Ứng dụng phần mềm matlab mô phỏng hệ thống phanh abs trên xe ôtô

Phạm Quốc Thái 2 Chương 1: TỔNG QUAN 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

Trang 1

i

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

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG PHANH ABS TRÊN Ô TÔ

Sinh viên thực hiện: LÊ VĂN ĐỨC

Đà Nẵng – Năm 2019

Trang 2

ii

Với sự phát triển của ngành ô tô của Việt Nam như hiện nay, cùng với chiến lược phát triển của nhà nước, chính sách nội địa hoá phụ tùng ôtô trong việc sản xuất và lắp ráp đã tạo điều kiện cho các nhà thiết kế nghiên cứu, chế tạo các cụm, các hệ thống trên ôtô trong nước, trong đó có hệ thống phanh Vấn đề nghiên cứu thiết kế và chế tạo các phần tử của hệ thống phanh ABS là phù hợp với xu hướng phát triển của thế giới và chủ trương nội địa hoá sản phẩm ôtô của Việt Nam Chính vì vậy, em được giao đề tài:

‘Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe ôtô”

Trong tình hình hiện nay, ngành ôtô của nước ta chủ yếu là lắp ráp nên để có thể độc lập chế tạo các chi tiết của ôtô rất cần những nghiên cứu ứng dụng vào thực tế Nghiên cứu các vấn đề về lý thuyết và điều khiển hệ thống phanh ôtô hiện đại nhằm ứng dụng thiết kế và chế tạo các hộp đen ECU điều khiển hệ thống phanh là một vấn đề rất phức tạp nhưng đó là công v i ệc cần phải bắt tay vào làm để trong tương lai không xa chúng ta tự nghiên cứu và sản xuất ra những sản phẩm ôtô riêng của Việt Nam

Đề tài cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc nghiên cứu về tính hiệu quả của phanh khi cần giảm tốc độ cũng như hiệu quả phanh trong quá trình điều khiển động học của ôtô thông qua việc sử dụng phần mềm lập trình

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Quốc Thái người trực tiếp hướng dẫn cùng

các thầy trong bôn môn ôtô, Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài

Đà Nẵng, ngày 15 tháng 12 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Đức

Trang 3

iii

Tôi xin cam đoan:

1 Những nội dung trong đồ án là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của trực tiếp của

thầy TS Phạm Quốc Thái

2 Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, thời gian, địa điểm

3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Đức

Trang 4

iv

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vii

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT iix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 2

Chương 2: CƠ SỞ VỀ HỆ THỐNG PHANH ABS 5

2.1 Lực và momen tác động lên bánh xe trong mặt phẳng dọc 5

2.1.1 Lực phanh sinh ra ở bánh xe 5

2.1.2 Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu 7

2.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh 9

2.1.3.1 Gia tốc chậm dần khi phanh 9

2.1.3.2 Thời gian phanh 11

2.1.3.3 Quãng đường phanh 11

2.1.3.4 Lực phanh và lực phanh riêng 13

2.2 Cơ sở lý thuyết về điều hòa lực phanh và chống bó cứng bánh xe khi phanh 13

2.2.1 Điều hòa lực phanh 13

2.2.2 Vấn đề chống bó cứng bánh xe khi phanh 17

2.2.3 Giản đồ phanh và chỉ tiêu phanh thực tế 19

2.2.4 Tính ổn định của ô tô khi phanh 22

2.3 Sự bám của bánh xe với mặt đường 24

2.3.1 Đặt vấn đề 24

2.3.2 Hệ số bám 25

2.3.3 hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 26

2.4 Hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS 26

2.4.1 Sơ lược về nội dung và các thiết bị mô hình cơ cấu ABS 26

Trang 5

v

2.5 Sơ đồ hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS 29

2.5.1 Phân loại các phương pháp điều khiển của ABS 29

2.5.1.1 Điều khiển theo ngưỡng trượt 29

2.5.1.2 Điều khiển độc lập hay phụ thuộc 30

2.5.1.3 Điều khiển theo kênh 30

2.5.2 Các phương án bố trí cơ cấu điều khiển của ABS 30

2.6 Quá trình điều khiển của ABS 33

2.6.1 Yêu cầu của cơ cấu ABS 33

2.6.2 Phạm vi điều khiển của ABS 34

2.6.3 Chu trình điều khiển của ABS 36

2.6.4 Tín hiệu điều khiển ABS 38

2.6.5 Quá trình điều khiển của ABS 40

2.7 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của các cụm chi tiết và cả cơ cấu ABS 42

2.7.1 Cảm biến tốc độ bánh xe 42

2.7.1.1 Nguyên lý làm việc 44

2.7.2 Cảm biến giảm tốc 44

2.7.3 Cảm biến gia tốc ngang 46

2.7.4 Hộp điều khiển điện tử ECU 46

2.7.4.1 Chức năng của hộp điều khiển điện tử ECU 46

2.7.4.2 Cấu tạo 47

2.7.5 Bộ phân chấp hành thủy lực 48

2.8 Các trạng thái phanh 49

2.8.1 Khi phanh bình thường (ABS không hoạt động) 50

2.8.2 Khi phanh gấp (ABS hoạt động) 50

2.8.2.1 Chế độ tăng áp 50

Chương 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB - SIMULINK 53

3.1 Giới thiệu nội dung chính của matlab - Simulink 53

3.1.1 Matlab – Simulink 53

3.1.2 Matlab stateflow 56

Trang 6

vi

3.3 Mô phỏng các cụm hệ thống 59

3.3.1 Bộ trợ lực chân không 59

3.3.2 Xylanh chính 60

3.3.3 Khối van điều khiển 63

3.3.4 Khối xylanh công tác 70

3.3.5 Khối cơ cấu phanh 78

3.3.6 Mô hình mô phỏng bằng Simulink của hệ thống phanh ABS 78

Chương 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 80

4.1 Trường hợp 1 80

4.2 Trường hợp 2 82

4.3 Bàn luận chung và hướng phát triển đề tài 85

4.3.1 Bàn luận chung 85

4.3.2 Hướng phát triển của đề tài 86

KẾT LUẬN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

Trang 7

vii

Bảng 2.1: Kết quả thí nghiệm ô tô du lịch có hệ thống chống hãm cứng bánh xe…… …19

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn về hiệu quả phanh cho phép ô tô lưu hành trên………21

Hình 2.1 Sơ đồ lực và momen tác dụng lên bánh xe khi phanh 5

Hình 2.2: Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh 7

Hình 2.3: Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo tốc độ 12

Hình 2.4: Đồ thị chỉ quan hệ giữa mômen phanh Mp1 và Mp2 với hệ số bám 14

Hình 2.5: Đồ thị quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh đảm bảo sự phanh lý tưởng15 Hình 2.6: Đường đặc tính của bộ điều hòa lực phanh 16

Hình 2.7: Giản đồ phanh 19

Hình 2 8: Sự thay đổi mô men phanh, áp suất dẫn động phanh và gia tốc 28

Hình 2.9: Các phương án bố trí cơ cấu phanh ABS 32

Hình 2.10: Phạm vi điều chỉnh của cơ cấu ABS 34

Hình 2 11: Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe 35

Hình 2.12: Chu trình điều khiển kín của ABS 36

Hình 2.13: Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của cơ cấu ABS 37

Hình 2.14: Vòng lặp hoạt động của ABS 38

Hình 2.15: Quá trình điều khiển của ABS 41

Hình 2 16: Vị trí lắp cảm biến 43

Hình 2.17: Cảm biến tốc độ bánh xe loại điện từ 43

Hình 2.18: Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc 45

Hình 2.19: Các chế độ hoạt động của cảm biến giảm tốc 45

Hình 2.20: Cảm biến gia tốc ngang 46

Hình 2.21: Các chức năng điều khiển của ECU 47

Hình 2.22: Bộ chấp hành thuỷ lực 48

Hình 2.23: Sơ đồ bộ chấp hành thủy lực 49

Trang 8

viii

Hình 2.25: Chế độ tăng áp 51

Hình 2.26: Chế độ giữ áp 52

Hình 2.27: Chế độ giảm áp 52

Hình 3.1: Màn hình giao diện MATLAB 53

Hình 3.2: Thư viện các thành phần SIMILINK 54

Hình 3.3:Thư viện chi tiết SIMULINK 55

Hình 3.4: Thư viện tạo hệ con và các khối quan sát 55

Hình 3.5: Thư viện hệ thống điện và thủy lực 56

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí hệ thống phanh ABS 58

Hình 3.7: Mô hình mô phỏng độ dịch chuyển X1 61

Hình 3.8: Mô hình mô phỏng độ dịch chuyển X2 61

Hình 3.9: Mô hình mô phỏng lưu lượng Q1 62

Hình 3.11: Mô hình mô phỏng khối xylanh chính 63

Hình 3.12: Mô hình mô phỏng áp suát P1 64

Hình 3.13: Mô hình mô phỏng Q11 65

Hình 3.15: Mô hình mô phỏng Q1T 66

Hình 3.16: Mô hình mô phỏng Q2T 66

Hình 3.17: Mô hình mô phỏng cụm van điều khiển 1 66

Hình 3.18: Mô hình mô phỏng áp suất P2 68

Hình 3.21: Mô hình mô phỏng lưu lượng Q3T 69

Hình 3.22: Mô hình mô phỏng lưu lượng Q4T 69

Hình 3.23: Mô hình cụm van điều khiển 70

Hình 3.24: Mô hình mô phỏng áp suất Pxl1 72

Hình 3.25: Mô hình mô phỏng dịch chuyển X3 72

Trang 9

ix

Hình 3.32: Mô hình mô phỏng khối xylanh công tác 77

Hình 3.33: Mô hình mô phỏng khối cơ cấu phanh 78

Hình 3.34: Mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS 79

Hình 4.1: Đồ thị vận tốc 80

Hình 4.2: Đồ thị quãng đường phanh 80

Hình 4.3: Momen phanh bánh sau phải 80

Hình 4.4: Momen phanh bánh sau trái 80

Hình 4.5: Momen phanh bánh trước trái 81

Hình 4.7: Vận tốc góc bánh sau phải 81

Hình 4.8: Vận tốc góc bánh sau trái 81

Hình 4.9: Vận tốc góc bánh trước phải 82

Hình 4.10: Vận tốc góc bánh trước trái 82

Hình 4.11: Đồ thị vận tốc 83

Hình 4.12: Đồ thị quãng đường phanh 83

Hình 4.13: Momen phanh bánh sau trái…… …… … … 83

Hình 4.15: Momen phanh bánh sau phải 84

Hình 4.17: Vận tốc góc bánh trước trái 84

Hình 4.18: Vận tốc góc bánh sau phải 84

Hình 4.19: Vận tốc góc bánh trước phải 85

Hình 4.20: Vận tốc góc bánh sau trái 85

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Trang 10

x

MP: mô men phanh tác dụng lên bánh xe

PP: lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường

M jb : Mômen quán tính của bánh xe

M f : Mômen cản lăn

P f : Lực cản lăn

P pmax: Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường

P: Lực bám giữa bánh xe với mặt đường ;

Z b : Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe ;

: Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường;

r b : bán kính làm việc trung bình của bánh xe

G: Trọng lượng ôtô đặt tại trọng tâm của xe

Z1 , Z 2 : Các phản lực thẳng góc của bánh xe trước và sau

Pf1, Pf2 : lực cản lăn của bánh trước và bánh sau

PP1, PP2 : Lực phanh sinh ra ở bánh trước và bánh sau

Pj : Lực quán tính

P : Lực cản không khí

L: Chiều dài cơ sở của xe

g: Gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s 2)

j p : Gia tốc chậm dần khi phanh

i : Hệ số tính đến ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay

P f: Lực cản lăn

P: Lực cản không khí

P i: Lực cản lên dốc

P: Lực để thắng tiêu hao cho ma sát cơ khí

j pmax: Gia tốc chậm dần khi phanh

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

Mp1: Mômen phanh cần sinh ra ở các bánh xe trước

Mp2: Mômen cần sinh ra ở các bánh xe sau

Trang 11

xi

k1, k2: Là hệ số tỷ lệ tương ứng với phanh trước và phanh sau

𝜑𝑥 ∶ Hệ số bám dọc

𝜑𝑦: 𝐻ệ số bám ngang

 Độ trượt tương đối

 độ trượt tối ưu

k s: Hệ số hiệu đính quãng đường phanh, được xác định bằng thực nghiệm

S: Quãng đường phanh thực tế

Iz: Mômen quán tính của ôtô quanh trục Z đi qua trọng tâm

t : Thời gian phanh

Y max : Là lực ngang cực đại tác dụng lên bánh xe

Pa : là áp suất ở khoang không khí

Dm : là đường ksinh của màng trợ lực

Pv : là áp suất ở khoang chân không

m1: là khối lượng của piston sơ cấp của xylanh chính (Kg)

Fmc : Lực của bộ trợ lực tác động vào piston (N)

P1 : Áp suất dầu ở khoang 1 của xylanh chính (N/m2)

Amc : Là diện tích bề mặt làm việc của piston sơ cấp (m2)

Fms1 : Lực ma sát nhớt giữa piston với thành xylanh

m2 : Là khối lượng của piston thứ cấp xylanh chính (Kg)

Fms2 : Là lực ma sát của dầu và thành xylanh

1

X , X2 là vận tốc dịch chuyển của piston sơ cấp và thứ cấp của xylanh chính

Trang 12

xii

V1: Thể tích của khoang thứ nhất kể cả thể tích của đường ống và phần không gian của van điều khiển nối chung với nó (m3)

Vk1 : là thể tích khoang thứ nhất của xylanh chính

l01: Chiều dài ban đầu của khoang 1 xylanh chính

VR1: Là thể tích đoạn đường ống nối từ xylanh chính đến van điều khiển

D: Đường kính ống dẫn dầu (m)

l1: Chiều dài ống dẫn dầu (m)

Vvan: Là thể tích của van (m3)

Qd: Lưu lượng danh nghĩa của van điều khiển (m3/s)

: là hệ số thể hiện sự đóng mở của cụm van Nó được điều khiển bởi ECU thông qua van điện từ và có giá trị 0 hoặc 1 tùy theo trạng thái làm việc của van

∆𝑃𝑑: Độ chênh áp danh nghĩa của van điều khiển (N/m2)

Pxl1: Áp suất tại xylanh công tác bánh trước bên trái (N/m2)

Pxl2: Áp suất tại xylanh công tác bánh trước bên phải (N/m2)

PT: Là áp suất của thùng tích năng

CHỮ VIẾT TẮT:

ABS: Anti-lock Braking System

EBD: Electronic Breakforce Distribution

BAS: Break Assist System

ESP: Electronic Stability Program

ECU: Electronic Stability Program

Trang 13

Sinh viên thực hiện: Lê Văn Đức Hướng dẫn:TS Phạm Quốc Thái 1

- Nghiên cứu hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS

- Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống chống bó cứng bánh

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

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

* Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện nghiên cứu trên xe ô tô

* Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phanh có trang bị ABS trên xe ô tô

4 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các nguồn tài liệu lý thuyết liên quan đến đề tài nghiên cứu, tiến hành chọn lọc, phân tích, giải thích các bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong quá trình phanh Từ đó, đưa ra các cơ sở lý thuyết tính toán kết hợp với phần mềm mô phỏng MATLAB-SIMULINK để tiến hành xây dựng các mô hình mô phỏng, đánh giá hiệu quả của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS

5 Cấu trúc đồ án tốt nghiệp

Đồ án ngoài phần “mở đầu” và phần “kết luận chung và hướng phát triển của đề tài”, gồm có 4 chương:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Cơ sở về hệ thống phanh ABS

Chương 3 Mô hình hóa và mô phỏng bằng matlab-simulink

Chương 4 Một số kết quả và bàn luận

Trang 14

Chương 1: TỔNG QUAN

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 xe đạp phanh bằng cách nhấn liên tục lên bàn đạp phanh để duy trì lực bám ngăn không cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển được hướng chuyển động của xe Về cơ bản chức năng của cơ cấu phanh ABS cũng giống như 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 vào năm 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 động không tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi tình huống Trong quá trình phát triển ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay là loại điện tử

Vào thập niên 60, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử ra đời, giúp

cơ cấu ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô vào năm 1969, sau đó cơ cấu ABS được nhiều

công ty sản suất ô tô nghiên cứu và đưa vào ứng dụng vào năm 1970 Công ty toyota sử

dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật Bản vào 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 cấu điều khiển kĩ thuật số, vi xử lý thay cho các cơ cấu điều khiển tương tự đơn giản 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 đưa vào sử dụng rộng rãi hơn, đến nay ABS gần như trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đường băng, tuyết dễ trơn trượt, ngày nay

cơ cấu ABS không chỉ được thiết kế trên các cơ cấu phanh thuỷ lực mà còn ứng dụng rộng rãi trên các cơ cấu phanh khí nén của các xe tải và xe khách lớn

Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động như khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với tốc độ cao, khi phanh trong những trường hợp khẩn cấp … Cơ cấu ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều cơ cấu khác

Trang 15

Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu kiểm soát lực kéo Traction Control (hay ASR) 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 lực phanh 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 thêm lực phanh

ở các bánh xe để quãng đường phanh là ngắn nhất trong trường hợp phanh khẩn cấp

Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu ổn định ô tô bằng điện tử (ESP) không chỉ có tác dụng trong khi dừng xe, mà còn can thiệp vào cả quá trình tăng tốc và chuyển động quay vòng của 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 thuật điện 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 khiển mới trong ABS như điều khiển mở, điều khiển thông minh, tối ưu hoá quá trình điều khiển ABS

Các công ty như BOSCH, AISIN, DENCO, BENDI là những công ty đi đầu trong việc nghiên cứu, cải tiến và chế tạo các cơ cấu ABS và cung cấp cho các công ty sản xuất

ô tô trên toàn thế giới

Qua nghiên cứu các đề tài, mỗi đề tài có mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu khác nhau và đạt được kết quả nhất định trong đó nổi trội nhât là: Công trình nghiên cứu với đề tài (wheel slip control with moving slipding surface for traction control system) của K.CHUN và M.SUNWOO đại học Hanyang –seoul -Hàn Quốc (11/4/2004); trong đó tác giả đã phân tích được quá trình điều khiển, tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Matlap- Simulink và được thử nghiệm trên xe điện (electric kart) công trình đã đạt được :

- Nghiên cứu kĩ càng về hệ thống phanh ABS

- Đã tính tới yếu tố thời gian tăng tốc và thời gian phản ứng của hệ thống

- Mô phỏng được quá trình điều khiển

- Kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm trên loại xe điện nhỏ

Hạn chế của đề tài :

Trang 16

- Mới chỉ kiểm nghiệm dưới dạng mô hình đơn giản

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

Để khắc phục những hiện tượng đó, phần lớn các ô tô con sang trọng hiện 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 hệ thống này trên ôtô chỉ có vài hãng như: BMW, GM Daewoo,Toyota

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

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

bó cứng bánh xe ô tô khi phanh trên cơ sở mô hình mạng nơ ron xuyên tâm- RBFN”, Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, Trường đại học Giao thông vận tải, số 24, tr 38-45

Trang 17

Chương 2: CƠ SỞ VỀ HỆ THỐNG PHANH ABS

2.1 Lực và momen tác động lên bánh xe trong mặt phẳng dọc

2.1.1 Lực phanh sinh ra ở bánh xe

❖ Khi người lái tác dụng vào bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra momen ma sát còn gọi là momen phanh Mp nhằm hãm bánh xe lại lúc đó ở bánh xe xuất hiện phản lực tiếp tuyến Pp.

- Chiều Pp ngược chiều chuyển động

- Phương song song với mặt phẳng nằm ngang

- Điểm đặt tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp và đường

❖ Xét tại một bánh xe như hình vẽ:

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

Trong đó : MP: mô men phanh tác dụng lên bánh xe

Trang 18

PP: lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường

M jb : Mômen quán tính của bánh xe

M f : Mômen cản lăn

P f : Lực cản lăn

Z b : Phản lực của bánh xe

r b : bán kính làm việc trung bình của bánh xe

❖ Khi đó lực phanh Pp được xác định theo công thức:

P pmax: Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường

P: Lực bám giữa bánh xe với mặt đường ;

Z b : Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe ;

: Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường;

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

quán tính M jb tác dụng, mô men này cùng với chiều chuyển động của bánh xe; ngoài ra còn

có mômen cản lăn M f tác dụng, mômen này ngược với chiều chuyển động và có tác dụng

hãm bánh xe lại Như vậy trong khi phanh bánh xe thì lực hãm tổng cộng là:

PPo = 𝑀𝑃+ 𝑀𝑓 − 𝑀𝑗𝑏

𝑟𝑏 (2.3) Trong quá trình phanh ôtô, mômen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lên, đến một lúc nào đấy sẽ dẫn đến sự trượt lê bánh xe Khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thì hệ số bám

 có giá trị thấp nhất thì lực phanh sinh ra giữa bánh xe và mặt đường là nhỏ nhất, dẫn tới hiệu quả phanh thấp nhất Không những thế, nếu các bánh xe trước bị trượt sẽ làm mất tính dẫn hướng khi phanh, còn nếu bánh sau bị trượt khi phanh làm mất tính ổn định khi phanh

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

bó cứng khi phanh) trên ôtô hiện đại có đặt bộ chống bó cứng bánh xe khi phanh

Trang 19

2.1.2 Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu

Giả sử ôtô chuyển động với vận tốc v1, khi phanh thì v1 giảm dần và gia tốc j<0

Lúc này các lực tác dụng lên ôtô (hình 2.2)

Hình 2.2: Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh Trong đó:

G: Trọng lượng ôtô đặt tại trọng tâm của xe

Z1 , Z 2 : Các phản lực thẳng góc của bánh xe trước và sau

Pf1, Pf2 : lực cản lăn của bánh trước và bánh sau

PP1, PP2 : Lực phanh sinh ra ở bánh trước và bánh sau

Pj : Lực quán tính

P : Lực cản không khí

L: Chiều dài cơ sở của xe

❖ Lực quán tính P j sinh ra do khi phanh sẽ có gia tốc chậm dần, P j đặt tại trọng tâm

và cùng chiều với chiều chuyển động, và P j được xác định theo biểu thức sau:

Pj = 𝐺

g jP.𝛿i (2.4) Trong đó:

g: Gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s 2)

j p : Gia tốc chậm dần khi phanh

i : Hệ số tính đến ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay

❖ Khi phanh thì lực cản không khí P và lực cản lăn P f1 và P f2 không đáng kể, có

Trang 20

m A

thể bỏ qua Sự bỏ qua này chỉ gây sai số khoảng 1,5  2%

❖ Bằng cách lập các phương trình cân bằng mômen của các lực tác dụng lên ô tô khi phanh đối với các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường A và B, ta có thể xác định các

phản lực thẳng góc Z 1 và Z 2 như sau:

∑ 𝑚𝐴 = Z1.L − G.a + P j h g − P.h= 0 Hay:

Z1 = 1

𝐿 ( G.a - P j h g + P.h )  = 𝐺𝑏 + 𝑃𝑗.ℎg

𝐿 () Tương tự lập phương trình mômen tại điểm B ta được:

Z2 = 1

𝐿 ( G.b + P j h g − P.h )  = 𝐺𝑎 − 𝑃𝑗.ℎg

𝐿 ()

➢ Nhận xét : Các phản lực tiếp tuyến tại bánh xe là hàm bậc nhất đối với lực phanh

và phụ thuộc vào trọng lượng ôtô khi phanh và toạ độ trọng tâm

➢ Thay giá trị P j từ công thức (2.4) vào (2.5), (2.6) ta được :

➢ Nhận xét: Sự phanh có hiệu quả nhất là khi lực phanh sinh ra ở các bánh xe tỷ lệ

thuận với tải trọng tác dụng lên chúng, mà tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong quá

trình phanh lại thay đổi do có lực quán tính P j tác dụng

Trang 21

Vậy để phanh có hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh xe trước và lực phanh ở các bánh xe sau sẽ là:

𝑃𝑝1

𝑃𝑝2 = 𝜑.𝑍1

𝜑.𝑍2 = 𝑍1

𝑍2 (2.10) Hay:

➢ Nhận xét: Tỷ số lực phanh bánh xe trước – sau phụ thuộc toạ độ trọng tâm của xe

và gia tốc chậm dần khi phanh Để tỷ số này không thay đổi trong suốt quá trình phanh là điều kiện không thể vì: Trên xe tải trọng lớn kết hợp với hệ thống treo làm thay đổi chiều cao trọng tâm khi xe chuyển động

Mặt khác do sức cản mặt đường thì gia tốc chậm dần khi phanh không phải là chậm dần đều, do các chất tải vì thế hệ số bám 𝜑 thay đổi nên tọa độ trọng tâm cũng thay đổi làm tỷ số Pp1 / Pp2 cũng thay đổi

Để đảm bảo điều kiện phanh thì tỉ số Pp1 / Pp2 phải tuân theo (2.12), muốn bảo đảm điều kiện này thì: thay đổi momen phanh tại bánh xe bằng cách dung áp suất dầu hoặc khí nén tác dụng vào xy lanh phanh mà có thể điều chỉnh được

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

❖ Để đánh giá chất lượng của quá trình phanh ta phải xét đến các yếu tố sau:

1 Gia tốc chậm dần khi phanh

2 Thời gian phanh

3 Quãng đường phanh

4 Lực phanh và lực phanh riêng

2.1.3.1 Gia tốc chậm dần khi phanh

❖ Gia tốc chậm dần đều khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh Khi phân tích các lực tác dụng lên ôtô, có thể viết phương trình cân

Trang 22

bằng lực kéo khi phanh ôtô như sau:

P: 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 ; P và khi phanh trên đường nằm

ngang có phương trình:

P j = P p Khi đó lực phanh lớn nhất P Pmax sinh ra tại bánh xe được xác định theo biểu thức :

Pp max = Pj max

Theo điều kiện bám Ppmax ≤ P ≤ G nên ta có:

G = 𝛿i.G

g jpmax (2.14)

Trong đó: i: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các trọng khối quay của ôtô

j pmax: Gia tốc chậm dần khi phanh

Trang 23

2.1.3.2 Thời gian phanh

❖ Thời gian phanh cũng là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh

Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt

Để xác định thời gian phanh cần sử dụng công thức sau:

❖ Muốn xác định thời gian phanh nhỏ nhất chỉ cần tích phân dt trong giới hạn từ thời

điểm ứng với vận tốc phanh ban đầu v 1 tới thời điểm ứng với v 2 ở cuối quá trình phanh:

Từ biểu thức (2.18) ta thấy rằng thời gian phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc bắt

đầu phanh của ôtô, phụ thuộc vào hệ số ivà hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường Để

thời gian phanh nhỏ cần giảm i, vì vậy người lái xe cần cắt ly hợp khi phanh

2.1.3.3 Quãng đường phanh

❖ Quãng đường phanh là chỉ tiêu quan trọng, thực tế nhất để đánh giá chất lượng

phanh của ôtô 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 người lái xe xử trí tốt

trong khi phanh ôtô trên đường

𝛿i ds

Trang 24

Quãng đường phanh nhỏ nhất được xác định bằng cách tích phân ds hai vế của biểu thức (2.19) với giới hạn từ v1 đến v2 ta được:

Smin = ∫ 𝛿i

𝜑.g

𝑣1 𝑣2 vdv

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

- Vận tốc chuyển động của ôtô lúc bắt đầu phanh v 1

- Hệ số bám 

- Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay 1

Muốn giảm quãng đường phanh thì ta cần phải giảm 1 Vì vậy nếu người lái cắt ly

hợp trước khi phanh thì quãng đường phanh sẽ ngắn hơn Ta thấy ở biểu thức trên S min phụ

thuộc vào , mà phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên bánh xe Do vậy S min 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 theo vận tốc bắt

đầu phanh v 1 và theo giá trị hệ số bám như sau:

Hình 2.3: Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo tốc độ

bắt đầu phanh và hệ số bám

Trang 25

Từ đồ thị thấy rằng:

Ở vận tốc bắt đầu phanh v 1 càng cao thì quãngđường phanh S càng lớn vì quãng đường phanh phụ thuộc bậc 2 vào v 1

Hệ số bám  càng cao thì quãng đường phanh S càng giảm

2.1.3.4 Lực phanh và lực phanh riêng

Lực phanh và lực phanh riêng cũng là chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Chỉ tiêu này được dùng thuận lợi nhất là khi thử phanh ôtô trên bệ thử

Lực phanh sinh ra ở bánh xe được xác định theo biểu thức:

Pp = 𝑀𝑝

𝑟𝑏 (2.22) Trong đó:

P P : Lực phanh của ôtô

M P: Mômen phanh của các cơ cấu phanh

r b: 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

➢ Nhận xét: Trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh thì chỉ tiêu quãng đường

phanh là đặc trưng nhất và có ý nghĩa quan trọng nhất Vì quãng đường phanh cho phép người lái hình dung được vị trí xe sẽ dừng trước một chướng ngại vật mà họ phải xử trí để khỏi xảy ra tai nạn khi người lái xe phanh ở tốc độ ban đầu nào đấy

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

2.2.1 Điều hòa lực phanh

Muốn đảm bảo phanh có hiệu quả nhất thì lực phanh sinh ra ở các bánh xe trước Pp1

Trang 26

và các bánh xe sau Pp2 phải thỏa mãn: 𝑃𝑝1

𝑃𝑝2 = 𝑏+ 𝜑.ℎg

𝑎− 𝜑.ℎg Nếu coi bán kính các bánh xe rb1 và rb2 là bằng nhau thì trong quá trình phanh ta có thể viết quan hệ giữa mômen phanh ở bánh xe như sau:

𝑀𝑝2

𝑀𝑝1 = 𝑝𝑝2𝑟𝑏2

𝑝𝑝1𝑟𝑏1 = 𝑝𝑝2

𝑝𝑝1 (2.25) Kết hợp biểu thức (2.12) và (2.25) ta có quan hệ sau:

𝑀𝑝2

𝑀𝑝1 = 𝑎− 𝜑.ℎg

𝑏 − 𝜑.ℎg (2.26) Trong đó:

Mp1: Mômen phanh cần sinh ra ở các bánh xe trước

Mp2: Mômen cần sinh ra ở các bánh xe sau

Mômen phanh cần sinh ra ở các bánh xe trước Mp1 và các bánh xe sau Mp2 có thể xác định từ điều kiện bám theo biểu thức sau:

Mp1 = 𝜑.Z1.rb = 𝐺.𝑟𝑏.𝜑

𝐿 (𝑏 + 𝜑 ℎg) (2.27)

Mp2 = 𝜑.Z2.rb = 𝐺.𝑟𝑏.𝜑

𝐿 (𝑎 − 𝜑 ℎg) (2.28) Đối với ôtô đã chất tải nhất định, ta có a, b, hg cố định Bằng cách thay đổi giá trị ,

dựa trên biểu thức (2.27) và (2.28) ta có thể vẽ đồ thị Mp1 = f1() và Mp2 = f2()

Hình 2.4: Đồ thị chỉ quan hệ giữa mômen phanh Mp1 và Mp2 với hệ số bám

Trang 27

Đối với ôtô hiện nay thường dùng dẫn động thủy lực hoặc khí nén quan hệ giữa mômen phanh sinh ra ở bánh xe và áp suất trong dẫn động phanh biểu thị như sau:

Mp1 = k1 P1dd (2.29)

Mp2 = k2.P2dd (2.30)

p1dd, p2dd: Là áp suất trong dẫn động phanh của cơ cấu phanh trước và cơ cấu phanh sau

k1, k2: Là hệ số tỷ lệ tương ứng với phanh trước và phanh sau

Từ các biểu thức (2.29) và (2.30) ta có thể xác định quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh trước và phanh sau:

P2dd P1dd = 𝑘1𝑀𝑝2

𝑘2𝑀𝑝1 (2.31) Như vậy để đảm bảo sự phanh lý tưởng thì quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh sau và trong dẫn động phanh trước phải tuân thủ theo đồ thi chỉ trên (hình4) đồ thị này được gọi là đường đặc tính lý tưởng của bộ điều hòa lực phanh

Hình 2.5: Đồ thị quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh đảm bảo sự phanh lý tưởng

1- đầy tải ; 2- không tải

Muốn đảm bảo đường đặc tính này thì bộ điều hòa lực phanh phải có kết cấu rất phức tạp Các kết cấu trong thực tế chỉ đảm bảo đường đặc tính gần đúng với đường đặc tính lý tưởng

Trang 28

Hình 2.6: Đường đặc tính của bộ điều hòa lực phanh

1- Đầy tải ; 2- không tải Trên hình 6 trình bày đường đặc tính của bộ điều hòa lực phanh loại piston bậc Đường đặc tính lý tưởng đậm nét ứng với tải đầy và đường nét đứt ứng với lúc không tải

* Trước hết chúng ta xét trường hợp khi xe đầy tải

Ở giai đoạn đầu áp suất p1 ở dẫn động ra phanh trước và p2 dẫn động ra phanh sau đều bằng nhau, đường đặc tính đi theo đường thẳng OA nghiêng với trục hoành 1 góc 450, lúc đó bộ điều hòa lực phanh chưa làm việc

Khi áp suất trong xylanh phanh chính đạt giá trị pđch (áp suất điều chỉnh) thì lúc đó

bộ điều hòa lực phanh bắt đầu làm việc

Từ thời điểm đó áp suất p2 nhỏ hơn áp suất p1 và đường đặc tính điều chỉnh đi theo đường thẳng AB gần sát với đường cong lý tưởng

* Nếu xét ở trạng thái xe không tải thì

Ở giai đoạn đầu đường đặc tính đi theo đường thẳng OC nghĩa là lúc đó bộ điều hòa lực phanh chưa làm việc Áp suất p’đch ứng với điểm C là áp suất ở dẫn động phanh trước

ở thời điểm mà bộ điều hòa bắt đầu làm việc

Tiếp đó đường đặc tính di theo đường CD là đường đặc tính của bộ điều hòa lực phanh khi xe không tải

Trang 29

Như vậy ứng với mỗi tải trọng khác nhau ta có đường đặc tính lý tưởng khác nhau và đường đặc tính của bộ điều hòa lực phanh ở các tải trong khác nhau sẽ là một chùm đường nghiêng khác nhau

Tóm lại bộ điều hòa lực phanh đảm bảo cho áp suất p2 ở dẫn động phanh sau gần với

áp suất lý tưởng yêu cầu và có giá trị nhỏ hơn áp suất lý tưởng để tránh bó cứng bánh xe sau Khi bánh xe sau bị bó cứng thì hiệu quả phanh sẽ giảm do hệ số bám giảm bởi bánh

xe bị trượt lê đồng thời làm mất tính ổn định khi phanh

2.2.2 Vấn đề chống bó cứng bánh xe khi phanh

Trong tính toán động lực học của quá trình phanh ôtô thường sử dụng giá trị hệ số bám cho trong các bảng Hệ số bám này thường được xác định bằng thực nghiệm bánh xe đang chuyển động bị hãm cứng hoàn toàn, nghĩa là khi bánh xe bị trượt lê 100%

Thực tế ra, hệ số bám của bánh xe ô tô với mặt đường ngoài việc phụ thuộc vào loại đường và tình trạng mặt đường còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố bởi độ trượt của bánh xe tương đối với mặt đường trong quá trình phanh Sự thanh đổi hệ số bám dọc 𝜑𝑥 và hệ số bám ngang 𝜑𝑦 của bánh xe với mặt đường theo độ trượt tương đối  giữa bánh xe và mặt đường

Độ trượt tương đối được xác định theo biểu thức:

 = 𝑣− 𝜔𝑏 𝑟𝑏

𝑣 (2.32) Trong đó:

Trang 30

có giá trị khá cao

Như vậy nếu giữu cho quá trình phanh xảy ra ở độ trượt của bánh xe là  thì sẽ đạt được lực phanh cực đại Ppmax = 𝜑𝑥𝑚𝑎𝑥.Gb nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất và đảm bảo

độ ổn định tốt khi phanh

Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh là giữu cho bánh

xe trong quá trình phanh ở độ trượt thay đổi trong một giới hạn hẹp quanh giá trị  nhờ vậy sẽ đảm bảo hiệu quả phanh tính ổn định và tính dẫn hướng khi phanh tốt nhất

Để giữ cho các bánh xe không bị hãm cứng và đảm bảo hiệu quả phanh cao cần phải điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh cao cho độ trượt của bánh xe với mặt đường thay đổi quanh giá trị  trong giới hạn hẹp Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh

có thể sử dụng các nguyên lý điều chỉnh sau:

- Theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh

- Theo giá trị độ trượt cho trước

- Theo giá trị của tỷ số vận tốc góc của bánh xe với gia tốc chậm dần của nó

Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh gồm các phần tử sau:

- Cảm biến để phát tín hiệu về tình trạng của đối tượng cần được thông tin, cụ thể

là tình trạng của bánh xe đang được phanh Tùy theo sự lựa chọn nguyên lý điều chỉnh có thể dùng cảm biến vận tốc góc, cảm biến áp suất trong dẫn động phanh, cảm biến gia tốc của ôtô và các loại cảm biến khác

- Bộ điều khiển để xử lý thông tin và phát các lệnh nhả phanh hoặc phanh bánh

xe

- Bộ thực hiện để thực hiện các lệnh do bộ điều khiển phát ra (bộ thực hiện có thể

là thủy lực, loại khí hoặc hỗn hợp thủy khí)

Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe hiện nay thường sử dụng nguyên lý điều chỉnh

áp suất trong dẫn động phanh theo gia tốc chậm dần của bánh xe có bố trí cảm biến vận tốc góc

Trang 31

Bảng 2.1 kết quả thí nghiệm ôtô du lịch có hệ thống chống hãm cứng bánh xe

Loại đường

Tốc độ bắt đầu phanh v(m/s)

Quãng đường phanh Lợi về

hiệu quả phanh

Có hệ thống chống hãm cứng bánh xe

Không có hệ thống chống hãm cứng bánh xe

2.2.3 Giản đồ phanh và chỉ tiêu phanh thực tế

❖ Các công thức xác định gia tốc chậm dần, thời gian phanh và quãng đường phanh mang tính lý thuyết, trong điều kiện lý tưởng, tức là khi phanh thì áp suất c hất lỏng có giá trị cực đại tại thời điểm bắt đầu phanh, không kể thời gian phản ứng của người lái

❖ Để xác định được quãng đường phanh thực tế cần nghiên cứu quá trình phanh qua

các đồ thị thực nghiệm thể hiện quan hệ giữa lực phanh P p sinh ra ở bánh xe với thời gian

t Đồ thị này được gọi là ‘‘giản đồ phanh ’’

Giản đồ phanh được xây dựng bằng thực nghiệm, qua giản đồ phanh ta phân tích và thấy được bản chất của quá trình phanh

Hình 2.7: Giản đồ phanh

Trang 32

❖ Quan sát giản đồ ta thấy:

Điểm O : Lúc người lái nhìn thấy chướng ngại ở phía trước và nhận thức được cần phải phanh

t 1 : Thời gian phản xạ của người lái

+ Từ lúc thấy được chướng ngại vật cho đến lúc tác dụng vào bàn đạp phanh

+ Thời gian t 1 phụ thuộc vào trình độ người lái.Thường giới hạn t 1 = 0,3 - 0,8 (s)

t 2: Thời gian chậm tác dụng của dẫn động phanh

+ Từ lúc người lái tác dụng vào bàn đạp phanh cho đến khi má phanh ép sát vào trống phanh

+ Thời gian này đối với các loại phanh là khác nhau

Với phanh dầu t 2 = 0,03(s)

Với phanh khí t 2 =0,3 (s)

t 3 : Thời gian biến thiên lực phanh hoặc tăng gia tốc chậm dần

+ Với phanh dầu: t 3 = 0,2 (s)

Trong thời gian t 4 này lực phanh P p và gia tốc chậm dần j có giá trị không đổi

t 5 : Thời gian nhả phanh, lực phanh P p giảm đến 0

+ Với phanh dầu t 5 có giá trị t 5 = 0,2 (s)

+ Với phanh khí t 5 có giá trị t 5 = 1,5- 2(s)

Khi ôtô dừng hoàn toàn rồi mới nhả phanh thì thời gian t 5 không ảnh hưởng gì đến

quãng đường phanh nhỏ nhất

Vậy quá trình phanh kể từ khi người lái xe nhận được tín hiệu cho đến khi ôtô dừng

hẳn kéo dài thời gian t như sau: t = t 1 + t 2 + t 3 + t 4 (2.34)

❖ Quan sát trên giản đồ phanh ta thấy:

Ở thời gian t 1 , t 2 lực phanh P p hoặc gia tốc chậm dần j bằng không Lực phanh P p

và gia tốc chậm dần j bắt đầu tăng lên từ điểm A là điểm khởi đầu của thời gian t 3 , cuối

Trang 33

thời gian t 3 lực phanh và gia tốc chậm dần có giá trị cực đại và giữ không đổi trong suốt thời gian t 4 , cuối thời gian t 4 thì lực phanh và gia tốc chậm dần giảm cho đến hết thời gian

t 5 thì chúng có giá trị bằng 0

Nếu kể đến thời gian chậm tác dụng t 2 của dẫn động phanh thì quãng đường phanh

thực tế tính từ khi tác dụng lên bàn đạp phanh cho đến khi ôtô dừng hẳn được xác định theo công thức sau:

S = v1.t2 + 𝑘𝑠

2 𝜑.g v12 (2.35) Trong đó:

k s: Hệ số hiệu đính quãng đường phanh, được xác định bằng thực nghiệm:

Với xe du lịch: k s = 1,1  1,2

Với xe tải và xe khách: k s = 1,4  1,6

S: Quãng đường phanh thực tế

❖ Trong thực tế khi sử dụng má phanh bị mòn và điều chỉnh phanh không đúng sẽ làm cho quãng đường phanh lớn và gia tốc chậm dần khi gia tốc giảm 10  15% so với khi phanh còn mới và điều chỉnh đúng

❖ Những qui định về hiệu quả phanh được Bộ Giao thông vận tải Việt Nam quy định

rõ trong “Tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường của phươgn tiện cơ giới đường bộ” trình bày ở bảng sau:

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn về hiệu quả phanh cho phép ôtô lưu hành trên đường

Loại ôtô

Quãng đường

phanh (m)

không lớn hơn

Gia tốc chậm dần

cực đại, (m/s 2) không nhỏ hơn

- Ôtô con và các loại ôtô khác thiết kế trên cơ

sở ôtô con

- Ôtô tải, trọng lượng toàn bộ nhỏ hơn 80 KN và

ôtô khách có chiều dài toàn bộ dưới 7,5m

- Ôtô tải hoặc đoàn ôtô có trọng lượng toàn bộ

lớn hơn 80 KN ,ôtô khách có chiều lớn hơn 7,5m

Trang 34

2.2.4 Tính ổn định của ô tô khi phanh

Trong quá trình phanh của ôtô thì trục dọc của ôtô có thể bị nghiêng đi một góc  nào đấy so với hướng của quỹ đạo đang chuyển động Sở dĩ như vậy là do tổng các lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên phải khác với tổng các lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên trái

và tạo thành mômen quay vòng M q quanh trục thẳng đứng Z đi qua trọng tâm A của ôtô Khi phanh mà ôtô quay đi một góc quá mức quy định thì sẽ mất an toàn chuyển động trên đường Vậy tính ổn định khi phanh là khả năng ôtô dữ được quỹ đạo chuyển động như ý muốn của người lái trong quá trình phanh

Giả sử ôtô đang chuyển động theo hướng của trục X nhưng sau khi phanh thì lệch một góc  Trong khi phanh thì các bánh xe bên phải có lực phanh PP.Ph1 ở trục trước, PP.Ph2

ở trục sau, còn ở các bánh xe bên trái có các lực phanh PP.tr1 ở trục trước và PP.tr2 ở trục sau Tổng các lực phanh bên phải là:

Do có sự ma sát giữa bánh xe và mặt đường cho lên khi suất hiện mômen quay vòng

Mq thì các bánh xe của trục trước sẽ có phản lực R Y1 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 dưới dạng:

Trang 35

Lấy tích phân hai lần phương trình (2.40) ta được:

= 𝑀𝑞

2𝐼𝑧 t2 + C (2.41)

Ở đây: t- Thời gian phanh

Để tìm giá trị của C ta sử dụng điều kiện ban đầu t = 0 thì  =  và lắp vào phương trình (2.41) ta có C = 0 từ đó rút ra được biểu thức cuối cùng để xác định góc lệch  do momen quay Mq gây nên, mà momen quay Mq là do sự không đồng đều lực phanh ở các bánh xe bên phải và bên trái của ô tô tạo ra:

Giả sử rằng các bánh xe ở bên phải có lực phanh lớn nhất PP.Phmax theo điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường thì lực phanh thấp nhất ở bánh xe bên trái cho phép :

max = 0,075𝐵𝑃′𝑝𝑚𝑎𝑥

2𝐼𝑧 t2 (2.45)

Trang 36

Ở biểu thức (2.45) thành phần P’Pmax cần phải hiểu là lực phanh cực đại ở một phía theo điều kiện bám

Lực phanh cực đại: P’pmax = 𝐺

2 𝜑𝑚𝑎𝑥 (2.46) Lắp giá trị P’Pmax từ biểu thức (2.46) và (2.45) cuối cùng ta có biểu thức xác định max:

max = 0,019 𝐵𝐺𝑡

𝐼𝑧 (2.47) Góc lệch cực đại max cho phép khi phanh không vượt quá 8 0 hoặc khi phanh ôtô không vượt ra ngoài hành lang có chiều rộng 3,5 m

2.3 Sự bám của bánh xe với mặt đường

2.3.1 Đặt vấn đề

Một vấn đề lớn và cũng là bài toán quan trọng cần phải giải quyết đối với hoạt động của cơ cấu phanh, đó là khi ô tô phanh gấp hay phanh trên các loại đường 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 quả phanh thấp đi, đồng thời dẫn đến tình trạng mất ổn định

và khả năng điều khiển của xe Nếu các bánh trước bị hãm cứng sẽ làm cho xe không thể chuyển hướng 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 đầu phanh Trong trường hợp

xe phanh khi quay vòng, hiện tượng trượt ngang của các bánh xe dễ dẫn tới hiện tượng quay vòng thiếu hay quay vòng thừa làm mất tính ổn định khi xe quay vòng

Để giải quyết bài toán về vấn đề hiệu quả và tính ổn định khi phanh, phần lớn các xe

ô tô hiện nay đều trang bị cơ cấu chống hãm cứng bánh xe khi phanh, tức là chống hiện

tượng trượt lết của bánh xe, gọi là “Anti-Lock Braking System’’ và thường được viết và

gọi tắt là ABS

Cơ cấu ABS hoạt động chống hãm cứng bánh xe khi phanh bằng cách điều khiển thay đổi áp suất dầu tác dụng lên các xylanh bánh xe để ngăn không cho nó bị hãm cứng khi phanh trên đường trơn hay khi phanh gấp, đảm bảo 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 an toàn chuyển động của ô tô, nó có liên quan chặt chẽ đến tính chất động lực học của ô tô, đến hiệu quả phanh

Trang 37

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 các giá trị tối ưu này

2.3.2 Hệ số bám

Bánh xe là phần tử đàn hồi kết hợp giữa xe và mặt đường Nhờ có sự bám giữa bánh

xe với mặt đường mới có sự truyền động các mô men kéo, mô men phanh được tạo ra từ động cơ hay cơ cấu phanh tới mặt đường, giúp cho xe chuyển 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 cơ học 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 lốp vào 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 là trong mặt phẳng chuyển động của ô tô được gọi là hệ số bám dọc 𝜑𝑥 và hệ số bám trong mặt phẳng ngang vuông góc với mặt phẳng dọc và được gọi là

𝜑𝑦 = 𝑌𝑚𝑎𝑥

𝐺𝑏 (2.49) Trong đó:

Y max - Là lực ngang cực đại tác dụng lên bánh xe

P pmax - Là lực phanh lớn nhất

G b - Tải trọng tác dụng lên bánh xe

Thực nghiệm chứng tỏ rằng hệ số bám phụ thuộc nhiều yếu tố như: Loại mặt đường

và tình trạng mặt đường, kết cấu và nguyên liệu lốp, áp suất không khí 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 thuộc vào các yếu tố kể trên

Trang 38

2.3.3 hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh

Mô men phanh do cơ cấu phanh của bánh xe sinh ra, nhưng mặt đường là nơi tiếp nhận thông qua điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường Nên lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường Mà đặc trưng là hệ số bám theo mối quan hệ sau:

Ppmax = 𝑃𝜑 = Zb.𝜑 (2.50) Trong đó:

P pMax :Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường

P: Lực bám giữa bánh xe với mặt đường

Z b : Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe

x :Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường

Từ đây ta thấy khi phanh gấp ( P p lớn) hay khi phanh trên các loại đường có hệ số bám thấp như đường trơn thì phần Pp dư vượt quá giới hạn trên, do mặt đường không có khả năng tiếp nhận sẽ làm cho bánh xe sớm bị hãm cứng và trượt lết trên đường Cũng theo (2.50) thấy rằng hệ số bám  đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường Duy trì hệ số bám cao trong quá trình phanh để đạt giá trị lực cực đại là mục tiêu cần quan tâm đối với cơ cấu phanh

2.4 Hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS

2.4.1 Sơ lược về nội dung và các thiết bị mô hình cơ cấu ABS

Nhờ sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật, trên thế giới đã có công ty chuyên 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 phanh trên 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 nhưng trên cơ sở các thiết bị của cơ cấu phanh xe máy, lập trình chương trình điều khiển, cũng không giống như hoạt động của cơ cấu phanh thật rất nhiều công trình nghiên cứu về cơ cấu phanh ABS

và đưa vào ứng dụng có hiệu quả, ngày càng cải tiến và tối ưu hoá quá trình điều khiển của

cơ cấu Theo đó nội dung chương trình và công nghệ chế tạo mô hình để phục vụ cho công tác giảng dạy cũng được làm rất tốt Những kết quả mới, cơ cấu mới được đưa ra sử dụng bên ngoài cũng đều được đưa lên mô hình để giảng dạy

Trang 39

Các mô hình cơ cấu phanh ABS thường được chế tạo dựa trên các chi tiết thật của ô

tô và có các dạng: Mô hình các cụm chi tiết rời, mô hình cắt các chi tiết, mô hình cấu tạo của cơ cấu và mô hình làm việc

2.4.2 Mục tiêu của cơ cấu ABS

Mục tiêu của cơ cấu phanh ABS là giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị để tận dụng được hết khả năng bám, khi đó hiệu quả phanh cao nhất( lực phanh đạt cực đại do giá trị 𝜑𝑥𝑚𝑎𝑥 ) đồng thời tính ổn định

và tính dẫn hướng của bánh xe là tốt nhất, thỏa mãn các yêu cầu của cơ cấu phanh là rút ngắn quãng đường phanh, cải thiện tính ổn định và khả năng dẫn hướng của xe trong khi phanh

Để giữ cho bánh xe không bị hãm cứng và đảm bảo hiệu quả phanh cao, cơ cấu phanh chống hãm cứng điều khiển áp suất trong dẫn động phanh sao cho độ trượt của bánh xe với mặt đường quanh giá trị trong giới hạn hẹp

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

- Cụm tín hiệu vào : Có nhiệm vụ nhận biết tình trạng của các bánh xe khi phanh Tùy theo sự lựa chọn nguyên lý điều chỉnh có thể dùng các cảm biến 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 sử dụng nguyên lý điều chỉnh

áp suất trong dẫn động phanh theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh

ABS phải đáp ứng được các yêu cầu về an toàn liên quan đến động lực học phanh và chuyển động của ôtô

Hệ thống phải làm việc ổn định và có khả năng thích ứng cao, điều khiển tốt trong suốt dải tốc độ của xe và ở bất kỳ loại đường nào

Trang 40

Hệ thống phải khai thác một cách tối ưu khả năng phanh của các bánh xe trên đường

Hệ thống ABS sẽ làm cho mômen xoay xe quanh trục đứng đi qua trọng tâm của xe tăng rất chậm để người lái xe có đủ thời gian bù trừ mômen này bằng cách điều chỉnh hệ thống lái một cách dễ dàng

a) Sự thay đổi momen phanh b) Áp suất dẫn động phanh

c) Gia tốc bánh xe Hình 2.8: Sự thay đổi mô men phanh, áp suất dẫn động phanh và gia tốc

của bánh xe khi phanh có ABS Trên (hình 2.8) trình bày đồ thị chỉ sự thay đổi của một số thông số của cơ cấu 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 momen phanh

Mp tăng lên làm giá trị gia tốc chậm dần của bánh xe và làm tăng độ trượt của nó Sau khi vượt qua điểm cực đại trên đường cong 𝜑𝑥 = f() thì gia tốc chậm dần của bánh xe bắt đầu tăng đột ngột Điều này báo hiệu bánh xe có xu hướng bị hãm cứng Giai đoạn này của quá

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	2,28 MB