Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống phanh có bộ chống hãm cứng bánh xe ABS phục vụ cho đào tạo Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống phanh có bộ chống hãm cứng bánh xe ABS phục vụ cho đào tạo Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống phanh có bộ chống hãm cứng bánh xe ABS phục vụ cho đào tạo luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp
Thực trạng dạy học trong các trường nghề
Những vấn đề chung
Sau hơn 20 năm đổi mới, Việt Nam đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng trong phát triển kinh tế-xã hội Nâng cao chất lượng đào tạo là mục tiêu hàng đầu của các trường chuyên nghiệp kỹ thuật, đặc biệt là trường dạy nghề, nhằm đáp ứng yêu cầu xã hội về kiến thức, kỹ năng và thái độ của học sinh-sinh viên (HSSV) trong thời kỳ hội nhập kinh tế Hoạt động dạy và học, cùng với phương tiện dạy học, đóng vai trò then chốt trong việc giúp người học tiếp thu kiến thức nhanh chóng Hiện cả nước có 2052 cơ sở dạy nghề, bao gồm 62 trường cao đẳng nghề và 235 trường trung cấp nghề, với sự gia tăng nhanh chóng của các cơ sở tư thục và vốn đầu tư nước ngoài Quy mô đào tạo nghề đã tăng trưởng mạnh mẽ, giai đoạn 2001-2006 đã đào tạo 6,6 triệu người, trong đó 1,14 triệu người học nghề dài hạn và 5,46 triệu người học nghề ngắn hạn.
Năm 2007, cả nước có 1.436.500 người được tuyển sinh, trong đó trung cấp nghề chiếm 151.000 và cao đẳng nghề là 29.500 người Quy mô dạy nghề đã tăng nhanh trong những năm qua, nâng tỷ lệ lao động qua đào tạo nghề từ 13,4% năm 2001 lên khoảng 24% năm 2007, góp phần quan trọng vào việc chuyển dịch cơ cấu kinh tế và lao động.
Theo kết quả kiểm định chất lượng năm 2011, Hội đồng kiểm định chất lượng dạy nghề đã đánh giá 37 cơ sở dạy nghề Kết quả cho thấy 17 cơ sở đạt cấp độ 3, tương ứng với tiêu chuẩn cao; 17 cơ sở đạt cấp độ 2, chiếm 45,95%; và 3 cơ sở đạt cấp độ 1, chiếm 8,1%.
Các trường không đạt chuẩn hoặc đạt chuẩn thấp chủ yếu do thiếu đội ngũ giáo viên và cơ sở vật chất, bao gồm phương tiện, thiết bị và phòng học Do đó, việc cải thiện cơ sở vật chất và trang thiết bị dạy học là nhu cầu cấp bách để nâng cao chất lượng giáo dục và mở rộng quy mô đào tạo Nghiên cứu khoa học và chế tạo phương tiện dạy học là nội dung thiết yếu trong kế hoạch hàng năm của các trường Hiện nay, có nhiều phương tiện dạy học cơ bản cần được chú trọng.
Tranh vẽ có khả năng mô tả mối liên kết giữa các cụm và bộ phận, thể hiện hình dáng kết cấu bên ngoài cũng như chi tiết bên trong của hệ thống Với giá thành rẻ và tính dễ sử dụng, tranh vẽ có thể được áp dụng ở mọi nơi Tuy nhiên, nó có hạn chế trong việc không thể hiện nguyên tắc hoạt động và mô tả quá trình làm việc của hệ thống.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thể hiện nguyên tắc hoạt động và quy trình làm việc, với ưu điểm là giá thành rẻ và dễ sử dụng ở nhiều địa điểm khác nhau Tuy nhiên, sơ đồ này thường chỉ là hình khối đơn giản, không thể hiện rõ mối liên kết giữa các cụm và bộ phận, cũng như cấu trúc bên trong của hệ thống.
Bản vẽ cấu tạo giúp người học nhận biết hình dáng và cấu trúc bên ngoài, cũng như các bộ phận bên trong và sự lắp ghép giữa chúng trong hệ thống Tuy nhiên, nhược điểm của bản vẽ này là không thể hiện nguyên tắc hoạt động và mô tả quá trình làm việc của hệ thống.
Mô hình cắt bổ, có thể được làm từ vật thật hoặc nhân tạo, giúp mô tả cấu tạo các bộ phận bên trong của hệ thống, mang lại ưu điểm lớn cho người học trong việc nhận dạng các chi tiết Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là nó chỉ là mô hình tĩnh, không thể làm cho hệ thống hoạt động.
Mô hình dàn trải là một công cụ hữu ích để mô tả quá trình hoạt động của hệ thống, cho phép người học quan sát và khám phá các bộ phận bên trong Đây là mô hình sống có thể tháo rời, giúp người học thực hành quy trình tháo lắp và quan sát cấu trúc từ nhiều góc độ khác nhau Nó cũng hỗ trợ mô phỏng nguyên lý hoạt động và sử dụng thiết bị chẩn đoán để xác định lỗi hệ thống Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình yêu cầu công phu và cần có kỹ năng tay nghề cao từ người dạy để đảm bảo hiệu quả trong quá trình học tập.
Các mô hình giảng dạy chủ yếu hiện nay
Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp chế tạo ôtô đã có những bước tiến vượt bậc nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đáp ứng các yêu cầu về khả năng chuyên chở, tốc độ, độ bền, an toàn, tiện nghi và kinh tế Trong giảng dạy chuyên ngành ôtô tại các trường và cơ sở đào tạo nghề, mô hình dạy học là công cụ thiết yếu cho cả giáo viên và học sinh Các mô hình này giúp giáo viên truyền đạt kiến thức một cách trực quan và sâu sắc, trong khi học sinh có cơ hội hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và sự liên kết của các chi tiết, cụm chi tiết và hệ thống Điều này không chỉ giúp họ nắm bắt tốt hơn thực tế hoạt động của hệ thống trên xe mà còn hỗ trợ trong việc dạy lái xe và tháo lắp các chi tiết.
Hiện nay, mỗi cụm và hệ thống của ôtô đều cần có mô hình riêng để phục vụ cho việc đào tạo và nghiên cứu khoa học Dưới đây là một số ví dụ về các mô hình hệ thống trên ôtô, trong đó mô hình phục vụ giảng dạy nguyên lý ôtô đóng vai trò quan trọng.
Hình 1.1 Mô hình dạy học nguyên lý ôtô
Thiết bị được chế tạo từ khung thép chất lượng cao, được gia công cơ khí và phun sơn màu bên ngoài Mặt sau của bàn thực hành được trang bị cửa mở để dễ dàng sửa chữa, trong khi bên phải có thiết kế các mạch điện sự cố Chân đế được lắp bánh xe quay di động có phanh hãm, thuận tiện cho việc di chuyển hoặc cố định vị trí Với cấu trúc chắc chắn và bền đẹp, thiết bị cũng bao gồm mô hình cắt bổ các cụm, hệ thống ôtô.
Hình 1.2 Mô hình cắt bổ các cụm, hệ thống trên ôtô
Là mô hình cắt bổ vật thật động cơ, cơ cấu giảm tốc, động cơ giảm tốc
Mô hình này giúp hiển thị rõ ràng vị trí và trạng thái chuyển động của các bộ phận bên trong động cơ Hiện nay, mô hình này đã được trang bị cho hầu hết các trường đại học, cao đẳng và trường nghề, phục vụ cho việc hướng dẫn thực hành hộp số.
Thiết bị được chế tạo từ khung thép chất lượng cao, có bề mặt được phun sơn nhựa màu, đảm bảo tính thẩm mỹ và độ bền Phía sau bàn thực hành có cửa mở thuận tiện cho việc sửa chữa, trong khi bên phải được thiết kế với các mạch điện sự cố Chân đế của thiết bị được trang bị bánh xe quay di động có phanh, giúp dễ dàng di chuyển hoặc cố định vị trí Mô hình sử dụng panel dạy học cao cấp với sơ đồ nguyên lý được phun màu, bề mặt được bảo vệ bằng thủy tinh hữu cơ và khung hợp kim nhôm, mang lại sự chắc chắn và bền đẹp cho thiết bị.
Hình 1.3 Thiết bị thực hành sửa chữa hộp số ôtô
Tình hình dạy học tại cơ sở đào tạo
Mô hình dàn trải hệ thống treo lái tổng hợp
Đây là mô hình đạt giải nhì tại hội thi sáng tạo kỹ thuật Quân khu 2 năm 2009
Mô hình có đặc điểm:
- Mô hình mô phỏng hệ thống treo, lái có trợ lực hoạt động được;
- Bơm trợ lực được dẫn động bằng động cơ điện 1 pha
Hình 1.4 Hệ thống treo lái tổng hợp
Mô hình dàn trải hệ thống điều hòa không khí tự động
Vào năm 2011, trường đã xuất sắc giành giải nhì tại hội thi sáng tạo kỹ thuật Quân khu 2 với mô hình hệ thống điều hòa không khí tự động Mô hình này được thiết kế dựa trên yêu cầu của điều hòa ô tô, với cấu trúc mở rộng và bao gồm hơn 10 bài kiểm tra cùng các sự cố liên quan đến máy móc, mạch điện và đường ống Điều này giúp học sinh nâng cao khả năng phân tích, xử lý sự cố và phát triển kỹ năng thực hành song song với việc học tập lý thuyết.
Hình 1.5 Mô hình hệ thống điều hòa không khí tự động
Mô hình dàn trải hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử xe ô tô Toyota
Vào năm 2012, trường đã tham gia hội thi thiết bị dạy nghề tự làm tại tỉnh Vĩnh Phúc với mô hình hệ thống phun xăng điện tử cho xe Toyota Camry 1999 Mô hình này nổi bật với những đặc điểm kỹ thuật tiên tiến, thể hiện sự sáng tạo và khả năng ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ ô tô.
- Mô hình bao gồm tất cả các bộ phận của hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử trên ô tô hiện đại hoạt động bình thường như trên xe;
- Có thể sử dụng mô hình để thực tập đấu dây cho từng bộ phận và toàn bộ hệ thống thông qua hệ thống giắc cắm thông minh;
- Mô hình có hệ thống giắc kết nối để kết nối với máy tính hoặc máy chẩn đoán chuyên dùng để chẩn đoán các PAN nhớ trong ECM
Hình 1.6 Hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử xe Toyota Camry 2009
Mô hình dàn trải hệ thống điện xe ôtô
Năm 2012 với mô hình dàn trải hệ thống điện xe ô tô, trường đã đạt giải nhất tại hội thi sáng tạo kỹ thuật Quân khu 2
- Mô hình bao gồm tất cả các hệ thống sử dụng điện trên ô tô hiện đại Tất cả các hệ thống hoạt động bình thường như trên xe;
- Có thể sử dụng mô hình để thực tập đấu dây cho từng hệ thống và toàn bộ hệ thống thông qua hệ thống giắc cắm thông minh;
- Mô hình có hệ thống giắc kết nối để kết nối với máy tính hoặc máy chẩn đoán chuyên dùng để chẩn đoán các PAN nhớ trong ECM
Hình 1.7 Hệ thống điện xe ôtô
Mô hình dàn trải hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử xe ô tô Toyota
Đây là mô hình đạt giải nhì tại hội thi thiết bị dạy nghề tự làm toàn quốc năm 2013:
- Mô hình bao gồm tất cả các bộ phận của hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử trên ô tô hiện đại hoạt động bình thường như trên xe;
Mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử kết nối qua mạng CAN sử dụng tín hiệu chung, đồng thời tích hợp hệ thống khóa điện thông minh, đảm bảo hoạt động ổn định như trên các loại xe hiện đại.
- Có thể sử dụng mô hình để thực tập đấu dây cho từng bộ phận và toàn bộ hệ thống thông qua hệ thống giắc cắm thông minh;
- Mô hình có hệ thống giắc kết nối để kết nối với máy tính hoặc máy chẩn đoán chuyên dùng để chẩn đoán các PAN nhớ trong ECM
Hình 1.8 Hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử trên xe Toyota Camry 2010
Mục tiêu, phương pháp nghiên cứu và nội dung đề tài
Mục tiêu nghiên cứu
Hệ thống phanh dẫn động thuỷ lực với bộ chống hãm cứng bánh xe ABS là một trong những công nghệ quan trọng trên ôtô hiện đại và được chú trọng trong chương trình giảng dạy nghề công nghệ ô tô tại các trường đại học và cao đẳng Tuy nhiên, việc trang bị mô hình thực tế cho giảng dạy gặp khó khăn do chi phí cao và khả năng tài chính hạn chế của các cơ sở giáo dục Để đáp ứng nhu cầu giảng dạy các mô đun liên quan đến bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống phanh, các trường cần tìm kiếm giải pháp thay thế hiệu quả Trong quá trình thực hành, giảng viên thường gặp phải một số vấn đề liên quan đến việc hướng dẫn sửa chữa hệ thống phanh ABS trên xe ôtô.
Giáo viên gặp khó khăn trong việc hướng dẫn học sinh, sinh viên về vị trí các thiết bị trên xe do không gian lắp đặt hạn chế và một số vị trí không thể quan sát được.
- Số lượng vị trí để HSSV qua sát được rất ít, mất nhiều thời gian hơn do giáo viên phải hướng dẫn từng nhóm HSSV;
HSSV thiếu kinh nghiệm tiếp xúc với hệ thống phanh dẫn động thủy lực có bộ chống hãm cứng bánh xe ABS trên xe có thể gây hư hỏng và chạm chập, dẫn đến mất an toàn Việc học sinh, sinh viên thực hành ngay trên các dòng xe hiện đại và đắt tiền khi chưa thành thạo sẽ lãng phí thời gian và vật tư.
Chúng tôi nhận thấy cần thiết phát triển một hệ thống phanh dẫn động thủy lực với bộ chống hãm cứng bánh xe ABS cho xe ô tô, nhằm giải quyết những khó khăn trong giảng dạy thực hành Hệ thống này không chỉ phù hợp với nội dung môn học mà còn dễ quan sát, dễ hiểu và dễ tiếp thu, tạo nên sự sinh động và hấp dẫn, từ đó kích thích hứng thú học tập cho sinh viên.
HSSV, đồng thời phát huy được tính tích cực, sáng tạo của người học, hoàn thiện kỹ năng, vận dụng tốt kiến thức vào thực tế
Việc sản xuất trang thiết bị dạy nghề tự làm không chỉ phục vụ cho giảng dạy mà còn đóng vai trò quan trọng trong hoạt động sư phạm của giáo viên Hoạt động này giúp nâng cao kỹ năng chuyên môn, kỹ năng nghiên cứu khoa học và kỹ năng làm việc nhóm cho đội ngũ giáo viên trong toàn trường.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết được áp dụng để phân tích hệ thống phanh ABS và tính toán các thông số cơ bản cần thiết cho việc xây dựng mô hình Qua đó, tiến hành thiết kế, chế tạo và lắp ráp để hoàn thiện mô hình.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ CHỐNG HÃM CỨNG BÁNH XE
Mô hình động lực học ô tô khi phanh
2.1.1 Động lực học bánh xe
Khi phanh xe, bánh xe phải chịu tác động từ mặt đường và mô men phanh từ cơ cấu phanh Hình 2.1 minh họa sơ đồ lực và mô men tác động lên bánh xe trong quá trình phanh.
Hình 2.1 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh
Trong đó: P - lực đẩy từ khung xe truyền đến;
Gb - tải trọng tác dụng lên bánh xe;
Zb - phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe;
Mjb - mô men quán tính;
Khi người lái nhấn bàn đạp phanh, mô men ma sát (mô men phanh Mp) được tạo ra trong cơ cấu phanh để hãm bánh xe Tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, lực phanh xuất hiện dưới dạng phản lực tiếp tuyến P p, ngược chiều chuyển động của bánh xe Lực phanh này được xác định theo biểu thức: b p p r.
Trong đó: Mp- mô men phanh tác dụng lên bánh xe; rd - bán kính động lực học của bánh xe
Lực phanh tại bánh xe khác với lực cản tự nhiên và có thể điều chỉnh từ 0 đến giá trị tối đa P pmax trong trường hợp phanh cấp tốc Giá trị lớn nhất của lực phanh bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường.
Ppmax = P = Zb. (2.2) Trong đó: - hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô men cản lăn trong quá trình phanh là rất nhỏ so với mô men phanh, do đó có thể được bỏ qua Vì vậy, phương trình chuyển động của bánh xe khi phanh có thể được xác định như sau:
2.1.2 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh
Trong quá trình phanh ôtô, mô men phanh tăng lên đến mức khiến bánh xe bị khóa cứng, dẫn đến hiện tượng trượt lết Hình 2.2 minh họa trạng thái trượt của bánh xe khi phanh, giúp giải thích rõ hơn về hiện tượng này.
Hình 2.2 Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết
Trong đó: v0 - vận tốc lý thuyết của bánh xe; v - vận tốc thực của bánh xe (cũng là vận tốc thực của xe);
k - vận tốc góc của bánh xe [rad/s]; rb - bán kính tính toán [m]; rl - bán kính lăn của bánh xe [m]
Khi vận tốc thực tế của bánh xe vượt quá vận tốc lý thuyết, hiện tượng trượt xảy ra khi phanh, với vận tốc trượt được tính bằng công thức v = v - v0 Để đánh giá tác động của sự trượt này khi phanh, khái niệm độ trượt khi phanh đã được đưa ra.
(2.4) Ở trạng thái trượt lết hoàn toàn, tức là khi phanh bánh xe bị hãm cứng thì:
k = 0, v0 = 0, rl , = - 1 Dấu (-) chỉ độ trượt khi phanh Trên thực tế, người ta tính độ trượt tương đối:
Khi = 100%, bánh xe bị hãm cứng và trượt lết hoàn toàn trên mặt đường
Khi bánh xe bị trượt lết hoàn toàn, hệ số bám giảm xuống mức thấp nhất, dẫn đến lực phanh giữa bánh xe và mặt đường cũng giảm, làm giảm hiệu quả phanh và tăng quãng đường phanh lên đến 25-30% Nếu bánh xe trước trượt lết, sẽ mất tính dẫn hướng, trong khi bánh sau trượt lết sẽ làm mất tính ổn định Để ngăn chặn hiện tượng này và tránh hãm cứng bánh xe, ôtô hiện đại được trang bị hệ thống chống hãm cứng khi phanh.
2.2.2 Mô hình phẳng ô tô khi phanh a Các giả thiết xây dựng mô hình tính toán
Khảo sát mô hình phẳng của ôtô được thực hiện thông qua sơ đồ khảo sát, trong đó hình chiếu đứng của ôtô được phân tích mà không tính đến ảnh hưởng của chiều rộng bánh xe Các bánh xe của một cầu được quy dẫn và coi như một.
- Hệ số bám của các bánh xe ở các cầu bằng nhau;
- Toàn bộ khối lượng của ôtô tập trung tại trọng tâm xe;
- Thân xe được coi là vật rắn đồng nhất đặt đàn hồi trên các cầu xe;
- Xe chuyển động trên đường phẳng, nằm ngang, lớp phủ đồng nhất;
- Phản lực thẳng đứng của đường tác dụng lên bánh xe đi qua trục bánh xe
Sự chuyển dời tâm áp lực được kể đến qua mô men cản lăn;
- Bánh xe tiếp xúc với mặt đường tại một điểm;
- Không kể đến các yếu tố ảnh hưởng của người lái và kết cấu hệ thống phanh là ổn định a Phương trình cân bằng lực khi phanh
Với các giả thiết trên, sơ đồ các lực và mô men tác động lên ôtô trong quá trình phanh được xây dựng như sau hình 2.3:
Hình 2.3 Sơ đồ các lực, mômen tác dụng lên ô tô khi phanh
Khi phanh có các lực và mô men tác dụng lên ôtô như sau:
+ Lực phanh PP1 và PP2 đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường và ngược chiều chuyển động của ôtô;
+ Lực quán tính PJ đặt tại trọng tâm và cùng chiều chuyển động của ôtô;
+ Trọng lượng G đặt tại trọng tâm ôtô;
Phản lực pháp tuyến của đường R k1 và R k2, cùng với mô men cản lăn Mf1 và Mf2, được đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe cầu trước và cầu sau với mặt đường.
+ Lực cản của không khí Pw
Khi phanh xe, các lực cản không khí, lực cản lăn và mô men lăn có thể được bỏ qua Để cân bằng các lực theo chiều chuyển động và mô men tác dụng lên ôtô tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, ta có thể thiết lập phương trình động lực học khi phanh của ôtô.
2.2.3 Điều kiện phanh tối ưu
Từ các phương trình (2.7) và (2.8) ta có:
Để tận dụng tối đa trọng lượng bám của ôtô, hệ thống phanh được lắp đặt ở cả bánh xe trước và sau, với lực phanh lớn nhất phân bổ đều cho toàn bộ xe.
Hiệu quả phanh tối ưu đạt được khi lực phanh tại các bánh xe tỷ lệ thuận với tải trọng tác động lên chúng Tải trọng này thay đổi trong quá trình phanh do ảnh hưởng của lực quán tính Trong điều kiện phanh hiệu quả nhất, tỷ số giữa lực phanh ở bánh xe trước và bánh xe sau sẽ được xác định cụ thể.
Thay các biểu thức (2.7) và (2.8) vào biểu thức (2.12) ta có: g j g j p p h P a G h P b G P
Từ biểu thức (2.6) và (2.11) ta có: P jmax = Ppmax = G. (2.14) Thay biểu thức (2.14) vào (2.13) ta được: g g p p h a h b P
Để đảm bảo hiệu quả phanh tối ưu, cần tuân thủ điều kiện trong biểu thức (2.15) Điều này có nghĩa là để đạt được quãng đường phanh ngắn nhất, gia tốc phanh lớn nhất hoặc thời gian phanh ngắn nhất, lực phanh ở bánh xe trước Pp1 và lực phanh ở bánh xe sau Pp2 phải luôn thỏa mãn biểu thức này trong suốt quá trình phanh.
Trong điều kiện sử dụng ô tô, tọa độ trọng tâm thường xuyên thay đổi do cách chất tải khác nhau và hệ số bám cũng biến động khi ô tô di chuyển trên các đoạn đường khác nhau Do đó, tỷ số P P1 /P P2 cũng không cố định Để đảm bảo hiệu quả phanh tốt, cần có lực phanh P P1 và P P2 phù hợp, thỏa mãn biểu thức (2.15) Để đạt được điều này, cần điều chỉnh mô men phanh Mp1 và Mp2 ở các cơ cấu phanh trước và sau Giải pháp hiện đại cho vấn đề này là lắp đặt bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh (ABS).
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH ABS
Các phương án thiết kế mô hình ABS
Hình 3.1 Sơ đồ mô hình hệ thống phanh ABS 1/4
1-Động cơ điện; 2-Cảm biến đo tốc độ tang trống; 3-Tang trống; 4-Bánh xe; 5- Cụm phanh bánh xe; 6-Bộ chấp hành ABS; 7-Tổng phanh ;8-Bàn đạp phanh; 9-
Bộ điều khiển ABS; 10- Cảm biến tốc độ bánh xe; 11-Bánh đà; 12-Truyền động đai; 13-Ổ đỡ và trục
Mô hình bánh xe ô tô được dẫn động bằng động cơ điện thông qua hệ thống truyền động đai và con lăn, đồng thời sử dụng bánh đà để tạo ra mô men quán tính tương đương với mô men quán tính quy dẫn về bánh xe ô tô khi phanh trên đường.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS bắt đầu khi động cơ điện quay, truyền động qua đai dẫn động trục trung gian làm con lăn quay Lực ma sát giữa bánh xe và con lăn khiến bánh xe quay, trong khi cảm biến tốc độ gửi thông tin về ECU điều khiển ABS ECU xử lý thông tin và gửi tín hiệu tới bộ chấp hành ABS để điều chỉnh áp suất dầu tới cơ cấu phanh Hệ thống ABS thường hoạt động khi tốc độ bánh xe vượt quá 10 km/h.
Mô hình này mô tả cấu trúc cơ bản của hệ thống phanh ABS, bao gồm cụm phanh, hệ thống phanh thủy lực, hộp điều khiển, cảm biến và cụm bơm chấp hành, với chức năng dẫn động đảm bảo tốc độ quay của bánh xe.
Mặc dù phương pháp điều khiển hiện tại có những ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại hạn chế trong việc kiểm tra các phương án điều khiển nhiều kênh thường được sử dụng trên xe du lịch Hệ thống không cho phép so sánh ngưỡng điều khiển để lựa chọn phương án tối ưu Hơn nữa, việc theo dõi quá trình điều khiển phanh ABS cũng gặp khó khăn, đặc biệt là với các kiểu điều khiển chung cho 2 bánh hoặc điều khiển độc lập từng bánh xe 1/4.
Mô hình hệ thống phanh ABS 4/4 được thiết kế để mô phỏng điều kiện và quá trình phanh của ô tô trên đường, mang lại chi tiết và kết cấu hoàn chỉnh hơn so với mô hình 1/4 Một trong những ưu điểm nổi bật của mô hình 4/4 là khả năng kiểm tra các thông số ảnh hưởng đến phân bố tải trọng giữa các bánh xe, thông qua việc thiết kế bề mặt các con lăn giống nhau và thay đổi tải trọng lên 4 bánh khác nhau Ngoài ra, nếu tải trọng bằng nhau nhưng bề mặt con lăn khác nhau, mô hình cho phép đo hiệu quả phanh trên cùng một cầu xe, giúp đánh giá chính xác hơn hiệu suất của hệ thống phanh.
Hình 3.2 Sơ đồ mô hình hệ thống phanh ABS 4/4
Phương án 4/4 nổi bật với việc thể hiện rõ các chế độ hoạt động, giúp dễ dàng tìm hiểu tính chất và nguyên lý hoạt động của hệ thống Nó cũng phản ánh kết cấu điển hình trong đào tạo, sửa chữa, đánh lỗi và chẩn đoán hệ thống Vì lý do này, tác giả đã quyết định chọn mô hình hệ thống phanh ABS 4/4 cho thiết kế.
Thiết kế chế tạo mô hình ABS
Mô hình cần tạo ra các điều kiện phanh trên bánh xe để có thể so sánh với các điều kiện phanh thực tế Lực ép được tạo ra thông qua hệ thống bu lông giữ, và các thông số như vận tốc bánh xe, quãng đường phanh, và áp suất phanh được đo đạc và tính toán để khảo sát quá trình phanh.
3.2.1 Thiết kế, chế tạo các chi tiết cơ khí a Chọn lốp
Từ các yêu cầu trên mô hình chọn lốp có kích thước 100/90R10
Thông số lốp bao gồm đường kính vành (dv) là 254 mm, chiều cao thân lốp (h) là 90 mm, tương ứng với tỷ lệ 100.90% Bán kính lốp (rb) được tính dựa trên các giá trị này.
Hình 3.3 Con lăn và lốp b Chọn con lăn
Sử dụng con lăn tiếp xúc với bánh xe là lý thuyết quan trọng trong thiết kế mô hình Đường kính con lăn càng lớn sẽ mang lại độ chính xác cao hơn cho quãng đường ô tô lăn bánh Tuy nhiên, việc sử dụng con lăn có đường kính lớn có thể làm cho kích thước mô hình trở nên cồng kềnh Để giảm thiểu sự trượt giữa con lăn và bánh xe, cần lựa chọn kích thước con lăn sao cho thỏa mãn điều kiện cl ≥ 0,35 bx d/d.
Trong đó: dcl - bán kính con lăn; dbx - bán kính bánh xe
Bánh xe có bán kính 225 mm được chọn với bán kính con lăn 90 mm, thỏa mãn điều kiện tỷ lệ 90/217 = 0,4 > 0,35 Con lăn tạo bề mặt ma sát giữa bánh xe và con lăn tại các trạm đăng kiểm thường được dính hạt mài, nhưng trong mô hình, các con lăn được xẻ rãnh dọc theo chu vi để tăng khả năng bám Động cơ điện dẫn động có nhiệm vụ quay các chi tiết của mô hình đến tốc độ yêu cầu trước khi tiến hành phanh Công suất khởi động của động cơ cần đủ lớn để vượt qua lực cản và tăng tốc nhanh chóng, nhưng do mô hình không thiết kế hộp giảm tốc, công suất và tốc độ của động cơ không được quá lớn để giảm thiểu hiện tượng trượt khi khởi động.
Xác định công suất của động cơ điện: P dc M dc dc dc
( z cl ( bx bx cl )) 1 cl
Trong đó: M dc - là mô men động cơ điện;
F z - lực ép; f - hệ số ma sát bằng 0,5;
R cl - bán kính con lăn bằng 0,09m
Với tải trọng có ích là 120 N, vận tốc yêu cầu của bánh xe là 40 km/h tương đương 11 m/s Hiệu suất toàn hệ thống là 0,9
Bánh xe có khối lượng 4 kg và có bán kính 0,217 m do vậy có quán tính bánh xe bằng:
Con lăn có khối lượng 2 kg và có bán kính 0,09 m do vậy có quán tính con lăn bằng:
Lực Fz bằng 12 kg tương đương 120 N; hệ số bám bằng 0,5
Công suất động cơ điện:
Từ kết quả trên chọn động cơ điện có công suất bằng 1,1 kW có tốc độ vòng quay 1435 v/p
Tỉ số truyền từ con lăn sang bánh xe:
Mô hình hệ thống phanh ABS yêu cầu kiểm nghiệm với vận tốc bánh xe tối thiểu là 40 km/h Do đó, trong nghiên cứu này, chúng ta chọn vận tốc bánh xe là 36 km/h, tương đương với 10 m/s Tại thời điểm này, vận tốc góc của con lăn sẽ được tính toán dựa trên thông số đã chọn.
Vận tốc động cơ điện đã chọn là 1420 v/p ta có vận tốc góc động cơ điện là:
Tỉ số truyền của bộ truyền đai là : 2
Tỉ số truyền của bộ truyền là 2,4 do vậy thỏa mãn điều kiện i 1 i 2
Từ 2 giá trị công suất và tốc độ công tác trên chọn động cơ điện dẫn động mô hình là động cơ điện 3 pha không đồng bộ kiểu động cơ 3K90Sb4 có công suất 1,1 KW và tốc độ là 1435 v/p d Tính cơ cấu ép lên bánh xe
Hình 3.4 Kết cấu cơ cấu ép bánh xe
Lực ép F z của bánh xe lên tang trống trong mô hình thiết kế thể hiện lực vuông góc Fzo của 1/4 xe lên mặt đường trong điều kiện phanh thực tế.
Lực ép F z trên mô hình có thể điều chỉnh thông qua cơ cấu điều chỉnh lực ép Mô hình sử dụng các bộ phận như moay-ơ, cụm phanh bánh xe và xy-lanh phanh chính của xe du lịch Đối với xe ô tô con, tổng trọng lượng của cụm moay-ơ bánh xe khoảng 12 kg.
Hình 3.5 Sơ đồ lực e Tính các bu lông
Trên mô hình thiết kế, các bu lông kết nối giữa bánh xe và thân xe tạo thành cơ cấu chịu tải trọng Khung mô hình được hàn hai thanh thép với rãnh, cho phép điều chỉnh khoảng cách giữa tâm bánh xe và tâm con lăn, từ đó thay đổi tải trọng theo yêu cầu Việc thực hiện điều này phụ thuộc vào kích thước của mối ghép liên kết, vì vậy phương án mối ghép ren được lựa chọn để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.
Khi vận hành mô hình, mô men quay từ động cơ điện được truyền đến các bánh xe, và khi tác động vào bàn đạp phanh, mô men quán tính xuất hiện Do đó, mối ghép ren trong trường hợp này phải chịu lực ngang, như được minh họa trong sơ đồ.
Hình 3.6 Sơ đồ lực ngang tác dụng vào mối ghép ren
Lực ép cần nén bánh xe xuống là 1200N, với mỗi bu lông chịu 600N do sử dụng 02 bu lông Mặc dù lực ép trên thỏa mãn khi xiết ngang, nhưng trong trường hợp này, bu lông được xiết ngang, vì vậy cần điều chỉnh lực ép thực tế cho phù hợp.
Tính đường kính bu lông:
Trong đó: d - Đường kính danh nghĩa của bu lông;
F - Lực ép bu lông gần bằng lực xiết;
K - Hệ số tải trọng có thể lấy K=1,3-1,5 Chọn K=1,5;
k - Ứng suất kéo cho phép đối với thép các bon bằng 150 N mm / 2 ; i - Số bề mặt tiếp xúc của tấm ghép trong mối ghép i=1; f - Hệ số ma sát chọn f = 0,2
Từ kết quả trên chọn bu lông M14 bước ren p=1,25 thỏa mãn yêu cầu
3.2.2 Thiết kết các mạch đánh Pan a Sơ đồ mạch của hệ thống
Hình 3.7 Sơ đồ mạch của hệ thống b Mạch đánh Pan
Từ sơ đồ mạch điện, việc nối dây được thực hiện qua các công tắc nối ngắt mạch, dẫn đến tín hiệu không đến hộp điều khiển mà phải đi qua hệ thống công tắc.
Hình 3.8 Mạch đánh pan được thiết kế nằm trên bảng tap lô
Nối ngắt tín hiệu cảm biến qua công tắc đánh Pan
Hình 3.9 Mạch đánh pan cảm biến
- ạch đánh Pan rơ le
Hình 3.10 Mạch đánh pan rơ le
3.2.3 Cảm biến vận tốc góc bánh xe
Cảm biến vận tốc bánh xe được lắp đặt trong moay ơ bánh xe, hoạt động dựa trên nguyên lý đo vận tốc tương tự như con lăn Tuy nhiên, cảm biến này sử dụng công nghệ điện từ với cấu tạo đặc biệt, như được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 3.11 Cấu tạo và hoạt động của cảm biến vận tốc bánh xe và vị trí lắp trên mô hình
Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường xuyên qua cuộn dây, và khi vành răng quay, khe hở ∆ giữa lõi cuộn dây và vành răng thay đổi, dẫn đến sự biến đổi của từ trở trong mạch từ Sự thay đổi này làm biến thiên từ thông qua cuộn dây, gây ra suất điện động cảm ứng và tạo ra điện thế ở hai đầu tín hiệu ra của cảm biến.
Hình 3.12 Mạch xử lý (a) và tín hiệu cảm biến vận tốc bánh xe trước và sau xử lý (b)
3.2.4 Lựa chọn đồng hồ đ áp suất dẫn động thủy lực
Mô hình sử dụng 06 đồng hồ đo áp suất để theo dõi áp suất của đường dầu đến xy lanh phanh chính và các xy lanh phanh bánh xe.
Hình 3.13 Sơ đồ mạch điện và vị trí các đồng hồ đo áp suất dầu
Trên mô hình sử dụng 01 đồng hồ đo áp suất chân không để đo áp suất chân không của bầu trợ lực phanh
3.2.5 Thông số thiết kế khung mô hình
Thiết kế bài giảng cho mô hình hệ thống phanh ABS
3.3.1 Dạng bài giảng phân tích cấu tạo nguyên lý làm việc hệ thống a Bài giảng số 1
- Tên bài giảng: Cấu tạo, nguyên lý làm việc hệ thống phanh dẫn động thủy lực có bộ chống hãm cứng ABS
Mục tiêu bài giảng là giới thiệu và phân tích cấu tạo cùng nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh thủy lực có ABS, thông qua một mô hình hệ thống thực tế có khả năng hoạt động.
1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại của hệ thống phanh ABS
1.1.1 Nhiệm vụ: Là duy trì hệ số trượt giữa bánh xe với mặt đường khi phanh trong mọi điều kiện nằm trong khoảng 10%-30% để bảo đảm hệ số bám dọc và ngang đều cao Do đó bảo đảm được hiệu quả phanh và tính ổn định khi phanh cao
- Hệ thống phanh làm việc phải nhẹ nhàng, linh hoạt;
- Tạo ra áp lực lớn nhất để thực hiện quá trình phanh;
- Dễ dàng tháo lắp và bảo dưỡng, kiểm tra và chuẩn đoán
* Phân loại theo chất tạo áp suất phanh
*Phân loại theo bộ chấp hành
- Van điện 2 vị trí có van điều khiển lưu lượng;
- Van điện 2 vị trí có van điều khiển tăng áp;
- Van điện 3 vị trí có van cơ khí;
1.2 Cấu tạo và hoạt động của hệ thống ABS
Hình 3.15 Sơ đồ các cụm chức năng hệ thống phanh dẫn động thủy lực có bộ chống hãm cứng ABS
Bộ chấp hành ABS bao gồm van điện từ giữ áp suất, van điện từ giảm áp suất, bơm, mô tơ và bình chứa Khi nhận tín hiệu từ ECU điều khiển trượt, bộ phận chấp hành điều chỉnh van điện từ để tăng, giảm hoặc giữ áp suất thủy lực của xilanh bánh xe, nhằm tối ưu hóa mức trượt cho từng bánh xe Đồng thời, mạch thủy lực cũng được thay đổi để phù hợp với yêu cầu của từng loại điều khiển.
Hình 3.16 Bộ chấp hành ABS
ECU là bộ phận quan trọng giúp xác định mức độ trượt giữa bánh xe và mặt đường thông qua tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời điều khiển bộ chấp hành phanh để đảm bảo an toàn khi lái xe.
Hình 3.17 Hộp điều khiển ABS (ECU)
Cảm biến tốc độ là thiết bị quan trọng giúp phát hiện tốc độ của từng bánh xe và truyền tín hiệu đến ECU điều khiển trượt Có hai loại cảm biến tốc độ bánh xe phổ biến là cảm biến điện từ và cảm biến Hall, trong đó cảm biến điện từ được sử dụng rộng rãi hơn Tùy thuộc vào cách điều khiển, các cảm biến này có thể được lắp đặt ở mỗi bánh xe để đo tốc độ riêng lẻ hoặc gắn ở vỏ bọc của cầu chủ động để đo tốc độ trung bình của hai bánh xe dựa trên tốc độ của bánh răng vành chậu.
Hình 3.18 Sơ đồ bộ cảm biến tốc độ
- Đồng hồ táp lô: Đèn báo của ABS khi ECU phát hiện thấy trục trặc ở
Khi đèn báo ABS hoặc hệ thống phanh sáng lên, điều này cho thấy có vấn đề với hệ thống phanh Nếu đèn báo phanh sáng cùng lúc với đèn ABS, người lái cần lưu ý rằng có sự cố xảy ra trong hệ thống phanh.
- Công tắc đèn phanh: Công tắc này phát hiện bàn đạp phanh đã được đạp xuống và truyền tín hiệu đến ECU
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ABS
Các cảm biến tốc độ bánh xe đo tốc độ góc và gửi tín hiệu điện áp xoay chiều đến ECU, giúp theo dõi tình trạng bánh xe và xác định mức trượt Trong trường hợp phanh gấp hoặc trên bề mặt trơn trượt, ECU điều khiển bộ chấp hành thủy lực để tối ưu hóa áp suất dầu cho từng xilanh phanh, nhằm duy trì độ trượt an toàn và ngăn chặn hiện tượng hãm cứng Khi người lái đạp phanh, tín hiệu từ cảm biến đạt giá trị cao nhất, khiến van điện từ không hoạt động và lò xo đẩy piston xuống mức thấp nhất Xilanh chính sau đó tạo ra áp lực phanh qua đường ống dẫn đến xilanh bánh xe để thực hiện quá trình phanh hiệu quả.
Hình 3.19 Sơ đồ tạo áp lực phanh b Giữ áp lực phanh
Khi rà phanh, bánh xe giảm tốc độ mà không bị bó cứng, dẫn đến tín hiệu điện áp từ cảm biến tới thiết bị điều khiển điện tử giảm Thông tin từ thiết bị điều khiển điện tử gửi tới thiết bị điều khiển thủy lực với mức dòng điện khác nhau, khiến van điện từ hoạt động và tạo ra sức hút để piston di chuyển lên lò xo hồi vị Mức độ dịch chuyển của piston phụ thuộc vào giá trị dòng điện, từ đó đường dẫn dầu phanh đến xilanh bánh xe bị ngắt, giữ áp suất dầu trong hệ thống phanh ở một trị số ổn định.
Hình 3.20 Sơ đồ giữ áp lực phanh c Trả áp lực phanh
Khi bánh xe bị bó cứng trong quá trình phanh, tín hiệu điện áp từ cảm biến sẽ gửi về thiết bị điều khiển điện tử, dẫn đến việc thiết bị này điều khiển dòng điện tối đa tới thiết bị điều khiển thủy lực Van điện từ hoạt động, tạo ra sức hút lớn nhất để kéo piston lên điểm cao nhất Dù đường dẫn dầu phanh từ xilanh chính bị ngắt, nó vẫn kết nối với van giảm áp và bơm hồi của thiết bị điều khiển thủy lực Lúc này, bơm hồi hoạt động cùng với áp suất dầu phanh để mở van một chiều, giúp giảm nhanh chóng áp suất và giải phóng bánh xe khỏi tình trạng bó cứng, mặc dù người lái vẫn đang phanh.
- Tên bài giảng: Cấu tạo, nguyên lý làm việc của cơ cấu phanh trên hệ thống phanh dầu
Mục tiêu của bài giảng là hướng dẫn học sinh, sinh viên (HSSV) về cơ cấu phanh trên các loại xe phổ biến hiện nay, thông qua mô hình hệ thống phanh ABS dẫn động phanh dầu.
2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại cơ cấu phanh dầu
Dùng lực ép ma sát giữa các má phanh với đĩa phanh (phanh đĩa) hoặc trống phanh (phanh trống) để giảm tốc độ của xe hoặc dừng hẳn
- Đơn giản, gọn nhẹ, dễ tháo lắp bảo dưỡng và sửa chữa;
- Đảm bảo phanh phải dừng xe trong thời gian ngắn và an toàn;
- Đảm bảo tránh hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh;
- Hiệu quả phanh cao và êm dịu
Trên ôtô hiện nay thường sử dụng hai dạng cơ cấu phanh đó là phanh dạng đĩa và phanh dạng trống a Phanh dạng trống:
- Cơ cấu phanh guốc đối xứng qua trục;
- Cơ cấu phanh đối xứng qua tâm;
- Cơ cấu phanh guốc loại bơi;
- Cơ cấu phanh guốc loại tự cường hoá; b Cơ cấu phanh dạng đĩa
- Loại giá đỡ cố định;
- Loại giá đỡ di động
2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cơ cấu phanh đĩa
Phanh đĩa là loại phanh phổ biến trên xe có vận tốc cao, thường được lắp đặt ở cầu trước Hiện nay, phanh đĩa được sử dụng rộng rãi cho cả cầu trước và cầu sau nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội của nó.
- Khối lượng các chi tiết nhỏ, kết cấu gọn, tổng khối lượng các chi tiết không treo nhỏ, nâng cao tính êm dịu và bám đường của xe;
- Khả năng thoát nhiệt ra môi trường dễ dàng;
- Dễ dàng trong sủa chữa và thay thế tấm ma sát;
Cơ cấu phanh đĩa đảm bảo mômen phanh ổn định ngay cả khi hệ số ma sát thay đổi, giúp các bánh xe hoạt động ổn định, đặc biệt là ở tốc độ cao.
- Dễ dàng bố trí cơ cấu tự điều chỉnh khe hở má phanh
5: Giá đỡ má phanh 6: Lò xo chống rít
Hình 3.22 Kết cấu phanh đĩa
Mặc dù phanh đĩa có nhiều ưu điểm hơn so với phanh tang trống, nhưng nó vẫn gặp phải nhược điểm là khó tránh bụi bẩn và đất cát Điều này xảy ra do phanh đĩa không được che chắn hoàn toàn, vì vậy loại phanh này không được sử dụng trên các xe có tính việt dã cao.
Phanh đĩa hoạt động bằng cách sử dụng áp suất thủy lực từ xilanh chính để đẩy piston, kẹp các má phanh vào cả hai bên rôto phanh, giúp xe dừng lại hiệu quả Trong quá trình phanh, ma sát giữa má phanh và rôto phanh tạo ra nhiệt, nhưng thiết kế hở của rôto và má phanh cho phép nhiệt dễ dàng được tản ra, đảm bảo hiệu suất phanh ổn định.
3.3.2 Dạng bài giảng về kiểm tra các thông số làm việc a Tên bài giảng: Đo các thông số hoạt động của hệ thống phanh ABS b Mục tiêu bài giảng: Hiểu và giải thích được phương pháp điều khiển ABS, giải thích được các thông số trong hệ thống Đồng thời thực hành kiểm tra các thông số trạng thái làm việc trên mô hình Thông qua bài học này giúp HSSV tìm hiểu sâu hơn về sự hoạt động của hệ thống Tìm hiểu xác định các cực trên mô hình c Nội dung bài giảng:
Dùng đồng hồ vạn năng đo điện trở các giắc trên mô hình theo sơ đồ hình 3.22
Hình 3.22 Sơ đồ mạch kiểm tra cảm biến Đo điện trở giữa các cực với các lưu ý sau:
- Điện trở 0,8- 1,3 KΩ (cảm biến tốc độ bánh trước);
- Điện trở 1,1- 1,7 KΩ (Cảm biến tốc độ bánh sau);
- Không có sự thông mạch giữa mỗi chân của cảm biến và thân cảm biến;
- Nếu điện trở không như tiêu chuẩn thì phải thay cảm biến;