Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống ABS cho xe máy

Khi tốc độ góc của bánh xe giảm tới giá trị gần bị bó cứng, tín hiệu của cảm biến được chuyển đến bộ điều khiển trung tâm để xử lý, mở đường dầu từ xy lanh chính đến xy lanh công tác làm

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sự phát triển kinh tế - xã hội và vấn đề an toàn giao thông

1.1.1 Tốc độ phát triển kinh tế và sự gia tăng dân số

Tốc độ phát triển kinh tế và sự gia tăng dân số là động lực tăng trưởng số lượng xe máy ở Việt Nam:

Trong giai đoạn này, dân số Việt Nam phát triển cũng tương đối đồng đều - khoảng 1 triệu người/năm; năm 1995 dân số Việt Nam là 71,995 triệu người và đến năm 2010 là 86,932 triệu người

Từ sự phát triển của nền kinh tế cũng như tỉ lệ tăng dân số Việt Nam giảm dần, do đó nhu cầu đi lại của người dân tăng nhanh làm số lượng phương tiện ô tô,

xe máy lưu hành càng tăng nhanh, nhất là đối với xe máy Ở năm 1995 lượng xe máy lưu hành mới chỉ vào khoảng 3,58 triệu xe nhưng đến năm 2010 là 33,5 triệu

xe Ở Việt Nam loại xe mô tô 2 bánh vẫn là phương tiện di chuyển chủ yếu của người dân (trung bình 4 người dân/chiếc) Riêng tại hai thành phố lớn là Thành phố

Hồ Chí Minh và Hà Nội tổng số xe đăng ký đã chiếm khoảng 1/3 lượng xe lưu hành tại Việt Nam, đáp ứng đến 90% nhu cầu đi lại của người dân

Sự phát triển kinh tế, gia tăng dân số và phát triển xe máy được thể hiện ở Hình 1.1:

- Dự kiến giai đoạn 2010 - 2020: Hiện nay, phát triển công nghiệp hỗ trợ được xem là một trong những chính sách ưu tiên hàng đầu của Việt Nam nhằm thúc đẩy

sự phát triển của ngành công nghiệp, góp phần đẩy nhanh quá trình công nghiệp hóa

- hiện đại hóa đất nước, và một trong những thành công trong lĩnh vực này chính là nhóm ngành công nghiệp hỗ trợ trong lĩnh vực sản xuất và lắp ráp xe máy Việt Nam là quốc gia có lượng phương tiện giao thông chiếm tới 90% là xe máy Dự báo đến năm 2015 lượng xe máy lưu hành trong cả nước sẽ khoảng 37 triệu xe và đến năm 2020 khoảng 39 triệu chiếc

Chính vì vậy, số lượng doanh nghiệp tham gia vào thị trường sản xuất và lắp ráp xe máy cũng khá đông, khoảng gần 60 doanh nghiệp, trong đó có những tập đoàn lớn đến từ Nhật Bản, Italy, Đài Loan

Hình 1.1: Biểu đồ gia tăng dân số, GDP và xe máy Việt

Nam giai đoạn 1995 -2010

Theo Bộ Công Thương, tới cuối năm 2012, tổng công suất sản xuất và lắp ráp

xe máy của Việt Nam sẽ đạt mức khoảng 5 triệu xe/năm

Các hãng xe máy lớn như Yamaha, Honda, Piaggio đang hoạt động ở Việt Nam vẫn tiếp tục đầu tư mở rộng quy mô sản xuất Ví dụ như việc Piaggio xây dựng thêm nhà máy thứ 2 tại Vĩnh Phúc với mục tiêu nâng sản lượng từ 100.000 lên 300.000 xe/năm Yamaha đầu tư hơn 26 triệu USD nhằm tăng thêm 50% công suất lắp ráp để nâng sản lượng lên 1,5 triệu xe/năm Honda cũng mới đầu tư hơn 120 triệu USD xây dựng nhà máy thứ 3 ở Hà Nam với mong muốn nâng tổng công suất lắp ráp lên mức 2,5 triệu xe/năm Như vậy, sau năm 2012 này, chỉ riêng với ba thương hiệu trên, sản lượng lắp ráp cũng đã vượt qua con số 4 triệu xe/năm, tức gần bằng tổng số 5 triệu xe như dự báo của Bộ Công Thương đưa ra

1.1.2 Vấn đề an toàn giao thông đường bộ

Trong những năm gần đây, sự bùng nổ giao thông cùng với sự phát triển mạnh

mẽ về kinh tế đã gây nên cơn sốc đối với Chính Phủ nhiều nước châu Á Mặc dù số lượng ô tô, xe máy, xe buýt của các nước trên Châu lục chỉ chiếm 16% số lượng toàn cầu, nhưng theo thống kê của Tổ chức Y tế thế giới (WHO), tỷ lệ tai nạn giao thông (TNGT) ở châu Á chiếm 50% trên toàn thế giới Mỗi năm, TNGT cướp đi mạng sống của hơn 600.000 người châu Á, làm 9,4 triệu người khác bị thương nặng Những con số thống kê trên cho thấy, mạng lưới giao thông đường bộ ở châu

Á đã trở nên nguy hiểm nhất thế giới Tại Thái Lan, theo số liệu của Bộ Y tế cho biết, TNGT là nguyên nhân gây tử vong lớn thứ 3, chỉ xếp sau bệnh AIDS và bệnh tim Còn Ấn Độ, theo ông P.K.Sikdar, Giám đốc Viện Nghiên cứu đường bộ trung ương, một cơ quan tư vấn có trụ sở đặt tại New Delhi cho biết: TNGT đường bộ cũng là nguyên nhân gây tử vong thứ 3 ở Ấn Độ, xếp sau động đất và gió xoáy; TNGT xảy ra đều đặn và hầu như không có lúc nào ngừng Hằng năm, 80.000 người Ấn Độ bị TNGT cướp đi mạng sống

Ở Việt Nam, vấn nạn đó vẫn trầm trọng kéo dài, theo số liệu thống kê của Ủy ban ATGT quốc gia trong năm 2012 trên phạm vi cả nước xảy ra 36.376 vụ tai nạn

giao thông đường bộ, làm chết 9.838 người, bị thương 38.060 người So với năm

2011 giảm 7.446 vụ, 1.614 người chết và 9.529 người bị thương Và, hai tháng đầu năm 2013 cả nước đã xảy ra 5.636 vụ tai nạn giao thông làm chết 1.973 người, bị thương 5.794 người, so với cùng kỳ 2012 giảm 746 vụ nhưng số người thiệt mạng tăng 298 người Trong đó riêng tháng 2 tăng 169 vụ (6,11%), tăng 323 người chết (44,01%), tăng 344 người bị thương (12,64%) Nguyên nhân tai nạn giao thông tăng cao chủ yếu do vi phạm trật tự an toàn giao thông gia tăng, người điều khiển xe mô

tô, xe máy phóng nhanh vượt ẩu, lấn đường, uống rượu bia điều khiển xe, không đội

mũ bảo hiểm Xe khách chở quá số người quy định, vi phạm tốc độ, dừng đón trả khách không đúng nơi quy định

Nước ta hiện nay do nền kinh tế mới phát triển và hội nhập, số lượng ô tô, xe máy ngày càng tăng nhanh Tính đến hết tháng 7/2012 tổng số phương tiện cơ giới đăng ký lưu hành là 37.191.126 chiếc (trong đó: ô tô là 1.950.964 chiếc và mô tô là 35.240.162 chiếc), đồng thời ngành công nghiệp sản xuất ô tô, xe máy đang hình thành với nhiều tiềm năng Số lượng ô tô, xe máy tăng nhanh, mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn, các phương tiện được thiết kế với công suất cao, tốc độ chuyển động nhanh, đòi hỏi hệ thống phanh nhất là cho xe máy ngày càng hoàn thiện với nhiều công nghệ, kỹ thuật mới, hiện đại được ứng dụng

Như vậy, hệ thống phanh giữ một vai trò quan trọng đảm bảo an toàn khi chuyển động của xe máy Nó có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo đảm an toàn cho người, phương tiện khi tham gia giao thông nhất là khi xe máy chuyển động trên các mặt đường xấu, ướt với vận tốc cao, phanh khẩn cấp Để quá trình phanh xe máy đạt hiệu quả cao và giữ ổn định hướng chuyển động của xe máy khi phanh phụ thuộc rất nhiều vào điều khiển quá trình phanh Hiện nay, đa số các phương tiện giao thông lưu hành trên đường, kể cả xe máy đã sử dụng hệ thống phanh có khả năng tự động điều chỉnh quá trình phanh và trở thành tiêu chuẩn đánh giá chỉ tiêu yêu cầu kỹ thuật và độ tin cậy của xe

Từ những cơ sở phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam nhằm đề xuất nội dung nghiên cứu của luận văn

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.2.1 Sự phát triển của hệ thống phanh ô tô, xe máy

Hiện nay, hệ thống phanh trên ô tô, xe máy tương đối hoàn thiện về bố trí, kết cấu các bộ phận, cụm và hệ thống, cũng như quá trình điều khiển, giúp bảo đảm, nâng cao hiệu quả quá trình phanh và tính ổn định hướng Để đạt được những thành tựu đó, hệ thống phanh đã trải qua một quá trình phát triển trong thời gian dài; sự phát triển đó được phản ánh thông qua sự phát triển về cơ cấu phanh, dẫn động phanh, điều khiển phanh nói chung và sự phát triển về dẫn động phanh nói riêng Dẫn động phanh ngày càng hoàn thiện: từ dẫn động cơ khí, dẫn động khí nén, dẫn động thủy lực và dẫn động thủy - khí kết hợp Năm 1924, hệ thống phanh dẫn động thủy lực bắt đầu được áp dụng, trong hệ thống dẫn động phanh thủy lực đầu tiên xy lanh chính sử dụng loại pít tông đơn, xy lanh có một cửa ra Năm 1967, xy lanh chính kép được sử dụng Hiện nay sử dụng loại xy lanh chính có đường kính bậc

a Dẫn động phanh bằng cơ khí

Dẫn động phanh bằng cơ khí thường được sử dụng ở phanh tay của ô tô Nó

có công dụng giữ cho xe ô tô đứng yên khi đỗ trên đường bằng hay trên đường dốc

b Dẫn động phanh khí nén một dòng

Dẫn động phanh bằng khí nén được sử dụng nhiều trên ô tô vận tải cỡ lớn và trung bình, đặc biệt lớn Để dẫn động các cơ cấu phanh người ta sử dụng năng lượng của khí nén, lực của người lái tác dụng lên bàn đạp chỉ để mở tổng van phanh

do đó giảm được sức lao động của người lái, tùy theo liên kết của xe rơ móoc mà dẫn động phanh khí nén có thể là một dòng hay hai dòng

Ưu điểm: Lực tác dụng lên bàn đạp bé, vì vậy phanh khí nén thường được trang bị cho ô tô có tải trọng lớn, có khả năng điều chỉnh hệ thống phanh rơ-moóc

Hệ thống phanh khí nén có thể cơ khí hóa quá trình điều khiển ô tô và có thể sử dụng không khí nén cho các bộ phận làm việc như hệ thống treo loại khí

Nhược điểm: Số lượng các cụm chi tiết khá nhiều, kích thước chung lớn và giá thành cao, độ nhạy nhỏ

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống phanh dẫn động khí nén một dòng

1- Bàn đạp phanh; 2- Khóa phanh; 3- Máy nén khi; 4- Van điều hòa áp suất;

5- Bình chứa khí nén; 6- Khoá ngắt; 7- Đầu nối; 8- Cơ cấu phanh; 9- Bầu phanh;

ĐẾN RƠ MOÓC

c Dẫn động phanh thủy lực một dòng

Dẫn động phanh thuỷ lực một dòng cổ điển có cấu tạo đơn giản, đảm bảo phân

bố lực phanh khác nhau giữa các bánh xe Vì áp suất tại mọi điểm trong các đường ống bằng nhau cho nên khi cần có lực phanh ở các bánh xe khác nhau chỉ cần chế tạo các pít tông của các xy lanh công tác có đường kính khác nhau Hiệu suất truyền động cao Nhưng độ tin cậy thấp, khi hệ thống có một chỗ hở thì toàn bộ phanh mất tác dụng

d Dẫn động phanh thủy - khí kết hợp

Hệ thống phanh thủy khí là sự kết hợp của hệ thống phanh dầu và hệ thống phanh khí, nhằm vận dụng các ưu điểm của hai hệ thống phanh này Nguyên lý làm việc của hệ thống phanh thủy khí theo sơ đồ trên như sau: Khí được nén ở máy nén khí (1) được dẫn động cung cấp khí nén đến bình chứa (4), áp suất của khí nén trong bình được định theo van áp suất (2) và biểu thị qua đồng hồ áp suất (3) đặt trong

Đến các bánh xe còn lại

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phanh dẫn động thủy lực một dòng

1- Bàn đạp phanh; 2- Thanh đẩy; 3- Xy lanh chính; 4- Đường ống dẫn dầu;

5- Tang phanh; 6- Mâm phanh; 7- Xy lanh công tác Guốc phanh; 8- Lò xo kéo; 9- Guốc phanh; 10- Cam lệch tâm; 11- Chốt lệch tâm

buồng lái Khi cần phanh người điều khiển tác động vào bàn đạp phanh (6), bàn đạp

sẽ dẫn động đến tổng van khí nén, lúc đó khí nén sẽ từ bình chứa (4) qua tổng van khí nén tạo áp lực ép màng của bầu phanh (7) tác động lên xy lanh chính Dầu dưới

áp lực cao sẽ truyền qua ống dẫn (8) đến các xy lanh con (9), dẫn động các má phanh (10) và tiến hành quá trình phanh

Ưu điểm: Hệ thống phanh thủy khí thường dùng trên ôtô vận tải trung bình và lớn Nó phối hợp cả ưu điểm của phanh khí nén và phanh thủy lực, cụ thể là lực tác dụng lên bàn đạp bé, độ nhảy cao, hiệu suất lớn và có thể sử dụng cơ cấu phanh nhiều loại khác nhau

Nhược điểm: Hệ thống phanh thủy khí sử dụng chưa rộng rãi do phần truyền động thủy lực còn bị ảnh hưởng nhiều của nhiệt độ, kết cấu phức tạp, nhiều chi tiết

Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống phanh thủy - khí kết hợp

1- Máy nén khí; 2- Van áp suất; 3- Đồng hồ đo áp suất; 4- Bình nén khí; 5- Bình chứa dầu; 6- Bàn đạp phanh; 7- Bầu phanh; 8- Ống mềm;

9- Xy lanh con; 10- Guốc phanh; 11- Tang trống

Do đó, hiện nay dẫn động phanh thuỷ lực một dòng đã được cải tiến thành dẫn

động phanh nhiều dòng độc lập hoặc dẫn động phanh thuỷ lực có bộ chống hãm

cứng bánh xe điều khiển bằng điện tử

đ Dẫn động phanh thủy lực có bộ chống hãm cứng bánh xe điều khiển

bằng điện tử

Khi đạp phanh, xy lanh chính làm việc tạo cho dầu có áp suất cao trên đường

ống và ở xy lanh công tác để phanh ô tô, tốc độ góc của bánh xe giảm dần Khi tốc

độ góc của bánh xe giảm tới giá trị gần bị bó cứng, tín hiệu của cảm biến được

chuyển đến bộ điều khiển trung tâm để xử lý, mở đường dầu từ xy lanh chính đến

xy lanh công tác làm lực phanh tăng ở các bánh xe nhằm bảo đảm hiệu quả phanh

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống phanh dẫn động thủy lực có bộ chống hãm cứng

bánh xe điều khiển bằng điện tử.

1- Bàn đạp phanh; 2- Xy lanh chính; 3- Đĩa phanh ; 4- Cảm biến đo tốc độ góc

của bánh xe; 5- Bộ điều khiển điện tử (ECU của ABS)

1.2.2 Hệ thống phanh có bộ trợ lực phanh

Bộ trợ lực phanh làm giảm lực tác động của người lái lên bàn đạp phanh nhưng vẫn duy trì được cảm giác và độ nhạy khi phanh, thực ra hệ thống phanh trợ lực thực chất là hệ thống phanh cơ bản có thêm bộ khuếch đại công suất phanh Năm 1952, bộ khuếch đại được đặt giữa bàn đạp phanh và xy lanh chính, khuếch đại lực tác động từ bàn đạp phanh Năm 1952, sử dụng độ chân không trên đường ống nạp của động cơ cung cấp cho bộ trợ lực chân không, đến năm 1963 trợ lực thủy lực được ra đời, sử dụng áp suất thủy lực từ hệ thống lái thủy lực để hoạt động Vào giữa thập niên 80, bộ khuếch đại công suất phanh kết hợp điện - thủy lực được giới thiệu, loại này hoạt động tương tự trợ lực thủy lực nhưng dùng bơm thủy lực bằng điện Bộ trợ lực điện - thủy lực chỉ kích hoạt bơm thủy lực khi cần sự trợ lực

vì vậy tính hiệu quả cao hơn, làm cơ sở cho việc điều khiển quá trình phanh điều khiển cơ khí được thay thế điều khiển điện tử càng nhiều

Quá trình phanh tiến hành tốt nhất khi lực phanh gần xấp xỉ bằng lực bám, tức

là mômen phanh sinh ra trong cơ cấu phanh cần tương ứng với mômen bám của bánh xe Có thể hiểu đơn giản là: mômen phanh sinh ra trong cơ cấu phanh cần tỷ lệ với giá trị tải trọng thẳng đứng của bánh xe khi phanh, đảm bảo nâng cao hiệu quả điều khiển phanh và điều khiển hướng chuyển động cho xe máy

Khoảng dừng Chỉ dùng

Do vậy bánh xe sau có nhiều khả năng bị trượt lết

Theo xu hướng hoàn thiện hệ thống phanh trên xe máy có thể bố trí bộ điều chỉnh lực phanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe (ABS)

1.2.3 Sự phát triển của hệ thống phanh ABS

Một trong những bước đột phá trong tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô

tô là sự tích hợp các hệ thống điện, điện tử, dẫn đến sự ra đời của hệ thống điều khiển phanh tích cực như hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS) Sự phát triển của hệ thống ABS, cũng như các hệ thống điều khiển tích cực trên ô tô khác luôn gắn bó chặt chẽ với sự phát triển của công nghệ trong cảm biến và cơ cấu chấp hành Hệ thống ABS bắt đầu được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô từ năm 1978 và hiện nay được trang bị trên hầu hết các xe ô tô hiện đại Theo thông tin của hãng Bosch, năm 2007, 76% xe ô tô chế tạo mới được trang bị hệ thống ABS và

nó trở thành thiết bị tiêu chuẩn cho xe ô tô chở khách tại châu Âu, Mỹ và Nhật

Hệ thống ABS được chia làm 2 loại: hệ thống kín và hệ thống hở Hệ thống kín có xy lanh chính và cụm van điều tiết (còn gọi là bộ chấp hành) bố trí thành một khối, dùng bơm trợ lực và bộ tích trữ cho tác dụng trợ lực Ngược lại hệ thống hở

xy lanh chính và bộ chấp hành bố trí riêng rẽ và dùng bơm tuần hoàn Trung tâm điều khiển của hệ thống phanh ABS là bộ điều khiển điện tử (ECU) của hệ thống ABS ngày càng hoàn thiện, ban đầu ECU chỉ thu nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến vận tốc bánh xe để phát tín hiệu điều khiển bộ chấp hành thực hiện điều chỉnh áp suất dầu dẫn động đến cơ cấu phanh bánh xe Đến nay, tín hiệu đầu vào của ECU từ các cảm biến bố trí trên xe: lực bàn đạp phanh, áp suất dầu trong hệ thống dẫn động thủy lực, gia tốc chậm dần của xe khi phanh, góc quay thân xe , để xử lý và ra lệnh điều khiển bộ chấp hành vì vậy điều khiển quá trình phanh ngày càng chính xác, hiệu quả phanh, ổn định chuyển động của xe khi phanh được nâng cao Bộ chấp hành của hệ thống ABS cũng phát triển không ngừng, thiết kế ban đầu của Teves kết hợp tất cả các van thành một khối, đặt trực tiếp trên xy lanh chính, đây là một tổ hợp gồm: xy lanh chính, trợ lực điện - thủy lực và khối van hay Bosch chế tạo các

van điều khiển đặt trong một thiết bị thủy lực đơn, được nối với xy lanh chính bằng

2 đường ống thủy lực Các van điện từ thay đổi từ loại một van điều khiển một xy lanh bánh xe với 3 chế độ (tăng áp, giữ áp, giảm áp) tín hiệu điều khiển bằng cường

độ dòng điện, đến loại 2 van điều khiển một xy lanh bánh xe tín hiệu điều khiển bằng điện áp Tần số đóng, mở của van cũng tăng theo (từ 520Hz) đáp ứng yêu cầu điều khiển quá trình phanh xe vận tốc cao, quán tính chậm dần của xe khi phanh lớn Bước phát triển tiếp theo của hệ thống điều khiển phanh tích cực là sự tích hợp

hệ thống ABS với các hệ thống điều khiển khác trên xe Năm 1989, hệ thống phanh

ABS tích hợp hệ thống chống trượt quay TCS (Traction Control System) nhằm điều

khiển lực kéo của bánh xe chủ động khi ô tô khởi hành hay tăng tốc đột ngột không vượt quá khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển TCS trên ô tô dựa vào tín hiệu từ cảm biến vận tốc bánh xe và cảm biến vị trí bướm ga; xử lý, ra tín hiệu điều khiển thay đổi công suất động cơ bằng cách điều chỉnh sự đóng mở bướm ga phụ và điều khiển quá trình phanh bánh

xe chủ động theo nguyên lý hệ thống ABS không có sự can thiệp của người lái Đồng thời gửi tín hiệu đến ECU động cơ và ECU-ECT để báo TCS đang hoạt động

Khi phanh, trọng lượng bám lên cầu xe thường xuyên thay đổi, đòi hỏi có sự điều chỉnh mô men phanh bánh xe phù hợp phân bố tải trọng và điều kiện bám bánh

xe với mặt đường Mặt khác, trong những trường hợp đặc biệt cần phanh ô tô khẩn cấp đòi hỏi lực phanh bánh xe phải đạt đến giá trị tối đa trong thời gian ngắn nhất Vào những năm giữa của thập niên 90, hệ thống EBD & BAS được thiết kế trên cơ

sở kết hợp với hệ thống ABS Hoạt động của hệ thống EBD dựa vào tín hiệu từ cảm biến vận tốc bánh xe, ECU kiểm soát sự biến thiên tốc độ bánh xe khi phanh, ra tín hiệu điều khiển các van của bộ chấp hành điều chỉnh áp suất dầu (tăng áp, giữ áp và giảm áp) của các xy lanh bánh xe phù hợp với tải trọng và điều kiện mặt đường trong quá trình phanh Trường hợp trợ lực phanh khẩn cấp (BAS), bơm dầu của bộ chấp hành, hút dầu từ xy lanh chính cấp thẳng đến các xy lanh bánh xe, áp suất này lớn hơn nhiều áp suất dầu tạo bởi xy lanh chính do người lái tác dụng, làm lực

Năm 1995, hệ thống ổn định xe bằng điện tử ESP ra đời, là một hệ thống an toàn chủ động cải thiện tính ổn định chuyển động của xe bằng cách can thiệp vào hệ thống phanh, có khả năng tác động riêng rẽ một hay nhiều bánh xe, trên cầu trước hay cầu sau ESP điều khiển đảm bảo ổn định trong các trạng thái phanh khi ô tô quay vòng hay khi khởi hành và tăng tốc Để tăng cường cho việc điều khiển phanh

có hiệu quả, thì ESP còn tác động đến cả động cơ và hộp số, như vậy hệ thống ESP liên kết, tích hợp các hệ thống: ABS, ASR, TCS, BAS

Năm 1998, hệ thống ACC được ứng dụng đây là hệ thống điều khiển tăng tính

an toàn của xe, bằng các cảm biến lade hoặc sóng điện từ, hệ thống máy tính sẽ xác định khoảng cách giữa các xe và ECU tự điều chỉnh khoảng cách an toàn thông qua ESP Giai đoạn này cũng ứng dụng hệ thống treo tự động điều chỉnh phản lực thẳng đứng của mặt đường lên bánh xe, nhằm tối ưu tính ổn định và nâng cao tính tiện nghi của xe

Từ năm 2002 trở lại đây, hệ thống điều khiển trên xe là tích hợp điều khiển đồng thời các hệ thống phanh, lái, treo trên xe (thường gọi là X-by-Wire), bộ chấp hành thủy lực được thay dần bằng hệ thống điện Các hệ thống tự động điều khiển trên xe trước đây điều khiển riêng rẽ hoặc chỉ có sự liên hệ tương đối, hiện nay với X-by-Wire các hệ thống này có mối liên hệ chặt trẽ với nhau Hệ thống điều khiển động lực học của xe là hệ thống điện tử tổng hợp thu, nhận tín hiệu từ các cảm biến trên xe, xác định trạng thái chuyển động của ô tô và những tác động của người lái, tính toán, ra tín hiệu điều khiển các bộ chấp hành của hệ thống treo, lái, phanh, động

cơ nhằm ổn định sự chuyển động của ô tô

Như vậy, hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô đến nay đã khá hoàn thiện

về kết cấu, trong đó hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS vẫn là hệ thống cơ bản Quá trình điều khiển hệ thống phanh ABS là cơ sở phát triển, tích hợp các hệ thống điều khiển tích cực khác trên xe

Mặt khác để quá trình điều khiển ngày càng tối ưu, số lượng các tín hiệu đầu vào của ECU ngày càng nhiều, có tín hiệu các cảm biến đo được giá trị (tín hiệu rõ),

nhưng có tín hiệu chưa rõ (tín hiệu mờ) Việc xử lý, tính toán và đưa ra các tín hiệu điều khiển nhanh, chính xác đòi hỏi mô hình cấu trúc hệ thống, thuật toán điều khiển hợp lý, khoa học hơn do đó nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật, công nghệ mới trên ô tô nói riêng, hệ thống phanh nói riêng không dừng lại vẫn là vấn đề thách thức các nhà khoa học trên thế giới Tại Việt Nam, yêu cầu cấp bách làm chủ khoa học kỹ thuật hiện đại đã và đang ứng dụng trên ô tô đáp ứng sự phát triển nền công nghiệp ô tô trong nước vì vậy nghiên cứu về hệ thống phanh và điều khiển quá trình phanh là yêu cầu cấp thiết

1.3 Các công trình nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh ở Việt Nam

Tại Việt Nam ô tô tăng nhanh cả số lượng, chủng loại, nhãn mác, qua nghiên cứu, xem xét các nhãn ô tô đang sử dụng phổ biến như: Ford, GM Daewoo, Honda, Huyndai, Isuzu, Kia, Mazda, Mercedes - Benz, Mitsubishi, Suzuki, Toyota…, hầu hết các nhãn xe đã trang bị hệ thống phanh ABS trên ô tô con Nhiều cơ sở sản xuất

ô tô trong nước đang dần nội địa hóa các cụm chi tiết và tiến tới sản xuất ô tô với thương hiệu riêng

Do đó các nhà nghiên cứu trong nước cần nhanh chóng làm chủ kỹ thuật, công nghệ tiên tiến đã và đang ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô trên thế giới Trong thời gian qua trong nước đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về hệ thống phanh, hệ thống phanh ABS và điều khiển quá trình phanh, tiêu biểu có thể nói đến các công trình sau:

Công trình nghiên cứu các vấn đề cơ bản về lý thuyết phanh ô tô, về chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh và thành tựu mới trong tính toán hệ thống phanh của GS.TSKH Nguyễn Hữu Cẩn, PGS.TS Phạm Hữu Nam nghiên cứu bổ sung một số chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả phanh ô tô ở nước ta Luận văn thạc sĩ tổng hợp bộ điều khiển điện tử và mô phỏng hệ thống phanh có ABS trên ô tô du lịch và luận án tiến sĩ nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô của TS Lại Năng Vũ Luận án tiến sĩ của Dương Tiến Minh về nâng cao chất lượng phanh ô tô quân sự

với hệ thống phanh có lắp bộ điều hòa lực phanh, nhằm nâng cao chất lượng phanh của ô tô quân sự sử dụng trong Quân đội nhân dân Việt Nam

Nghiên cứu của Nguyễn Mạnh Cường, đã nghiên cứu các nguyên lý chung của

hệ thống ABS, ảnh hưởng của tương tác lốp - mặt đường và mô hình tính toán phanh, đề cập tới phương pháp điều khiển ABS theo giá trị độ trượt tối ưu Trong công trình nghiên cứu của Hồ Hữu Hùng, nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển điện

tử hệ thống phanh ABS, sử dụng phương pháp điều khiển theo ngưỡng gia tốc góc bánh xe cho bộ chấp hành loại 4 van 3 vị trí Cũng theo hướng này, Nguyễn Thanh Tùng đã nghiên cứu đề xuất kỹ thuật điều khiển hệ thống phanh ABS, xây dựng mô

hình mô phỏng, mô hình thực nghiệm ¼ xe để đánh giá kết quả Mới đây nhất,

Nguyễn Sỹ Đỉnh, đã đề xuất thiết lập mô hình tính toán động lực học dẫn động phanh thủy lực theo mô hình đàn hồi và lắp đặt, thử nghiệm hệ thống ABS lên xe UAZ - 31512 nhằm nâng cao chất lượng xe chỉ huy trong quân đội

Trong một số năm gần đây, đề tài của tác giả Vũ Tiến Linh, Đỗ Ngọc Thịnh

đã xây dựng được mô hình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô khi phanh có

hệ thống tự động điều khiển ABS kết hợp với ASR và VDC để làm rõ sự ổn định hướng, hiệu quả phanh, phân tích phương pháp điều khiển của ECU-ABS

Tóm lại, trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh nói chung, hệ thống phanh ABS nói riêng Các công trình nghiên cứu đã có ý nghĩa góp phần làm rõ cơ sở lý thuyết về quá trình phanh ô tô, cũng như giải quyết các vấn đề về điều khiển quá trình phanh nhằm nâng cao hiệu quả phanh và chất lượng quá trình phanh Tuy nhiên, các công trình nêu trên chủ yếu mới nghiên cứu

hệ thống ABS trên hệ thống phanh của xe ô tô Vì vậy mô hình hóa và mô phỏng hệ thống ABS cho xe máy đến nay là vấn đề cấp thiết

Kế thừa kết quả của các đề tài nghiên cứu trước đây, với đề tài mô hình hóa và

mô phỏng hệ thống ABS cho xe máy được triển khai nhằm nâng cao an toàn khi phanh xe máy bằng cách trang bị ABS Đề tài nghiên cứu bằng phương pháp: xây dựng mô hình hệ thống ABS cho xe máy; sử dụng phần mềm Matlap-Simulink để

mô phỏng hệ thống phanh xe máy có trang bị ABS Để đạt được mục tiêu đó nội dung của

đề tài“Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống ABS cho xe máy”với các nội dung chính sau:

- Cơ sở lý thuyết quá trình phanhABS;

- Mô phỏng hệ thống phanh xe máy có trang bị ABS;

- Chạy mô hình, phân tích kết quả nghiên cứu, kết luận và kiến nghị

1.4 Kết luận chương 1

Do yêu cầu ngày càng cao về tính an toàn chuyển động của ô tô, xe máy, việc nghiên cứu động lực học chuyển động nói chung, nghiên cứu chuyển động của xe khi phanh và phát triển các hệ thống điều khiển quá trình phanh nói riêng luôn được các nhà khoa học và các hãng sản xuất ô tô, xe máy trên thế giới dành sự quan tâm đặc biệt Có thể nói, trên thế giới việc nghiên cứu hệ thống phanh và điều khiển quá trình phanh đã phát triển tương đối toàn diện nhưng vì nhiều lý do khác nhau mà các kết quả nghiên cứu chưa công bố một cách đầy đủ, chủ yếu mang tính chất giới thiệu, vì vậy việc ứng dụng vào sản xuất ô tô, xe máy trong nước còn hạn chế Đối với nước ta, xuất phát từ yêu cầu thực tiễn và mang tính cấp thiết của ngành công nghiệp ô tô, xe máy đòi hỏi nhanh chóng làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại, tiến tới tự chủ trong khai thác, sửa chữa và sản xuất chế tạo các cụm, hệ thống, trong đó có hệ thống phanh Tuy đã có khá nhiều công trình nghiên cứu về

hệ thống phanh, điều khiển quá trình phanh ô tô, xe máy, nhưng cho đến nay, các kết quả nghiên cứu đó chưa đáp ứng yêu cầu thiết kế, chế tạo các cụm, hệ thống, chi tiết nhằm nâng cao chất lượng ô tô, xe máy lắp ráp và sản xuất trong nước Với yêu cầu đó, nội dung nghiên cứu của đề tài có thể làm cơ sở cho các đề tài tiếp theo về việc điều khiển quá trình phanh xe máy có trang bị ABS

Sự bám của bánh xe với mặt đường được đặc trưng bởi hệ số bám  của bánh

xe với mặt đường, gồm 2 thành phần: hệ số bám theo phương dọc x, hệ số bám theo phương ngang y Hệ số bám  phụ thuộc loại đường, tình trạng mặt đường; kết cấu, vật liệu, độ cứng, áp suất lốp xe; tải trọng lên bánh xe, vận tốc chuyển động của xe; điều kiện, nhiệt độ môi trường hoạt động của ô tô, xe máy

Sự trượt bánh xe, khi ô tô thay đổi vận tốc chuyển động (phanh, khởi hành, tăng tốc) tải trọng, phản lực từ mặt đường, mô men tác dụng lên bánh xe thay đổi làm cho lốp xe bị biến dạng, gây ra hiện tượng trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường Để đánh giá mức độ trượt sử dụng khái niệm độ trượt tương đối  , được xác định:

r - bán kính lăn của bánh xe [m]

Hiện tượng trượt lết của các bánh xe khi phanh làm giảm hiệu quả phanh và gây mất ổn định hướng Để tránh hiện tượng này, quá trình phanh phải được điều khiển theo đường đặc tính trượt lý tưởng như mô tả trên Hình 2.1

Hình 2.1: Đặc tính trượt lý tưởng

a- Vùng ổn định và b- Vùng không ổn định

Trong Hình 2.1, khi bánh xe làm việc trong vùng ổn định (vùng a) hệ số bám dọc xtăng tuyến tính và đạt giá trị cực đại xmax tại điểm giá trị độ trượt đạt giá trị độ trượt tối ưu 0 Khi bánh xe làm việc trong vùng không ổn định (vùng b) yêu cầu hệ số bám dọc xvẫn được duy trì với giá trị xmax, do đó sẽ tận dụng được hết khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường để lực phanh đạt giá trị tối ưu

max

Độ trượt dọc

Hình 2.2: Quá trình phanh theo đặc tính trượt lý tưởng

- Gia tốc góc bánh xe; max - Gia tốc góc lớn nhất của bánh xe khi phanh;

M b - Mô men phanh; M - Mô men bám; Mmax - Mô men bám cực đại

Quá trình phanh diễn ra khi người lái đạp phanh, qua hệ thống dẫn động phanh tác động tới cơ cấu phanh sinh ra mô men phanh M b(mô men phanh do cơ cấu phanh tạo ra), đồng thời bánh xe còn chịu tác dụng của mô men bám M(mô men sinh ra do lực bám) Quan hệ giữa giữa mô men phanh M b, mô men bám M và gia tốc góc của bánh xe (-) với thời gian (t) như trên Hình 2.2

Theo quan hệ trên Hình 2.2, mô men phanh M b tăng tuyến tính theo thời gian

Mô men bám M xuất hiện theo mô men phanh với thời gian trễ nhỏ là T khi

phanh trong vùng ổn định Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại xmaxsau một thời gian, trong khi M b tiếp tục tăng, còn M do hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại (max

x

 ) không thể tăng thêm nữa được giữ không đổi Trong vùng ổn định (a) sự chêch lệch M bM nhỏ, sự giảm tốc của bánh xe khi phanh chậm và có giá trị nhỏ; trong vùng không ổn định (b) sự chênh lệch M bM tăng nhanh, sự giảm tốc

max





của bánh xe lớn Chính sự biến thiên khác nhau của gia tốc góc bánh xe dẫn đến các kiểu ứng xử trái ngược nhau trong giai đoạn ổn định và không ổn định của đường đặc tính trượt, ABS sử dụng các đặc tính này để thực hiện quá trình điều khiển Như vậy, xét về bản chất điều khiển quá trình phanh của hệ thống ABS là điều chỉnh giá trị mô men phanh (M b) và thời điểm phanh tại các bánh xe Để xác định thời điểm phanh phải giám sát được thời điểm bánh xe có giá trị gia tốc góc đạt giá trị cực đại (max), tại thời điểm đó giá trị của M blớn hơn giá trị Mmaxbánh xe bị trượt lết Bằng thực nghiệm người ta có thể xác định giá trị của max ứng với mỗi loại xe, chạy trên một loại đường với M b xác định-giá trị trên gọi là giá trị “ngưỡng gia tốc góc” Để điều chỉnh giá trị M b hệ thống ABS tự động điều chỉnh áp suất phanh tại cơ cấu phanh của các bánh xe

Các nghiên cứu điều khiển quá trình phanh ô tô luôn gắn liền với các nghiên cứu về mối quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của bánh xe khi phanh Cả lý thuyết

và thực nghiệm đã chỉ ra rằng, đặc tính quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của bánh xe phụ thuộc vào loại đường, lốp xe và thường được xác định bằng thực nghiệm Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám dọc và hệ số bám ngang theo độ trượt được

mô tả trên Hình 2.3

Hình 2.3: Sự biến đổi hệ số bám dọc và hệ số bám ngang theo độ trượt

Trên Hình 2.3, trong vùng a (vùng ổn định): độ trượt  tăng thì hệ số bám dọc xtăng nhanh, đạt giá trị cực đại trong khoảng (15 30)% và trong vùng này hệ số bám ngang ycó giá trị cao Trong vùng b (vùng không ổn định): khi độ trượt tiếp tục tăng thì hệ số bám dọc x giảm từ 50 60%, còn hệ số bám ngang

độ trượt ” Trong thực tế các bánh xe trên cùng 1 cầu hay trên cùng 1 vết cũng làm việc trên đường có hệ số bám  khác nhau đòi hỏi hệ thống phanh phải có khả năng tự điều khiển sao cho bánh xe làm việc trong vùng trượt tối ưu

Hình 2.4: Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của một số loại đường

Hình 2.5 trình bày mối quan hệ hệ số bám dọc và độ trượt với các loại lốp: đối với mỗi loại lốp ô tô, xe máy (kích thước, kết cấu, áp suất hơi lốp) khác nhau, quan

hệ giữa x và 0 khác nhau Do đó, trong quá trình sử dụng không tùy tiện thay đổi kiểu, loại lốp do nhà thiết kế quy định cho mỗi loại xe

Hình 2.5: Mối quan hệ giữa x và  với các loại lốp

1- Lốp bố tròn chạy trên đường khô; 2- Lốp bố chéo chạy trên đường nhựa ướt; 3- Lốp bố tròn chạy trên đường tuyết; 4- Lốp bố tròn chạy trên đường băng

Hình 2.6 trình bày quan hệ hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y theo độ trƣợt dọc  khi góc lệch bên  của bánh xe thay đổi

Hình 2.6: Mối quan hệ  x, y với  ứng với góc lệch bên i

Như vậy, trên cơ sở quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt, hệ thống ABS được nghiên cứu, thiết kế nhằm duy trì độ trượt của bánh xe nằm trong vùng giá trị độ trượt tối ưu bằng cách theo dõi độ trượt của bánh xe được gọi là “Điều khiển theo giá trị độ trượt” Khi các bánh xe làm việc trên mặt đường có hệ số bám khác nhau đòi hỏi hệ thống ABS phải có khả năng điều khiển quá trình phanh sao cho các bánh

xe không bị hãm cứng nhằm bảo đảm tính dẫn hướng

2.2 Sự phân bố tải trọng của ô tô, xe máy khi phanh

Khi phanh lực cản không khí và lực cản lăn không đáng kể, do vậy có thể xác định phản lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe trước F zf và bánh sau F zr như sau:

j g

zf

m g b P h F

a- khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm bánh trước [m];

b- khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm bánh sau [m];

b p

b

M P

Để đạt hiệu quả phanh cao khi phanh, yêu cầu lực phanh bánh xe trước (P pf )

và lực phanh bánh xe sau (P pr) luôn luôn thoả mãn biểu thức:

2.3 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh

Mục tiêu của hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (gọi tắt là ABS) là giữ cho bánh xe không bị trượt lết trong quá trình phanh nhằm đảm bảo tính ổn định hướng của ô tô trong quá trình phanh Gần đây, các hãng tiếp tục phát triển hệ thống điều khiển quá trình phanh của hệ thống ABS, duy trì độ trượt của bánh xe trong vùng 0 để có hệ số bám cao nhằm nâng cao chất lượng phanh

Để giữ cho bánh xe làm việc ở vùng độ trượt quanh giá trị 0trong giới hạn hẹp và không bị dẫn tới hiện tượng hãm cứng bánh xe khi phanh thì phải điều chỉnh

áp suất dầu dẫn động ra cơ cấu phanh bánh xe Việc điều chỉnh này có thể tiến hành bằng cách theo dõi giá trị gia tốc góc hay giá trị độ trượt của bánh xe khi phanh

2.3.1 Chu trình điều khiển ABS

Quá trình điều khiển của hệ thống ABS được thực hiện theo chu trình kín, sơ

đồ nguyên lý hệ thống ABS được nêu trong Hình 2.7

Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển hệ thống ABS

1- Xy lanh chính; 2- Bộ chấp hành; 3- Xy lanh bánh xe;

4- Bộ điều khiển điện tử; 5 - Cảm biến đo vận tốc góc bánh xe

Các tín hiệu và đại lượng vật lý được quan tâm trong hệ thống gồm:

- Tín hiệu đầu vào: là lực tác dụng lên bàn đạp của người lái xe, tạo ra áp suất

dầu trong xy lanh chính của hệ thống phanh

- Tín hiệu điều khiển: là tín hiệu từ các cảm biến đo vận tốc góc bánh xe, cảm

biến đo gia tốc xe

- Tín hiệu tác động: được bộ điều khiển điện tử phát ra đến bộ chấp hành thuỷ

lực để điều chỉnh áp suất dầu đến các xy lanh ở cơ cấu phanh bánh xe

- Đối tượng điều khiển: là lực phanh ( P p) sinh ra tại cơ cấu phanh bánh xe, làm xuất hiện mô men (M b) phù hợp với điều kiện mặt đường, duy trì độ trượt bánh xe trong trong vùng tối ưu

- Các nhân tố ảnh hưởng: điều kiện mặt đường, tình trạng hệ thống phanh, tải

trọng xe, tình trạng của lốp (áp suất, độ mòn, độ biến dạng…)

2.3.2 Quá trình điều khiển trong hệ thống ABS

Mục này giới thiệu sự làm việc của hệ thống ABS điều khiển theo biến đổi của gia tốc góc bánh xe khi phanh, tín hiệu đầu vào bộ điều khiển điện tử do cảm biến

w

I - mô men quán tính của bánh xe [kg.m2];

 - gia tốc góc của bánh xe [rad/s2];

b

M - mô men phanh bánh xe [Nm];

M- mô men do lực bám của bánh xe với mặt đường sinh ra [Nm]

Từ phương trình (1.10), ta có:

b w

có ABS, đồng thời là cơ sở xác định giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe cho bộ điều

khiển điện tử chế tạo sau này

Hình 2.8: Sự thay đổi của mô men phanh M b (a), áp suất dẫn động phanh (p) và

gia tốc góc () của bánh xe khi phanh có ABS

Khi người lái đạp phanh, áp suất dầu (p) trong hệ thống tăng lên, làm mô men phanh (M b) tại các bánh xe tăng, đồng thời cũng làm cho độ trượt bánh xe tăng và làm tăng giá trị gia tốc góc () chậm dần của các bánh xe Khi M btăng đến thời điểm hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại (điểm 3 trên đường cong x  f( ) Hình 2.8a), độ trượt bánh xe đạt giá trị độ trượt tối ưu (0) thì  bánh xe tăng đột ngột,

do giá trị của xbắt đầu giảm và M bM có giá trị càng lớn, bánh xe có xu hướng

bị hãm cứng Giai đoạn này ứng với đoạn 0-1 đường cong M b  f( ) , x  f( )

Hình 2.8a và Hình 2.8b, c gọi là pha tăng áp

Bộ điều khiển (ECU) so sánh  bánh xe với giá trị ngưỡng gia tốc góc chậm dần 1, khi giá trị  bánh xe nhỏ hơn giá trị ngưỡng 1, ECU phát tín hiệu cho bộ chấp hành giảm áp suất dầu trong dẫn động Sự giảm áp suất bắt đầu với độ trễ nhất định do quán tính của hệ thống ABS Do độ trượt bánh xe tiếp tục tăng làm xgiảm, đồng thời làm M b và giá trị của  giảm đột ngột Giai đoạn này ứng với đoạn 1-2

3

đường cong M b  f( ) , đường cong x  f( ) Hình 2.8a và Hình 2.8b, c gọi là pha giảm áp

Lúc này  bánh xe giảm dần cho đến khi đạt giá trị ngưỡng gia tốc góc giữ

áp 2 Hình 2.8c, ECU ra tín hiệu điều khiển bộ chấp hành thực hiện quá trình giữ

áp suất trong hệ thống không thay đổi M b trong thời gian này được giữ ổn định, độ trượt bánh xe giảm, làm  bánh xe tăng nhanh cho đến khi   3 bánh xe đạt giá trị cực đại và vận tốc bánh xe tiến gần đến vận tốc của ô tô, như vậy x tăng đạt giá trị cưc đại Giai đoạn này ứng với đoạn 2-3 đường cong M b  f( ) , x  f( )

Hình 2.8a và Hình 2.8b, c gọi là pha giữ áp Khi  bánh xe đạt giá trị cực đại 3ứng với thời điểm xmax ECU ra tín hiệu điều khiển bộ chấp hành thực hiện quá trình tăng áp suất dẫn động phanh

Như vậy, sau điểm 3 lại bắt đầu pha tăng áp của chu kỳ làm việc tiếp theo của

hệ thống ABS Từ lập luận trên thấy rằng hệ thống phanh ABS điều khiển M b và

Chất lượng điều chỉnh M phụ thuộc vào tần số chu kỳ thay đổi áp suất dầu b

trong dẫn động, giá trị độ trượt  của bánh xe thay đổi phụ thuộc vào tần số này Biên độ dao động càng nhỏ thì x càng cao, nghĩa là gần sát với giá trị xmax và

độ trượt của bánh xe trong vùng độ trượt tối ưu (  0), do đó việc điều chỉnh sẽ đạt hiệu quả cao, chất lượng quá trình phanh tốt

Tần số điều khiển thay đổi áp suất trong hệ thống phụ thuộc vào kết cấu của

bộ chấp hành, khả năng đáp ứng của các cảm biến và quá trình thu, nhận, xử lý tín hiệu của bộ điều khiển

2.3.3 Ứng dụng lô gic trong điều khiển ABS

a Ứng dụng lô gic truyền thống

Các hệ thống ABS lắp trên ô tô, xe máy hiện nay điều khiển dựa trên thuật toán lô gic truyền thống Trong lô gic truyền thống, một phần tử chỉ có thể thuộc tập hợp giá trị chân lý bằng „1‟ hoặc thuộc tập hợp giá trị chân lý bằng „„0‟‟ Như vậy

có thể sử dụng hàm thuộc để biểu diễn tập hợp thì hàm thuộc chỉ nhận hai giá trị „0‟

và „1‟ Luật hợp thành trong lô gic truyền thống thì độ thoả mãn của mệnh đề hợp thành cũng chỉ nhận 2 giá trị „0‟ (sai) và „1‟ (đúng) Quan hệ mệnh đề hợp thành với mệnh đề điều kiện (p) và mệnh đề kết luận (q) trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Quan hệ mệnh đề hợp thành với mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết luận

trong lô gic truyền thống

Mệnh đề điều kiện (p) Mệnh đề kết luận (q) Mệnh đề hợp thành (p=>q)

Ứng dụng lô gic trên để xây dựng thuật toán điều khiển của bộ điều khiển điện

tử hệ thống phanh ABS, ECU-ABS tính toán, xác định các giá trị ngưỡng, trên cơ

sở giá trị của các tín hiệu đầu vào so sánh với giá trị ngưỡng để có quyết định điều khiển, ví dụ giá trị ngưỡng điều khiển được chọn:

Vận tốc của xe trước khi phanh 10km/h  2,78m/s: nếu phanh xe vận tốc ban đầu nhỏ hơn 2,78m/s thì hệ thống ABS không kích hoạt, hệ thống phanh làm việc như hệ thống phanh không có ABS; nếu phanh xe vận tốc của xe lớn hơn 2,78 m/s thì hệ thống ABS hoạt động

Nếu ECU điều khiển theo độ trượt định trước là 0, 20    0,30: khi độ trượt bánh xe  0, 2 thì ECU ra tín hiệu điều khiển tăng áp suất trong hệ thống; khi độ



 

thống và khi độ trượt bánh xe  0,3 ECU ra tín hiệu điều khiển giảm áp suất trong hệ thống

Ưu điểm chính của ECU ứng dụng lô gic truyền thống là đơn giản, thuận tiện trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và tổng hợp bộ điều khiển

b Ứng dụng lô gic mờ

Trong những năm gần đây, lô gic mờ (Fyzzy logic) đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật cũng như trong các hệ thống điều khiển trên ô tô, xe máy, trong đó có hệ thống phanh ABS

Trong bộ điều khiển ứng dụng lô gic mờ, thông số đầu vào là tín hiệu thu được

từ các cảm biến, được mờ hoá chuyển thành biến mờ và được biểu diễn bằng các giá trị ngôn ngữ, ví dụ như: hai biến độ trượt tương đối  và gia tốc góc bánh xe được mờ hóa, sử dụng 7 giá trị ngôn ngữ:

Độ trượt () = {Z=không, VS=rất nhỏ, TS=quá nhỏ, SO=nhỏ hơn, OP=Giá trị tối ưu, TL=quá lớn, VL=rất lớn}

Gia tốc góc bánh xe ()= {NL=âm lớn, NM= âm vừa, NS=âm nhỏ, NF=âm nhỏ hơn, Z=không, PS=dương nhỏ, PL=dương lớn}

Giá trị ngôn ngữ biến đầu ra:

Áp suất (p) = {PF=tăng nhanh, PS=tăng chậm, Z=giữ nguyên, NS=giảm

chậm, NF=giảm nhanh}

Để xác định các tập mờ ở đầu ra cần xây dựng các hàm quan hệ để tìm giá trị biến đầu ra Ví dụ với 2 biến mờ trên, mỗi biến có 7 giá trị ngôn ngữ, sẽ có 49 luật hợp thành như trong Bảng 2.2

Bảng 2.2: Bảng luật suy luận mờ

Hình 2.9: Hàm thuộc các biến đầu vào và biến đầu ra của bộ suy luận mờ

Như vậy, ứng dụng thuật toán lô gic mờ là sử dụng các tín hiệu đầu vào, được

mờ hoá, tổng hợp bằng các luật và giải mờ để xác định giá trị tín hiệu điều khiển (tín hiệu đầu ra)

Ưu điểm của việc ứng dụng thuật toán lô gic mờ: không cần mô tả chính xác đối tượng khảo sát và dễ dàng ứng dụng kinh nghiệm chuyên gia vào điều khiển hệ thống, giải quyết các bài toán có nhiều yếu tố phi tuyến, phức tạp mà luật điều khiển truyền thống gặp khó khăn Tuy nhiên, chương trình điều khiển phức tạp nên việc ứng dụng bộ điều khiển mờ trong tự động điều khiển trên ô tô, xe máy nói chung và

2.3.4 Phương pháp điều khiển của ABS

a Điều khiển theo giá trị độ trượt

Để đưa ra tín hiệu điều khiển các van điện từ của hệ thống ABS đúng thời điểm, phù hợp với trạng thái chuyển động của các bánh xe trong quá trình phanh, ECU-ABS phải xác định được độ trượt và điều khiển quá trình phanh để độ trượt bánh xe  nằm trong vùng độ trượt tối ưu (L   H)

Sơ đồ thuật toán điều khiển theo giá trị độ trượt như Hình 2.10:

- Khi  của bánh xe nhỏ hơn giá trị giới hạn độ trượt dưới   L, bánh xe làm việc trong vùng ổn định: hệ thống phanh tăng áp suất trong hệ thống dẫn động thuỷ lực, mô men phanh M b tăng lên làm cho vận tốc góc  giảm và do đó giá trị

độ trượt tiếp tục tăng lên

- Khi  của bánh xe nằm trong vùng giá trị độ trượt tối ưu L   H: hệ thống phanh giữ áp suất trong hệ thống dẫn động thuỷ lực, giữ cho M b bánh xe ổn định bảo đảm cho giá trị độ trượt  nằm trong vùng giá trị độ trượt tối ưu

- Khi  của bánh xe vượt quá giá trị giới hạn độ trượt trên   H bánh xe làm việc trong vùng không ổn định: hệ thống phanh giảm áp suất trong hệ thống dẫn động thuỷ lực, M b giảm xuống do đó  sẽ tăng lên, giảm giá trị độ trượt

Hình 2.10: Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt

Phương pháp này có ưu điểm là lựa chọn ngưỡng giá trị độ trượt của bánh xe nằm trong vùng độ trượt tối ưu làm ngưỡng điều khiển nên có thể đạt hiệu quả phanh cao Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là khó xác định chính xác giá trị của bánh xe Mặt khác muốn đạt hiệu quả cao trên nhiều loại đường khác nhau, phải điều khiển để bánh xe có giá trị độ trượt tối ưu khác nhau tương ứng với từng loại đường đó

b Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe

Hệ thống ABS điều khiển theo giá trị gia tốc góc đòi hỏi phải xác định được giá trị gia tốc góc bánh xe làm giá trị ngưỡng điều khiển Giả sử ECU-ABS điều khiển theo 2 giá trị ngưỡng gia tốc góc gồm: giá trị ngưỡng dưới (L) và giá trị ngưỡng trên (H) Sơ đồ điều khiển theo giá trị gia tốc góc bánh xe được thể hiện trên Hình 2.11

Khi phanh xe với vận tốc ban đầu nhỏ hơn vận tốc giới hạn (v0), ABS không được kích hoạt Hệ thống phanh làm việc ở chế độ phanh bình thường, tức là luôn ở trạng thái tăng áp cho đến thời điểm kết thúc quá trình phanh

Khi phanh xe với vận tốc ban đầu lớn hơn hoặc bằng vận tốc giới hạn, ABS được kích hoạt ECU khi đó sẽ liên tục thu nhận tín hiệu từ các cảm biến truyền về, xác định gia tốc góc  của các bánh xe Nếu giá trị gia tốc góc này nhỏ hơn giá trị ngưỡng dưới (  L), ECU điều khiển van điện từ của cơ cấu chấp hành thực hiện chế độ tăng áp suất trong hệ thống, bơm chuyển dầu hồi không hoạt động

Nếu giá trị gia tốc góc lớn hơn giá trị ngưỡng trên (  H), ECU điều khiển van điện từ bộ chấp hành chuyển sang chế độ giảm áp suất trong hệ thống đồng thời bật bơm chuyển dầu hồi

Nếu giá trị gia tốc góc nằm giữa các giá trị của ngưỡng trên và ngưỡng dưới (

    ) thì ECU điều khiển van điện từ bộ chấp hành chuyển sang chế độ giữ

áp suất dầu trong hệ thống và bật bơm chuyển dầu hồi Quá trình điều khiển liên tục

Hình 2.11: Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc góc bánh xe

Phương pháp này có ưu điểm là giá trị gia tốc góc bánh xe () được xác định nhờ các cảm biến đặt tại bánh xe, vì vậy thường áp dụng trong thực tế Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khó đạt được giá trị độ trượt tối ưu vì bộ điều khiển không theo dõi độ trượt và sự trượt của bánh xe được đánh giá gián tiếp thông qua vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe

2.4 Sự quay thân xe khi phanh

Hình 2.12: Điều khiển chống sự quay thân xe khi phanh

Như đã nêu ở trên, động lực học của ô tô, xe máy khi phanh diễn ra phức tạp, đặc biệt khi bánh xe chuyển động trên mặt đường có hệ số bám khác nhau Nếu bánh xe bên trái chuyển động trên đường có hệ số bám thấp, bánh xe bên phải chuyển động trên đường có hệ số bám cao (đối với ô tô); nếu bên trái bánh xe chuyển động trên đường có hệ số bám thấp, bên phải bánh xe chuyển động trên đường có hệ số bám cao (đối với xe máy), xuất hiện mô men quay thân xe ngược chiều với chiều quay kim đồng hồ, làm cho thân xe có xu hướng quay lệch sang trái

Để giữ cho thân xe không bị quay khi phanh, hệ thống ABS điều khiển giảm áp suất dầu trong hệ thống dẫn động phanh của bánh xe có hệ số bám cao để tạo mô men

z

M ngược chiều với mô men làm quay thân xe

Ngược lại, nếu xe bị lệch phải, thân xe quay cùng chiều kim đồng hồ, hệ thống ABS điều khiển giảm áp suất dầu hệ thống dẫn động phanh bánh xe bên trái

2.5 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh

Để kiểm tra, đánh giá chất lượng quá trình phanh, có thể sử dụng các thông số gia tốc phanh, quãng đường phanh, thời gian phanh, lực phanh, góc lệch hoặc độ lệch của thân xe làm chỉ tiêu đánh giá hiệu quả và ổn định hướng khi phanh Trong thực tế, việc đánh giá chất lượng phanh thường sử dụng các tiêu chuẩn riêng Tiêu chuẩn phanh áp dụng ở nước ta hiện nay là Tiêu chuẩn Châu âu ECE và Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6824 – 2001

2.5.1 Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh

Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh gồm: quãng đường phanh S p, gia tốc chậm dần khi phanh a x, thời gian phanh t p và lực phanh F x hay lực phanh riêng

Từ phương trình cân bằng lực tác dụng lên ô tô, xe máy khi phanh, nếu ta bỏ qua các lực: lực cản lăn (F), lực cản gió (F a), lực cản do ma sát trong hệ thống truyền động (F) và phanh xe trên đường nằm ngang, lực cản dốc (F i) nhỏ ta có:

x x

g dv

g





Một hệ thống phanh đạt hiệu quả cao khi: a x a xmax và S p S pmin

2.5.2 Các chỉ tiêu đánh giá ổn định hướng

Góc lệch thân xe ( ): khi phanh, tổng lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên phải khác với bên trái tạo ra mô men quay (M z) làm thân xe quay quanh trục OZ thẳng đứng một góc (góc quay thân xe), làm cho trục dọc của xe lệch đi một góc

 so với hướng chuyển động thẳng của xe trên Hình 2.13a

Hình 2.13: Góc lệch của ô tô khi phanh (a) và độ lệch của ô tô khi phanh (b)

Từ mô hình trên Hình 2.13a, mô men quay thân xe xác định theo phương trình:

I - mômen quán tính ô tô quanh trục thẳng đứng Oz [kg.m2]

Độ lệch của xe khi phanh (AN): là khoảng cách từ điểm (A) điểm xa nhất của

ô tô ở cuối quá trình phanh đến mặt phẳng trung tuyến của xe trước khi phanh Độ lệch của xe AN khi phanh, Hình 2.13b, được xác định:

l - khoảng cách từ trọng tâm xe đến mép ngang ngoài cùng phía trước của xe

[m];

,

B - chiều rộng của ô tô [m]

Vậy để xe không vượt ra khỏi hành lang cho phép (T) ở cuối quá trình phanh phải thoả mãn điều kiện:

2

T

2.6 Kết luận chương 2

Trong quá trình phanh, bánh xe lăn-bám-trượt trên mặt đường Lực phanh sinh

ra giữa bánh xe và mặt đường phụ thuộc vào hệ số bám Nếu độ trượt của bánh xe nằm trong vùng độ trượt tối ưu thì hệ số bám dọc đạt giá trị lớn nhất, đồng thời hệ

số bám ngang cũng có giá trị cao, xe chuyển động ổn định hơn Khi độ trượt của bánh xe nhỏ hơn giá trị độ trượt tối ưu (  0), bánh xe không phát huy hết khả năng bám, nên không đạt được hiệu quả phanh cao nhất Khi độ trượt của bánh xe lớn hơn giá trị độ trượt tối ưu (  0) hệ số bám giảm và bánh xe có xu hướng bị

bó cứng Khi độ trượt  =1, bánh xe bị bó cứng, hệ số bám dọc x giảm nhiều so với giá trị lớn nhất và hệ số bám ngang ycó giá trị rất nhỏ Đặc tính lăn-bám-trượt này là cơ sở để thiết kế hệ thống ABS Bản chất của điều khiển quá trình phanh là điều khiển mô men phanh bánh xe để tạo ra lực phanh tại các bánh xe phù hợp với điều kiện mặt đường, yêu cầu hệ thống điều khiển quá trình phanh xe là giữ cho bánh xe làm việc trong vùng độ trượt tối ưu

Quá trình điều khiển hệ thống phanh ABS là một chu trình kín, bộ ECU-ABS điều khiển theo giá trị độ trượt hoặc theo gia tốc góc bánh xe, điều chỉnh áp suất dầu trong cơ cấu phanh theo các trạng thái: tăng áp, giữ áp và giảm áp

Dựa trên nguyên lý điều khiển quá trình phanh của hệ thống ABS, đề tài nghiên cứu đề xuất cơ sở lựa chọn thuật toán, phương pháp điều khiển của bộ ECU-ABS Để thực hiện các nghiên cứu này cần xây dựng mô hình mô phỏng động lực học quá trình phanh Nội dung này được trình bày trong Chương 3

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH XE MÁY

Khi xe máy chuyển động trên đường, quỹ đạo chuyển động của nó đơn giản, hai vết bánh xe trước, bánh xe sau gần như theo cùng một quỹ đạo nằm trùng lên nhau Trong những điều kiện như vậy, ta chỉ cần yêu cầu điều khiển quá trình phanh

xe máy sao cho cả hai bánh xe không bị trượt Trong chương này, luận văn đề xuất cấu trúc, thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS chung cho cả hai bánh xe (mô hình một vết), xác định sơ bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe làm cơ sở mô phỏng khảo sát, đánh giá chất lượng quá trình phanh Các bước nghiên cứu được thực hiện như sau:

- Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của xe máy trong quá trình phanh ABS: mô hình động lực học của xe máy khi phanh; mô hình mô phỏng bánh xe; mô hình hệ thống dẫn động phanh thủy lực có ABS

- Mô phỏng, đánh giá hoạt động của hệ thống điều khiển phanh ABS: mô phỏng, đánh giá chất lượng quá trình phanh xe máy trong các trường hợp hệ thống phanh không có ABS và hệ thống phanh có ABS

3.1 Giới thiệu nội dung chính của Matlab – Simulink; Matlab – Stateflow

3.1.1 Matlab – Simulink

Simulink là một phần mềm đồ hoạ, định hướng sơ đồ khối dùng để mô phỏng các hệ động lực Đây là sản phẩm nằm bên trong Matlab và sử dụng nhiều hàm của Matlab và cũng có thể trao đổi qua lại với môi trường Matlab để tăng thêm khả năng mềm dẻo của nó

Với Simulink chúng ta có thể xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống giống như khi ta vẽ sơ đồ khối Simulink có một khối thư viện với nhiều chức năng khác nhau