Nghiên cứu thiết kê1 chế tạo mô hình hệ thống thử phanh ô tô

Chắnh vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt ựộng của hệ thống thử phanh BEP3600, xây dựng mô hình mô phỏng và chương trình ựiều khiển hệ thống, tắnh toán lực phanhẦ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH

HỆ THỐNG THỬ PHANH Ô TÔ

Investigation and realization of a model of brake test system for automobiles

Sinh viên: Nguyễn Viết Luân Ờ Vũ Trung Kiên Cán bộ hướng dẫn: Lê Cung, Nguyễn Thế Tranh Chương trình đào tạo Kỹ sư Chất lượng cao PFIEV-đà Nẵng

TÓM TẮT:

đề tài nghiên c ứ u xây d ự ng mô hình mô ph ỏ ng h ệ th ố ng th ử phanh ô tô ki ể u con l ă n quán tắnh,

ự i ề u khi ể n t ự ựộ ng s ử d ụ ng vi ự i ề u khi ể n PIC18F4550, ựồ ng th ờ i xây d ự ng ch ươ ng trình tắnh toán l ự c phanh b ằ ng ngôn ng ữ Visual Basic

ABSTRACT:

This article presents the investigation and the realisation of a model of automatic brake test system using microcontroller PIC18F4550, and the elaboration of a program on Visual Basic language for calculating automobile brake system factors

I Mở ựầu:

1 Lý do chọn ựề tài và ý nghĩa thực tiễn:

Cùng với sự phát triển nền kinh tế, ôtô ngày càng ựóng vai trò quan trọng trong vận chuyển trên toàn thế giới Các nhà thiết kế ôtô ngày càng chú trọng ựến vấn ựề kiểm tra, bảo dưỡng thường xuyên nhằm ựảm bảo an toàn trong lưu thông, trong ựó hiệu quả phanh là yếu tố quan trọng ựược quan tâm nghiên cứu

Ở nước ta hiện nay ựã tồn tại nhiều hệ thống thử phanh hoạt ựộng với nhiều nguyên lý khác nhau Tại công ty Máy ựộng lực và nông nghiệp, nhà máy Ôtô VEAM (Thanh Hóa) có trang bị hệ thống thử phanh BEP3600 kiểu con lăn quán tắnh hoạt ựộng với nguyên lý khác hẳn với những hệ thống cũ và thể hiện những ưu ựiểm nổi trội Tuy vậy, hệ thống này ựã bị hư hỏng, không hoạt ựộng ựược, cần ựược phục hồi

Chắnh vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt ựộng của hệ thống thử phanh BEP3600, xây dựng mô hình mô phỏng và chương trình ựiều khiển hệ thống, tắnh toán lực phanhẦ Sau khi nghiên cứu hoàn chỉnh trên mô hình thực nghiệm, sẽ tiến tới áp dụng vào việc sửa chữa khôi phục hệ thống thử phanh tại nhà máy Ôtô Veam Thanh Hóa

2 Mục ựắch và phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý làm việc của hệ thống thử phanh BEP3600 trang bị tại nhà máy Ôtô Veam Thanh Hóa, nghiên cứu lý thuyết các phương pháp tắnh toán lực phanh

- Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống thử phanh, thiết kế vi mạch ựiều khiển hệ thống thử phanh sử dụng PIC18F4550, xây dựng chương trình ựiều khiển hệ thống và tắnh toán lực phanh Trên cơ sở thành công của việc ựiều khiển trên mô hình, sẽ ứng dụng vào việc ựiều khiển

hệ thống thử phanh thực tế BEP3600

Hệ thống thử phanh BEP3600 có thể thực hiện ựược rất nhiều ứng dụng như ựo lực phanh tay, kiểm tra tốc ựộ ựồng hồ kilomét, ựo lực phanh khi phanh xe, do vận tốc bánh xe khi phanhẦ Tuy nhiên, ựề tài chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp ựo lực phanh, vận tốc bánh xe khi phanh (phanh chắnh và phanh tay) và giới thiệu ba ứng dụng cơ bản của hệ thống thử phanh

3 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu các phương pháp lý thuyết hay thực nghiệm ựể xác ựịnh lực phanh, quãng ựường phanh, vận tốc phanh

- Nghiên cứu thực nghiệm dựa trên việc chế tạo mô hình hệ thống thử phanh, lập trình ựiều khiển mô hình nhằm kiểm chứng các phương pháp lý thuyết Sau ựó áp dụng chương trình ựiều khiển vào ựiều khiển hệ thống phanh thực tế tại nhà máy Ôtô VEAM Thanh Hóa

II Tổng quan:

Hiện nay ở nước ta, số lượng các băng thử phanh trong các xắ nghiệp sửa chữa, trạm kiểm ựịnh cũng như ở các trường đại học Kỹ thuật ngày càng tăng cùng với yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lượng kiểm tra điển hình là hệ thống thử phanh AHS của hãng AHS Wildau GmdH+ Co KG Bussinesspark Berlin Windau đức ựược lắp ựặt tại trường đại học Bách khoa

đà Nẵng, hệ thống thử phanh RAVAGLIOLI của hãng Pontecchi Marconi Bologna Italia Via Maggio Italia tại Công ty Ô tô Trường Hải, hệ thống thử phanh Micro Brake 6000 của hãng Biess Marth Automobil-Servicegerate đức tại Garage Sài Gòn, Long An, hệ thống thử phanh của hãng Nissan Nhật Bản ựược lắp tại nhà máy Cơ khắ Ô tô đà Nẵng

Mỗi hệ thống ựều sử dụng nguyên lý tắnh toán lực phanh riêng và có những ưu khuyết ựiểm nhất ựịnh Nhược ựiểm cơ bản mà hầu hết các hệ thống phanh thường gặp là vận hành chế

ựộ thử ở vận tốc tĩnh (2,3-5km/h) và vì vậy không giống với ựiều kiện thực tế của xe chạy trên ựường Hệ thống thử phanh BEP3600 khắc phục ựược nhược ựiểm ựó, có thể vận hành ở chế ựộ ựộng với vận tốc có thể lên tới 180 km/h ở chế ựộ thử vận tốc Hơn nữa, hệ thống này ựược tắch hợp nhiều chức năng cho phép xác ựịnh ựược nhiều yếu tố ựánh giá hiệu quả phanh, ựo ựược giá trị quãng ựường phanh, lực phanhẦ của mỗi bánh xe

III Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:

1 Nguyên lý xác dịnh lực phanh của ô tô:

Hình 1 trình bày mô hình nhằm xác ựịnh lực phanh

trên bánh xe Bánh xe ựược ựặt trên một rulô dưới một áp

lực nhất ựịnh Khi cho rulô quay, bánh xe sẽ quay theo Khi

rulô và bánh xe ựạt ựược vận tốc góc ổn ựịnh, tài xế ựạp

phanh, tạo ra momen phanh tác ựộng lên bánh xe, làm bánh

ựộng lên rulô làm rulô chuyển ựộng chậm dần

Phương trình chuyển ựộng của ru lô như sau:

2

tắnh và gia tốc góc của rulô; R và m: bán kắnh và khối

lượng của ru lô, ∑ Mcan: tổng các thành phần momen cản tác ựộng lên rulô, không kế momen

phanh

M do lựcFphanh tác ựộng lên rulô Từ (1), có thế suy ra công thức tắnh toán lực phanh:

v

d

dt

Như vậy, ựể xác ựịnh lực phanh, cần thiết phải xác ựịnh gia tốc tiếp tuyến dv/dt của rulô

2 Sơ ựồ nguyên lý làm việc hệ thống thử phanh BEP3600:

bốn ru lô chuyển ựộng, tương ứng làm bốn bánh xe quay theo Khi các rulô ựạt ựược tốc ựộ ổn ựịnh (vận tốc thử), bốn ựộng cơ ựược ngắt khỏi nguồn ựiện và các rulô sẽ quay tự do Kể từ lúc ngắt ựiện ựến thời ựiểm ựược cài ựặt trước, chương trình sẽ tắnh toán lực cản của xe Sau ựó, hệ thống thông báo ựể tài xế ựạp phanh, chương trình bắt ựầu thực hiện việc ựo lực phanh Do tác

Hình 1

Bánh xe

Rulô

phanh

F

r

ñộng của lực cản của xe và của momen phanh, rulô chuyển ñộng chậm dần Bốn encoder ñược

bố trí nhằm xác ñịnh gia tốc góc của các rulô, từ ñó xác ñịnh ñược lực cản và lực phanh Các biến tần ñược bố trí nhằm ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ, khi cần thử phanh ở các chế ñộ khác nhau (hình 2)

Hình 2 : Sơ ñồ nguyên lý mô hình hệ thống thử phanh

BEP3600 tại nhà máy ôtô Veam Thanh Hóa

Bánh ñ à 1

ðộ ng c ơ 2 Encoder 3

M ạ ch

ñ i ề u khi ể n 4

Máy tính 5

Hình 3 : Mô hình thực

nghiệm hệ thống thử phanh

Kh ở i ñộ ng ñộ ng c ơ V = Vth ử

D ừ ng ñộ ng c ơ

Xác ñịnh gia tốc rulô

Fti = m.dv/dt

Ft = Max(Fti)

B ắ ñầ u

K ế t thúc

Hình 4 :

Kh ở i ñộ ng ñộ ng c ơ V = Vth ử

Dừng ñộng cơ Gốc thời gian t = 0

Xác ñịnh gia tốc của rulô

Fci = m.dv/dt - Ft

t = t1 ?

Fc = Max (Fci)

B ắ ñầ u

S

ð

A

ð

Hình 5

ðạ p phanh

Fpi = m.dv/dt – Fc - Ft

V = 0 ?

Fp = Max (Fpi)

K ế t thúc

S

ð

A

3 Sơ ñồ nguyên lý làm việc của mô hình hệ thống thử phanh:

ðể tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trước khi áp dụng vào ñiểu khiển và xác ñịnh lực phanh trên hệ thống thử phanh thực tế, chúng em xây dựng mô hình thực nghiệm như trên hình

3 Hai bánh ñà (1) mô phỏng hai rulô trước của hệ thống thử phanh Khi ñộng cơ (2) quay sẽ làm quay các bánh ñà Tín hiệu từ encoder ñưa về mạch ñiều khiển, mạch này sẽ tính toán và truyền lên máy tính giá trị vận tốc góc, gia tốc góc của bánh ñà, ñồng thời mạch này cũng ñóng, ngắt và ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ, thực hiện các chế ñộ thử ở vận tốc khác nhau Quá trình vận hành ñược ñiều khiển trên máy tính, các lệnh ñiều khiển ñược truyền xuống mạch ñiện ñể ñiều khiển trạng thái ñộng cơ

4 Phương pháp thực nghiệm xác ñịnh lực phanh:

Trước hết cần

xác ñịnh lực cản Ft của

hệ thống, lực này ñược

xác ñịnh khi không có

xe trên bệ thử Hình 4

trình bày sơ ñồ thuật

toán xác ñịnh lực cản Ft

của hệ thống Sau ñó,

xác ñịnh lực cản Fc của

xe và lực phanh Fp, theo

sơ ñồ thuật toán cho

trên hình 5

Vận tốc và gia tốc

rulô ñược xác ñịnh theo

phương pháp như sau:

Giá trị vận tốc ñược lấy

mẫu với chu kỳ 140ms,

cùng với thời gian

tương ứng và ñược lưu

vào mảng hai chiều

Bằng cách xem như vận

tốc là tuyến tính theo

thời gian trong khoảng giữa hai lần lấy mẫu, có thể tính toán ñược gia tốc rulô như sau:

1

1

v v

v n n

d

+

+

−

=

− , trong ñó tn, tn+1: thời ñiểm lấy mẫu liên tiếp thứ n và n+1 với vận tốc tương

ứng là vn, vn+1 với vn ≤ ≤ v vn+1

5 Quy trình thử phanh:

Quá trình thử phanh bao gồm thử phanh chính (gọi tắt là thử phanh) và thử phanh tay Quy trình vận hành ñược mô tả ở sơ ñồ cho trên hình 6

6 Chương trình ñiều khiển hệ thống và tính toán lực phanh:

ðể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ quay rulô, thu nhận tín hiệu từ encoder…, chúng em ñã thiết

kế và chế tạo bộ vi mạch ñiều khiển sử dụng PIC18F4550, ñồng thời xây dựng chương trình ñiều khiển, tính toán xác ñịnh vận tốc xe khi phanh, xác ñịnh gia tốc rulô (hay bánh xe), xác ñịnh lực phanh Chương trình ñược viết trên ngôn ngữ Visual Basic

Giao diện chính của chương trình ñiều khiển ñược trình bày trên hình 7 bao gồm:

Hình 6

TH Ử PHANH

Ru lô quay ñế n v ậ n t ố c

th ử , bánh xe quay theo

C ắ t ngu ồ n ñộ ng c ơ ,

ru lô quay t ự do

T ừ lúc c ắ t ngu ồ n t = 0 ñế n

th ờ i ñ i ể m cài ñặ t tr ướ c t = t1:

Tính l ự c c ả n

T ạ i t = t1, b ắ ñầ u ñạ p phanh

T ừ t = t1 ñế n khi V = 0:

Tính l ự c phanh

PHANH TAY

T ươ ng t ự ch ế ñộ

TH Ử PHANH,

nh ư ng ch ỉ có 2 rulô sau quay, dùng phanh tay

Ti ế p t ụ c

Th ử l ạ

Nút CÀI ðẶT: thiết lập các thông số ban ñầu như vận tốc thử phanh, các hệ số hiệu chỉnh Nút BẮT ðẦU: bắt ñầu thử phanh, toàn bộ quá trình thử ñều thực hiện tự ñộng Nút BIỂU ðỒ: hiển thị ñồ thị sau mỗi quá trình thử phanh Nút STOP: dừng ñộng cơ Nút EXIT:

thoát khỏi chương trình

Trên màn hình giao diện hiển thị bằng số một số kết quả như: vận tốc bánh xe, lực cản tác ñộng lên hệ thống, lực phanh… Kết quả xác ñịnh vận tốc và lực phanh (tại thời ñiểm phanh) ñược hiển thị bằng số trên màn hình giao diện (hình 7) và ñược biểu diễn bằng ñồ thị như trên hình 8 và hình 9

Hình 7 : Giao diện chính của chương trình ñiều khiển

IV đánh giá kết quả:

Sau thời gian nghiên cứu thực hiện ựề tài, chúng em ựã ựạt ựược các kết quả sau ựây: Nắm vững ựược cấu tạo, nguyên lý hoạt ựộng của hệ thống thử phanh BEP3600 Thiết kế, chế tạo, vận hành thành công mô hình hệ thống thử phanh, xây dựng ựược chương trình ựiều khiển hệ thống và tắnh toán ựược các chỉ tiêu cơ bản của hệ thống thử phanh (vận tốc bánh xe, lực phanhẦ)

Mô hình và chương trình ựiều khiển hoạt ựộng ổn ựịnh, các số liệu ựo ựạc ựược thể hiện ựúng theo quy luật, giao diện thuận lợi, chương trình ứng dụng cho phép lưu trữ kết quả dễ dàng, thuận tiện cho việc theo dõi, từ ựó có thể cải tiến về thuật toán chương trình ựể giảm sai số

ựo lường

Với thành công của việc thử nghiệm trên mô hình, ựề tài ựang tiếp tục nghiên cứu và triển khai ứng dụng vào hệ thống thử phanh BEP3600 thực tế tại nhà máy ôtô Veam Thanh Hóa

V Kết luận:

đề tài nghiên cứu cơ bản ựã thành công trên mô hình thực nghiệm và có thể ựược triển khai mở rộng ứng dụng thực tế nhằm ựiều khiển hệ thống thử phanh BEP3600 tại nhà máy ôtô Veam Thanh Hóa Các ứng dụng khác của hệ thống thử phanh như kiểm tra ABS (hệ thống chống bó phanh) cần ựược tiếp tục nghiên cứu thực hiện bằng cách phát triển phương pháp vi phân ựồ thị

Lời cảm ơn:

Chúng em chân thành cảm ơn thầy Lê Cung, thầy Nguyễn Thế Tranh, ông Trần Hoàn, Giám ựốc Công ty Cơ khắ tự ựộng hóa DAMECO đà Nẵng, ựã tận tình hướng dẫn và tạo ựiều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành các nghiên cứu ứng dụng của mình

Tài liệu tham khảo:

[1] Công ty Cơ khắ tự ựộng hóa DAMECO, Hệ thống thử phanh BTS3000C, đà Nẵng 2005

[2] Ngô Diên Tập, Lập trình ghép nối máy tắnh trong Windows, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ

Thuật, Hà Nội 2002

[3] Ngô Diên Tập, Vi ựiều khiển với lập trình C, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội

2002

[4] Nguyễn Tiến, Ngô Quốc Việt, Phạm Nguyễn Tuấn Kỳ, Kỹ thuật lập trình Visual Basic -

Tự học trong 21 ngày, Nhà xuất bản Giáo dục Hà Nội 1997

[5] Nguyễn Hữu Cẩn, Phanh Ôtô (Cơ sở khoa học và thành tựu mới), Nhà xuất bản Khoa Học

và Kỹ Thuật, Hà Nội 2004