HỆ THỐNG cân BẰNG điện tử ESP full

- ESP không chỉ can thiệp ở hệ thống phanh, mà còn có thể can thiệp vào động cơ của xe giúp tăng/giảm tốc các bánh xe.. o Nguyên lý hoạt động cơ bản: Ở chế độ không tải cưỡng bức n

Chương 1: Tổng quan về ESP

- Nếu một chiếc xe được trang bị hệ thống cân bằng điện tử Electronic Stability Program (ESP), nó cũng sẽ bao gồm hai hệ thống an toàn chủ động khác: hệ thống chống bó cứng phanh Anti-blocage System (ABS)

và Hệ thống chống trượt (ASR).

- ABS giúp các bánh xe không bị khóa trong khi phanh.

- ASR giúp bánh xe không bị trượt trong khi khởi động hoặc tăng tốc.

- Nếu ABS và ASR tác dụng lên động lực theo chiều dọc của xe thì ESP cũng cải thiện động lực trên bề ngang của thân xe, qua đó giúp xe

ổn định ở tất cả các hướng.

- Nghiên cứu quốc tế cho thấy rằng ít nhất 40% các vụ tai nạn gây tử vong là

do các bánh xe bị trượt khỏi đường

- Có thể thấy việc xe mất kiểm soát và trượt khỏi làn đường là một trong những nguyên nhân chính của tai nạn giao thông ESP có thể ngăn chặn tới 80% các vụ tai nạn liên quan đến trượt

- ESP luôn luôn được kích hoạt trên xe Nếu chiếc xe di chuyển theo một hướng khác, ESP sẽ phát hiện một tình huống nguy hiểm và phản ứng ngay lập tức – kể cả không có sự can thiệp của người lái xe Nó sử dụng hệ

thống phanh của xe để trả lại cho xe quỹ đạo của nó

- ESP không chỉ can thiệp ở hệ thống phanh, mà còn có thể can thiệp vào động cơ của xe giúp tăng/giảm tốc các bánh xe Do đó quỹ đạo của xe được đảm bảo, trong giới hạn của các định luật vật lý

- Xét về hệ thống, ESP là hệ thống bao gồm các HT con sau:

 Hệ thống phanh ABS là hệ thống chống bó cứng xe khi phanh có tác

dụng lớn nhất là giảm thiểu tối đa hiện tượng mất lái khi người lái vừa phanh vừa tránh chướng ngại vật ở tốc độ cao

o Nguyên lý hoạt động cơ bản:Sự kiểm soát này thông qua ECU điều

khiển và cơ cấu thừa hành gồm một hệ thống van điện từ Các van trong cơ cấu chấp hành sẽ điều hòa áp suất phanh của bánh trượt theo các chế độ: tăng, giữ và giảm áp

 Hệ thống ASR(Acceleration Slip Regulator) được trang bị nhằm chống

hiện tượng trượt quay của các bánh xe chủ động khi xe khởi hành và tăng tốc đột ngột Hơn nữa ASR còn giúp xe cải thiện tính ổn định bằng cách điều chỉnh lực kéo của các bánh xe chủ động

o Nguyên lý hoạt động cơ bản: Trong quá trình tăng tốc nếu ASR phát hiện thấy bánh xe chủ động nào bị trượt cảm biến tốc độ của bánh xe sẽ gửi tín hiệu này đến bộ ECU ECU sẽ ra lệnh cho hệ thống phanh tác động vào bánh xe và làm giảm việc quay trơn bánh xe Hệ thống ESP cũng gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ để đóng bớt bướm

ga lại hoặc làm chậm thời điểm đánh lửa nhằm giảm mô-men xoắn của động cơ

 Hệ thống EBR(Engine Brake Regulation): có tác dụng chống hiện

tượng trượt các bánh xe chủ động hoạt động ở chế độ không tải cưỡng bức và đảm bảo tính ổn định của xe

o Nguyên lý hoạt động cơ bản: Ở chế độ không tải cưỡng bức như

trường hợp xe xuống dốc, van bướm ga đóng khi đó xe xuống dốc ở chế độ phanh bằng động cơ nếu xảy ra hiện tượng lực cản của động cơ quá lớn dẫn đến hiện tượng các bánh xe chủ động bị trượt Lập tức, ESP nhận biết hiện tượng này và gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động

cơ nhằm làm giảm sự trượt ở các bánh xe chủ động

In conclusion:

 Với sự phối hợp của các hệ thống trên, chức năng của ESP là giảm thiểu hiện tượng “văng đầu” (understeering) và “văng đuôi” (oversteering) khi xe vào cua hoặc tránh chướng ngại vật trong trường hợp khẩn cấp Trong các tình huống đó nếu xảy ra, hệ thống sẽ đảm bảo xe không bị lệch ra khỏi hướng điều khiển của người lái xe

Trong một khúc của gấp và ở vận tốc cao xe có thể mất ổn định và mất kiểm soát đối với người lái xe màu vàng là chiếc xe không có ESP, còn màu đen là chiếc xe được trang bị ESP Xe sau khi mất lái sẽ rơi vào các trường hợp sau:

 Understeer: Cầu trước của xe bị trượt nhiều hơn so với cầu sau của xe

khiến chiếc xe có một xu hướng đi thẳng thay vì theo đường cong Nếu

có ESP, thì ESP sẽ can thiệp vào hệ thống phanh bánh xe ở phía trong của cầu sau để điều chỉnh lực phanh cho phù hợp

 Oversteer: Cầu sau bị trượt nhiều hơn cầu trước, xe có thể có nguy cơ bị

lật Nếu xe có trang bị hệ thống ESP, thì ESP sẽ gửi tín hiệu đến ECU can thiệp vào hệ thống phanh bánh xe ở phía ngoài cầu trước để điều chỉnh lực phanh cho phù hợp

 Trong trường hợp người lái vẫn tiếp tục tăng tốc sau khi mất lái: ESP cũng có thể làm giảm mô-men xoắn động cơ bằng cách điều chỉnh việc nạp nhiên liệu của động cơ

Ngoài việc ngăn chặn việc trượt khỏi quỹ đạo của xe ESP còn có thể cho ta nhiều hơn thế:

 ESP có khả năng tác dụng lên hệ thống phanh một cách độc lập mà không phụ thuộc vào vị trí chân phanh chúng ta giúp triển khai một loạt các chức năng bổ sung ESP nhờ đó làm tăng sự an toàn của xe và cung

cấp cho người lái một cảm giác thoải mái và một chế độ lái vô cùng linh hoạt

Ngoài một số các chức năng thêm của ESP đã là tiêu chuẩn trên các xe Các chức năng bổ sung của ESP sẽ là một lựa chọn hoặc cũng sẽ là thiết bị tiêu chuẩn tích hợp trên xe trong tương lai trong khi yêu cầu về an toàn và tiện nghi ngày càng cao như:

 Hệ thống bám trên sườn dốc:

Việc khởi động trên sườn dốc thường gặp những khó khăn nhất là đối với xe tải trọng lớn do ta phải thao tác rất nhanh giữa chân phanh, chân ga và chân côn để ngăn chặn các xe bị trôi xuống dốc

Hệ thống ESP có trang bị hệ thống bám trên sườn dốc sẽ giúp khởi động ở sườn dốc dễ dàng hơn bằng cách vẫn duy trì áp lực ở phanh trong khoảng 2 giây sau khi người lái nhấc chân khỏi chân phanh Do đó, người lái có đủ thời gian để chuyển

từ chân phanh sang chân ga mà không cần phải sử dụng phanh tay

 Trợ giúp phanh khẩn cấp:

Khi phanh khẩn cấp, người lái thường không áp dụng đủ áp lực lên chân phanh Đối với hệ thống ESP có trang bị trợ giúp phanh khẩn cấp qua việc giám sát áp lực trên bàn đạp phanh và sự thay đổi đột ngột của áp lực sẽ giúp ECU biết được khi nào cần hỗ trợ người lái trong việc dừng xe Khi phát hiện người lái không phanh

đủ mạnh, hệ thống sẽ làm tăng lực phanh tối đa Nhờ đó, quãng đường di chuyển của xe trước khi dừng hẳn cũng sẽ giảm

 Thích ứng với tải trọng:

Tải trọng xe có một tác động rất lớn lên phanh, độ bám đường và sự cân bằng của

xe thích ứng tải xác định những thay đổi của khối lượng xe và trọng tâm của xe sau đó sẽ có những điều chỉnh tương ứng nhờ vào các biện pháp can thiệp của ESP

 Dự báo lật xe:

Đối với các dòng xe bán tải, do tâm xe cao hơn các loại xe cá nhân, nên nguy cơ lật

xe tăng lên rất nhiều Chức năng dự báo lật xe sử dụng các cảm biến của hệ thống ESP và can thiệp khi chiếc xe có nguy cơ bị lật ECU sẽ điều khiển tác động lên từng bánh xe riêng rẽ hay làm giảm lực tác dụng của động cơ để ngăn chặn xe bị lật và giữ xe cân bằng

 Hệ thống giám sát áp suất lốp:

Áp suất trong lốp giảm có thể dẫn đến một sự khác biệt về tốc độ, độ bám mặt đường tại các bánh xe có liên quan Bằng việc so sánh tốc độ từng bánh xe sẽ cho

ta biết bất kỳ sự thay đổi về áp suất Tính năng này sẽ giúp kiểm soát áp suất lốp xe nên sẽ tránh việc phải sử dụng thêm các cảm biến áp suất trong lốp xe

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

I Lực và moment:

moment tác động lên vật bằng không, vật sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều khi bỏ qua ma sát Nếu tổng số này khác 0, thì vật sẽ di chuyển theo hướng của tổng lực này

động theo hướng hướng vào tâm của trái đất

1 Lực kéo (Tractive Force)

2 Áp lực phanh (Brake Pressure) – Lực chống lại lực kéo

3 Lực bên (Lateral Force) – Lực tạo ra khả năng quay vòng cho ô tô

4 Lực bám mặt đường (Adhesion Force) – Lực bám là kết quả chính của trọng lực, lực ma sát và một số lực khác

Hình 1.1: Lực tác động vào bánh xe

- Bên cạnh đó, ô tô vẫn chịu tác động của các lực dưới đây:

1 Moment quay vòng (Yaw moment) – Lực giúp Ô tô chuyển hướng

2 Moment bánh xe(Wheels Moment) – Lực giữ cho ô tô chuyển động

3 Và một số lực khác như lực khí động học(aerodynamic drag)

Hình 1.2: Moment tác động lên ô tô

- Để tìm ra mối tương quan giữa những lực được liệt kê ở trên, ta sử dụng vòng tròn ma sát Kamm Bán kính của vòng tròn Kamm được định nghĩa bởi lực bám giữa đường và các bánh xe Nói cách khác, bán kính vòng tròn ma sát sẽ nhỏ đi khi lực bám giữa bánh xe và mặt đường nhỏ (vòng tròn a) và bán kính vòng tròn ma sát sẽ lớn khi lực bám giữa bánh xe và mặt đường lớn (vòng tròn b)

Hình 1.3: Ảnh hưởng của lực bám đến vòng tròn ma sát Kamm

- Những vấn đề cơ bản trong vòng tròn ma sát Kamm chính là tổng hợp lực G (theo nguyên tắc hình bình hành) của lực ngang (Lateral Force) S và lực phanh hoặc lực kéo B

- Ô tô chỉ ổn định khi lực tổng hợp G nằm trong vòng tròn tròn ma sát Nếu lực tổng hợp G nằm ngoài vòng tròn ma sát, ô tô sẽ không điều khiển được (mất khả năng lái)

Hình 1.4: Tổng hợp lực G và vòng tròn ma sát Kamm

- Ta sẽ cùng xem xét sâu hơn về mối quan hệ bên trong giữa 2 các lực trên (tổng hợp lực G, lực quay vòng S và lực B)

1 Khi độ lớn của lực tổng hợp giữa áp lực phanh và lực quay vòng vẫn còn nằm trong vòng tròn ma sát Ô tô sẽ không gặp vấn đề khi thực hiện quay vòng

Hình 1.5

2 Bây giờ, khi tăng áp lực phanh lên, lực quay vòng sẽ giảm dần

Hình 1.6

3 Khi tổng hợp lực giữa áp lực phanh và lực quay vòng bằng với áp lực phanh, bánh xe sẽ bị khóa Ô tô sẽ không thể thực hiện quay vòng nữa do không còn lực quay vòng 1 trường hợp tương tự xảy ra giữa công suất

đầu vào của động cơ (Input Power) và lực quay vòng Nếu lực quay vòng bằng không do công suất đầu vào được sử dụng hoàn toàn, lúc đó bánh

xe sẽ quay trơn (bị trượt)

Hình 1.7

II Quá trình điều khiển động học của ESP:

1 Nguyên lý hoạt động:

- Trước khi ESP nhận biết được 1 trường hợp lái khẩn cấp, nó phải trả lời được 2 câu hỏi sau:

 Người lái sẽ đánh lái theo hướng nào?

 Ô tô sẽ đi theo hướng nào?

- Hệ thống ESP sẽ trả lời câu hỏi số 1 từ cảm biến góc lái và cảm biến tốc độ tại các bánh xe

- Tiếp theo đó câu hỏi số 2 sẽ được cung cấp bởi cảm biến quay vòng (Yaw sensor) và cảm biến nhận biết tăng tốc lực ngang (Lateral acceration)

- Từ những thông tin từ cảm biến trên, ESP sẽ trả lời được các câu hỏi và cho

ra thông tin là a và b Từ đó, ESP giả định được là trường khẩn cấp có thể xảy ra và từ đó can thiệp vào các hệ thống điều khiển

Hình 1.8:

- 1 trường hợp nguy hiểm sẽ được biểu hiện trong 2 dạng hành vi khác nhau của ô tô:

 Nếu ô tô đang có nguy cơ bị Understeer Bằng cách cho phanh sau bên trong( bánh gần tâm quay) hoạt động 1 hiệu quả (điều chỉnh lực phanh phù hợp) và can thiệp vào hệ thống quản lý hộp số và động cơ, ESP sẽ ngăn chặn được ô tô đi lệch khỏi cua

Hình 1.9:

 Nếu ô tô đang có nguy cơ bị Oversteer Bằng cách cho phanh trước nằm ngoài (tâm quay) hoạt động 1 cách hiệu quả (điều chỉnh lực phanh phù

hợp) ) và can thiệp vào hệ thống quản lý hộp số và động cơ, ESP sẽ ngăn chặn được ô tô đi lệch khỏi hiện tương trượt

Hình 1.10:

2 Quá trình điều khiển:

- ESP có thể ngăn chặn được cả trường hợp Understeer & Oversteer

2.1 Quay vòng xe:

- Nguyên lý hoạt động cơ bản của ESP là theo dõi tình trạng hoạt động của xe

- Ví dụ như chiếc xe ủi muốn thực hiện quay vòng sang trái Bánh xe bên góc sẽ bị phanh lại và bánh xe bên ngoài sẽ tăng tốc để quay vòng để trả về hướng đi ban đầu, bánh xe mà lúc trước bị phanh lại bây giờ sẽ tăng tốc để quay vòng và bánh còn lại sẽ bị phanh lại

Hình 1.11: Trạng thái của bánh xe khi xe thực hiện quay vòng

2.2 Khi xe gặp trường hợp khẩn cấp trên đường:

- ESP còn có thể can thiệp sâu vào hệ thống điều khiển khi xe đang di chuyển trên đường

- Ví dụ sau đây để thể hiện xe không có trang bị ESP khi gặp trường hợp khẩn cấp:

o Trường hợp ô tô cần phải tránh vật đột ngột xuất hiện trên đường Ngay ban đầu, tài xế sẽ bẻ lái rất nhanh về phía tay trái và sau đó lập tức đánh lái về phía tay phải

o Ô tô sẽ mất ổn định do việc đánh lái của tài xế và chuyển động ở bánh

xe phía sau không theo nguyên lý hoạt động hệ thống lái Tài xế sẽ không thể làm chủ được sự quay vòng của ô tô quanh trục thẳng đứng

Hình 1.12: Hình ảnh mô phỏng ô tô né chướng ngại vật khi không có trang bị ESP

- Hãy cùng quan sát cùng trường hợp này với ô tô có trang bị hệ thống ESP

o Khi ô tô có dự định là tránh vật thể Dựa trên dữ liệu được cung cấp từ các cảm biến, ESP nhận diện được ô tô chuẩn bị mất cân bằng Lúc đó hệ thống sẽ tính toán để chống lại sự mất cân bằng nó:

 ESP sẽ phanh bánh trái ở phía sau lại Nó sẽ hạn chế lại sự chuyển động của ô tô do đó lực ngang tác động lên bánh trước giữ được sự ổn định của xe

 Khi mà ô tô lảo đảo qua hướng trái, tài xế bẻ lái theo hướng phải Để giúp tài xế đánh lái tối đa nhưng vẫn giữ được khả năng lái, Bánh xe trước phải sẽ bị phanh lại Lực tác động lên bánh sau sẽ quay tự do để đảm bảo tối ưu sự hình thành lực quay vòng của các bánh xe ở cầu sau

 Việc chuyển làn đường nhanh chóng sẽ làm ô tô quay quanh trục thẳng đứng Để ngăn cản việc bánh xe phía sau khỏi việc mất lái, bánh xe trước trái sẽ bị phanh lại Trong trường hợp nguy hiểm, bánh xe này sẽ

bị phanh với lực phanh khá lớn để giới hạn được sự hình thành lực quay vòng ở cầu trước (Vòng tròn ma sát Kamm)

 Khi tất cả yếu tố gây mất ổn định xe được điều chỉnh, ESP kết thúc sự điều khiển của nó và tiếp tục giám sát tình trạng hoạt động của xe

III Cấu tạo hệ thống ESP:

- Như đã đề cập ở trên, hệ thống ESP được xây dựng dựa trên những lý thuyết

về hệ thống TRC (HT điều khiển lực kéo)

- Tuy nhiên, ESP có thêm những chức năng: Hệ thống ESP có thể nhận biết

và cải thiện tình trạng không ổn định của ô tô khi khởi động ở thời gian đầu (khi động cơ còn nguội), như hiện tượng trượt

- ESP cần những tín hiệu đầu vào để tính toán, nhận biết tình trạng xe và thực hiện các chức năng điều khiển, các hệ thống ESP của từng hãng sẽ có những giá trị đầu vào khác nhau nhưng tổng quan, 1 hệ thống ESP cần có các thông

số tín hiệu như:

o Tỷ lệ quay vòng xe (Rate of Yaw)

o Gia tốc quay vòng (Lateral acceleration)

o Tốc độ bánh xe (Wheel speeds)

o Góc lái (Steering Angle)

o Áp suất phanh (Brake Pressure)

- Chính vì vậy, một số chi tiết cần phải có đối với 1 hệ thống ESP cơ bản:

o Hộp điều khiển ESP bao gồm thiết bị điều khiển và cơ cấu chấp hành

o Cảm biến tốc độ bánh xe

o Cảm biến quay vòng xe (quanh trục thẳng đứng) – Yaw rate

o Cảm biến đo gia tốc quay vòng xe (Sensor measures Lateral

accerelation)

o Cảm biến đo gia tốc xe (Sensor measures Longitudinal accerelation)

o Cảm biến đo góc lái (Steering – angle sensor)

o Cảm biến áp suất phanh ( Internal Brake pressure sensor)

o Cảm biến đo chiều dày má phanh (Brake pad wear sensor)

o ,…

IV Cấu tạo hệ thống ESP của Bosch sử dụng trên các dòng xe của Audi:

4.1 Cấu tạo cơ bản của hệ thống ESP Bosch:

Hình 1.13: Sơ đồ cấu tạo cơ bản hệ thống ESP của Bosch trang bị trên các dòng xe

Audi

4.2 Sơ đồ khối về tín hiệu và cơ cấu chấp hành hệ thống ESP của

Bosch: