BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hồ Hữu Hùng NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN DỰ KIẾN ĐỔI TÊN THÀNH: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ABS TRONG HỆ THỐNG PHANH KHÍ N
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Hồ Hữu Hùng
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN
(DỰ KIẾN ĐỔI TÊN THÀNH: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ABS TRONG HỆ
THỐNG PHANH KHÍ NÉN)
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội – 2015
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Hồ Hữu Hùng
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 62520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1 PGS TS Lưu Văn Tuấn
2 PGS TS Đào Mạnh Hùng
Hà Nội – 2015
Trang 3i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Công trình được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự
hướng dẫn của PGS TS Lưu Văn Tuấn và PGS TS Đào Mạnh Hùng Các số liệu và kết
quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
Hà Nội, ngày tháng năm
Người cam đoan
Người hướng dẫn
khoa học 1
PGS TS Lưu Văn Tuấn
Người hướng dẫn khoa học 2
PGS TS Đào Mạnh Hùng Hồ Hữu Hùng
Trang 4ii
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân, Tôi
đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy giáo và tập thể nghiên cứu khoa học
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Lưu Văn Tuấn – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và PGS TS Đào Mạnh Hùng – Trường Đại học Giao thông vận
tải Hà Nội, là những người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án
Tôi xin chân thành cảm ơn Đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước mã số KC.03.05/11-15 và các thành viên trong đề tài đã tạo nhiều điều kiện nghiên cứu, thiết bị thí nghiệm để thực hiện luận án
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo ở Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện
Cơ khí động lực, Bộ môn Tự động hóa – Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí, lãnh đạo trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian và vật chất để tôi hoàn thành luận án này
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em nghiên cứu sinh, cao học và sinh viên các khóa thuộc bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện Cơ khí động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hết lòng hỗ trợ, động viên tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn tới đại gia đình, bạn bè đã thực sự động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hà Nội, ngày tháng năm
Nghiên cứu sinh
Hồ Hữu Hùng
Trang 5iii
MỤC LỤC
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt vi
Danh mục các bảng viii
Danh mục các hình ảnh, đồ thị ix
Mở đầu 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5
1.1 Hệ thống phanh ABS khí nén trên xe ô tô 5
1.2 Lịch sử phát triển hệ thống ABS khí nén 6
1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 8
1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước 11
1.5 Đối tượng nghiên cứu 14
1.5.1 Xe nghiên cứu và bố trí hệ thống ABS 15
1.5.2 Van chấp hành ABS và phương pháp điều khiển 17
1.6 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 19
1.7 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 20
1.8 Kết luận chương 1 21
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23
2.1 Quy trình nghiên cứu 23
2.2 Phương pháp điều khiển ABS 25
2.3 Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS 28
2.4 Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá trình phanh 31
2.4.1 Chuyển động của ô tô trong quá trình phanh trên đường bằng phẳng 31
2.4.2 Động lực học bánh xe trong quá trình phanh 34
2.4.3 Sự phân bố lại trọng lượng khi phanh 36
2.4.4 Mô hình mô phỏng chuyển động của xe 36
2.4.5 Mô hình mô phỏng bánh xe 37
Trang 6iv
2.5 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén 37
2.5.1 Cơ sở tính toán áp suất và lưu lượng khí nén trong hệ thống phanh 38
2.5.2 Mô hình mô phỏng van phân phối 40
2.5.3 Mô hình mô phỏng van xả nhanh ở dòng phanh cầu trước 42
2.5.4 Mô hình mô phỏng van gia tốc trên dòng phanh cầu sau 43
2.5.5 Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh 43
2.6 Kết luận chương 2 45
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 47 3.1 Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống ABS 47
3.2 Thuật toán điều khiển hệ thống ABS 49
3.3 Cảm biến và phương pháp đo vận tốc góc bánh xe 52
3.3.1 Cảm biến đo vận tốc góc bánh xe 52
3.3.2 Vành răng cảm biến 53
3.3.3 Phương pháp xác định vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe 55
3.4 Mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống ABS 56
3.4.1 Mô hình mô phỏng van chấp hành ABS 56
3.4.2 Mô hình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc bánh xe 58
3.4.3 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển 59
3.5 Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô khi phanh bởi hệ thống phanh khí nén có ABS 60
3.6 Nghiên cứu, xác định ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS 61
3.6.1 Mô phỏng điều khiển theo độ trượt bánh xe 62
3.6.2 Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe 64
3.6.3 Kết quả mô phỏng 65
3.7 Kết luận chương 3 69
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 70
4.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 70
4.2 Nghiên cứu chính xác hóa ngưỡng điều khiển 70
Trang 7v
4.2.1 Quy trình mô phỏng thực nghiệm 70
4.2.2 Thiết bị thử nghiệm 71
4.2.3 Ngưỡng điều khiển và hoạt động của hệ thống phanh khí nén có ABS 76
4.3 Thử nghiệm đánh giá hiệu quả hệ thống 84
4.4 Kết luận chương 4 86
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN VÀ KIẾN NGHỊ 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 89
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1
PHỤ LỤC 1
Trang 8vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu
a, b m Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trước, đến cầu sau
g
h m Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến mặt đường
L m Chiều dài cơ sở
, ,
F F F N Lực tương tác giữa lốp và mặt đường theo các phương x, y, z w
,
r
F F N Lực cản lăn, lực cản không khí
b
b
d
r m Bán kính động lực học của bánh xe
,
Hệ số bám dọc, hệ số bám ngang
,
v v m/s Vận tốc dài của ô tô , vận tốc trượt của bánh xe
m kg Khối lượng của ô tô
b
rad/s Vận tốc góc bánh xe , b
rad/s2
Gia tốc góc bánh xe
p N/m2 Áp suất khí nén
V m3 Thể tích bình chứa
T K Nhiệt độ của chất khí
n mol Khối lượng mol phân tử
R Jmol-1 K-1 Hằng số chất khí
γ N/m3 Trọng lượng riêng của chất khí
g m/s2 Gia tốc trọng trường
Trang 9vii
A m2 Tiết diện dòng chảy
Q m3/s Lưu lượng khí nén
n
G Trọng lượng riêng trung bình của chất khí
T u K Nhiệt độ của khí nén
Danh mục chữ viết tắt
ABS Anti-look Braking System Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe
khi phanh ASR Anti Skid Regulator Hệ thống chống trượt quay bánh xe ATC Automatic Traction Control Hệ thống điều khiển lực kéo
ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử
ESC Electronic Stability Control Hệ thống điều khiển ổn định điện tử
IC Integrated Circuit Vi mạch tích hợp
RSC Roll Stability Control Hệ thống ổn định chống lật
Trang 10viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 1 Thông số của xe nghiên cứu 15
Bảng 1 2 Bảng trạng thái hoạt động của van chấp hành ABS 19
Bảng 3 1 Bảng trạng thái hoạt động của mô hình mô phỏng van chấp hành ABS 58
Bảng 3 2 Ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS đƣợc xác định theo lý thuyết 65
Bảng 4 1 Các giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS phù hợp với giá trị đo đƣợc trong thực tế của hệ thống ABS luận án nghiên cứu 76
Bảng 4 2 Ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS đã đƣợc hiệu chỉnh qua mô phỏng thực nghiệm 80
Bảng 4 3 Ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS 81
Bảng 4 4 Quy chuẩn Việt Nam về hiệu quả phanh và kết quả thử nghiệm 84
Bảng 4 5 Tiêu chuẩn Châu Âu ECE R13 về hiệu quả phanh và kết quả thử nghiệm 85
Trang 11ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1 1 Phương án bố trí ABS kiểu 4S/4M trên xe nghiên cứu 16
Hình 1 2 Trạng thái van chấp hành ABS khi không làm việc 17
Hình 1 3 Trạng thái van chấp hành ABS trong pha giảm áp 18
Hình 1 4 Trạng thái van chấp hành ABS trong pha giữ áp 19
Hình 2 1 Quy trình nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển 23
Hình 2 2 Quy trình nghiên cứu, xác định ngưỡng điều khiển 24
Hình 2 3 Quan hệ giữa hệ số lực dọc, ngang và độ trượt dọc của bánh xe khi phanh 25
Hình 2 4 Phạm vi điều khiển của ABS 27
Hình 2 5 Các pha điều khiển áp suất trong hệ thống theo gia tốc góc bánh xe 28
Hình 2 6 Thiết bị tạo xung điều khiển van chấp hành ABS phục vụ khảo sát khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh ABS khí nén 30
Hình 2 7 Áp suất khí nén trong bầu phanh khi phanh bình thường 30
Hình 2 8 Các lực tác dụng vào xe khi phanh trên đường thẳng, bằng phẳng 32
Hình 2 9 Phân bố ứng suất và phản lực từ đường khi lốp lăn 34
Hình 2 10 Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh 35
Hình 2 11 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén trên ô tô 38
Hình 2 12 Sơ đồ van phân phối trong hệ thống phanh khí nén 41
Hình 2 13 Sơ đồ nút chia khí nén đến các bầu phanh 42
Hình 2 14 Sơ đồ van gia tốc trên dòng phanh cầu sau 43
Hình 2 15 Sơ đồ mô tả bầu phanh 44
Hình 3 1 Quy luật biến thiên của áp suất khí nén trong bầu phanh khi điều khiển ở tần số 0,5 Hz (bên trái) và 5 Hz (bên phải) 48
Hình 3 2 Quy luật biến thiên giá trị áp suất cao nhất và thấp nhất trong bầu phanh phía sau theo tần số của xung điều khiển 48
Hình 3 3 Lưu đồ thuật toán điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe 51
Trang 12x
Hình 3 4 Sơ đồ mạch của cảm biến E2A-S08KS02-WP-C1 2M 53
Hình 3 5 Vành răng và cảm biến lắp lên xe 54
Hình 3 6 Phương pháp đo tần số 55
Hình 3 7 Thông tin bộ điều khiển thu được từ cảm biến 58
Hình 3 8 Sơ đồ một mô đun trong mô hình mô phỏng bộ điều khiển hệ thống ABS theo độ trượt của bánh xe 59
Hình 3 9 Sơ đồ một mô đun trong mô hình mô phỏng bộ điều khiển hệ thống ABS theo gia tốc góc của bánh xe 60
Hình 3 10 Sơ đồ khối mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô khi phanh bởi hệ thống phanh khí nén có ABS 61
Hình 3 11 Các pha điều khiển hệ thống theo độ trượt của bánh xe 63
Hình 3 12 Biến thiên giá trị độ trượt, gia tốc góc và biến điều khiển ECU theo thời gian 64 Hình 3 13 Gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h 66
Hình 3 14 Độ trượt của bánh xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h 66
Hình 3 15 Vận tốc của bánh xe và của xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h 66
Hình 3 16 Quãng đường phanh khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h 67
Hình 3 17 Gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đường ướt, v0 = 40 km/h 67
Hình 3 18 Độ trượt của bánh xe khi phanh trên đường ướt, v0 = 40 km/h 67
Hình 3 19 Vận tốc của bánh xe và của xe khi phanh trên đường ướt, v0 = 40 km/h 68
Hình 3 20 Quãng đường phanh khi phanh trên đường ướt, v0 = 40 km/h 68
Hình 4 1 Sơ đồ quy trình mô phỏng thực nghiệm xác định ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS 71
Hình 4 2 Cấu trúc bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh ABS 72
Hình 4 3 Bộ điều khiển điện tử hệ thống ABS 73
Hình 4 4 Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu vận tốc góc bánh xe 74
Hình 4 5 Thiết bị đánh dấu quãng đường phanh trên xe thử nghiệm 75
Hình 4 6 Thiết bị đo ghi đa kênh DEWE5000 và các cảm biến 76
Trang 13xi
Hình 4 7 Vận tốc góc bốn bánh xe khi phanh với vận tốc ban đầu 40 km/h không dùng ABS 77 Hình 4 8 Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh tại vận tốc 40km/h có ABS 78 Hình 4 9 Ảnh hưởng của giá trị ngưỡng gia tốc đến vận tốc góc bánh xe 79 Hình 4 10 Quy luật biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi thực nghiệm phanh trên đường tốt với vận tốc ban đầu 40km/h có ABS (sử dụng bộ giá trị ngưỡng trong bảng Bảng 4 2) 81 Hình 4 11 Biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi phanh có ABS trên đường phủ nhựa asphalt khô, v0 = 40 km/h 82 Hình 4 12 Biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi phanh có ABS trên đường phủ nhựa asphalt ướt, v0 = 40 km/h 83
Trang 14- 1 -
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài
Công nghiệp ô tô là ngành công nghiệp tạo nhiều việc làm và giá trị vật chất lớn cho xã hội Hiện nay trong nước đã có nhiều công ty sản xuất, lắp ráp ô tô để phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu Việc tiếp cận khoa học công nghệ cao là vấn đề cấp thiết, giúp Việt Nam có thể sản xuất được ô tô hiện đại, đạt các tiêu chuẩn quốc tế và cạnh tranh tốt về chất lượng và giá thành với các sản phẩm ô tô trên thế giới
Hệ thống phanh là hệ thống an toàn chủ động quan trọng trên ô tô Vận tốc và tải trọng của xe tải ngày càng cao nên yêu cầu hệ thống phanh phải có hiệu quả càng cao Bên cạnh đó cần phải tăng tính năng ổn định hướng chuyển động cho xe khi phanh, đặc biệt là khi phanh gấp Hiệu quả phanh và ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó điều khiển quá trình phanh là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất
Trên các xe ô tô tải tải trọng trung bình và lớn sử dụng hệ thống phanh khí nén có
độ trễ cao, phân bố trọng lượng trên các cầu xe thay đổi lớn theo điều kiện chở tải nên hiệu quả phanh bị ảnh hưởng rất lớn Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS) là một
hệ thống quan trọng, nhằm tăng tính ổn định hướng chuyển động và hiệu quả phanh Nhờ
đó nâng cao tính an toàn khi vận hành cho xe Một số nước tiên tiến đã quy định bắt buộc phải lắp đặt hệ thống ABS trên các loại xe tải
Trên thế giới, các hãng sản xuất lớn đã nghiên cứu rất sâu về hệ thống ABS, có thực nghiệm kiểm chứng và đã ứng dụng thương mại vào hầu hết các loại xe Tuy nhiên các tài liệu, kết quả nghiên cứu là tư liệu riêng của các hãng, không được công bố hoặc có công bố chỉ mang tính chất hướng dẫn sử dụng
Trong khi đó, các xe tải hiện đang sử dụng trong nước đa số sử dụng hệ thống phanh khí nén và không có ABS Do đó, việc nghiên cứu, làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại trên ô tô nói chung, hệ thống phanh ABS khí nén nói riêng để từng bước nghiên cứu chế tạo, thay thế các cụm chi tiết trong hệ thống ABS của các hãng có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp ô tô nước ta, giúp nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh cho các sản phẩm ô tô chế tạo trong nước
Đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước: ―Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm
hệ thống ABS cho hệ thống phanh khí nén dùng trên ô tô lắp ráp tại Việt Nam‖, mã số KC.03.05/11-15 (sau đây gọi tắt là đề tài KC.03.05/11-15) do Trường Đại học Bách khoa