômen phanh, áp suất dẫn động phanh gia tốc bánh xe 24

Hình.3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS 26

Hình.3.3 Sơ đồ mối quan hệ các yếu tố trong hệ thống phanh ABS 27

Hình 3.4 Biểu diễn quá trình phanh của hệ thống phanh thường và hệ thống phanh ABS 29

Hình 3.5 Sơ đồ cấu tạo của hệ thốnh phanh ABS 31

Hình.3.6 Lựơc đồ khối của khối điều khiển ABS với các tín hiệu đầu vào, đầu ra 32

Hình 3.7 Vị trí các cảm biến tốc độ trên xe ôtô 34

Hình.3.8 Cấu tạo cảm biến gia tốc bánh xe 35

Hình.3.9 Trục cảm biến vuông góc trục vòng răng bánh xe 35

Hình 3.10 Đầu cảm biến đối diện với niềng răng 36

Hình 3.11 Niềng răng nằm bên hông cảm biến 36

Hình 3.12 Cấu tạo cảm biến gia tốc chậm dần trên xe TOYOTA 38

Hình.3.13 Vị trí tương ứng của đèn LED và photo transistor 38

Hình 3.14 Sơ đồ đấu dây của cảm biến gia tốc 39

Hình 3.15 Vị trí cảm biến trọng lực 39

Hình.3.16 Đặc điểm cấu tạo của cảm biến trọng lực(G) 40

Hình.3.17 Nguyên lý làm việc cảm biến gia tốc trọng lực G 40

Hình 3.18 Sơ đồ đấu dây của cảm biến trọng lực 41

Hình 3.19 Bộ điều khiển thuỷ lực(HCU) 41

Hình 3.20 Mối quan hệ các yếu tố trong hệ thống ABS 43

Hình 3.21 Sơ đồ đấu dây một van điện ba vị trí 44

Hình 3.22 Vị trí tăng áp lực phanh của van điện hai vị trí 44

Hình.3.23 Vị trí giảm áp lực phanh của van điện hai vị trí 45

Hình 3.24 Vị trí giữ áp lực phanh 46

Hình.3.25 Bơm điện 46

Hình.3.26 Mạch điện điều khiển bơm 47

Hình 3.27 Hai bánh trước điều kiển riêng rẽ, hai bánh sau chung 48

Hình 3.28 Bốn bánh điều khiển riêng rẽ 48

Hình 3.29 : Các phương án bố trí cơ cấu phanh ABS 50

Hình 3.29 Sơ đồ lực tác dụng trên ôtô khi phanh trên mặt phặng thẳng đứng 52

Hình 3.30 Sơ đồ cân bằng lực và mômen trên bánh xe 57

Hình 3.30 Sơ đồ mô phỏng quá trình phanh tác động của hệ thống ABS 61

Hình 3.31 Đường cong hệ số bám φ phụ thuộc vào độ trượt 64

Bảng 3.32 Các phương án khảo sát 65

Hình 3.33 Đồ thị vận tốc góc (rad/s) của bánh xe (PA 1.2) 66

Hình 3.34 Đồ thị độ trượt theo thời gian (PAKS 1.1) 66

Hình 3.35 Đồ thị quãng đường (m) theo thời gian (PAKS 1.1) 67

Hình 3.36 Đồ thị vận tốc góc (rad/s) của bánh xe (PAKS 1.2) 69

Hình 3.37 Đồ thị độ trượt theo thời gian (PAKS 1.1) 69

Hình 3.38 Đồ thị quãng đường (m) theo thời gian (PAKS 1.2) 70

Hình 3.39 Đồ thị vận tốc góc (rad/s) của bánh xe (PAKS 1.3) 71

Hình 3.40 Đồ thị độ trượt theo thời gian (PAKS 1.3) 71

Hình 3.41 Đồ thị quãng đường (m) theo thời gian (PAKS 1.3) 72

Hình 3.42 Đồ thị vận tốc góc (rad/s) của bánh xe (PAKS 2.1) 72

Hình 3.43 Đồ thị độ trượt theo thời gian (PAKS 2.1) 73

Hình 3.44 Đồ thị quãng đường (m) theo thời gian (PAKS 2.1) 73

Hình 4.1: Chu trình điều khiển kín của ABS 76

Hình 4.2: Sơ đồ vòng lặp kín hoạt động hệ thống ABS 77

Hình 4.3: Quá trình điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi phanh 78

Bảng 4.4: Quá trình điều khiển của hệ thống phanh ABS 80

Hình 4.5: Sơ đồ đấu dây của hệ thống 81

Hình 4.6: Mô tả khái niệm SH và SL 82

Hình 4.7: Thuật toán điều khiển theo giá trị gia tốc góc giới hạn 84

Hình 4.8: Khối tín hiệu vào/ra của ECU 85

Hình 4.9: Bộ chuyển đổi nguồn 24V – 5V 85

Hình 4.10: Khối xử lý tín hiệu đầu vào 86

Hình 4.11: Tín hiệu bàn đạp phanh 87

Hình 4.12: Khối vi xử lý 88

Hình 4.13: Khối điều khiển van điện từ 89

GIỚI THIỆU CHUNG

có khả năng chạy ở tốc độ cao, tăng tính kinh tế nhiên liệu, tính an toàn và hiệuquả vận chuyển của ô tô

10% số vụ tai nạn xảy ra trong trường hợp cần dừng khẩn cấp, tài xếđạp phanh mạnh đột ngột làm xe bị rê bánh và trượt đi, dẫn đến mất lái Hệthống ABS giúp khắc phục tình trạng này không phụ thuộc vào kỹ thuậtphanh của người lái

Trên thế giới cũng có nhiều diễn biến hết sức phức tạp,số vụ tai nạn ngàycàng tăng nên tính cấp thiết là phải nâng cao kỹ thuật cho xe cơ giới nói chung

và nói riêng

Báo cáo năm 2004 của WHO cho biết mỗi ngày trên thế giới, hơn 3000người chết do tai nạn giao thông Trong số này, cá c nước có thu nhập thấp vàtrung bình chiếm đến 85% số ca tử vong Do tầm quan trọng của hệ thốngphanh trên ô tô về sự an toàn giao thông trong quá trình hoạt động mà việcnghiên cứu để nâng cao kỹ thuật sử lí cho hệ thống phanh.mà nhà trường đãgiao cho em tìm hiểu về hệ thống phanh ABS

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.Sự phát triển chung của công nghệ ô tô trên thế giới và Việt Nam.

Chiếc xe ô tô chạy bằng động cơ xăng (động cơ Otto) được Karl Benzphát minh ra ở Đức năm 1885 Mặc dù Karl Benz được công nhận là ngườisáng tạo ra chiếc ô tô hiện đại, nhiều kỹ sư người Đức khác cũng đã làm việc

để chế tạo ra những chiếc ô tô khác trong cùng thời gian Các nhà phát minh đólà: Karl Benz, người được cấp một bằng sáng chế ngày 29 tháng 1 năm 1886 ởMannheim cho chiếc ô tô ông chế tạo năm 1885, Gottlieb Daimler và WilhelmMaybach ở Stuttgart năm 1886 (cũng là những nhà phát minh ra chiếc xe mô tôđầu tiên), và năm 1888/89 nhà phát minh người Đức-Áo Siegfried Marcus ởViên, mặc dù Marcus không đạt tới giai đoạn thực nghiệm

Hoạt hình của động cơ đốt trong bốn kỳNăm 1806 Fransois Isaac deRivaz, một người Thuỵ Sỹ, đã thiết kế ra chiếc động cơ đốt trong (hiện naythỉnh thoảng được viết tắt là "ICE") đầu tiên Sau đó, ông dùng nó để phát triển

ra loại phương tiện đầu tiên trên thế giới chạy bằng động cơ sử dụng một hỗnhợp hydro và oxy để phát ra năng lượng Thiết kế này không thành công lắm,cũng giống như trường hợp nhà phát minh người Anh Samuel Brown, và nhàphát minh người Mỹ, Samuel Morey, những người đã chế tạo ra những phươngtiện có động lực từ các động cơ đốt trong kềnh càng vào khoảng năm 1826

Etienne Lenoir đã chế tạo thành công một động cơ đốt trong đứng yênnăm 1860, và trong vòng vài năm, khoảng bốn trăm chiếc như vậy đã hoạtđộng ở Paris Khoảng tới năm 1863, Lenoir đã lắp cái động cơ của ông lênmột chiếc xe Có lẽ động cơ của nó dùng nhiên liệu từ các bình gas thắp đènthành phố, và Lenoir đã nói rằng nó “chạy chậm hơn một người đi bộ, và luônluôn gặp trục trặc” Trong bằng sáng chế năm 1860 của mình, Lenoir đã thêm

vào một cái chế hoà khí (carburettor), nhờ thế nhiên liệu lòng có thể đượcdùng để thay thế cho khí gas, đặc biệt cho các mục đích chuyển động củaphương tiện Lenoir được cho rằng đã thử nghiệm nhiên liệu lỏng, nhưcồn, vào các động cơ đứng yên của mình; nhưng không có vẻ rằng ông

đã dùng các động cơ đó để lắp lên xe của mình Nếu ông làm thế, chắc chắn ôngkhông dùng xăng, bởi vì nó chưa tiện dụng vào lúc ấy và bị coi là mộtsản phẩm phụ bỏ đi

Cải tiến tiếp sau xảy ra cuối thập kỷ 1860, với Siegfried Marcus,một người Đức làm việc ở Viên, Áo Ông đã phát triển ý tưởng sử dụngxăng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong hai kỳ Năm 1870, sử dụngmột xe đẩy tay đơn giản, ông đã chế tạo một phương tiện thô không cóchỗ ngồi, thiết bị lái, hay phanh, nhưng nó rất đáng chú ý ở một điểm: nó

là phương tiện lắp động cơ đốt trong đầu tiên trên thế giới sử dụng nhiênliệu xăng Nó được đem ra thử nghiệm ở Viên tháng 9, 1870 và bị xếp

xó Năm 1888 hay 1889, ông chế tạo một cái ô tô thứ hai, cái này có ghếngồi, phanh và thiết bị lái và được lắp một động cơ đốt trong bốn kỳ dochính ông thiết kế Thiết kế này có thể đã được đem ra thử nghiệm năm

1890 Mặc dù ông có được các bằng sáng chế cho nhiều phát minh củamình, ông không bao giờ xin cấp bằng phát minh cho các thiết kế ở thểloại này

Động cơ đốt trong bốn thì đã được thu thập tài liệu và đưa ra xincấp bằng phát minh vào năm 1862 bởi một người Pháp là Beau deRochas trong một cuốn sách mỏng và dài dòng Ông đã in khoảng batrăm bản sách đó và chúng được đem phân phát ở Paris, nhưng khôngmang lại điều gì, và bằng sáng chế này cũng nhanh chóng hết hạn sau đó

– còn cuốn sách thì hoàn toàn bị lãng quên Trên thực tế, sự hiện diệncủa nó không được biết tới và Beau de Rochas không bao giờ chế tạomột động cơ riêng biệt.

Đa số các nhà sử học đồng ý rằng Nikolaus Otto người Đức đã chế tạo

ra chiếc động cơ bốn thì đầu tiên dù bằng sáng chế của ông bị bác bỏ Ôngkhông hề biết gì về bằng sáng chế hay ý tưởng của Beau de Rochas và hoàntoàn tự mình nghĩ ra ý tưởng đó Thực tế ông đã bắt đầu suy nghĩ về kháiniệm này năm 1861, nhưng đã bỏ rơi nó cho tới giữa thập kỷ 1870

Có một số bằng chứng, dù chưa được xác định, rằng ChristianReithmann, một người Áo sống ở Đức, đã chế tạo ra một chiếc động cơ bốnthì hoàn toàn dựa trên ý tưởng của mình năm 1873 Reithmann đã thựcnghiệm các động cơ đốt trong ngay từ đầu năm 1852

Năm 1883, Edouard Delamare-Deboutteville và Leon Malandin nướcPháp đã lắp một động cơ đốt trong dùng nhiên liệu là một bình khí gas đốtđèn thành phố lên một chiếc xe ba bánh Khi họ thử nghiệm thiết bị này, chiếcvòi bình gas bị hở, gây ra một vụ nổ Năm 1884, Delamare-Deboutteville vàMalandin chế tạo và xin cấp bằng sáng chế cho một phương tiện thứ hai.Chiếc xe này gồm một động cơ bốn thì dùng nhiên liệu lỏng lắp trên một cái

xe ngựa bốn bánh cũ Bằng sáng chế, và có lẽ cả chiếc xe, chứa nhiều cải tiến,

và một số cải tiến đó còn được ứng dụng trong nhiều thập kỷ tiếp theo Tuynhiên, trong lần thử nghiệm đầu tiên, cái khung rời ra, và chiếc xe “rung lắc

và rời ra từng mảnh” theo đúng nghĩa đen, theo lời thuật lại của Malandin.Hai người này không chế tạo tiếp các xe khác nữa Dự án kinh doanh của họhoàn toàn không được nhắc tới và bằng sáng chế cũng không được sử dụng.Những kinh nghiệm và kết quả thực nghiệm của họ bị lãng quên trong nhiều

năm sau.

Có lẽ, cuối thập kỷ 1870, một người Italia tên là Murnigotti đã xincấp bằng phát minh cho ý tưởng lắp đặt một đông cơ đốt trong lên trên mộtloại phương tiện, dù không có bằng chứng là đã từng chế tạo được một thứnhư thế Năm 1884, Enrico Bernardi, một người Italia khác đã lắp mộtđộng cơ đốt trong lên chiếc xe ba bánh của con ông Dù nó đơn giản chỉ làmột thứ đồ chơi, có thể nói rằng về mặt nào đó nó đã hoạt động khá thànhcông, nhưng một số người cho rằng động cơ quá yếu để có thể làm chiếc xe

di chuyển được

Tuy nhiên, nếu tất cả những cuộc thực nghiệm trên không diễn ra, có lẽ

sự phát triển của xe hơi sẽ không thể nhanh chóng như vậy bởi vì có nhiềucuộc thực nghiệm không được biết tới và chúng không bao giờ tiến tới đượcgiai đoạn thử nghiệm Ô tô dùng động cơ đốt trong thực sự có thể cho là đãbắt đầu ở Đức với Karl Benz năm 1885, và Gottlieb Daimler năm 1889, vìnhững chiếc xe của họ thành công nên họ có thể đưa vào sản xuất hàng loạt,

và họ bị ảnh hưởng lẫn nhau

Xe hơi không chỉ đơn thuần là một công cụ cơ khí được hoàn thiện; kể

từ những năm 1920 gần như tất cả đã được sản xuất hàng loạt để đáp ứng nhucầu thị trường, do vậy các dự án tiếp thị và sản xuất đáp ứng thị trườngthường thống lĩnh việc thiết kế xe hơi Chính Alfred P Sloan là người thiếtlập ý tưởng nhiều kiểu xe được sản xuất bởi một hãng, để người mua có thể

"vươn lên" khi họ trở nên giàu lên Những kiểu khác nhau này dùng chungmột số linh kiện do vậy số lượng sản xuất nhiều sẽ làm giảm giá thành chotừng mệnh giá khác nhau Ví dụ, vào năm 1950s, Chevrolet dùng chung phầntrước xe, của, mái xe và của sổ với Pontiac; LaSalle của những năm 1930, bán

ra bởi Cadillac, sử dụng những linh kiện cơ khí rẻ hơn được sản xuất bởi phânxưởng của Oldsmobile.

Tình hình nghiên cứu chống bó cứng bánh xe ở Việt Nam

Những kết quả nghiên cứu về về hệ thống chống bó cứng bánh xe trên ô

tô ở việt nam đến nay còn rất nhiều hạn chế,chưa có công trình chuyên sâunghiên cứu tổng thể về hệ thống Một số công trình đã được thực hiện ở ViệtNam hoặc ở nước ngoài của các tác giả Việt Nam chủ yếu đi sâu vào nghiêncứu một phần trong hệ thống như hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh

Nhìn chung với các hiểu biết chưa nhiều ở nước ta, đề tài mong muốntham gia một phần trong mảng nghiên cứu chống trượt quay bánh xe giúp ô tôtăng khả năng tăng tốc trên đường đặc biệt là đường có hệ số bám thấp Đây làvấn đề liên quan đến an toàn giao thông khi điều kiện đường xá nước ta cònchưa phát triển và tạo điều kiện cho xe có khả năng tăng tốc tốt khi điều kiệnthời tiết xấu

Để khắc phục những hiện tượng đó, phần lớn các ô tô con sang trọnghiện nay đều được trang bị hệ thống chống trượt quay bánh xe, gọi tắt là ASR(Traction Control System) Tại thị trường ô tô Việt Nam rất ít hãng trang bị hệthống này trên ôtô chỉ có vài hãng như: BMW, GM Daewoo,Toyota

2.Quá trình phát triển của hệ thống phanh trên ô tô.

Với sự hiểu biết đơn giản và kinh nghiệm, tránh hiện tượng các bánh xe

bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe trên đường trơn trượt, người lái xeđạp phanh bằng cách nhấn liên tục lên bàn đạp phanh để duy trì lực bám ngănkhông cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển được hướngchuyển động của xe Về cơ bản chức năng của cơ cấu phanh ABS cũng giốngnhư vậy nhưng hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn

Cơ cấu ABS được sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vàonăm 1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh.Với công nghệ thời đó, kết cấu của cơ cấu ABS còn cồng kềnh, hoạt độngkhông tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi tình huống Trong quátrình phát triển ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay làloại điện tử

Vào thập niên 60, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử rađời, giúp cơ cấu ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô vào năm 1969, sau đó cơcấu ABS được nh iều công ty sản suất ô tô nghiên cứu và đưa vào ứng dụngvào năm 1970 Công ty toyota sử dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật Bảnvào năm 1971 đây là cơ cấu ABS một kênh điều khiển đồng thời hai bánh sau.Nhưng phải đến thập niên 80 cơ cấu này mới được phát triển mạnh nhờ cơ cấuđiều khiển kĩ thuật số, vi xử lý thay cho các cơ cấu điều khiển tương tự đơngiản trước đó

Lúc đầu cơ cấu ABS chỉ được lắp ráp trên các xe du lịch mới, đắt tiền,được trang bị theo yêu cầu và theo thị trường Dần dần cơ cấu này được đưavào sử dụng rộng rãi hơn, đến nay ABS gần như trở thành tiêu chuẩn bắt buộccho tất cả các loại xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở nhữngvùng có đường băng, tuyết dễ trơn trượt, ngày nay cơ cấu ABS không chỉ đượcthiết kế trên các cơ cấu phanh thuỷ lực mà còn ứng dụng rộng rãi trên các cơcấu phanh khí nén của các xe tải và xe khách lớn

Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạtđộng như khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với t

ốc độ cao,khi phanh trong những trường hợp khẩn cấp … Cơ cấu ABS cònđược thiết kế kết hợp với nhiều cơ cấu khác

Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu kiểm soát lực kéo Traction Control (hayASR) làm giảm bớt công suất động cơ và phanh các bánh xe để tránh hiện

tượng các bánh xe bị trượt lăn tại chỗ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột,bởi điều này làm tổn hao vô ích một phần công suất của động cơ và mất tính

ổn định chuyển động của ô tô Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu phân phối lựcphanh bằng điện tử EBD (Electronic Break force Distribution) nhằm phân phối

áp suất dầu phanh đến các bánh xe phù hợp với các chế độ tải trọng và các chế

độ chạy của xe

Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu BAS ( Break Assist System) làm tăng

và chuyển động quay vòng của ô tô, giúp nâng cao hiệu quả chuyển động của ô

tô trong mọi trường hợp

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kĩ thuậtđiện tử của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình

đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiểnmới trong ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hoá quátrình điều khiển ABS

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU

1.Yêu cầu cơ bản đối với hệ thống phanh ô tô.

Hệ thống phanh cần đảm bảo các yêu cầu chính sau:

- Làm việc bền vững, tin cậy

- Có hiệu quả phanh cao khi phanh đột ngột với cường độ lớn trongtrường hợp nguy hiểm

- Phanh êm dịu trong những trường hợp khác, để đảm bảo tiện nghi và

an toàn cho hành khách và hàng hoá

- Giữ cho ô tô máy kéo đứng yên khi cần thiết, trong thời gian khônghạn chế

- Đảm bảo tính ổn định và điều khiển của ô tô máy kéo khi phanh

- Không có hiện tượng tự phanh khi các bánh xe dịch chuyển thẳngđứng và khi quay vòng

- Hệ số ma sát giữa má phanh với trống phanh cao và ổn định trong mọiđiều kiện sử dụng

- Có khả năng thoát nhiệt tốt

- Điều khiển nhẹ nhàng thuận tiện, lực cần thiết tác dụng lên bàn đạphay đòn điều khiển nhỏ

- Để có độ tin cậy cao, đảm bảo an toàn chuyển động trong mọi trườnghợp, hệ thống phanh của ô tô máy kéo bao giờ cũng phải có tối thiểu ba loạiphanh là:

Phanh làm việc: Phanh này là phanh chính, được sử dụng thường xuyên

ở tất cả mọi chế độ chuyển động, thường được điều khiển bằng bàn đạp nêncòn gọi là phanh chân

Phanh dự trữ: Dùng để phanh ô tô máy kéo trong trường hợp phanhchính hỏng.

Phanh dừng: Còn gọi là phanh phụ, dùng để giữ cho ô tô máy kéo đứngyên tại chổ khi dừng xe hoặc khi không làm việc Phanh này thường đượcđiều khiển bằng tay đòn nên gọi là phanh tay

Ngoài ra còn có phanh chậm dần: Trên các ô tô máy kéo tải trọng lớn(như xe tải, trọng lượng toàn bộ lớn hơn 12 tấn, xe khách- lớn hơn 5 tấn) hoặclàm việc ở vùng đồi núi,thường xuyên phải chuyển động lên xuống các dốcdài còn phải có loại phanh thứ tư là phanh chậm dần, dùng để

Phanh liên tục, giữ cho tốc độ của ô tô máy kéo không tăng quá giớihạn cho phép khi xuống dốc

Để giảm dần tốc độ của ô tô máy kéo trước khi dừng hẳn

Các loại phanh trên có thể có các bộ phận chung và kiêm nhiệm chứcnăng của nhau Nhưng chúng phải có ít nhất là hai bộ phận điều khiển và dẫnđộng độc lập

Ngoài ra, để tăng thêm độ tin cậy, hệ thống phanh chính còn được phânthành các dòng độc lập để nếu một dòng nào đó bị hỏng thì các dòng còn lạivẫn làm việc bình thường

Để có hiệu quả phanh cao:

- Dẫn động phanh phải có độ nhạy lớn

- Phân phối mô men phanh trên các bánh xe phải đảm bảo tận dụngđược toàn bộ trọng lượng bám để tạo lực phanh Muốn vậy, lực phanhtrên các bánh xe phải tỷ lệ thuận với phản lực pháp tuyến của đường tácdụng lên chúng

- Trong trường hợp cần thiết, có thể sử dụng các bộ trợ lực hay dùngdẫn động khí nén hoặc bơm thuỷ lực để tăng hiệu quả phanh đối với các xecói trọng lượng toàn bộ lớn

2 Các cơ sở lý thuyết của quá trình phanh ô tô.

Tính năng phanh hay chất lượng quá trình phanh được định lượngthông qua 2 nhóm chỉ tiêu : Hiệu quả phanh và Tính ổn định khi phanh

Hiệu quả phanh đánh giá mức độ giảm tốc độ của ôtô khi người lái tácđộng lên cơ cấu điều khiển phanh trong trường hợp phanh khẩn cấp

Tính ổn định khi phanh đánh giá khả năng duy trì quỹ đạo của ôtô theo

ý muốn của người lái trong quá trình phanh

2.1.Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh.

Gia tốc chậm dần lớn nhất jmax , quảng đường phanh nhỏ nhất Smin vàlực phanh hoặc lực phanh riêng Để đánh giá hiệu quả phanh có thể dung mộttrong những chỉ tiêu sau: thời gian phanh nhỏ nhất tmin ,

a) Thời gian phanh

Thời gian phanh là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượngphanh Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt

Trong trường hợp tổng quát ta có :

v

v p p

j

dv t

Trong trường hợp phanh khẩn cấp :

dv g j

v v g

dv g





trong đó :

v1 - vận tốc của xe tại thời điểm bắt đầu phanh,

v2 - vận tốc của xe tại thời điểm kết thúc phanh

Công thức (2.2) cho thấy, thời gian phanh sẽ dài khi vận tốc bắt đầuphanh lớn, thời gian phanh sẽ ngắn khi hệ số bám lớn Thời gian phanh trongtrường hợp ly hợp vẫn đóng (j > 1) thì thời gian phanh sẽ dài hơn so vớitrường hợp mở ly hợp

b ) Gia tốc chậm dần phanh :

Gia tốc chậm dần đều khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng

để đánh giá chất lượng phanh và là đại lượng đặc trưng cho mức độ giảm tốc

độ của ôtô trong quá trình phanh Khi phân tích các lực tác dụng lên ôtô, cóthể viết phương trình cân bằng lực kéo khi phanh ôtô như sau:

i f

p

P        ( 2.3 )Trong đó: Pj : Lực quán tính sinh ra khi phanh ôtô

Pp: Lực phanh sinh ra ở các bánh xe

Pf: Lực cản lăn

Pω: Lực cản không khí

Pi: Lực cản lên dốc

Pη: Lực để thắng tiêu hao cho ma sát cơ khí

Thực nghiệm chứng tỏ rằng các lực cản lại chuyển động của ôtô có giá

trị rất bé so với lực phanh Vì thế có thể bỏ qua các lực cản P f ; P ω ; P η và

khi phanh trên đường nằm ngang có phương trình:

Pj = Pp

Khi đó lực phanh lớn nhất P p max sinh ra tại bánh xe được xác định theo

biểu thức : Pp max = Pj max

Theo điều kiện bám nên ta có : P pmax P G nên ta có:

j pmax: Gia tốc chậm dần khi phanh

g: Gia tốc trọng trường.

Từ biểu thức (2.4) có thể xác định gia tốc chậm dần cực đại khi phanh:

j p

G j



 max  (2.5)

Nhận xét: Để tăng gia tốc chậm dần khi phanh cần phải giảm hệ số j

Vì vậy khi phanh đột ngột người lái cần tắt ly hợp để tách động cơ ra khỏi

hệ thống truyền lực lức đó δj sẽ giảm còn j pmax tăng Gia tốc chậm dần cực

trị của hệ số bám lớn nhất max  0 , 75  0 , 8 trên đường nhựa tốt)

c ) Quãng đường phanh :

lượng phanh của ôtô Vì vậy trong tớnh năng kỹ thuật của ô tô, các nhà chếtạo cho biết quãng đường phanh của ô tô ứng với vận tốc bắt đầu phanh đãđịnh So với các chỉ tiêu khác thì quãng đường phanh là chỉ tiêu mà người lái

xe có thể nhận thức được một cách trực quan, dễ dàng tạo điều kiện cho ngườilái xe xử lý tốt trong khi phanh ôtô trên đường

Để xác định quãng đường phanh nhỏ nhất, có thể sử dụng biểu thức sau:

j p

g dt

dv j



 



 max

Rồi nhân cả 2 vế phương trình trên với dSp ta có :

p j

dS dt

hay p

j

dS g dv

.

2

2 1

v v g dv

v g

Từ biểu thức trên ta thấy quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào:

- Vận tốc chuyển động của ôtô lúc bắt đầu phanh v1

- Hệ số bám 

- Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay δj

người lái cắt ly hợp trước khi phanh thì quãng đường phanh sẽ ngắn hơn Tathấy ở biểu thức trên Smin phụ thuộc vào hệ số bám, mà hệ số bám phụ thuộcvào tải trọng tác dụng lên bánh xe

Do vậy Smin phụ thuộc vào trọng lượng toàn bộ của ôtô G

Ta có đồ thị thể hiện sự thay đổi của quãng đường phanh nhỏ nhất theovận tốc bắt đầu phanh v1 và theo giá trị hệ số bám như sau:

Từ đồ thị thấy rằng: Ở vận tốc bắt đầu phanh v 1 càng cao thì quãng

số bám càng cao thì quãng đường phanh S càng giảm.

d) Lực phanh và lực phanh riêng:

Lực phanh và lực phanh riêng cũng là chỉ tiêu để đánh giá chất lượngphanh Chỉ tiêu này được dùng thuận lợi nhất là khi thử phanh ôtô trên bệ thử.Lực phanh sinh ra ở bánh xe được xác định theo biểu thức sau:

rb

p p

M

P  ( 2.7 )

Trong đó: Pp là lực phanh của ôtô

Mp là mô men của các cơ cấu phanh

Và rb là bán kính làm việc trung bình của bánh xe

Lực phanh riêng P là lực phanh được tính trên một đơn vị trọng lượng

toàn bộ G của ôtô:

2.2 Các chỉ tiêu đánh giá tính ổn định khi phanh

Tính ổn định phanh là khả năng đảm bảo quỹ đạo chuyển động của ôtôtheo ý muốn của người lái trong quá trính phanh Tính ổn định khi phanh đượcđánh giá bằng 2 chỉ tiêu: Góc quay khi phanh (p) và hành lang phanh (B p)

1) Góc quay khi phanh ( p)

Trong quá trình phanh ôtô thì trục dọc của ôtô bị nghiêng đi một góc nào đấy so với hướng của quỹ đạo đang chuyển động Đó là do tổng các lựcphanh sinh ra ở các bánh xe bên phải khác với tổng các lực phanh sinh ra ởcác bánh xe bên trái và tạo thành mômen quay vũng Mq quanh trục thẳngđứng Z đi qua trọng tâm A của ôtô

H 2.2 Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh mà bị quay ngang

Khi phanh mà ôtô bị quay đi một góc quá mức quy định sẽ ảnh hưởngđến an toàn chuyển động trên đường Vậy tính ổn đinh khi phanh là khả năngôtô giữ được quỹ đạo chuyển động như ý muốn của người lái trong quá trìnhphanh

Giả sử ôtô chuyển động theo hướng trục X nhưng sau khi phanh ôtô bịlệch đi một góc  Trong khi phanh thì ở các bánh xe bên phải có các lựcphanh Fp.ph1 ở trục trước và Fp.ph2 ở trục sau, còn các bánh xe bên trái có cáclực phanh Fp.tr1 ở trục trước và Fp.tr2 ở trục sau

Tổng các lực phanh ở các bánh xe bên phải là:

Fp.ph = Fp.ph1 + Fp.ph2 (2.10)Tổng các lực phanh ở các bánh xe bên trái là :

Fp.tr = Fp.tr1 + Fp.tr2 (2.11) Giả sử rằng tổng các lực phanh bên phải Fp.ph lớn hơn tổng các lựcphanh bên trái Fp tr thì ôtô quay vòng theo chiều mũi tên như hình vẽ quanhtrọng tâm A của ôtô mômen quay vòng Mq được xác định theo biểu thức:

F B F

Do có sự ma sát giữa bánh xe và mặt đường cho nên khi xuất hiện mômenquay vòng Mq thì các bánh xe ở trục trước sẽ có phản lực Ry1 tác dụng từ mặt

đường theo phương ngang và ở các bánh xe sau sẽ có phản lực Ry2 tác dụng Phương trình chuyển động của ôtô đối với trọng tâm A được viết dướidạng sau :

b R a R M

Vì ôtô bị xoay đi một góc  tức là mômen quay vòng lớn hơn rất nhiều

so với các mômen khác do các lực Ry1 và Ry2 sinh ra, để đơn giản bớt ta có thểviết lại như sau:

M Z

Với: t- thời gian phanh

Để tìm giá trị của C ta sử dụng điều kiện ban đầu khi t=0 thì =0 vàđưa vào phương trình ( 2.15) ta có C=0 Từ đó rút ra được biểu thức cuối

cùng để xác định góc lệch  do mômen quay vòng gây nên Mà mômen này là

do sự chênh lệch lực phanh bên phải và bên trái gây nên:

2

2I t

M Z

so với giá trị lực phanh cực đại ở các bánh xe ở trục này

Giả sử rằng các bánh xe ở phía bên phải có lực phanh lớn nhất Fp.ph max

theo điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường, thì lực phanh thấp nhất giữa

các bánh xe ở phía bên trái cho phép là:

Fp.tr.min=0.85.Fp.ph max (2.17)Lúc này mômen cực đại Mq.max được xác đinh như sau:

2

min max max

B F

F

M q  p ph  p tr

2

85 ,

max max

B F

2

075 ,

I

F B Z

p



Ở biểu thức (2.19) thành phần Fp.max cần phải hiểu là lực phanh cực đại

ở một phía (có thể bên trái hay bên phải) tuỳ theo điều kiện bám

Lực phanh cực đại:

max max

'

019 ,



Z I

t G B

phanh thì ôtô không vượt ra ngoài hành lang có chiều rộng 3,5m

2.3 Đặt vấn đề.

Một vấn đề lớn và cũng là bài toán quan trọng cần phải giải quyết đối vớihoạt động của cơ cấu phanh, đó là khi ô tô phanh gấp hay phanh trên các loạiđường có hệ số bám thấp như đường trơn, đường đóng băng, tuyết thì dễ xảy

ra hiện tượng sớm bị hãm cứng bánh xe, tức hiện tượng bánh xe bị trượt lết

trên đường khi phanh Khi đó quãng đường phanh sẽ kéo dài hơn, tức hiệu quảphanh thấp đi, đồng thời dẫn đến tình trạng mất ổn định và khả năng điều khiểncủa xe Nếu các bánh trước bị hãm cứng sẽ làm cho xe không thể chuyểnhướng theo sự điều khiển được, nếu các bánh sau bị hãm cứng do sự khác nhau

về hệ số bám giữa bánh trái và bánh phải với mặt đường nên làm cho đuôi xe

bị lạng, xe bị trượt ngang và chuyển động lệch hướng so với trước lúc bắt đầuphanh Trong trường hợp xe phanh khi quay vòng, hiện tượng trượt ngang củacác bánh xe dễ dẫn tới hiện tượng quay vòng thiếu hay quay vòng thừa làmmất tính ổn định khi xe quay vòng

Để giải quyết bài toán về vấn đề hiệu quả và tính ổn định khi phanh, phầnlớn các xe ô tô hiệ n nay đều trang bị cơ cấu chống hãm cứng bánh xe khiphanh, tức là chống hiện tượng trượt lết của bánh xe, gọi là “Anti-Lock BrakingSystem’’ và thường được viết và gọi tắt là ABS

Cơ cấu ABS hoạt động chống hãm cứng bánh xe khi phanh bằng cáchđiều khiển thay đổi áp suất dầu tác dụng lên các xylanh bánh xe để ngănkhông cho nó bị hãm cứng khi phanh trên đường trơn hay khi phanh gấp, đảmbảo tính hiệu quả và tính ổn định của ô tô trong quá trình phanh

Hệ số bám và lực bám có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo antoàn chuyển động của ô tô, nó có liên quan chặt chẽ đến tính chất động lực họccủa ô tô, đến hiệu quả phanh và độ ổn định khi phanh, tính năng dẫn hướng …

Cơ cấu ABS được thiết kế dựa trên cơ sở phân tích và xử lý đã đạt được cácgiá trị tối ưu này

2.4.Hệ số bám

Bánh xe là phần tử đàn hồi kết hợp giữa xe và mặt đường Nhờ có sự bámgiữa bánh xe với mặt đường mới có sự truyền động các mô men kéo, mô menphanh được tạo ra từ động cơ hay cơ cấu phanh tới mặt đường, giúp cho xechuyển động hay dừng lại được

Sự bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bằng hệ số bám Về

cơ bản có thể xem hệ số bám tương tự như hệ số ma sát giữa hai vật thể cơhọc Tuy nhiên do mối quan hệ truyền động giữa bánh xe và mặt đường là vấn

đề rất phức tạp, vừa có tính chất của một ly hợp ma sát, vừa theo nguyên lý

ăn khớp giữa bánh răng- thanh răng,vì ở đây còn có sự bám của bề mặt gai lốpvào mặt đường

Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường được chia thành hai thành phần:

Hệ số bám trong mặt phẳng dọc, tức trong mặt phẳng chuyển động của ô tôđược gọi là hệ số bám dọc ϕx và hệ số bám trong mặt phẳng ngang vuônggóc với mặt phẳng dọc và được gọi là hệ số bám ngang ϕy

Thực nghiệm chứng tỏ rằng hệ số bám phụ thuộc nhiều yếu tố như: Loạimặt đường và tình trạng mặt đường, kết cấu và nguyên liệu lốp, áp suất khôngkhí ở trong lốp, tải trọng tác dụng lên bánh xe, tốc độ chuyển động của xe,điều kiện nhiệt độ làm việc, độ trượt giữa bánh xe với mặt đường Do đó,trong quá trình chuyển động của xe, giá trị của hệ số bám là thay đổi phụ thuộcvào các yếu tố kể trên

CHƯƠNG 3 ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG ABSĐ

3.1 Hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS (Anti- lock Bracking System)

3.1.1 Sơ lược về nội dung và các thiết bị,mô hình cơ cấu ABS ở nước

ta thời gian qua

Nhờ sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật, trên thế giới đã có công tychuyên sản xuất thiết bị dạy học ở các nước sản xuất được thiết kế trên xa bàn

và bố trí đầy đủ như một cơ cấu thật trên xe, có thể xem như một cơ cấu phanhtrên xe thu nhỏ lại, giá thành của các mô hình như vậy là rất cao

Viện vật lý có chế tạo một số mô hình hoạt động của cơ cấu ABS nhưngtrên cơ sở các thiết bị của cơ cấu phanh xe máy, lập trình chương trình điềukhiển, cũng không giống như hoạt động của cơ cấu phanh thật.rất nhiều côngtrình nghiên cứu về cơ cấu phanh ABS và đưa vào ứng dụng có hiệu quả, ngàycàng cải tiến và tối ưu hoá quá trình điều khiển của cơ cấu Theo đó nội dungchương trình và công nghệ chế tạo mô hình để phục vụ cho công tác giảng dạycũng được làm rất tốt Những kết quả mới, cơ cấu mới được đưa ra sử dụngbên ngoài cũng đều được đưa lên mô hình để giảng dạy

Các mô hình cơ cấu phanh ABS thường được chế tạo dựa trên các chi tiếtthật của ô tô và có các dạng: Mô hình các cụm chi tiết rời, mô hình cắt các chitiết, mô hình cấu tạo của cơ cấu và mô hình làm việc

3.1.2 Mục tiêu của cơ cấu ABS

Mục tiêu của cơ cấu phanh ABS là giữ cho bánh xe trong quá trìnhphanh có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị λ0 để tận dụngđược hết khả năng bám , khi đó hiệu quả phanh cao nhất (lực phanh đạt cựcđại do giá tri ϕxMax) đồng thời tính ổn định và tính dẫn hướng của bánh xe làtốt nhất (ϕ y đại giá trị cao nhất), thỏa mãn các yêu cầucơ cấu phanh là rútngắn quãng đường phanh, cải thiện tính ổn định và khả năng dẫnhướng của xetrong khi phanh

Để giữ cho bánh xe không bị hãm cứng và đảm bảo hiệu quả phanh cao,

cơ cấuphanh chống hãm cứng điểu khiển áp suất trong dẫn động phanh sao cho

độ trượt của bánh xe với mặt đường quanh giá trị λ0 trong giới hạn hẹp

Cơ cấu chống hãm cứng được thiết kế trên cơ sở cơ cấu phanh thường vàtrang bị các cụm bộ phận chính sau

- Cụm tín hiệu vào : Có nhiệm vụ nhận biết tình trạng của các bánh xekhi phanh Tùy theo sự lựa chọn nguyên lý điều chỉnh có thể dùng các cảmbiến đo vận tốc góc của các bánh xe, cảm biến áp suất trong dẫn động phanh,cảm biếm giảm tốc của ô tô và các cảm biếm khác

- Bộ điều khiển (ECU): Nhận và xử lý các thông tin từ cụm tín hiệu vào

để điều khiển bộ chấp hành thủy lực cung cấp áp suất dầu đã được tính toán tối

ưu cho mỗi xylanh phanh bánh xe

- Cụm van điều khiển trong bộ chấp hành thủy lực hoạt động theo lệnh

từ bộ điều khiển làm tăng, giảm hay giữ nguyên áp suất dầu khi cần để đảm bảo

hệ số trượt dao động trong khoảng tốt nhất (10-30%), tránh hãm cứng bánh xe

- Các cơ cấu chống hãm cứng bánh xe hiện nay thường được sử dụngnguyên lý điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh theo gia tốc chậm dần củabánh xe được phanh

Ha.sự thay đổi mômen phanh Hb.áp suất dẫn động phanh

Hc.gia tốc bánh xe.

H3.1-Sự thay đổi mômen phanh, áp suất dẫn động phanh gia tốc bánh xe.

Trên (hình 3.1) trình bày đồ thị chỉ sự thay đổi của một số thông số của cơcấu phanh và chuyển động của bánh xe khi có trang bị cơ cấu ABS

Khi tác động lên bàn đạp phanh thì áp suất dẫn động tăng lên, nghĩa là

mô men phanh Mp tăng lên làm tăng giá trị gia tốc chậm dần của bánh xe vàlàm tăng độ trượt củanó Sau khi vượt qua điểm cực đạ i trên đường cong

ϕx = f (λ)thì gia tốc chậm dần của bánh xe bắt đầu tăng đột ngột Điềunày báo hiệu bánh xe có xu hướng bị hãm cứng Giai đoạn này của quát trìnhphanh có ABS sẽ ứng với các đường cong (0-1) trên (hình 3.1a, b, c) Giaiđoạn này gọi là pha I (pha bắt đầu phanh hay pha tăng áp suất trong dẫnđộng phanh) điều khiển của cơ cấu ABS lúc này sẽ ghi lại gia tốc tại thời điểm

1 đạt giá trị tới hạn (đoạn C1 trên hình c ) và ra lệnh cho bộ chấp hành thủylực phải giảm áp suất trong dẫn động phanh Sự giảm áp suất được bắt đầu với

độ chậm trễ nhất định do đặc tính của cơ cấu Quá trình diễn biến từ điểm 1đến điểm 2 được gọi là pha II (pha giảm áp suất trong dẫn động phanh) Gia tốccủa bánh xe lúc này giảm dần và tại điểm 2 gia tốc tiến dần đến giá tri 0 Giá trịgia tốc lúc này tương ứng với đoạn C2 trên hình c Sau khi đạt giá trị này, bộđiều khiển ra lệnh cho bộ chấp hành ổn định áp suất trong dẫn động.Lúc nàybánh xe sẽ tăng tốc trong chuyển động tương đối và vận tốc của bánh xe tiếngần đến vận tốc của ô tô, nghĩa là độ trượt sẽ giảm và như vậy hệ số bám dọc ϕ

x tăng lên (đoạn 2-3) Giai đoạn này gọi là pha III( pha giữ áp suất ổn định ).

Bởi vì mô men phanh trong thời gian này được giữ cố định cho nên giatốc chậm dần cực đại của bánh xe trong chuyển động tương đối sẽ phát sinhtương ứng với lúc hệ số bám dọc ϕ x đạt giá tri cực đại Gia tốc cực đại nàyđược chọn làm thời điểm phát lệnh và tương ứng với đoạn C3trên (hình c) Lúcnày bộ điều khiển ghi lại giá trị của gia tốc nàyvà gia lệnh cho bộ chấp hànhtăng áp suất dẫn động phanh

Như vậy sau điểm 3 lại bắt đầu pha I của chu kỳ làm việc tiếp theo của cơcấu ABS

Từ lập luận trên thấy rằng cơ cấu ABS điều khiển momen phanh thay đổitheo chu kỳ khép kín 1-2-3-1 (hình a ), lúc đó bánh xe làm việc ở vùng có hệ sốbám dọc cực đạiϕxMaxvà hệsố bám ngang ϕy cũng có giá trị cao

3.1.3 Quá trình hoạt động hệ thống phanh ABS.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh chống hãm cứng ABS

H.3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS

Khi bắt đầu phanh, bánh xe quay với tốc độ giảm dần, khi bánh xe

đạt tới giá trị gần bó cứng tín hiệu của các cảm biến gửi về bộ điều khiểntrung tâm (ECU) ECU tiếp nhận và lựa chọn chế độ đưa ra tín hiệu điềukhiển van điều chỉnh áp suất các đường dầu từ xilanh chính đến xilanhbánh xe do vậy lực phanh ở cơ cấu phanh không tăng được nửa, bánh xe lại

có xu hướng lăn với tốc độ cao lên, tín hiệu từ cảm biến lại đưa về bộ điềukhiển trung tâm, bộ điều khiển điều khiển van điều chỉnh mở đường dầutăng thêm áp suất dẫn ra xylanh bánh xe thực hiện tăng lực phanh gây ra

do cơ cấu phanh Nhờ đó bánh xe lại bị phanh và giảm tốc độ quay tới khigần bị bó cứng, quá trình xảy ra được lặp lại theo chu kỳ liên tục cho tớikhi bánh xe dừng hẳn Một chu kỳ thực hiện khoảng 1/10 s, nhờ các bộ tích

áp suất thấp, cao, van một chiều và bơm dầu độ chậm trễ tác động chỉ nhỏ

hơn 1/1000s, do vậy ABS làm việc rất hiệu quả tránh được bó cứng bánh

xe Quá trình này coi như là hành động nhấp phanh liên tục của người lái

xe khi phanh, nhưng mức độ chuẩn xác và tần số lớn hơn rất nhiều so vớingười lái xe có kinh nghiệm

3.2.1 Trạng thái phanh thường

Lúc này ECU chưa cung cấp điện để điều khiển van điện nên đườngdầu tới (cổng A) mở, đường dầu về (cổng B) đóng ,áp lực dầu được truyền từxilanh chính tới xilanh bánh xe Tuy vậy ECU vẫn luôn tiếp nhận thông tin từcác cảm biến rồi so sánh với các ngưỡng giá trị có sẵn trong bộ nhớ của ECU

do nhà chế tạo định sẵn Lực phanh tăng hoặc giảm do sự tác động của ngườitài xế và bánh xe chưa có khả năng bị hãm cứng

3.2.2 Trạng thái giảm áp lực phanh:

Các tín hiệu từ hệ thống các cảm biên gởi đến ECU tiếp nhận, tính toán,

so sánh biết được bánh xe có khả năng bị hãm cứng và quyết định chống hãmcứng bánh xe đó bằng cách đưa dòng điện khoảng 5A nhằm tạo ra lực từmạnh ở cuộn dây để đóng đường dầu tới (cổng A), mở đường dầu về (cổngB)

do vậy mà áp lực dầu không đến xilanh bánh xe nữa mà từ xilanh bánh xe trở

về bình tích trữ làm cho áp lực phanh giảm bánh xe không bị bó cứng nữa.Nếu áp lực phanh vẫn còn lớn để làm bó cứng bánh xe thì ECU sẽ điều khiểnbơm ABS bơm dầu từ bình tích trữ về xilanh chính, áp lực phanh giảm nhanh

và bánh xe không còn khả năng bị bó cứng nữa

3.2.3 Trạng thái giữ áp lực phanh

Áp lực phanh tăng hoặc giảm ở xilanh bánh xe khi ECU nhận thấy giá trịphù hợp, thì ECU gửi dòng điện tới cuộn dây khoảng 2A vừa đủ để đóngđường tới (cổng A) và đóng đường về (cổng B) làm cho áp lực phanh khôngđổi ở xilanh bánh xe Lúc này ECU tiếp tục điều khiển bơm ABS làm việc đểtrả dầu từ bình tích năng làm tăng áp lực phanh ở xilanh chính chuẩn bị choquá trình tăng áp tiếp theo nếu cần thiết

3.2.4 Trạng thái tăng áp lực phanh

Khi áp lực phanh cần được tăng thì ECU ngừng cung cấp dòng điệncho cuộn dây của van điều khiển, van mở đường dầu tới (cổng A) và đóngđường dầu về (cổng B), dầu đi từ xilanh chính tới xilanh bánh xe Đồng thờiECU điều khiển cho bơm ABS hoạt động bơm dầu về xilanh chính của bánh

xe nhằm làm tăng áp lực phanh Thực ra trạng thái tăng áp lực phanh cũngchính là trạng thái phanh thường

Nhận xét: Trạng thái làm việc của hệ thống phanh ABS thay đổi liên tục

theo tình trạng của ôtô và mặt đường

3.3 Ưu khuyết điểm của hệ thống phanh ABS

H 3.4 Biểu diễn quá trình phanh của hệ thống phanh thường và hệ

thống phanh ABS.

Tốc độ bánh xe và tốc độ xe gần như nhau, khi tốc độ bánh xe trở vềkhông cũng là lúc xe dừng lại coi như bánh xe không bị bó cứng và trượt trênmặt đường nửa Khi phanh đột ngột, áp lực phanh cực đại nếu bánh xe nàogiảm tốc độ quá nhanh thì áp lực dầu sẽ được giảm xuống để bánh xe không

bị hãm cứng , sau đó thì bánh xe tăng tốc trở lại do lực phanh giảm ABS lạitác động làm tăng và giữ áp lực dầu sao cho tốc độ bánh xe và tốc độ xetương ứng với nhau cho đến lúc dừng hẳn

Sự tăng và giảm áp lực xảy ra trong phạm vi nhỏ và tần số không lớnlắm nên tốc độ xe hầu như giảm đều, còn tốc độ bánh xe tăng giảm khi áp lựcđiều khiển thay đổi

1) Ưu Điểm:

- Mang tính hiện đại

- Quóng đường phanh ngắn

- Có tính an toàn cao, ổn định lái, ổn định hướng

- Xe chạy trên đường trơn trượt có thể ổn định trong khi phanh…

2) Khuyết Điểm:

- Kết cấu phứt tạp, khú bảo quản, sửa chữa ,lắp ráp

- Các bộ phận thay thế phải đúng loại theo nhà chế tạo

- Đòi hỏi người thợ phải có tay nghề cao, kinh nghiệm

3.4.Sơ đồ chung của hệ thống phanh ABS.

Các bộ phận cơ bản của hệ thống phanh ABS.

Hệ thống ABS ngày nay bố trí trên xe rất đa dạng, mỗi hãng xe đều cócách thiết kế riêng Chính vì vậy mà mỗi loại xe có cách bố trí và cấu tạo hệthống ABS cũng rất khác nhau Các cụm chính của hệ thống phanh ABS gồmcó: Bàn đạp phanh, bộ cường hoá lực phanh, xilanh chính, cơ cấu phanh ở bánhxe… Đó là các cụm giống như hệ thống phanh chung Ngoài ra còn có thêm:

- Cụm điều khiển điện tử (ECU: electronic control unit): Được xemnhư một bộ não của hệ thống ABS Tiếp nhận thông tin từ hệ thống các cảmbiến tức là xác định được tốc độ của bánh xe hoặc gia tốc chậm dần khiphanh, do các cảm biến gởi đến từ đó xử lý thông tin và gửi tín hiệu đến bộđiều khiển thuỷ lực (HCU)

- Cụm điều khiển thuỷ lực (HCU: hydraulic control unit ) nhận tín hiệu

từ ECU gửi đến, HCU đóng mở mạch dầu để tăng, giảm hay giữ áp lực phanhđến các bánh xe cho phù hợp nhằm thực hiện chức năng chống hãm cứng

- Hệ thống các cảm biến (sensor): nhận tín hiệu gửi về ECU, từ đó ECU

có thông tin để điều khiển quá trình chống hãm cứng Thông thường trên xe

có trang bị một số loại cảm biến sau:

Cảm biến tốc độ bánh xe (wheel speed sensor)

Cảm biến gia tốc khi phanh (acceleration sensor )

Cảm biến trọng lực G (force sensor)

Cảm biến hành trình pedal phanh (brake pedal travel switch).

Cảm biến mức dầu ( fuild level switch )

Thông thường chỉ cần cảm biến tốc độ bánh xe là đủ nhưng để tăng tính ưuviệt của hệ thống phanh một số xe còn trang bị thêm cảm biến gia tốc(acceleration sensor) hay cảm biến trọng lực G (force sensor)

H 3.5.Sơ đồ cấu tạo của hệ thốnh phanh ABS

1 Cảm biến tốc độ bánh xe ; 2 Bộ điều khiển thuỷ lực; 3 Bộ điều khiểntrung tâm; 4 Xilanh chính ; 5 Đèn báo

Trong ABS còn có nguồn năng lượng bổ sung như bình dự trữ dầuthấp áp, bơm dầu, các van an toàn…

3.4.1 Cụm điều khiển điện tử

Cụm điều khiển được xem như “bộ não“ của hệ thống phanh ABS tựđộng điều chỉnh với độ chính xác cao Nhiệm vụ của ECU nhận biết tìnhtrạng làm việc của của xe từ các cảm biến cung cấp căn cứ vào đó mà tínhtoán khả năng hãm cứng của bánh xe khi phanh Từ các thông số tính toán