Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm tới quá trình phanh ô tô tải

Khi phanh với cường độ cực đại thì tất cả các bánh xe phải đồng thời được hãm cứng và xe trượt lết trên đường, khi đó cả hai cầu đều đạt giới hạn bám, do trọng lượng của xe phân bố không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

*****

TRẦN THANH AN

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỌA ĐỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỌA ĐỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐÀM HOÀNG PHÚC

Hà N ội – Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu riêng tôi dưới sự hướng dẫn của

TS Đàm Hoàng Phúc Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và Xe chuyên

dụng, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các nội dung trình bày trong đề tài là hoàn toàn trung thực và chính xác

Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2017

Tác giả

Trần Thanh An

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến

TS Đàm Hoàng Phúc, Thầy hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi hoàn

thành luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy trong bộ môn Ô tô và

Xe chuyên dụng và các Bạn bè đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt trong thời gian tôi học

và làm luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Gia đình, Cơ quan và Bạn

bè những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi học và làm luận văn

Tác giả

Trần Thanh An

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ ĐỒ THỊ 7

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11

1.1 Tổng quan về an toàn giao thông đường bộ Việt Nam 11

1.1.1 An toàn chuyển động 11

1.1.2 Tai nạn giao thông 12

1.2 Đánh giá ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm để điều chỉnh phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh 16

1.3 Các hệ thống phanh trên ô tô hiện nay 18

1.3.1 Hệ thống phanh trang bị ABS 18

1.3.2 ABS loại cơ-thuỷ lực 19

1.3.3 ABS điều khiển điện cho xe con (BOSCH) 22

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS TRÊN XE TẢI 25

2.1 Cơ sở lý thuyết hệ thống ABS 25

2.1.1 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh 25

2.1.2 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 26

2.1.3 Đặc tính trượt khi phanh 27

2.1.4 Nguyên tắc điều khiển của ABS 30

2.2 Hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén 33

2.2.1 Các phương án dẫn động hệ thống phanh ABS khí nén 33

2.2.2 Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của các phần tử hệ thống ABS khí nén 36

2.4 Xây dựng thuật toán điều khiển ABS 44

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC KHI PHANH CỦA XE TẢI 47

3.1 Mô hình cơ học về quỹ đạo chuyển động của ôtô 473.2 Quan hệ động lực học trong mô hình toàn xe, xây dựng các phương trình cân bằng 49

3.2.1 Mô hình không gian của ôtô 49 3.2.2 Các thành phần lực và mômen trong mô hình bao gồm: 50 3.2.3 Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng khi phanh 53

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM TỚI HIỆU QUẢ PHANH 55KẾT LUẬN 61TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

z, z, z Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

ABS Hệ thống chống hãm cứng bánh xe (Anti-lock Brake

System)



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.7 Cơ cấu chống hãm cứng cho cầu trước chủ động 21

Hình 2.1 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi

 , hệ số bám ngang y theo độ trượt tương đối

(a) và đặc tính trượt với các loại đường khác nhau(b)

28

Hình 2.4 Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và độ trượt tương

Hình 2.5 Mối quan hệ φx; φy với λ ứng với góc lệch bên φi 30

Hình 2.6

Sự thay đổi của mô men phanh Mb ,áp suất dẫn động phanh p và gia tốc của bánh xe khi phanh có ABS

Hình 2.11 Trạng thái tăng áp của van điều chỉnh áp suất 39 Hình 2.12-a Trạng thái giữ áp của van điều chỉnh áp suất khí nén 40 Hình 2.12-b Trạng thái giảm áp của van điều chỉnh áp suất 41

Hình 2.14 Sơ đồ tín hiệu từ cảm biếm đo vận tốc góc bánh xe 43

Bảng 4.1a Giá trị quãng đường phanh ứng với các thông số tọa độ trọng tâm của xe không trang bị ABS 56

Bảng 4.1b Giá trị quãng đường phanh ứng với các thông số tọa độ trọng tâm của xe trang bị ABS 56

Hình 4.3 Đồ thị các thông số của quá trình phanh với a=55%L 58

Hình 4.4 Đồ thị các thông số của quá trình phanh với h=1,6 (m) 59



LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, trong những năm gần đây nền công nghiệp ô tô đã có sự phát triển rất mạnh mẽ Đặc biệt các nhà sản xuất ô tô rất quan tâm đến các tính năng động lực học của ô tô, khả năng an toàn chuyển động, nhất là tính ổn định của ô tô khi phanh

Khi người lái tác dụng lên bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ phát sinh một môment phanh Mp nhằm hãm bánh xe lại, làm cho vận tốc xe giảm xuống Khi đó ở bánh xe sẽ xuất hiện lực tiếp tuyến Fp gọi là lực phanh Lực phanh này ngược chiều chuyển động và bị giới hạn bởi giới hạn bám Lực phanh từ cơ cấu phanh sẽ được truyền tới tất cả các bánh xe Khi phanh với cường độ cực đại thì tất

cả các bánh xe phải đồng thời được hãm cứng và xe trượt lết trên đường, khi đó cả hai cầu đều đạt giới hạn bám, do trọng lượng của xe phân bố không đồng đều, lực phanh thì phụ thuộc vào giới hạn bám nên lực phanh trên các cầu không bằng nhau

mà nó có tỉ lệ với nhau, tỉ lệ này cũng thay đổi trong quá trình phanh do khi phanh thì có sự biến dạng trong hệ thống treo, đồng thời do ảnh hưởng của tình trạng mặt đường

Một yêu cầu của hệ thống phanh khi phanh là hiệu quả phanh lớn nhất, tức

là phải có quãng đường phanh ngắn nhất, thời gian phanh ngắn nhất và gia tốc phanh là lớn nhất Tuy nhiên do xuất hiện sự trượt làm tăng nhanh độ mòn của lốp, làm hiệu quả phanh sẽ bị giảm Khi có sự trượt xe cũng không thể có lực phanh tối

đa được vì một phần lực phanh từ cơ cấu phanh truyền xuống các bánh xe đã bị tiêu hao do trượt, phần còn lại mới dùng để sinh ra lực hãm lại chuyển động của

xe, đồng thời do xuất hiện của sự trượt nên sẽ làm mất đi tính ổn định khi phanh Tính ổn định phanh của ô tô được hiểu là khi phanh ô tô không bị trượt ngang, trượt lết hoặc bị lật, đảm bảo tính điều khiển lái và chuyển động an toàn của ô tô Điều này đặc biệt quan trọng khi ô tô chạy trên đường trơn với tốc độ cao Ô tô mất tính ổn định khi phanh rất nguy hiểm vì không kiểm soát được hướng chuyển động của ô tô Tính ổn định của ô tô khi phanh được phân tích ở hai trường hợp: Tính ổn định hướng và tính ổn định quay vòng của ô tô khi phanh Tính ổn định

hướng và tính ổn định quay vòng của ô tô khi phanh là khả năng ô tô giữ được quỹ đạo chuyển động như ý muốn ban đầu của người lái trong quá trình phanh, và hai yếu tố này lại chịu ảnh hưởng rất lớn bởi sự trượt

Ô tô di chuyển trên rất nhiều điều kiện hoạt động rất khác nhau, tùy vào điều kiện chuyển động có thể là đứng yên, lên dốc, xuống dốc, chuyển động trên đường nghiêng ngang, quay vòng, phanh hoặc có sự kết hợp của nhiều điều kiện kể trên trên các loại đường khác nhau, vì điều kiện chuyển động rất phức tạp như vậy nên đòi hỏi ô tô phải giữ được quỹ đạo chuyển động theo như sự điều khiển của người lái Tuy nhiên khi có trượt thì khả năng ổn định chuyển động của ô tô sẽ giảm đáng kể, ô tô có thể sẽ chuyển động theo những quỹ đạo không mong muốn của người lái, và khi người lái không kiểm soát được quỹ đạo chuyển động thì sẽ rất nguy hiểm

Vì những lý do trên, việc Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tọa độ

trọng tâm tới quá trình phanh ô tô tải để tìm ra các giải pháp khắc phục nhược

điểm nêu trên là một vấn đề rất cần thiết

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về an toàn giao thông đường bộ Việt Nam

1.1.1 An toàn chuyển động

Ô tô là một phương tiện giao thông phổ biến hiện nay trên toàn thế giới Ô tô

đã ra đời từ nửa cuối thế kỷ 18, ngay sau khi động cơ hơi nước ra đời Những “thế hệ” ô tô đầu tiên ấy có số lượng không lớn và vận tốc ô tô không cao Hơn 200 năm

đã trôi qua, ngày nay ô tô tràn ngập khắp thế giới, đi cả vào “hang cùng ngõ hẻm”

và đặc biệt vận tốc ô tô đã tăng lên vượt bậc Ngày nay trên đường bình thường, ô tô

có thể chạy đến 100 km/h, đường cao tốc vận tốc cho phép có thể lên đến 150 km/h hoặc hơn nữa, còn đối với xe đua chạy trên đường đặc biệt vận tốc đã lên quá 200 km/h

Ô tô với khối lượng m chạy với vận tốc v sẽ có động năng:

2

2

mv

LNếu ô tô va chạm với một đối tượng thì tùy theo tính chất của va chạm, một phần năng lượng trên sẽ truyền cho đối tượng đó Nếu đối tượng là một vật thể thì

sẽ gây hư hại cho vật thể đó Nếu đối tượng là người thì đối tượng sẽ bị thương hoặc chết

Đối với ô tô va chạm, vùng va chạm bị hư hỏng, ngoài ra vận tốc ô tô sẽ đột ngột giảm xuống (đến một vận tốc nào đó hoặc dừng lại), ô tô sẽ chịu một gia tốc rất lớn Hậu quả là ô tô bị hư hỏng, người và hàng hóa trên ô tô bị va đập gây hư hỏng hàng hóa, gây thương tích hoặc chết người

Khi va chạm, ô tô có thể bị đổ, bị văng ra khỏi đường, lao xuống ruộng, sông, vực, gây nên hậu quả khôn lường

Do vậy “an toàn" luôn luôn đồng hành với sự vận hành ô tô

Ô tô là một phương tiện giao thông đường bộ, cùng tham gia giao thông với

ô tô còn có các phương tiện khác Ngoài đường bộ ra còn có các loại hình giao thông khác như đường sắt, đường thủy, đường không Vì thế có khái niệm chung nhất là an toàn giao thông

An toàn giao thông được hình thành trong mối quan hệ giữa người tham gia

giao thông, phương tiện giao thông và môi trường giao thông

An toàn giao thông có thể được chia thành: an toàn của người tham gia giao thông, an toàn của phương tiện tham gia giao thông, an toàn của kết cấu hạ tầng giao thông và an toàn môi trường

An toàn giao thông đường bộ có phạm vi hẹp hơn đó là: an toàn của người tham gia giao thông đường bộ (người lái, hành khách và người đi bộ), an toàn của phương tiện tham gia giao thông đường bộ, an toàn của kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ và an toàn môi trường

Đối với lĩnh vực nghiên cứu về ô tô, có khái niệm an toàn chuyển động của ôtô

1.1.2 Tai nạn giao thông

Va chạm của ô tô như đã nói ở trên là một “tai nạn giao thông” Tai nạn giao thông đã có từ rất lâu trong lịch sử dưới nhiều hình thức khác nhau Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa có một định nghĩa thật chính xác có thể lột tả hết những đặc tính của

nó Về cơ bản tai nạn giao thông có những đặc tính như:

- Xét về lỗi, chỉ có thể là lỗi vô ý hoặc là không có lỗi, không thể là lỗi cố ý

Có thể tham khảo một vài định nghĩa sau đây:

- Tai nạn giao thông là sự việc bất ngờ xảy ra ngoài ý muốn chủ quan của

người điều khiển phương tiện giao thông khi đang di chuyển trên đường giao thông,

do vi phạm các quy tắc an toàn giao thông hay do gặp những tình huống, sự cố đột xuất không kịp phòng tránh, gây nên thiệt hại nhất định về người và tài sản

- Tai nạn giao thông được hiểu là một biến cố, trong đó có sự sai khác giữa quá trình xe chạy và thực tiễn thực hiện quá trình ấy Sự sai khác này thông thường

là sự vượt quá một giới hạn cho phép hoặc không tuân thủ luật lệ giao thông Do

vậy kết quả trực tiếp của tai nạn sẽ là mức độ thiệt hại trong quá trình xung đột và mức độ chấn thương liên quan đến người tham gia giao thông

Ngày nay tai nạn giao thông được xem như là một hiểm họa của loài người Một vài con số sau đây nói lên điều đó

Có tài liệu ghi nhận rằng bà Bridget Driscoll 44 tuổi, người Anh, là người đầu tiên chết vì tai nạn ô tô Bà bị một chiếc xe hơi đâm phải trước dinh thự Crystal

ở Luân Đôn ngày 17/8/1896 Đáng chú ý là chiếc xe lúc đó đang chạy với vận tốc

12 km/giờ Tại phiên họp công bố kết quả cuộc điều tra về nguyên nhân tử vong của

bà Bridget, nhân viên điều tra tuyên bố “sự việc sẽ không bao giờ tái diễn” Thế nhưng, cùng với cuộc cách mạng công nghiệp và sự phát triển vượt bậc của công nghệ chế tạo ô tô mà ngày nay mỗi ngày trên toàn thế giới có đến hơn 3.000 nạn nhân như bà Bridget Driscoll

Theo báo cáo của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và Ngân hàng thế giới (WB) thì mỗi năm, thế giới có khoảng 1,2 triệu người chết vì tai nạn giao thông đường bộ Thống kê còn cho thấy, khoảng 50 triệu người khác bị thương trong các tai nạn đó Hai cơ quan này cảnh báo, nếu chính phủ các nước không có biện pháp ngăn chặn tình trạng này thì đến năm 2020, tai nạn giao thông sẽ đứng thứ ba trong các nguyên nhân gây tử vong ở người

Năm 2000, tai nạn giao thông là nguyên nhân thứ 9 gây tử vong, chiếm 2,8% trong tổng số các trường hợp tử vong trên thế giới Ở Tây Âu, nơi có tỷ lệ người chết vì tai nạn giao thông ít hơn cả là 11 người/100.000 cư dân Trong khi ở châu Phi và các quốc gia phía Đông Địa Trung Hải có tỷ lệ trung bình là 28,3 và 26,3 người/100.000 dân WHO cho biết mỗi năm ở châu Mỹ có đến 134.000 người thiệt mạng vì tai nạn giao thông, chiếm hơn 10% của cả thế giới, trong đó Mỹ đứng đầu với 44.000 người, tiếp đến là Brazil, Mexico và Venezuela Tại Nga, trong năm

2003 có tới 35.600 người thiệt mạng, 244.000 người bị thương do tai nạn giao thông, gây thiệt hại kinh tế hơn 11 tỉ USD Theo Bộ Công an Trung Quốc trong năm 2006, đã có 89.455 người chết vì tai nạn giao thông đường bộ

Ở Việt Nam theo số liệu thống kê của Ủy ban an toàn giao thông quốc gia

diễn biến tai nạn giao thông trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến năm 2012 được thể hiện trên đồ thị hình 1.1 và có thể chia làm 3 giai đoạn như sau:

Từ năm 1990 đến năm 2002: Số vụ tai nạn, số người chết và bị thương liên quan đến tai nạn giao thông có gia tăng mạnh Thời kỳ này số người chết tăng 5,8 lần (từ 2.268 lên 13.186 người) và số người bị thương tăng 6,2 lần (từ 4.956 người lên 31.000 người) Đây là thời kỳ bùng nổ về số lượng các phương tiện giao thông nhưng ý thức người tham gia giao thông cũng như cơ sở hạ tầng giao thông, các quy định để đảm bảo an toàn giao thông đang rất thấp kém

Từ năm 2002 đến năm 2005: Số vụ tai nạn, người bị thương giảm rõ rệt: Số tai nạn giảm 47% (từ 27.993 vụ xuống 14.177 người), số người bị thương giảm 61% (từ 31.000 người xuống 12.013 người) Thời kỳ này chính phủ, các cơ quan chức năng với sự tham gia của toàn dân đã quyết liệt thực thi các chính sách, giải pháp nhằm giảm thiểu tai nạn giao thông

Từ năm 2005 đến năm 2012: Số vụ tai nạn, số người chết giảm nhẹ và có sự dao động lên xuống

Theo các số liệu trên biểu đồ hình 1.1 thì số người chết năm 2012 vì tai nạn giao thông ở nước ta khoảng 10 người/100.000 dân, đứng vào khoảng trung bình của thế giới Tuy nhiên đây là một con số đáng suy ngẫm vì ở nước ta phương tiện giao thông cơ giới chưa nhiều Nếu kinh tế phát triển, phương tiện giao thông cơ giới gia tăng mà hạ tầng cơ sở giao thông không được cải thiện, ý thức người tham gia giao thông không được nâng lên thì tình hình tai nạn giao thông ở nước ta sẽ còn

Hình 1.1: Tình hình tai nạn giao thông ở Việt Nam

diễn biến phức tạp

Trong số các tai nạn kể trên tai nạn trên đường bộ do ô tô (ở Việt Nam là ô tô

và xe máy) chiếm phần lớn Tai nạn do đường sắt, đường không và đường thủy chiếm phần ít hơn

Khi vận hành trên đường mối quan hệ giữa người lái - đường - xe được thể hiện trên hình 1.2 Khi nghiên cứu mối quan hệ này người ta thấy rằng phần lớn các tai nạn giao thông đều có nguyên nhân chủ quan từ con người Người ta dùng cụm

từ “ý thức người tham gia giao thông” để chỉ nguyên nhân từ con người Vì thế nâng cao ý thức của người tham gia giao thông là nhiệm vụ trọng tâm của việc giảm thiểu tai nạn giao thông Chính phủ các nước trong đó có Việt Nam đã đề ra rất nhiều giải pháp cho vấn đề này: tuyên truyền, giáo dục, nâng cao chất lượng các cơ

sở đào tạo lái xe, phạt nặng các hành vi vi phạm luật giao thông thậm chí kỷ luật cả lãnh đạo địa phương để xảy ra nhiều tai nạn giao thông… Tuy nhiên ý thức con người không phải một sớm một chiều mà thay đổi được, cho nên có thể coi đây là một “cuộc chiến” lâu dài

Ngoài nguyên nhân chủ quan từ con người như đã nói ở trên, còn có nguyên nhân khách quan từ ô tô, đường và môi trường Tai nạn do các nguyên nhân này có thể giảm bằng các giải pháp kỹ thuật Một trong những giải pháp kỹ thuật được quan tâm là đánh giá ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm tới quá trình phanh ô tô tải

Hình 1.2: Mối quan hệ Người lái - Đường- Xe

nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh

1.2 Đánh giá ảnh hưởng của tọa độ trọng tâm để điều chỉnh phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh

Như đã trình bày ở trên trong các nguyên nhân tai nạn giao thông xuất phát

từ các lỗi của các hệ thống trên ô tô Theo các thống kê trong các nguyên nhân gây tai nạn do máy móc thì hệ thống phanh chiếm tỉ lệ cao nhất Mặt khác hệ thống phanh là hệ thống làm giảm vận tốc xe Vận tốc xe giảm càng nhanh xe càng ít xảy

ra tai nạn

Chúng ta sẽ xem xét quá trình phanh ô tô

Khi xe chuyển từ v1 đến v2 (v2 < v1) xe thực hiện một chuyển động chậm dần, nghĩa là phải tạo cho xe một gia tốc jp ngược chiều với chiều chuyển động Mà

ta biết rằng muốn tạo cho một vật thể có khối lượng m một gia tốc jp thì ta phải tác dụng vào vật thể một ngoại lực F = mjp Như vậy để làm giảm vận tốc của xe ta phải tạo ra một lực, cản lại sự chuyển động của xe Lực này được gọi là lực phanh

Tuy nhiên trên ô tô ngoài khối lượng chuyển động tịnh tiến còn có các khối lượng chuyển động quay bao gồm bánh xe và các chi tiết liên quan động học đến bánh xe

Do vậy lực tác dụng vào xe để tạo ra gia tốc jp phải là: F mj p (1.1) Trong đó δ là hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng quay khi phanh xe

Xe có khối lượng m chạy với vận tốc v sẽ có động năng:

2

2

mv

LMặt khác giả sử xe đang chạy với vận tốc v1 và có nhu cầu giảm vận tốc xuống v2 Khi đó cần phải tiêu phí đi một lượng năng lượng:

2

)(v12 v22m

 (1.2) Vậy quá trình làm giảm vận tốc của xe phải giải quyết song song hai vấn đề:

- Tạo ra lực cản ngược chiều chuyển động của ô tô;

- Tiêu tán đi một lượng động năng của xe

Trong quá trình chuyển động, xe chỉ tiếp xúc với không khí và mặt đường

Như vậy để tạo ra một ngoại lực tác dụng vào xe thì chỉ có thể tạo ra từ không khí

Lực cản này rất nhỏ (trên đường tốt hệ số cản lăn f chỉ bằng khoảng 0,02) đương nhiên không thể dùng để phanh được Nhưng nếu ta giữ bánh xe lại không cho bánh xe quay thì ma sát giữa bánh xe và mặt đường chuyển thành ma sát trượt

và lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường lúc này là: F ms G

Như vậy để tạo ra lực ma sát lớn giữa bánh xe và mặt đường đủ để phanh xe

có hiệu quả phải tạo ra mô men cản, cản lại chuyển động quay của bánh xe để ma sát giữa bánh xe và mặt đường chuyển từ “ma sát lăn” sang “ma sát trượt” Có nghĩa là thực chất khi phanh, hệ thống phanh phải sinh ra một mô men cản lại chuyển động quay của bánh xe Mô men này được gọi là mô men phanh, ta ký hiệu

là Mp Lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường là lực cản lại sự chuyển động của xe chính là lực phanh

Ta có sơ đồ các lực trên bánh xe khi phanh thể hiện trên hình 1.3

Hệ số ma sát µ giữa bánh xe và mặt đường lúc này chính là hệ số bám φ Mà trên trên đường tốt φ = 0,6 ÷ 0,8 hoặc hơn nữa cho nên lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường có giá trị lớn và do đó có thể dùng để phanh xe

Lực phanh Fp được tính như sau:

b

p p r

M

F  (1.3) Nhìn vào biểu thức (1.3) ta thấy khi Mp tăng lên thì Fp cũng tăng lên tương ứng Tuy nhiên trên thực tế, Fp không tăng lên vô hạn Đến một giá trị Fp nào đó sẽ xảy ra hiện tượng Mp tăng nhưng Fp không tăng, nếu Mp tiếp tục tăng lên, bánh xe

sẽ bị trượt Giá trị lực phanh lúc này đạt cực đại và bằng lực bám

 z

p F F

F max   (1.4) Nhìn vào biểu thức (1.4) ta thấy lực phanh cực đại phụ thuộc vào hai thông số:

- Phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe hay trọng lượng xe phân bố lên bánh xe đó

- Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường φ

Trọng lượng của xe phân bố lên bánh xe được quyết định bởi sự bố trí tọa độ trọng tâm của ô tô đó Do vậy tọa độ trọng tâm ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của quá trình phanh

1.3 Các hệ thống phanh trên ô tô hiện nay

1.3.1 Hệ thống phanh trang bị ABS

Hình 1.4: Đặc tính phanh

Hình 1.3: Động lực học bánh xe

Hình 1.5: Nguyên lý ABS

Trên thực tế, nhiều khi bánh xe bị phanh đã dừng mà xe vẫn chuyển động Trong trường hợp đó, lực phanh giảm nhanh và lực bám ngang bị triệt tiêu làm mất

ổn định khi phanh Hình (1.4) chỉ ra rằng, lực phanh cực đại đạt được trong khoảng

hệ số trượt lớn hơn 0,06 và bé hơn 0,2 Khi phanh, lái xe vẫn giữ bàn đạp phanh ngay cả khi bánh xe vượt khỏi vùng tối ưu của lực bám mà vãn không biết Vì vậy người ta thiết kế cơ cấu chống hãm cứng bánh xe ABS (Antilocking Brake System) như hình (1.5) để điều khiển lực phanh tự động (triệt tiêu áp suất phanh)

1.3.2 ABS loại cơ-thuỷ lực

Hình 1.6: Bố trí ABS

Sơ đồ bố trí hệ phanh ABS cơ-thuỷ lực như hình (1.6) gồm van tỷ lệ (1), tổng van (2), đai truyền lực (3) và cụm ABS cơ Bộ ABS gồm cảm biến gia tốc góc bánh đà, bơm dầu kiểu piston truyền động bằng cam và các van áp suất Cảm biến gia tốc bánh đà xác định giá tốc định mức cho trước Khi đạt gia tốc ngưỡng các van được giảm áp suất Nếu tốc độ lại tăng, bơm dầu sẽ tăng áp suất để lực phanh đạt giá trị cực đại trở lại Hệ thống này có thể tăng giảm áp suất 5 lần/giây để hạn chế bánh xe hãm cứng, nâng cao hiệu quả phanh

Hình 1.7: Cơ cấu chống hãm cứng cho cầu trước chủ động

1 quả văng quán tính; 2 ly hợp; 3 bi mở ly hợp; 4 cần mở van điều khiển;

5 van điều khiển; 7 van cắt; 8 ra bánh sau; 9 từ xi lanh chính;

10,11 van một chiều; 12 bơm piston Khi phanh bình thường (hình 1.7 a): Ở điều kiện phanh thường, van cắt (7)

mở, dầu từ tổng van đi qua van cắt vào các xy lanh phanh bánh sau Van điều khiển (5) đóng, piston bơm (12) không tiếp xúc với cam lệch tâm (13) do lò xo hồi vị

Khi giảm lực phanh (hình 1.7 b): Khi gia tốc bánh trước giảm, tức trục chủ

động (14), các bánh xe bắt đầu hãm cứng, tạo quán tính cho quả văng (1) quay tương đối với ly hợp (2), bi ly hợp trườn khỏi rãnh, đẩy quả văng dịch sang trái, làm cho cần mở (4) mở van điều khiển (5) Áp suất trong hệ thống phanh sau khá cao

mà van (5) lại mở nên piston (6) bị đẩy lên trên, van cắt (7) đóng lại, do đó áp từ xy lanh chính đẩy piston (12) lên trên tiếp xúc vơi cam (13), dầu được bơm trở lại qua van điều khiển (5) Do van cắt đóng nên dòng dầu từ xy lanh chính và dòng dầu phía hệ thống phanh sau bị ngăn cách, áp suất dầu trong xy lanh bánh xe giảm nhanh

Khi tăng lực phanh (hình 1.7c): Do việc giảm lực phanh ở trường hợp vừa

nêu, má phanh được nhả ra, cho phép bánh xe tăng tốc đến tốc độ của quả văng

giảm tốc Khi trục chủ động và quả văng có cùng tốc độ, bi (3) lăn về đúng rãnh của

nó, quả văng quán tính dịch chuyển sang phải, cho phép lò xo hồi vị của đòn (4) mở van điều khiển (5) Cùng thời gian, piston bơm (12) tạo áp suất trên piston (6) bởi van một chiều (10,11) Áp suất vào xy lanh bánh xe đƣợc khôi phục khi van cắt (7)

mở, piston bơm bị ngắt khỏi cam (13), áp suất trong xy lanh bánh xe tăng dần theo

áp suất tổng phanh

1.3.3 ABS điều khiển điện cho xe con (BOSCH)

Hình 1.8: ABS cho xe ôtô

1 cảm biến tốc độ; 2 piston van điều khiển; 3 van điện từ; 4 van xả; 5 van nạp; 6 ECU; 7 van giảm áp suất; 8 chân phanh; 9 bơm hồi; 10 xy lanh chính

Sơ đồ phanh ABS điện tử như hình (1.8), gồm bốn van thuỷ lực-điện từ (2,3) cho bốn xy lanh bánh xe (8), hai van giảm áp (6) cho hai dòng, một bơm hồi (9) với hai van xả (4) và hai van nap (5) và bộ xử lý (6) Cảm biến số vòng quay (1) xác định số vòng quay của các bánh xe; tin hiệu điện áp được gưi cho bộ xử lý (6) nhằm xác định hệ số trượt để xác định lực điện từ tại các van điện từ (3) nhằm đóng mở các van thuỷ lực (2) để giảm, giữ, tăng áp suất vàp xy lanh bánh xe (8) Nguyên lý của hệ được trình bày trong hình (1.8)

Phanh trong điều kiện bình thường(hình 1.8 a): Trong điều kiện phanh bình

thường, các van điện từ (3) không làm việc; các piston van thuỷ lực (2) nằm ở vị trí tháp nhất do lò xo đẩy chúng Khi đạp chân phanh, xy lanh chính cấp dầu độc lập cho hai dòng qua các van thuỷ lực mà không bị cản trở gì; áp suất dầu trong xy lanh bánh xe tỷ lệ mức độ đạp phanh

Trạng thái giữ (hình 1.8b) : Khi bánh xe giảm tốc độ đến một ngưỡng định

lượng trước, cảm biến tốc độ (1) gửi tín hiệu cho bộ xử lý (6) về sự trạng thái bánh

xe sắp bị bó cứng Đồng thời máy tính (6) gửi dòng điện điều khiển đến van điện từ (3), dòng điện sẽ kích hoạt cuôn cảm, lực điện từ kéo piston điều khiển lên cao đóng các đường dầu đến các xy lanh bánh xe và bây giờ áp suất dầu trong các xy lanh bánh xe là ổn định (hình 1.9)

Trạng thái giảm áp suất (hình 1.8c) : Nếu cảm biến gửi đến máy tính một tín

hiệu giảm tốc độ đột ngột không bình thường như là nguyên nhân hãm cứng bánh

xe, máy tính tăng dòng điện vào van điện từ, kéo piston van thuỷ lực lên cao hơn nữa, tại vị trí đó không có dầu vào từ xy lanh chính và làm thông cửa sang van giảm

áp (7), cùng với bơm hồi, dầu trong xy lanh bánh xe giảm nhanh chóng Kết quả là bánh xe có khả năng tăng tốc và hệ số bám được thiết lập trở lại

Trạng thái tăng áp suất (hình 1.8a): Một khi chuyển từ trạng thái giảm tốc

sang tăng tốc, máy tính đặt chế độ off cho van điện từ, lò xo trong van điện từ đẩy piston thuỷ lực xuống vị trí thấp nhất, áp suất phanh lại tăng trở lại trong xy lanh bánh xe Độ nhạy của hệ thống khoảng 10 lần/giây

Hình 1.9: Đặc tính hệ phanh ABS điển hình

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS TRÊN XE TẢI 2.1 Cơ sở lý thuyết hệ thống ABS

2.1.1 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh

Hình 2.1: Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh

Khi phanh, ở bánh xe xuất hiện các lực và mô men sau:



P – lực đẩy từ khung xe truyền đến;

G b – tải trọng tác dụng lên bánh xe;

Z b – Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe;

M p – Mô men phanh;

M f – Mô men cản lăn;

M jb – Mô men quán tính

Cơ cấu phanh sinh ra mô men phanh Mp nhằm hãm bánh xe lại, khi đó bánh

xe chuyển động với gia tốc chậm dần Do bánh xe chuyển động có gia tốc nên bánh

xe chịu thêm mô men quán tính M jb tác dụng cùng chiều với chiều quay của bánh

xe Ngoài ra bánh xe còn chịu tác dụng của mô men cản lăn M f ngược chiều chuyển động Tuy nhiên mô men cản lăn nhỏ hơn nhiều lần so với mô men phanh, do đó

rb

MP

Gb Mjb

trong quá trình phanh có thể bỏ qua mô men cản lăn này Lúc đó có thể coi còn duy

nhất thành phần mô men phanh M p có tác dụng hãm bánh xe, mô men phanh này

tạo ra lực phanh P p có phương tiếp tuyến, ngược với chiều của lực P ξ, có tác dụng giảm tốc độ chuyển động của ô tô Lực phanh được xác định theo công thức:

b

p p

r

M

2.1.2 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh

Mô men phanh do cơ cấu phanh sinh ra, mặt đường là nơi tiếp nhận thông qua

độ bám giữa bánh xe và mặt đường Lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám giữa bánh xe và mặt đường, được đặc trưng bởi hệ số bám  thông qua mối quan hệ sau: P pmax P Z b.

Hình 2.2: Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết

Ta có Hình 2.2: Giải thích hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh:

Trong đó:

v là vận tốc dài thực của bánh xe (cũng là vận tốc thực của xe);

v 0 là vận tốc lí thuyết của bánh xe

v v v

2.1.3 Đặc tính trượt khi phanh

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

mặt đường φ gồm hệ số bám theo phương dọc φ x , hệ số bám theo phương ngang φ y

Lực phanh cực đại F xMax của bánh xe tỷ lệ thuận với hệ số bám φ và trọng lượng của

xe G:

F xMax P F z.

Trong đó P φ - lực bám của bánh xe với mặt đường; F z - phản lực thẳng từ

mặt đường lên bánh xe Hệ số bám φ phụ thuộc loại, tình trạng mặt đường; kết cấu,

vật liệu, độ cứng, áp suất lốp xe; tải trọng lên bánh xe, tốc độ của xe; điều kiện, nhiệt độ làm việc

Mặt khác khi phanh do tải trọng, phản lực từ mặt đường, mô men tác dụng lên bánh xe thường xuyên thay đổi làm cho lốp xe bị biến dạng, làm xuất hiện hiện tượng trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường Để đánh giá mức

Trong đó: v - vận tốc chuyển động của xe; ω - vận tốc góc bánh xe; r b - bán

kính làm việc của bánh xe Độ trượt của bánh xe gồm: độ trượt dọc λ x, độ trượt

ngang λ y

a) b)

khác nhau(b)

y

x 

 ,

2- Lốp bố chéo chạy trên đường nhựa ướt;

3- Lốp bố tròn chạy trên đường tuyết;

4- Lốp bố tròn chạy trên đường bằng

Mối quan hệ hệ số bám φ của các loại đường, lốp xe và độ trượt được trình

bày trong hình 2.3 và hình 2.4

- Trong đồ thị hình 2.3a hệ số bám dọc, hệ số bám ngang φ y thay đổi theo độ

trượt tương đối λ Khi bánh xe làm việc trong vùng a (vùng ổn định): độ trượt λ tăng thì hệ số bám dọc φ x tăng lên nhanh chóng, đạt giá trị cực đại trong khoảng λ = 15

30% và hệ số bám ngang φ y có giá trị cao Nếu bánh xe làm việc trong vùng b

(vùng không ổn định): khi độ trượt tiếp tục tăng thì hệ số bám dọc φ x giảm từ 50

60%, còn hệ số bám ngang φ y giảm nhanh hơn, thậm trí nếu λ = 100% (bánh xe trượt hoàn toàn) thì hệ số bám ngang φ y giảm gần về “0”

- Trong đồ thị hình 2.3b: hầu hết các loại đường hệ số bám dọc φ x đạt giá trị

cực đại, hệ số bám ngang φ y đạt giá trị khá cao khi độ trượt tương đối λ nằm trong vùng giá trị độ trượt tối ưu.Vì vậy, khi nghiên cứu thiết kế hệ thống phanh và điều

khiển quá trình phanh ôtô người ta chọn giá trị độ trượt tối ưu λ = 15 30% là ngưỡng điều khiển gọi là “Điều khiển theo giá trị độ trượt định trước” Trong thực

tế các bánh xe trên cùng 1cầu hay trên cùng một vết cũng làm việc trên mặt đường

có hệ số bám φ khác nhau đòi hỏi hệ thống phanh phải có khả năng tự điều khiển

sao cho bánh xe làm việc trong vùng độ trượt tối ưu

- Trong hình 2.4: mỗi một loại lốp (kích thước, kết cấu, áp xuất hơi lốp) có đặc

tính (biến dạng - độ cứng) khác nhau thì quan hệ giữa φ x và λ0 khác nhau vì vậy khi nghiên cứu, tính toán quá trình phanh của xe phải xem xét quan hệ động lực học của

xe, bánh xe với đặc tính của từng loại lốp xe Đồng thời trong quá trình sử dụng không tuỳ tiện thay đổi kiểu, loại lốp xe do nhà thiết kế qui định cho mỗi loại xe

Hình 2.5: Mối quan hệ φx; φy với λ ứng với góc lệch bên φi

- Khi xe ô tô chuyển động trên đường nghiêng, đường vòng tại bề mặt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường luôn xuất hiện phản lực của đường bánh xe (phản lực

thẳng đứng F z , phản lực bên F y) Do bánh xe đàn hồi nên mặt phẳng đối xứng của bánh xe dịch chuyển đi một đoạn, khi đó đường tâm vết tiếp xúc với phương vận

tốc bánh xe tạo thành góc lệch αi gọi là góc lệch bên Mối quan hệ góc lệch bên α i,

φ x và φ y với λ trong hình 2.5 Ta nhận thấy khi α i tăng thì λ tăng, tính ổn định của

xe giảm vì vậy trong trường hợp này phải ưu tiên điều khiển ổn định của xe

2.1.4 Nguyên tắc điều khiển của ABS

- Mục tiêu hệ thống phanh ABS là điều khiển áp suất dẫn động phanh sao cho

bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt (λ) thay đổi trong phạm vi hẹp quanh giá trị trượt tối ưu (λ 0 ) để tận dụng tối đa khả năng bám, tại điểm đó lực phanh (Pp) đạt

giá trị cực đại, đồng thời tính ổn định và tính dẫn hướng của xe là tốt nhất

k x

P max  max   max. (2.1)