Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô

Các công ty Đức, Bosch và Daimler-Benz đã hợp tác phát triển được công nghệ chống bó phanh kể từ đầu thập niên 1970, và là người đầu tiên hoàn thành hệ thống phanh ABS đa kênh 4 bánh điề

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

THIẾT KẾ XE HỆ THỐNG PHANH ABS CHO XE MÔ TÔ

Sinh viên thực hiện: TRẦN VĂN HIẾU

Đà Nẵng – Năm 2019

TÓM TẮT

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe moto

Nhóm sinh viên thực hiện

Tổng quan về hệ thống chống bó cứng phanh (ABS)

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở lý thuyết hệ thống phanh

Cơ sở lý thuyết hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) trên xe mô tô

Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển phanh ABS trên xe mô tô

Cơ sở lý thuyết phần mềm ALTIUM DESIGNER 16

Cơ lý thuyết bộ xử lý trung tâm

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHANH ABS CHO XE

MÔ TÔ

Xác định moment phanh yêu cầu

Xác định moment phanh mà cơ cấu phanh có thể sinh ra

Tính lực tác lên tay phanh

Tính hành trình tay phanh

Tính toán các chỉ tiêu phanh

Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Cấu trúc hệ thống

Thiết kế bộ điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển với phần mềm ALTIUM DESIGNER 16

Xây dựng thuật toán điều khiển

Xây dựng chương trình điều khiển

Chương 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Lắp đặt hệ thống thử nghiệm lên xe

Bố trí quy trình thử nghiệm xe

Kết luận và hướng phát triển

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Trần Văn Hiếu Số thẻ sinh viên: 103150117

Lớp: 15C4B Khoa: Cơ Khí Giao Thông Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

1 Tên đề tài đồ án:

Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển

4 Các bản vẽ, đồ thị

Bản vẽ sơ đồ nguyên lí mạch điện bộ điều khiển (1A3)

Bản vẽ lưu đồ thuật toán kiểm tra lỗi (1A3)

Bản vẽ kết cấu vỏ hộp điều khiển (1A3)

Bản vẽ sơ đồ kết nối các bộ phận hệ thống điều khiển (1A3)

Bản vẽ lưu đồ thuật toán điều khiển khối thủy lực (1A3)

5 Họ tên người hướng dẫn: TS Phạm Quốc Thái

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 02/09/2019

Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô

LỜI NÓI ĐẦU VÀ CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian

từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều

sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy cô, Gia đình và Bạn bè

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến Quý Thầy Cô trong Khoa Cơ Khí Giao Thông -Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, đã cùng với vốn tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường Và đặc biệt trong học kỳ này khoa đã tổ chức cho chúng em thực hiện đề tài tốt nghiệp - một bước chuẩn bị cuối cùng các kĩ năng cần thiết về chuyên môn cũng như các kỹ năng liên quan nhằm phục vụ cho công việc sau khi ra trường Chúng em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô trong Khoa Cơ Khí Giao Thông, đặt biệt là thầy TS Phạm Quốc Thái luôn theo sát và trực tiếp hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài này Kính chúc quý thầy cô thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình có nhiều tâm huyết truyền đạt kiến thức cho thết hệ trẻ mai sau

Đề tài được thực hiện trong khoảng thời gian 3 tháng, do vậy chắc chắn không thể tránh khỏi những thiết sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn để đề tài này được hoàn thiện hơn

Trân trọng!

Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô

ii

CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đây là đề tài riêng của nhóm, đề tài không trùng lặp với bất

kỳ đề tài đồ án tốt nghiệp nào trước đây Các thông tin, số liệu được sử dụng và tính toán đều từ các tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, theo quy định

Sinh viên thực hiện

Trần Văn Hiếu

Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô

MỤC LỤC

TÓM TẮT i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

LỜI NÓI ĐẦU VÀ CẢM ƠN i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, CÁC HÌNH VẼ v

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: 2

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

IV CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA XE GẮN MÁY 3

Tổng quan hệ thống phanh 3

Tổng quan hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) 5

Sự ra đời của hệ thống chống bó cứng phanh cơ khí 5

Sự ra đời của hệ thống chống bó cứng phanh điện 6

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

Cơ sở lý thuyết hệ thống chống bó cứng phanh (abs) trên xe mô tô 9

Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển hệ thống phanh abs trên xe mô tô 11

Nguyên lí điều khiển 11

Cấu trúc hệ thống điều khiển 12

Các trạng thái làm việc của hệ thống điều khển ABS 15

Phần mềm thiết kế ALTIUM DESIGNER 16 19

Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 21

Cấu trúc của hệ thống điều khiển phanh chống bó cứng cho xe gắn máy 21

Sơ đồ cấu trúc hệ thống phanh chống bó cứng cho xe gắn máy 21

Các cảm biến đầu vào 21

Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô

iv

Cơ cấu chấp hành 23

Thiết kế bộ điều khiển 25

Sơ đồ khối bộ điều khiển 25

Mạch xử lí trung tâm (MCU) 26

Mạch nguồn (SUPPLY) 28

Mạch xử lí tín hiệu ắc quy 30

Mạch xử lí tín hiệu phanh 32

Mạch xử lí tín hiệu cảm biến tốc độ bánh xe 33

Mạch điều khiển các van 35

Mạch điều khiển moto 37

Mạch điều khiển đèn báo lỗi 38

Thiết kế bộ điều khiển trên phần mềm ALTIUM DESIGNER 16 39

Tạo project 39

Thiết kế sơ đồ nguyên lí 40

Thiết kế mạch in PCB 42

Phân tích lựa chọn các bộ phận cung cấp điện cho hệ thống điều khiển 43

Sơ đồ hệ thống cung cấp điện 43

Phân tích lựa chọn các bộ phận 43

Thiết kế vỏ hộp bộ điều khiển 45

Xây dựng thuật toán điều khiển 46

Thuật toán tự kiểm tra lỗi 47

Xây dựng thuật toán điều khiển khối thủy lực 48

Kết nối các bộ phận của hệ thống điều khiển 49

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô

DANH SÁCH CÁC BẢNG, CÁC HÌNH VẼ

Bảng 4.1 Thông số kĩ thuật Module Ad620 22

Bảng 4.2 Thông số cơ bản khối thủy lực 23

Bảng 4.3 Thông số kĩ thuật Ardino Nano 27

Bảng 4.4 Thông số kĩ thuật tụ điện 29

Bảng 4.5 Thông số kĩ thuật IC7805 29

Bảng 4.6 Thông số kĩ thuật IC lm358 31

Bảng 4.7 Thông số kĩ thuật IRF 540 35

Bảng 4.8 Thông số kĩ thuật IC PC817 36

Bảng 4.9 Thông số kĩ thuật IRF9540 37

Bảng 4.10 Thông số cơ bản transistor C1815 38

Bảng 4.11 Trạng thái các bộ phận trong khối thủy lực 48

Hình 1.1 Chiếc xe gắn máy đầu tiên trên thế giới 3

Hình 1.2 Chiếc xe đầu tiên trang bị hệ thống phanh vành 4

Hình 1.3.Xe Lambretta TV125 Series 3 5

Hình 1.4 Honda CB750 5

Hình 1.5 Ô tô được trang bị hệ thống ABS đầu tiên 6

Hình 1.6 Xe BMW K100 LT 7

Hình 1.7 Xe GSF1200SA 7

Hình 2.1.Sự thay đổi moment phanh, áp suất dẫn động phanh và gia tốc của bánh xe khi phanh có ABS 10

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS 12

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển 12

Hình 2.4.Vị trí lắp đặt cảm biến tốc độ bánh xe 13

Hình 2.5 Cấu tạo cảm biến cảm biến bánh xe 13

Hình 2.6 Dạng tín hiệu cảm biến 14

Hình 2.7 Khối điều khiển điện tử 14

Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô

vi

Hình 2.8 Khối thủy lực của ABS Bocsh 15

Hình 2.9 Hoạt động của ABS khi phanh bình thường 16

Hình 2.10 Hoạt động của ABS ở chế độ giảm áp 17

Hình 2.11 Hoạt động của ABS ở chế độ giữ 18

Hình 2.12 Hoạt động của ABS ở chế độ tăng áp 19

Hình 2.13 Giao diện phần mềm ALTIUM DESIGNER 16 20

Hình 4.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phanh ABS 21

Hình 4.2 Cảm biến tốc độ 21

Hình 4.3 Sơ đồ module AD620 22

Hình 4.4 Tín hiệu trước khi khuếch đại và sau khi khuếch đại 23

Hình 4.5 Khối thủy lực 23

Hình 4.6 Sơ đồ mạch điện khối thủy lực 24

Hình 4.7 Sơ đồ mạch đèn báo lỗi 25

Hình 4.8 sơ đồ khối bộ điều khiển 25

Hình 4.9 Sơ đồ phần cứng Arduino 27

Hình 4.10 Sơ đồ kết nối mạch xử lí trung tâm với các bộ phận khác 28

Hình 4.11 Tụ điện mạch nguồn 28

Hình 4.12 Sơ đồ chân IC7805 29

Hình 4.13 Sơ đồ khối nguồn 30

Hình 4.14 IC khuếch đại thuật toán Lm358 31

Hình 4.15 Cầu phân áp 31

Hình 4.16 Mạch kiểm tra tín hiệu ắc quy 32

Hình 4.17 Mạch kiểm tra tín hiệu phanh 33

Hình 4.18 Đi ốt 4007 33

Hình 4.19 Mạch xử lí tín hiệu cảm biến tốc độ 34

Hình 4.20 Tín hiệu sau khi được xử lí 34

Hình 4.21 Sơ đồ mosfet IRF 540 35

Hình 4.22 Sơ đồ IC PC817 36

Hình 4.23 Mạch điều khiển các van 36

Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô

Hình 4.24 Mạch điều khiển moto 37

Hình 4.25 Sơ đồ transistor C1815 38

Hình 4.26 Mạch điều khiển đèn báo lỗi 38

Hình 4.27 Khởi tạo project ABS trong ALTIUM DESIGNER 16 39

Hình 4.28 Cài đặt kích thước khổ giấy 40

Hình 4.29 Chọn linh kiện và nối dây 41

Hình 4.30 Sơ đồ nguyên lí bộ điều khiển 41

Hình 4.31 Kiểm tra các kết nối và cập nhật linh kiện sang PCB 42

Hình 4.32 Cài đặt thông số cơ bản cho mạch PCB 42

Hình 4.33 Mạch in PCB bộ điều khiển ABS 43

Hình 4.34 Sơ đồ bộ phận cung cấp điện cho hệ thống điều khiển 43

Hình 4.35 bình ắc quy 44

Hình 4.36 Cầu chì và rơ le 30A 44

Hình 4.37 Công tắc 45

Hình 4.38 Sơ đồ tính toán chiều cao lòng hộp 45

Hình 4.39 Kích thước vỏ hộp bộ điều khiển 46

Hình 4.40 Vỏ hộp bộ điều khiển 46

Hình 4.41 Lưu đồ thuật toán tự kiểm tra lỗi 47

Hình 4.42 Lưu đồ thuật toán điều khiển khối thủy lực 49

Hình 4.43 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 50

Thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô

viii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ECU (Electronic Control Units) bộ điều khiển trung tâm

và các hoạt động nhập/xuất dữ liệu (I/O) cơ bản do mã lệnh chỉ ra

I/O INPUT/ OUTPUT

VCC Nguồn dương

GND Điểm nối đất (mass)

IC Intergated Circuit- Là vi mạch tích hợp nhiều linh kiện điện tử như tụ điện, điện trở, transistor…với số lượng lớn, ghép lại với nhau theo một mạch đã thiết kế sẵn PCB (Printed Cricuit boards) bo mạch in

MCU Module Control Uni - bộ điều khiển

MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ở Việt Nam, theo thống kê của Ủy ban an toàn giao thông xe máy là phương tiện đi lại chủ yếu của người dân, chiếm hơn 85% tổng số phương tiện giao thông đang hoạt động trên cả nước, với nhiều ưu điểm như tính cơ động cao, linh hoạt, giá thành rẻ Tuy nhiên, xe máy cũng là nguyên nhân gây ra hơn 70% vụ tai nạn giao thông đường bộ Chính phủ đã ban hành nhiều giải pháp đồng bộ tăng cường công tác quản lý nhằm đảm bảo an toàn, giảm nguy cơ tai nạn cho hoạt động tham gia giao thông của người đi mô

tô, xe máy

Và ABS ra đời như một nhu cầu tất yếu.ABS ban đầu được phát minh để trang bị cho máy bay, dần dần được phổ biến sang ô tô, xe máy phân khối lớn và hiện nay đang dần trở thành một trang bị an toàn tiêu chuẩn trên nhiều mẫu xe tay ga

Về cơ bản, công nghệ ABS trên xe máy không giúp rút ngắn quãng đường phanh Trong lần thử nghiệm hệ thống phanh ABS tại nhà máy của Piaggio Việt Nam, đại diện

kỹ thuật của hãng xe Italy chia sẻ, phanh ABS trên xe máy chủ yếu hỗ trợ an toàn cho người điều khiển, giúp người lái vẫn có thể giữ thăng bằng tốt khi phanh gấp

Nếu như ngoài ABS, xe hơi còn có thêm cân bằng điện tử, cùng dây an toàn và túi khí, thì trên những chiếc xe máy, ABS gần như là công nghệ an toàn duy nhất dễ dàng trang bị và đạt hiệu quả cao

Chống bó cứng phanh không phải là thiết bị mới mẻ Hầu hết các mẫu xe mô-tô phân khối lớn hiện đại đều có hỗ trợ tính năng này Việc trang bị ABS khiến cho những mẫu

xe nặng cân như xe ga, trở nên an toàn hơn rất nhiều, đặc biệt là trong điều kiện đường trơn trượt như trời mưa

Ở các thị trường phát triển, ABS đã trở thành một trang bị gần như là tiêu chuẩn các mẫu xe ga Tuy nhiên, tại Việt Nam không có nhiều chiếc xe máy thông thường được

sở hữu hệ thống này.Việc nâng cấp từ phanh thường lên phanh ABS sẽ khiến giá cả của các mẫu xe tăng lên khá nhiều Trang bị thêm những thiết bị an toàn dường như vẫn chưa được các nhà sản xuất chú trọng

Vì vậy, việc tính toán thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe mô tô có thể được xem như một giải pháp tiêu chuẩn kỹ thuật bắt buộc để hạn chế tai nạn do xe mô tô gây ra, góp phần đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông và thực hiện mục tiêu An toàn giao thông quốc gia

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:

Tính toán thiết kế, lắp đặt, vận hành hệ thống phanh ABS trên xe HUSKY

Xem xét sự cải tiến mà hệ thống phanh ABS tạo được trên mô tô

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Xe mô tô HUSKY

Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

về việc sử dụng hệ thống phanh ABS trên xe HUSKY

IV CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Cách tiếp cận: Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin, dựa trên các công trình đã công

bố về các hệ thống ABS được sử dụng trên mô tô, thử nghiệm kết quả, quan sát, phân tích số liệu, viết báo cáo, trình bày báo cáo

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm tại “Trung tâm Phòng Thí nghiệm AVL” - Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA XE GẮN MÁY

Tổng quan hệ thống phanh

Mô tô là phương tiện giao thông thiết yếu trong cuộc sống hằng ngày, chiếc xe mô tô đảm nhận vận chuyển người hàng hóa trên mọi nẻo đường Nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người và hàng hóa cũng như những người cùng tham gia giao thông thì hệ thống phanh giữ một vai trò quan trọng Không chỉ giúp phương tiện giảm tốc độ hay dừng hẳn mà nó còn đòi hỏi quá trình đó diễn ra thật mượt mà và theo ý người điều khiển vậy nên đã có rất nhiều hệ thống phanh và các cách dẫn động khác nhau đã ra đời

Chiếc xe gắn máy đầu tiên ra đời tại Pháp do Pierre Michaux và Louis-Guillaume Perreaux thực hiện đây là kỹ sư người Pháp, người đã thiết kế chiếc xe đạp gắn động cơ hơi nước sử dụng nhiên liệu cồn đầu tiên tại Pháp Chiếc xe đạp gắn động cơ hơi nước Michaux-Perreaux chiếc xe này họ đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1868

Chiếc Michaux-Perreaux có khung bằng sắt, thiết kế theo dạng khung xe đạp có sửa đổi cho yên ngồi nâng lên tạo khoảng trống để lắp động cơ hơi nước nhỏ Bàn đạp gắn

ở bánh trước xe đạp vẫn được giữ lại từ xe đạp Bánh xe trước lớn hơn bánh sau, đều

làm bằng gỗ bọc sắt rèn, nan hoa bằng sắt rèn Động cơ được gắn trên khung xe được đặt nghiêng một góc 45 độ, đằng sau nó là lò hơi và các thùng nhiên liệu, nước Đó là động cơ hơi nước một xi-lanh làm bằng đồng mạ (động cơ đốt ngoài), công suất 0,5 mã

Hình 1.1 Chiếc xe gắn máy đầu tiên trên thế giới

lực Chuyển động của động cơ được truyền cho bánh sau theo cơ cấu gồm bánh ròng rọc và dây cu roa Tuy nhiên, chiếc xe đầu tiên vẫn chưa có bộ phận giảm sóc và phanh Một trong những chiếc xe máy đầu tiên có cơ cấu phanh được chế tạo bởi Steffey Motor Motorcycle of Philadelphia vào năm 1902 Chiếc xe này chỉ sử dụng phanh vành chỉ hoạt động ở bánh trước Hoạt động dựa trên cơ chế ma sát tác dụng lên vành bánh

xe khi quay làm giảm tốc độ của bánh xe và làm nó chậm lại Má phanh thường được làm từ những vật liệu như da, cao su, nút chai và được chụp bằng miếng kim loại Phanh vành thường được khởi động bởi một đòn bẩy gắn ở bị trí tay lái, làm ép tấm ma sát lên vành bánh xe

Hình 1.2 Chiếc xe đầu tiên trang bị hệ thống phanh vành

Phanh tang trống được sử dụng lần đầu tiên trên xe máy vào những năm 1920 và thiết

kế cơ bản không thay đổi nhiều Ban đầu được sử dụng để phanh cả bánh trước và bánh sau, phanh tang trống phần lớn được thay thế bằng phanh đĩa hoặc chỉ được sử dụng cho phanh sau

Lambretta TV125 Series 3 là chiếc xe máy sản xuất hiện đại đầu tiên có phanh đĩa Được ra mắt vào năm 1965, xe được trang bị phanh đĩa trước và được điều khiển bằng cáp

Hình 1.3.Xe Lambretta TV125 Series 3

Honda CB750 năm 1969 đưa phanh đĩa xe máy vào thị trường đại chúng, sử dụng bộ kẹp trượt pít-tông đơn dẫn động phanh thủy lực với đĩa trước lớn tăng độ cứng vững

Hình 1.4 Honda CB750

Tổng quan hệ thống chống bó cứng phanh (ABS)

Sự ra đời của hệ thống chống bó cứng phanh cơ khí

Phanh ABS đã được nghiên cứu phát triển đầu tiên trên các máy bay của Pháp vào năm 1929 Khi đó, do nền công nghiệp điện tử chưa phát triển nên hệ thống được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí có độ chính xác kém Đến những năm 50, hệ thống phanh

ABS đầu tiên được sử dụng là hệ thống Maxaret của Dunlop và vẫn còn sử dụng trên một số kiểu máy bay

Được giới thiệu lần đầu tiên vào thập niên 1960 trên các máy bay thương mại Khi một máy bay có trọng lượng 50 tấn đáp xuống đường băng bị đóng băng ở tốc độ 210 km/h, nếu người phi công không thể nhanh bằng cách nhịp liên tục trên bàn đạp phanh thì chiếc máy bay trị giá 20 triệu đô la sẽ trượt khỏi đường bằng và trở thành đống sắt vụn Để khắc phục hiện tượng trên, người ta bắt đầu ứng dụng phanh ABS vào máy bay Với công nghệ thời đó, các chi tiết phanh ABS rất lớn và đắt tiền ABS sử dụng Hidro -

cơ khí hoạt động không tin cậy và không đủ nhanh trong mọi tình huống

Sự ra đời của hệ thống chống bó cứng phanh điện

Đến năm 1971, khi kỹ thuật điện tử phát triển, Chrysler cùng với công ty Bendix Corporation giới thiệu hệ thống phanh ABS 3 kênh điều khiển bằng máy tính được gọi

là phanh chắc chắn (sure brake) Hệ thống này được sử dụng vài năm sau đó, hệ thống vận hành tốt và tỏ ra đáng tin cậy Cũng trong năm đó, General Motors cũng trang bị phanh ABS cho 2 bánh sau như là một lựa chọn đi kèm theo các kiểu xe Cadillac Năm 1975, Robert Bosch đã tiếp nhận một công ty Châu Âu gọi là Teldix và tất cả các bằng sáng chế được kết hợp lại và được sử dụng để xây dựng nên nền tảng của hệ thống phanh ABS được giới thiệu vài năm sau đó Các công ty Đức, Bosch và Daimler-Benz đã hợp tác phát triển được công nghệ chống bó phanh kể từ đầu thập niên 1970,

và là người đầu tiên hoàn thành hệ thống phanh ABS đa kênh 4 bánh điều khiển điện tử trên xe tải và xe Mercedes-Benz W116 S-Class trong năm 1978 Đây là chiếc xe ô tô thương mại đầu tiên trên thế giới được trang bị ABS điều khiển bằng điện

Tiếp đến là Honda NSX là mẫu xe ô tô được sản xuất số lượng lớn đầu tiên với hệ thống ABS 4 kênh được bán ở Mỹ và Nhật, nó điều khiển độc lập lực phanh ở bốn bánh

Hình 1.5 Ô tô được trang bị hệ thống ABS đầu tiên

xe Kể từ đó, ABS ngày càng phổ biến và trở thành tiêu chuẩn cho hầu hết các xe ô tô sản xuất ngày nay

Trên xe mô tô thì ra đời muộn hơn năm 1989, BMW đã phát hành chiếc xe máy đầu tiên được trang bị hệ thống chống bó cứng phanh (ABS).với hệ thống ABS trang bị được tinh chỉnh từ hệ thống ABS của ô tô song hệ thống được trang bị cho BMW K100 LT nặng hơn đáng kể so với các hệ thống trọng lượng nhẹ được trang bị cho xe máy hiện đại ngày nay

Hình 1.7 Xe GSF1200SA

Năm 1997, Suzuki xuất xưởng chiếc GSF1200SA trang bị ABS Năm 2005, Davidson cung cấp phanh ABS cho các xe mô tô của cảnh sát như là một lựa chọn đi kèm và đến năm 2009, nó trở thành tiêu chuẩn trên các xe Harley Ultra - Glide Năm

Harley-2006, Yamaha cũng trang bị phanh ABS trên các dòng xe FZ1, FZ6 S2, XJ6 Diversion, XT1200Z…

Hệ thống phanh ABS được điều khiển bằng điện từ Bộ điều khiển ABS, được gọi là ABS ECU (Electronic Control Unit) theo dõi tốc độ các bánh xe nhờ vào các cảm biến bánh xe Nếu xảy ra hiện tượng trượt khi phanh, các cảm biến gửi tín hiệu về thông báo cho ECU, ngay lập tức ECU điều khiển áp suất dầu phanh đến các bánh xe bị trượt thông qua các van điện từ (solenoid) bên trong bộ chia dầu HCU (Hydraulic Control Unit) làm

áp suất dầu giảm loại bỏ được sự trượt bánh xe

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điện từ, điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình cực mạnh đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hóa quá trình điều khiển ABS

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở lý thuyết hệ thống chống bó cứng phanh (abs) trên xe mô tô

Hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti-look Bracking System) được phát minh

từ năm 1920, ban đầu chỉ áp dụng cho phanh máy bay, sau đó được áp dụng cho nghành công nghiệp ô tô và xe máy Năm 1988, tập đoàn BMW bắt đầu trang bị hệ thống phanh ABS trên mô tô Từ đó đến nay, ABS đã trải qua nhiều lần nâng cấp và trở thành trang

bị an toàn hang đầu trên xe máy

Với cơ chế bám nhả liên tục, hệ thống chống bó cứng phanh ABS sẽ giúp cho xe không bị mất lực bám ngang, gây hiện tượng lắc đuôi xe (trượt bánh) Gặp tình huống phải phanh bất ngờ, khi qua đoạn đường trơn ướt, hay thấy các chướng ngại vật với xe không có phanh ABS, má phanh sẽ ép chặt vào đĩa phanh, làm bánh xe cứng đờ, không xoay được, gây hiện tượng khóa bánh, làm mất độ bám của lốp khiến xe trượt đi và gây tai nạn

Mục tiêu của cơ cấu phanh ABS là giữ cho bánh xe không bị bó cứng, cải thiện tính

ổn định và khả năng dẫn hướng của xe trong khi phanh Để giữ cho bánh xe không bị hãm cứng và đảm bảo hiệu quả phanh cao, cơ cấu phanh chống hãm cứng điều khiển áp suất trong dẫn động phanh sao cho độ trượt của bánh xe với mặt đường quanh giá trị λ0trong giới hạn hẹp

Cơ cấu chống hãm cứng được thiết kế trên cơ sở phanh thường và trang bị các bộ phận chính sau:

- Cụm tín hiệu vào: Có nhiệm vụ nhận biết tình trạng của các bánh xe khi phanh Tùy theo sự lựa chọn nguyên lý điều chỉnh, có thể dùng các cảm biến đo vận tốc góc của bánh xe, cảm biến áp suất trong dẫn động phanh, cảm biến giảm tốc và các cảm biến khác

- Bộ điều khiển (ECU): Nhận và xử lý các thông tin từ tín hiệu vào để điều khiển bộ chấp hành thủy lực cung cấp áp suất dầu đã được tính toán tối ưu cho mỗi xylanh bánh

xe

- Cụm van điều khiển trong bộ chấp hành thủy lực hoạt động theo lệnh từ bộ điều khiển làm tăng, giảm hay giữ nguyên áp suất dầu khi cần để đảm bảo hệ số trượt dao động trong khoảng tốt nhất (10-30%), tránh hãm cứng bánh xe

- Các cơ cấu chống hãm cứng bánh xe hiện nay thường được sử dụng nguyên lý điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh

a Sự thay đổi momen phanh b Áp suất dẫn động phanh

c Gia tốc bánh xe

Hình 2.1.Sự thay đổi moment phanh, áp suất dẫn động phanh và gia

tốc của bánh xe khi phanh có ABS.

Hình trên trình bày đồ thị chỉ sự thay đổi của một số thông số của cơ cấu phanh và chuyển động của bánh xe khi có trang bị cơ cấu ABS

Khi tác động lên bàn đạp phanh thì áp suất dầu trong hệ dẫn động tăng lên, nghĩa là

moment phanh Mp tăng lên làm tăng giá trị gia tốc chậm dần của bánh xe và làm tăng

độ trượt của nó

Sau khi vượt qua điểm cực đại trên đường cong φx = f(λ) thì gia tốc chậm dần của

bánh xe bắt đầu tăng đột ngột, điều này báo hiệu bánh xe có xu hướng bị hãm cứng Giai

đoạn này của quá trình phanh ABS sẽ ứng với các đường cong (0-1) trên hình 2.1a,b,c

Giai đoạn này gọi là pha I (pha bắt đầu phanh hay pha tăng áp suất trong dẫn động phanh) Bộ điều khiển của cơ cấu ABS lúc này sẽ ghi lại gia tốc tại thời điểm 1 đạt giá trị tới hạn (đoạn C1 trên hình 2.1c) và ra lệnh cho bộ chấp hành thủy lực phải giảm áp

suất trong dẫn động phanh Sự giảm áp suất sẽ bắt đầu với độ chậm trể nhất định do đặc tính của cơ cấu

Quá trình diễn biến từ điểm 1 đến điểm 2 gọi là pha II (pha giảm áp suất trong dẫn động phanh) Gia tốc của bánh xe lúc này giảm dần và tại điểm 2 gia tốc dần tiến đến giá trị 0 Giá trị gia tốc này tương ứng với đoạn C2 trên hình 2.1c Sau khi đạt giá trị này, bộ điều khiển ra lệnh cho bộ chấp hành ổn định áp suất trong dẫn động Lúc này bánh xe sẽ tăng tốc chuyển động tương đối và vận tốc của bánh xe đạt gần đến vận tốc của xe,nghĩa là độ trượt sẽ giảm và hệ số bám dọc φx tăng lên (đoạn 2-3) Giai đoạn này gọi là pha III (giai đoạn giữ áp suất ổn định) Bởi vì moment phanh trong thời gian này được giữ cố định nên gia tốc chậm dần cực đại của bánh xe trong chuyển động tương đối sẽ phát sinh tương ứng với lúc hệ số bám dọc φx đạt giá trị cực đại Gia tốc cực đại này được chọn làm thời điểm phát lệnh và tương ứng với đoạn c3 (trên hình 2.1c) Lúc này bộ điều khiển ghi lại giá trị của gia tốc này, và ra lệnh cho bộ chấp hành tăng áp suất dẫn động phanh

Như vậy, sau điểm 3 lại bắt đầu pha I của chu kỳ làm việc tiếp theo của cơ cấu ABS

Từ lập luận trên cho thấy rằng, cơ cấu ABS điều khiển moment phanh theo chu kỳ khép kín 1-2-3-1 (hình 2.1a), lúc đó bánh xe làm việc ở vùng có hệ số bám cực đại iφx.max

Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển hệ thống phanh abs trên xe mô tô

Nguyên lí điều khiển

Khi bắt đầu phanh, bánh xe quay với tốc độ giảm dần, khi bánh xe đạt tới giá trị gần

bó cứng tín hiệu của các cảm biến gửi về bộ điều khiển bộ điêu khiển trung tâm ECU ECU tiếp nhận và lựa chọn chế độ đưa ra tín hiệu điều khiển van điều chỉnh áp suất các đường dầu từ xylanh chính đến xylanh bánh xe do vậy lực phanh của cơ cấu phanh không tăng được nữa bánh xe lại có xu hướng lăn với tốc độ cao lên, tín hiệu từ cảm biến lại đưa về bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển điều khiển van chính mở đường dầu tăng thêm áp suất dẫn ra xylanh bánh xe thực hiện tăng lực phanh gây ra do cơ cấu phanh Nhờ đó, bánh xe lại bị phanh và giảm tốc độ quay tới khi gần bó cứng, quá trình xãy ra được lập lại theo chu kỳ liên tục cho tới khi xe dừng hẳn

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS như sau:

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS

1 Tay phanh; 2 Xylanh chính; 3 Bộ chấp hành ABS;

4 xylanh công tác; 5 Bộ điều khiển

Một chu kỳ được thực hiện trong khoảng 1/10s, nhờ các bộ tích áp suất thấp, cao, van

1 chiều và bơm dầu bộ chậm trể tác động chỉ nhỏ hơn 1/1000s, do vậy ABS làm việc rất hiệu quả tránh được bó cứng bánh xe Quá trình này coi như là hành động nhấp phanh liên tục của người lái trong khi phanh, nhưng mức độ chuẩn xác và tần số lớn hơn rất nhiều so với người lái xe có kinh nghiệm

Cấu trúc hệ thống điều khiển

Cấu trúc của hệ thống điều khiển ABS gồm 3 khối cơ bản bao gồm khối các cảm biến, khối điều khiển điện tử, khối thủy lực

Các cảm biến thường dùng

a Cảm biến tốc độ bánh xe:

Như ta đã biết, trên moto hiện nay một số xe có hệ thống phanh ABS được trang bị nhiều cảm biến với chức năng khác nhau nhằm tăng thêm chất lượng của quá trình phanh nhưng cảm biến tốc độ bánh xe là bộ phận không thể thiếu trong hệ thống phanh ABS Cảm biến tốc độ bánh xe có nhiệm vụ nhận biết sự thay đổi của tốc độ bánh xe và gửi tín hiệu về ECU, từ đó ECU nhận biết, xử lý thông tin và điều khiển các bộ phận chống hãm cứng bánh xe

Các cảm biến Khối điều khiển điện

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển

-Đặc điểm cấu tạo của cảm biến tốc độ bánh xe

Hình 2.5 Cấu tạo cảm biến cảm biến bánh xe 1- Nam châm vĩnh cửu; 2- cuộn dây; 3-Lõi

Cấu tạo của cảm biến gồm một nam châm vĩnh cửu, một quận dây quấn quanh lõi từ, hai đầu cuộn dây được nối với ECU

-Nguyên lý làm việc

Khi bánh xe quay, vành răng quay theo, khe h ở A giữa hai đầu lõi từ và vành răng thay đổi, từ thông biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động xoay chiều dạng hình sin có biên độ và tần số thay đổi tỉ lệ theo tốc độ góc của bánh xe (hình 2.6), tín hiệu này liên tục được gửi về ECU Tuỳ theo cấu tạo của cảm biến, vành răng và khe h ở giữa chúng, các xung điện áp tạo ra có thể nhỏ dưới 100mV ở tốc độ thấp, hoặc cao hơn 100mV ở tốc độ cao

Hình 2.6 Dạng tín hiệu cảm biến 1- Ở tốc độ thấp; 2- Ở tốc độ cao

Khe hở không khí giữa lõi từ và đỉnh răng của vành răng cảm biến chỉ khoảng 1mm và độ sai lệch phải nằm trong giới hạn cho phép Cơ cấu ABS sẽ không làm việc tốt nếu khe hở nằm ngoài giá trị tiêu chuẩn

Khối điều khiển điện tử

Khối điều khiển điện tử là một cụm độc lập không thể sửa chữa, bao gồm 2 mạch xử

lí và các mạch khác cần thiết cho hoạt động của nó

Nhiệm vụ:

- Theo dõi tốc độ quay của bánh xe thông qua tín hiệu thu nhận được từ các biến tốc độ Nếu có bánh xe nào có xu hướng bị hãm cứng thì nó sẽ kích hoạt ABS làm việc và cung cấp một điện áp 12V cho các van điện từ tương ứng lắp đặt trong khối thủy lực Nhờ đó khối điều khiển điện tử có thể điều khiển được áp suất dẫn động để tránh cho các bánh xe khỏi bị ham cứng

- Theo dõi sự làm việc của bản thân nó Nếu có sự cố xảy ra nó sẽ tự động đưa hệ thống sang trạng thái phanh thường như khi không có ABS [1]

Hình 2.7 Khối điều khiển điện tử

Khối thủy lực

Khối thủy lực bao gồm các van thủy lực và bộ tích năng (trên hình 2.8) là khối thủy lực của ABS Bocsh) Khối thủy lực có nhiệm vụ điều chỉnh áp suất dẫn động phanh theo tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển điện tử, đế tránh cho các bánh xe không bị hãm cứng.[1]

Hình 2.8 Khối thủy lực của ABS Bocsh Van điện từ; 2- Rơ le bơm; 3 Rơ le van điện từ; 4- Đầu nối cáp điện;

5-động cơ điện của bơm; 6- Bộ phận của cụm bơm; 7- Bình tích năng; 8-

bình điều áp

Các trạng thái làm việc của hệ thống điều khển ABS

ABS trong hệ thống phanh thủy lực là một bộ tự điều chỉnh áp suất dầu đưa vào xylanh bánh xe sao cho phù hợp với chế độ lăn của bánh xe nhằm hạn chế hoàn toàn khả năng trượt lết của bánh xe khi phanh Van điện là một trong những bộ phận quan trọng thực hiện các trạng thái phanh một cách tốt nhất Tùy theo loại van điện sử dụng trong hệ thống phanh và hệ thống ABS làm việc với nhiều trạng thái khác nhau

Trạng thái phanh thường

Lúc này ECU chưa cung cấp điện để điều khiển van điện nên đường dầu tới (cổng A)

mở, đường dầu về (cổng B) đóng, áp lực dầu được truyền từ xylanh chính tới xylanh bánh xe Tuy vậy, ECU vẫn luôn tiếp nhận thông tin từ các cảm biến rồi so sánh với các ngưỡng giá trị có sẵn trong bộ nhớ của ECU do nhà chế tạo cài đặt sẵn Lực phanh tăng hoặc giảm do tác động của người lái và bánh xe chưa có khả năng bị hãm cứng

Hình 2.9 Hoạt động của ABS khi phanh bình thường 1- Cảm biến tốc đô; 2- Xi lanh công tác; 3- Cửa C; 4- Lò xo; 5- Cuộn dây;

6- Van một chiều; 7- Cửa A; 8- Xi lanh chính; 9- Bơm; 10- Bình tích năng;

11- Cửa B Trạng thái giảm áp lực phanh

Các tín hiệu từ hệ thống các cảm biến gửi đến ECU tiếp nhận, tính toán, so sánh biết được bánh xe có khả năng bị hãm cứng và quyết định chống hãm cứng bánh xe đó bằng cách cấp điện áp vào các cuộn thường mởvà thường đóng nhằm tạo ra lực từ mạnh ở cuộn dây để đóng đường dầu tới (cổng A) và mở đường dầu về (cổng B) do vậy mà áp lực dầu không đến xylanh bánh xe nữa mà từ xylanh bánh xe trở về bình tích trữ làm cho áp lực phanh giảm và bánh xe không còn bị bó cứng nữa Nếu áp lực phanh vẫn còn lớn đề làm bó cứng bánh xe, thì ECU sẽ điều khiển bơm ABS bơm dầu từ bình tích trữ

về xylanh chính, áp lực phanh giảm nhanh và bánh xe không còn khả năng bị bó cứng nữa

Hình 2.10 Hoạt động của ABS ở chế độ giảm áp 1- Cảm biến tốc đô; 2- Xi lanh công tác; 3- Cửa C; 4- Lò xo; 5- Cuộn dây;

6- Van một chiều; 7- Cửa A; 8- Xi lanh chính; 9- Bơm; 10- Bình tích năng;

11- Cửa B Trạng thái giữ phanh

Áp lực phanh tăng hoặc giảm ở xylanh bánh xe khi ECU nhận thấy giá trị phù hợp thì sẽ gửi dòng điện tới cuộn dây khoảng 2A vừa đủ để đóng đường tới (cổng A) và đóng đường về (cồng B) và làm cho áp lực phanh không đổi ở xylanh bánh xe Lúc này, ECU tiếp tục điều khiển bơm ABS làm việc để trả dầu từ bình tích năng làm tăng áp lực phanh ở xylanh chính chuẩn bị cho quá trình tăng áp tiếp theo nếu cần thiết

Hình 2.11 Hoạt động của ABS ở chế độ giữ 1- Cảm biến tốc đô; 2- Xi lanh công tác; 3- Cửa C; 4- Lò xo; 5- Cuộn dây;

6- Van một chiều; 7- Cửa A; 8- Xi lanh chính; 9- Bơm; 10- Bình tích năng;

11- Cửa B Trạng thái tăng áp lưc phanh

Khi áp lực phanh cần được tăng thì ECU ngừng cung cấp dòng điện cho cuộn dây của van điều khiển, van mở đường dầu tới (cổng A) và đóng đường dầu về (cổng B), dầu đi từ xylanh chính tới xylanh bánh xe Đồng thời ECU điều khiển cho bơm ABS hoạt động bơm dầu từ xylanh chính cúa bánh xe nhằm tăng áp lực phanh Thực ra trạng thái tăng áp lực phanh cũng chính là trạng thái phanh thường

Trạng thái làm việc của hệ thống ABS thay đổi liên tục theo tình trạng của xe và mặt đường

Hình 2.12 Hoạt động của ABS ở chế độ tăng áp 1- Cảm biến tốc độ; 2- Xi lanh công tác; 3- Cửa C; 4- Lò xo; 5- Cuộn dây; 6- Van một chiều; 7- Cửa A; 8- Xi lanh chính; 9- Bơm; 10- Bình tích năng; 11-Cửa B

Phần mềm thiết kế ALTIUM DESIGNER 16

Altium Designer trước kia có tên gọi quen thuộc là Protel DXP, là một trong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay Được phát triển bởi hãng Altium Limited Altium designer là một phần mềm chuyên nghành được sử dụng trong thiết kế mạch điện tử Nó là một phần mềm mạnh với nhiều tính năng đặc biệt

Altium Designer có một số đặc trưng sau:

- Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế

- Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…

- Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo các tham số mới

- Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…

- Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB

- Mô phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong không gian

3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mô hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D

- Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngược lại

Giao diện phần mềm được chia thành 5 phần chính

Hình 2.13 Giao diện phần mềm ALTIUM DESIGNER 16 1-Các thẻ quản lí file, project; 2- Thanh công cụ; 3-Không gian làm việc; 4- Các thẻ

quản lí thư viện, 5- Quản lí các layer

1

5

5