Nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo hệ thống điều khiển lực phanh trên xe hybrid

Nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo hệ thống điều khiển lực phanh trên xe hybrid Nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo hệ thống điều khiển lực phanh trên xe hybrid Nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo hệ thống điều khiển lực phanh trên xe hybrid

TÓM TẮT

Tên đề tài: Nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo,

hệ thống điều khiển lực phanhh trên xe Hybrid

Trong luận văn này, trình bày phương pháp nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo ASR (Anti Slip Regulation) và hệ thống điều khiển lực phanh ASB (Anti – Lock System Braking) trên xe ô tô Hybrid

Khi ô tô Hybrid hoạt động thì có hai nguồn năng lượng hoạt động là động cơ đốt trong (ICE) và motor MG2 hoạt động tùy theo trạng thái chuyển động của ô tô thì phương án phối hợp hoạt động giữa hai động cơ trên cũng khác nhau

Trên ô tô Hybrid cũng trang bị đầy đủ các hệ thống kiểm soát lực kéo (ASR),

hệ thống phanh ABS, VSC… Vì vậy sự làm việc của hệ thống kiểm soát lực kéo ASR và hệ thống điều khiển lực phanh ABS trên ô tô Hybrid cũng có những điểm khác biệt so với ô tô thông thường

Trong quá trình kiểm soát lực kéo và điều khiển lực phanh trên xe Hybrid thì chúng ta thu hồi được một phần năng lượng trong quá trình phanh hay giảm tốc

Kết quả nghiên cứu giúp chúng ta hiểu sâu sắc hơn về nguyên lý điều khiển cũng như làm việc của hệ thống kiểm soát lực kéo, điều khiển lực phanh trên xe Hybrid

Ngoài ra đề tài còn nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phanh tái sinh năng lượng, tính toán năng lượng thu được dựa vào tính toán lý thuyết trên ô tô Hybrid Prius

Từ cơ sở nghiên cứu trên ta có thể đi đến thiết kế chế tạo, hệ thống phanh tái sinh năng lượng kiểu cơ khí và có thể ứng dụng trên các loại ô tô thông thường đang hoạt động ở nước ta, nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường cũng như tiết kiệm năng lượng

ABSTRACT

Subject: Research of control theory traction control system, braking control

system on Hybrid Vehicle

In this thesis, presented theoretical research method of controlling traction control system ASR (Anti Slip Regulation) and braking force control system ASB (Anti - Lock Braking System) on Hybrid Vehicle

Hybrid Vehicle operates when there are two active energy is the internal combustion engine (ICE) and the motor MG2 according to the state operation of the automobile motion the plans for coordination of activities between the two engines

on the other also together

Hybrid Vehicle is also equipped with full traction control system (ASR), ABS, VSC So the work of the control system ASR traction control system and ABS braking force on the box Hybrid vehicle are also different from conventional vehicle

In the traction control and braking force control on Hybrid, we recovered a portion of energy during braking or deceleration

The research results help us to understand more deeply the control principle and working of the traction control system, braking force control on Hybrid vehicle

Besides, subject also researched the basis theoretical of regenerative braking energy, energy calculations obtained based on theoretical calculations Prius Hybrid vehicle From the research facility we can go to the designing, manufacturing, regenerative braking system type mechanical energy and can be applied on conventional vehicles are operating in our country, in order to limit pollution environment as well as save energy

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Abstract v

Mục lục vi

Danh sách cách chữ viết tắt ix

Danh sách các hình x

Chương 1: TỔNG QUAN 01

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 01

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 02

1.2.1 Khái quát về xe Hybrid 02

1.2.2 Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài ở nước ngoài 03

1.2.3 Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài trong nước 03

1.3 Mục đích của đề tài 03

1.4 Những nội dung cần giải quyết và những nét mới trong luận văn 04

1.5 Phương pháp nghiên cứu 04

1.6 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 04

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG PHANH ABS - HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO ASR 05

2.1 Đặt vấn đề 05

2.2 Hệ số bám 06

2.3 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 07

2.3.1 Lực và moment tác dụng lên bánh xe khi phanh 07

2.3.2 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 08

2.4 Hiện tượng trượt quay của bánh xe khi kéo 12

Chương 3: LÝ THUYẾT KIỂM SOÁT LỰC KÉO ĐIỀU KHIỂN LỰC PHANH 14

3.1 Lý thuyết kiểm soát lực kéo 14

3.1.1 Khái niệm chung 14

3.1.2 Những yêu cầu đối với hệ thống ASR 15

3.1.3 Phương pháp điều chỉnh và tạo tín hiệu 15

3.1.4 Hệ thống điều khiển ASR với việc tác động vào động cơ 19

3.1.5 Hệ thống ASR có sự tác động của phanh 19

3.1.6 So sánh những ưu điểm và hạn chế của 2 phương pháp điều chỉnh trên 19

3.1.7 Nguyên tắc điều khiển ASR 21

3.2 Lý thuyết điều khiển lực phanh 24

3.2.1 Khái niệm chung 24

3.2.2 Những yêu cầu đối với hệ thống phanh ABS 25

3.2.3 Phương pháp điều chỉnh và tạo tín hiệu 26

3.2.4 Nguyên tắc điều khiển phanh ABS 28

3.2.5 Chu trình điều khiển của ABS 32

Chương 4: NGUYÊN TẮC KIỂM SOÁT LỰC KÉO ĐIỀU KHIỂN LỰC PHANH TRÊN XE HYBRID 35

4.1 Nguyên lý điều khiển lực kéo trên xe Hybrid 36

4.1.1 Cụm truyền động Hybrid 36

4.1.1.1 Khái quát chung 36

4.1.1.2 Các qui ước 37

4.1.2 Các trạng thái làm việc và điều khiển của xe Hybrid 47

4.1.2.1 Khởi động động cơ 47

4.1.2.2 Khởi động 48

4.1.2.3 Trong khi tăng tốc nhẹ bằng động cơ 50

4.1.2.4 Xe chạy ở tải thấp 51

4.1.2.5 Xe chạy ở chế độ giảm tốc 53

4.1.2.6 Chế độ lùi xe 55

4.1.3 Nguyên lý kiểm soát lực kéo trên xe Hybrid 55

4.1.4 Điều khiển ECU HV 59

4.1.5 Điều khiển lực kéo motor 61

4.1.5.1 Khái quát chung 61

4.1.5.2 Nguyên lý hoạt động 62

4.2 Nguyên lý điều khiển lực phanh trên xe Hybrid 64

4.2.1 Khái quát về hệ thống phanh trên xe Hybrid 64

4.2.2 Các tín hiệu điều khiển và quá trình điều khiển 67

Chương 5: CƠ SỞ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA PHANH TÁI SINH NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID 73

5.1 Nguyên tắc cơ bản của phanh tái sinh 73

5.2 Sự tiêu thụ năng lượng trong lúc phanh, cơ sở lý thuyết của phanh tái sinh 73

5.2.1 Sự tiêu thụ năng lượng trong lúc phanh 73

5.2.2 Cơ sở lý thuyết của phanh tái sinh 75

5.2.3 Nguyên lý làm việc của phanh tái sinh trên xe Toyota Prius Hybrid 80

5.2.3.1 Cụm truyền động trên xe Toyota Prius Hybrid II 80

5.2.3.2 Nguyên lý làm việc phanh tái sinh trên xe Toyota Prius Hybrid II 82

5.2.3.3 Tính toán điện áp thu được khi phanh trên xe Toyota Prius Hybrid II 83

5.2.3.4 Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa vận tốc góc và cường độ dòng điện I khi sử dụng phanh tái sinh trên xe Hybrid 92

Chương 6: KẾT LUẬN 97

6.1 Nhận xét về đề tài 97

6.2 Kiến nghị 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ABS: Anti – Lock Braking System – Hệ thống phanh chống bó cứng

ASR: Anti Slip Regulation – Hệ thống kiểm soát chống trượt

CVT: Continuously Variable transmission – Hộp số vô cấp

ECU HV: Electronic Control Unit Hybrid Vehicle – ECU xe Hybrid

ECU Skid – ECU điều khiển trượt

HV: Hybrid Vehicle – Xe lai sử dụng động cơ đốt trong và động cơ điện MG1: Motor MG1

MG2: Motor MG2

RBS: Regenerative Braking System – Hệ thống phanh tái sinh

SOC: State of charge – Tình trạng accu

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Mẫu xe Hybrid của hãng Toyota 2

Hình 2.1: Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi phanh 7

Hình 2.2: Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết 09

Hình 2.3: Đặc tính trượt, thể hiện sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo độ trượt tương đối λ của bánh xe khi phanh 10

Hình 2.4: Đặc tính trượt tương ứng với các loại đường khác nhau 11

Hình 2.5: Lăn có trượt quay của bánh xe khi kéo 13

Hình 3.1: Đặc tính trượt 14

Hình 3.2: So sánh độ trượt giữa các bánh xe theo đường chéo, cùng bên 16

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống ASR 23

Hình 3.4: Đồ thị chỉ mối quan hệ giữa moment phanh Mp1, Mp2 với hệ số bám φ 25 Hình 3.5: Sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo độ trượt tương đối λ của bánh xe khi phanh 25

Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống phanh ABS 29

Hình 3.7: Sự thay đổi các thông số moment phanh Mp, áp suất dẫn động phanh p và gia tốc a của bánh xe khi phanh có ABS 30

Hình 3.8: Sự thay đổi tốc độ góc ωb của bánh xe, tốc độ ô tô v và độ trượt λ theo thời gian t khi phanh có hệ thống chống hãm cứng bánh xe 31

Hình 3.9: Chu trình điều khiển kín của ABS 32

Hình 3.10: Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS 33

Hình 3.11: Lưu đồ thuật toán hoạt động của ABS 34

Hình 4.1: Cụm truyền động Hybrid 36

Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý cụm bánh răng hành tinh trên xe Hybrid 37

Hình 4.3: Đường đặc tuyến động cơ điện và máy phát điện 38

Hình 4.4: Bộ truyền hành tinh trên xe Hybrid 41

Hình 4.5: Chế độ kéo do MG2 43

Hình 4.7: Chế độ động cơ nạp điện cho accu HV 44

Hình 4.8: Hoạt động ở chế độ phanh tái sinh 44

Hình 4.9: Bảng mô tả điều kiện lái xe 45

Hình 4.10: Biểu đồ mô tả chiều quay, tốc độ quay và cân bằng công suất bộ truyền bánh răng hành tinh, tình trạng nạp, phát điện của MG1, MG2 và tình trạng moment 46

Hình 4.11: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ khởi động động cơ 47

Hình 4.12: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ động cơ nạp điện cho accu 47

Hình 4.13: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ kéo do MG2 48

Hình 4.14: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ khởi động động cơ 49

Hình 4.15: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ dẫn động máy phát MG1 chuẩn bị tăng tốc 50

Hình 4.16: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ tăng tốc nhẹ 51

Hình 4.17: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ tải thấp 52

Hình 4.18: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ tăng tốc mạnh 53

Hình 4.19: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ giảm tốc 54

Hình 4.20: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ giảm tốc vùng ‘B’ 54

Hình 4.21: Sơ đồ hoạt động và moment cụm hành tinh ở chế độ số lùi 55

Hình 4.22: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển ASR trên Hybrid 58

Hình 4.23: Sơ đồ điều khiển ECU HV 59

Hình 4.24: Sơ đồ nguyên lý điều khiển ECU HV 60

Hình 4.25: Đồ thị đặc tính trượt khi kéo 61

Hình 4.26: Tốc độ bánh xe dẫn động hoạt động khởi hành khi nhấn bàn đạp ga trên đường có tuyết 62

Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lý cụm bánh răng hành tinh 62

Hình 4.28: Sơ đồ ý tưởng về điều khiển lực kéo motor 63

Hình 4.29: Sơ đồ đơn giản điều khiển hệ thống phanh trên xe Hybrid 64

Hình 4.30: Đồ thị thể hiện đặc tính trượt khi phanh 64

Hình 4.31: Sơ đồ khối điều khiển phân phối lực phanh trên xe Hybrid 65

Hình 4.32: Sơ đồ hệ thống phanh trên xe Hybrid 66

Hình 4.33: Sơ đồ điều khiển hệ thống phanh trên xe Hybrid 67

Hình 4.34: Đồ thị phân tích điều khiển lực kéo và lực phanh trên xe Hybrid 68

Hình 4.35: Sơ đồ điều khiển của ECu Skid trên Hybrid 69

Hình 4.36: Sơ đồ tình trạng accu và vùng hoạt động của phanh tái sinh 70

Hình 4.37: Lưu đồ thuật toán hoạt động điều khiển lực phanh trên xe Hybrid 71

Hình 4.38: Quá trình điều khiển của hệ thống phanh trên xe Hybrid 72

Hình 5.1: Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô khi xuống dốc có lực phanh 74

Hình 5.2: Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa hệ số bám φx, φy và độ trượt, vùng làm việc tối ưu của ABS 75

Hình 5.3: Các lực và moment tác dụng lên ô tô khi phanh 76

Hình 5.4: Sơ đồ thu gọn động năng của toàn ô tô qui về bánh xe 77

Hình 5.5: Bộ truyền động trên xe Toyota Prius Hybrid II 80

Hình 5.6: Sơ đồ hoạt động của xe Hybrid ở chế độ phanh tái sinh 80

Hình 5.7: Sơ đồ khối cụm truyền động trên xe Hybrid Toyota Prius 81

Hình 5.8: Các lực tác dụng lên xe khi chuyển động xuống dốc 87

Hình 5.9: Sơ đồ khối cụm hành tinh trên xe Hybrid 90

Hình 5.10: Đồ thị moment cấp cho motor MG2 khi phanh tái sinh ở tốc độ 80km/h 94

Hình 5.11: Đồ thị moment cấp cho motor MG2 khi phanh tái sinh ở tốc độ 50km/h 94

Hình 5.12: Đồ thị moment cấp cho motor MG2 khi phanh tái sinh ở tốc độ 40km/h 95

Hình 5.13: Đồ thị thể hiện tốc độ của xe 95

Hình 5.14: Đồ thị thể hiện đường đặc tính của cường độ dòng điện theo tốc độ góc khi thực hiện phanh tái sinh 96

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Cách đây hơn thế kỷ, các mẫu xe tương tự như xe Hybrid ngày nay đã ra đời tại Pháp, Áo… Trong giai đoạn nửa đầu thế kỷ trước, còn nhiều tên tuổi khác tham gia chế tạo xe Hybrid như Green Electric và Woods Motor Vehicle (các hãng xe trên đều của Mỹ), Siemens-Schukert (Đức) Nhìn chung những mẫu xe Hybrid của thế

kỷ trước nhằm mục đích tăng tốc độ xe, đồng thời với giá nhiên liệu thấp lúc bây giờ, và không có bất cứ quy định nào về khí thải khiến cho người sử dụng ô tô và xe máy đều không quan tâm tới các hệ thống động cơ lạ lẫm

Ngày nay, phương tiện ô tô phát triển rầm rộ Cũng chính vì thế mà tình trạng ô nhiễm không khí do khí thải từ động cơ ô tô ngày càng trầm trọng hơn Tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống là mối đe dọa cho nền kinh tế các nước Vì

lý do đó, nhiều giải pháp kỹ thuật đã được ra đời như: ô tô chạy điện, ô tô dùng pin nhiên liệu, động cơ khí nén vv… Tuy nhiên, những công nghệ trên vẫn chưa được đưa vào sử dụng rộng rãi vì còn nhiều giới hạn về công nghệ

Bên cạnh những giải pháp trên, các nhà kỹ thuật đặc biệt quan tâm đến công nghệ Hybrid Đây được coi là giải pháp thành công hiện nay nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng hiệu suất động cơ Các ô tô Hybrid này

đã và đang sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển như Châu Âu, Mỹ, Nhật…Vì vậy việc nghiên cứu công nghệ ô tô Hybrid là cần thiết, nên tôi quyết định chọn đề tài

nghiên cứu là: Nghiên cứu lý thuyết về việc điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo,

hệ thống điều khiển lực phanh trên xe Hybrid

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Khái quát về xe Hybrid

Động cơ Hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong với động cơ điện dùng năng lượng accu Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào dùng động cơ đốt trong, khi nào vận hành đồng bộ

Xe ô tô sử dụng động cơ Hybrid gọi là xe Hybrid Xe Hybrid vừa có thể đạt công suất không kém so với xe ô tô dùng động cơ đốt trong nhưng lại giảm thiểu ô nhiễm môi trường Các hệ thống Hybrid kết hợp hai nguồn động lực khác nhau, chẳng hạn như một động cơ xăng và một động cơ điện cùng được lắp trên một ô tô

Mục đích của việc này là tận dụng tối đa những lợi ích của các nguồn động lực khác nhau, hạn chế những thiếu sót của chúng, nhằm đạt hiệu quả cao nhất

Hình 1.1 Mẫu xe Hybrid của hãng Toyota [7]

1.2.2 Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài ở nước ngoài

Năm 1900, các công ty ở Mỹ sản xuất máy hơi nước, thiết bị điện và xe hơi Trong thời gian ngắn trước đó, các nhà khoa học đã nghĩ tới việc kết hợp các nguồn năng lượng khác lại với nhau Vào năm 1905, kỹ sư người Mỹ tên Hiper đã đề nghị cấp bằng sáng chế về một dạng động cơ kết hợp giữa xăng và điện như các hệ thống Hybrid ngày nay Nhờ phát minh ra hệ thống đề năm 1913 động cơ xăng trở nên phổ biến bởi nó dễ khởi động và tốt hơn động cơ hơi nước và động cơ điện, lúc đó

xe Hybrid tạm thời mất vị trí dẫn đầu Nhưng tình trạng khan hiếm nguồn năng lượng hóa thạch và vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải xe hơi thải ra, thì ngành công nghiệp xe ô tô quay lại nghiên cứu và phát triển xe Hybrid và chính thức trở thành hiện thực năm 2000

Song song với việc ra đời của xe Hybrid, đã có không ít phát minh và đề tài nghiên cứu về nó như: thiết kế hệ thống phanh cho xe Hybrid của Christian von Albrichsfeld and Jürgen Karner, vv… xe Hybrid ngày càng phổ biến trên toàn thế giới Các hãng xe Toyota, Honda, Ford lần lượt cho ra đời những mẫu xe Hybrid Hầu hết các nhà phân tích công nghiệp dự đoán xe Hybrid vẫn là xu hướng đúng đắn cho tương lai và phát triển trong những năm tới

1.2.3 Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài ở trong nước

Tình hình nghiên cứu trong nước thì bước đầu chỉ đi vào tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung xe Hybrid Năm 2008 đề tài: Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô Hybrid bốn chỗ ngồi bố trí song song của sinh viên Đoàn Xuân Biên

Trường Đại học Đà Nẵng, chưa có đề tài nghiên cứu về vấn đề này

1.3 Mục đích của đề tài

Trên cơ sở phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có thể đưa ra

kết luận như sau: Đề tài này là cần thiết, đây là vấn đề mấu chốt khi giải quyết xong

ta có thể hiểu sâu sắc hơn về hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống điều khiển lực phanh trên xe Hybrid

Tính toán lý thuyết năng lượng thu được khi phanh tái sinh trên xe Hybrid

1.4 Những nội dung cần giải quyết và những nét mới trong luận văn

Đề tài nghiên cứu được bố cục thành 6 chương với nội dung sau đây:

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Trong đó chương 4, 5 là chương có nội dung trọng tâm của đề tài Trong hai chương này tôi nghiên cứu lý thuyết kiểm soát lực kéo, điều khiển lực phanh trên xe Hybrid, tính toán năng lượng thu được khi sử dụng phanh tái sinh năng lượng

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài thì việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu tài liệu tham khảo

- Phương pháp tính toán lý thuyết

- Dùng phần mềm Matlab để vẽ đồ thị mô tả năng lượng thu được khi phanh tái sinh trên xe Hybrid dựa trên các công thức tính toán lý thuyết

1.6 Giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài

 Chỉ nghiên cứu lý thuyết hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống điều khiển lực phanh trên xe Hybrid

 Tính toán lý thuyết năng lượng thu được dựa vào công thức lý thuyết, bỏ qua ảnh hưởng của trượt, biến dạng của lốp…khi phanh tái sinh



Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG PHANH ABS-

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO ASR

và phải và mặt đường nên làm cho đuôi xe bị lạng, trượt ngang và chuyển động lệch hướng so với lúc bắt đầu phanh Trong trường hợp xe phanh khi đang quay vòng, hiện tượng trượt ngang của các bánh xe dễ dẫn đến các hiện tượng quay vòng thiếu hay quay vòng thừa làm mất ổn định khi xe quay vòng

Để giải quyết bài toán về vấn đề hiệu quả và tính ổn định khi phanh, phần lớn các ô tô hiện nay điều được trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh, tức chống hiện tượng trượt lết của bánh xe gọi là “ Anti-lock Braking System” và thường được gọi tắt là hệ thống phanh ABS

Hệ thống ABS hoạt động chống hãm cứng bánh xe khi phanh bằng cách điều khiển thay đổi áp suất dầu tác dụng lên các xy lanh bánh xe để cho nó không bị hãm cứng khi phanh trên đường trơn hay khi phanh gấp, đảm bảo tính hiệu quả và tính

ổn định trong quá trình phanh

Hệ số bám và lực bám có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn chuyển động của ô tô, nó có liên quan chặt chẽ đến tính chất động lực học của ô tô

đến hiệu quả phanh và độ ổn định khi phanh, tính năng dẫn hướng,… hệ thống ABS, ASR được thiết kế cũng dựa trên cơ sở phân tích và xử lý để đạt được các giá trị tối ưu này

2.2 Hệ số bám

Bánh xe là phần tử đàn hồi kết nối giữa xe và mặt đường Nhờ có sự bám giữa xe và mặt đường mới có sự truyền động các moment kéo, moment phanh được tạo ra từ động cơ hay cơ cấu phanh đến mặt đường, giúp cho xe chuyển động hay dừng lại được

Sự bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bằng hệ số bám φ Về

cơ bản, có thể xem hệ số bám tương tự như hệ số ma sát giữa hai vật thể cơ học Tuy nhiên do mối quan hệ truyền động giữa bánh xe và mặt đường là vấn đề rất phức tạp, vừa có tính chất của một ly hợp ma sát vừa theo nguyên lý ăn khớp thanh răng bánh răng, còn sự mấu bám của bề mặt gai lốp vào mặt đường

Hệ số bám φ giữa bánh xe và mặt đường được chia làm hai thành phần: hệ số bám trong mặt phẳng dọc, tức là mặt phẳng chuyển động của ô tô được gọi là hệ số bám dọc φx Ngoài ra còn hệ số bám trong mặt phẳng ngang vuông góc với mặt phẳng dọc và được gọi là hệ số bám ngang φy

Hệ số bám dọc φx được hiểu là tỷ số của lực phanh cực đại Fmax trên tải trọng

Thực nghiệm chứng tỏ hệ số bám φ phụ thuộc bởi nhiều yếu tố như: loại mặt đường và tình trạng mặt đường, kết cấu và nguyên liệu lốp, tải trọng tác dụng lên bánh xe, tốc độ chuyển động của xe, điều kiện nhiệt độ làm việc, độ trượt giữa bánh

xe và mặt đường Do đó, trong quá trình chuyển động của xe, giá trị hệ số bám φ là thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố kể trên

Đặc biệt là độ trượt giữa bánh xe và mặt đường ảnh hưởng rất nhiều đến hệ

số bám Khi tăng độ trượt (trượt lết hay trượt quay) của bánh xe thì hệ số bám lúc đầu tăng lên nhanh chóng và đạt giá trị cực đại trong khoảng độ trượt 10 ÷ 30%

2.3 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh

2.3.1 Lực và moment tác dụng lên bánh xe khi phanh

Hình 2.1 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi phanh [1]

Khi phanh, tại bánh xe xuất hiện các lực và moment sau:



P - Là 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

Cơ cấu phanh sinh ra một moment ma sát gọi là moment phanh Mp nhằm hãm bánh xe lại; khi đó xe chuyển động với gia tốc chậm dần, do đó trên bánh xe sẽ có

F

F

F

moment quán tính Mjb tác dụng, moment này cùng với chiều chuyển động của bánh

xe Ngoài ra còn có moment cản lăn Mf tác dụng, moment này ngược chiều chuyển động và có tác dụng hãm bánh xe lại Tuy nhiên, thực nghiệm chứng tỏ rằng moment cản lăn trong trường hợp này có giá trị rất bé so với moment phanh, vì thế

có thể bỏ qua Xem như chỉ có moment phanh dùng để cản lại moment quán tính Lúc đó ở bánh xe xuất hiện phản lực tiếp tuyến Fp ngược chiều chuyển động Phản lực tiếp tuyến này được gọi là lực phanh và xác định theo biểu thức:

Fp=𝑀𝑝

𝑟𝑏 →Mp= Fp rb= Z.φ.rb (2.3) Trong đó rb là bán kính tính toán của bánh xe

Lực phanh Fp có giá trị bằng Fξ nhưng ngược chiều (bỏ qua lực cản lăn Pf )

2.3.2 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh

Moment phanh do cơ cấu phanh của bánh xe sinh ra, nhưng mặt đường là nơi tiếp nhận thông qua điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường Nên lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường, mà đặc trưng là hệ

số bám φ, theo mối quan hệ sau:

Với Fpmax lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường

Fφ: Lực bám giữa bánh xe với mặt đường

Zb: Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe

Từ đây ta thấy khi phanh gấp ( Fp lớn) hay khi phanh trên các loại đường có

hệ số bám thấp như đường trơn thì phần Fp dư vượt quá giới hạn trên, do mặt đường không có khả năng tiếp nhận sẽ làm bánh xe sớm bị hãm cứng và trượt lết trên đường Cũng theo công thức 2.4, thấy rằng hệ số bám φ đóng vai trò quan trọng

trong việc xác định điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường Duy trì hệ số bám cao trong quá trình phanh để đạt giá trị lực phanh cực đại là mục tiêu cần quan tâm

đối với hệ thống phanh

Hình 2-2 Giải thích hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh:

Hình 2.2 Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết [1]

Ký hiệu V0 là vận tốc lý thuyết của bánh xe

V: Vận tốc thực của bánh xe

V= ωk.rl [m/s] (2.6) Trong đó: ωk: Vận tốc góc của bánh xe [rad/s];

Để kể đến ảnh hưởng của sự trượt khi phanh, người ta đưa ra khái niệm độ trượt khi

phanh:     0  0 1

v

v v

v v v

2.3.3 Đặc tính trượt

Hình 2.3 Đặc tính trượt, thể hiện sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang

φy theo độ trượt tương đối λ của bánh xe khi phanh [2]

Đặc tính trượt là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số bám φ và độ trượt λ Trong quá trình phanh, hệ số bám φ thay đổi theo độ trượt λ, thực nghiệm

đã mô tả sự phụ thuộc này thông qua đường đặc tính trượt có dạng

Hình 2.4 chỉ ra các đặc tính trượt, thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc φx và hệ

số bám ngang φy theo độ trượt tương đối λ của bánh xe ứng với các loại đường khác nhau

Bằng thực nghiệm có phương trình thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám và

Giá trị của hệ số bám lăn (thường gọi là hệ số bám) dao động trong khoảng từ 0,1 (đường đóng băng ) tới 1,0 (đường beton )

Hình 2.4 Đặc tính trượt tương ứng với các loại đường khác nhau [1]

Các hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy đều thay đổi theo độ trượt λ Lúc đầu, khi tăng độ trượt λ thì hệ số bám dọc φx tăng lên nhanh chóng và đạt giá trị cực đại trong khoảng độ trượt λ= 10÷30% Nếu độ trượt tiếp tục tăng thì φx giảm, khi độ trượt λ=100% (lốp xe bị trượt lết hoàn toàn khi phanh) thì hệ số bám dọc φx

giảm 20 ÷ 30% so với hệ số bám cực đại Khi đường ướt còn có thể giảm nhiều hơn nữa, đến 50 ÷ 60 % Đối với hệ số bám ngang φy, sẽ giảm nhanh khi độ trượt tăng, ở trạng thái trượt lết hoàn toàn thì φy giảm xuống gằng bằng không

Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại φxmax ở giá trị độ trượt tối ưu λ0 Thực nghiệm chứng tỏ rằng ứng với các loại đường khác nhau thì giá trị λ0 thường nằm trong giới hạn từ 10 ÷ 30 % Ở giá trị độ trượt tối ưu λ0 này, không những để đảm

bảo hệ số bám dọc φx có giá trị cực đại mà hệ số bám ngang φy cũng có giá trị khá cao

Vùng a gọi là vùng ổn định, ứng với khi mới bắt đầu phanh, vùng b là vùng không ổn định của đường đặc tính trượt Ở hệ thống phanh thường, khi độ trượt tăng đến giới hạn bị hãm cứng λ=100% (vùng b), do thực tế sử dụng φx<φxmax nên chưa tận dụng hết khả năng bám (khả năng tiếp nhận phản lực tiếp tuyến Pφ= Zφ φ

Ở hệ thống phanh thường, khi phanh đến giới hạn bị hãm cứng λ=100% thì

hệ số bám ngang φy giảm xuống gần bằng không, thậm chí đối với loại đường có hệ

số bám dọc cao như đường bê tông khô, nên khả năng bám ngang không còn nữa, chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng cũng đủ làm cho xe bị trượt ngang, dẫn đến không ổn định khi phanh

Trên đây là nhược điểm cơ bản của hệ thống phanh thường (phanh hãm cứng) vì nó chưa phát huy hết khả năng bám để nâng cao hiệu quả phanh và đảm bảo tính ổn định của xe khi phanh

Như vậy nếu giữ cho quá trình phanh xảy ra ở độ truợt của bánh xe là λ0 thì

sẽ đạt được lực phanh cực đại Fpmax= φxmax.Gb, nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất

và đảm bảo độ ổn định tốt khi phanh nhờ φy ở giá trị cao Nên hệ thống phanh chống hãm cứng ABS được thiết kế để thực hiện mục tiêu này

2.4 Hiện tượng trượt quay của bánh xe khi kéo

Đây là trường hợp của bánh xe kéo, khi đó tốc độ của tâm bánh xe (tốc độ thực tế) V nhỏ hơn tốc độ lý thuyết V0= r.ωk

δk= - Vδ/ V0= 1- rl/r =( V0-V)/ V0 >0 (2.13)

Ở trạng thái trượt hoàn toàn ta có các quan hệ sau:

δk= 1(bánh xe bị trượt quay hoàn toàn)

Hình 2.5 Lăn có trượt quay của bánh xe kéo [1]

3.1.1 Khái niệm chung

Khi ô tô chạy trên đường trơn hay trên đường có băng tuyết, người tài xế không có kinh nghiệm thường gặp khó khăn khi phải điều chỉnh bàn đạp ga vừa đủ

để ngăn bánh xe chủ động không bị trượt quay

Chúng ta đã biết hệ số bám của bánh xe so với mặt đường là một hàm của độ trượt ngoài việc phụ thuộc vào loại đường, tình trạng mặt đường, hệ số bám còn phụ thuộc nhiều vào độ trượt của bánh xe tương đối với mặt đường trong quá trình kéo

Trên đồ thị trình bày sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy của bánh xe với mặt đường theo độ trượt tương đối giữa bánh xe với mặt đường Độ trượt đạt giá trị tối ưu khi giá trị hệ số bám dọc đạt tối đa Hệ số bám ngang giảm mạnh khi độ trượt càng tăng

Khi ô tô di chuyển trên mặt đường trơn, mặt đường đóng băng…Độ trượt bánh xe tăng lên trong khi đó hệ số bám dọc giảm, hệ số bám ngang gần như bằng không, ô tô dễ mất ổn định nếu có một lực ngang nhỏ tác động Để giúp người lái

xe thích nghi với tình trạng trên thì hệ thống an toàn được nghiên cứu và ra đời và được gọi tên là hệ thống kiểm soát lực kéo ASR, TRAC

Hệ thống ASR ngoài nhiệm vụ đảm bảo ổn định chuyển động cho ô tô còn

có nhiệm vụ tận dụng lực kéo một cách tối ưu

3.1.2 Những yêu cầu đối với hệ thống ASR

Trên mặt đường bằng phẳng bình thường với bất kỳ lực kéo nào, khi người lái xe đạp hết ga ở bất kỳ vị trí nào thì bánh xe chủ động không bị truợt quay

Sự điều chỉnh phải được thực hiện trên mặt đường thật trơn một cách nhanh chóng Hệ thống phải phản ứng nhanh ngay khi nhận được tín hiệu có một bánh xe chủ động có xu hướng bị trượt quay

Khi có sự biến đổi đột ngột từ mặt đường khô bình thường qua mặt đường trơn thì moment kéo của bánh xe chủ động phải được điều chỉnh nhanh để người lái không có cảm giác mất ổn định của xe

Trường hợp mặt đường có hệ số bám của bánh xe bên trái và bên phải không đồng đều thì moment kéo ở bánh xe có hệ số bám thấp phải được cắt giảm để tránh

xe không bị trượt quay, trong lúc đó bánh xe có hệ số bám cao phải được tận dụng 100% nhằm đạt lực kéo tối ưu

3.1.3 Phương pháp điều chỉnh và tạo tín hiệu

Hệ thống ASR sử dụng các cảm biến tốc độ để đo tốc độ góc của các bánh

xe Tín hiệu này được gửi về ECU để tính toán độ trượt của bánh xe chủ động và gửi quyết định điều khiển tới bộ chấp hành

Chúng ta có định nghĩa như sau về độ trượt giữa các bánh xe

δ3,1=(V3-V1)/V3 (3.1) ; Bánh xe sau bên trái so với bánh trước bên trái

δ4,2=(V4-V2)/V4 (3.2) ; Bánh xe sau bên phải so với bánh trước bên phải

δ3,2=(V3-V2)/V3 (3.3) ; Bánh xe sau bên trái so với bánh trước bên phải

δ4,1=(V4-V1)/V4 (3.4) ; Bánh xe sau bên phải so với bánh trước bên trái

Để thực hiện việc điều khiển được chính xác, các cảm biến tốc độ bánh xe luôn theo dõi tốc độ quay của bánh xe và gửi tín hiệu về bộ điều khiển Tại đây bộ điều khiển sẽ tính toán tốc độ dài, thực hiện so sánh tốc độ các bánh xe chủ động với các bánh xe bị động theo các phương thức: so sánh đường chéo, so sánh cùng bên sau đó tính ra độ trượt của bánh xe chủ động và ra quyết định điều khiển tới bộ chấp hành để đưa độ trượt về giá trị tối ưu

Hình 3.2 So sánh độ trượt giữa các bánh xe theo đường chéo, cùng bên [6]

2 )2+ 𝐿2 2𝑅

Trong kỹ thuật thì bán kính quay vòng trung bình R lớn hơn chiều dài cơ sở L và chiều rộng B của xe Từ đó dẫn đến công thức gần đúng sau được sử dụng so với công thức

Cho các thông số kỹ thuật của xe Toyota Prius II như sau:

Chiều dài cơ sở L = 2.7 m

Chiều rộng giữa hai bánh xe B= 1.505 m

Xe chuyển động trên đường vòng có bán kính cong R = 28 m

Xác định độ trượt của các bánh xe theo công thức trên

Tính toán ta được kết quả:

xe chủ động và đưa ra quyết định điều khiển tới bộ chấp hành để đưa độ trượt trở về giá trị tối ưu

3.1.4 Hệ thống điều khiển ASR với việc tác động vào động cơ

Để phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ và tránh tổn thất lực kéo một bên, hệ thống điều chỉnh phải có tác dụng ngay khi phát hiện một bánh xe có xu hướng bị trượt quay

Về nguyên tắc giống như hệ thống ABS, ứng với mỗi độ trượt cần phải có mức điều chỉnh tương thích Để có được các xung điều khiển có thể căn cứ vào sự

so sánh độ trượt của các bánh xe cùng bên hay theo đường chéo.Đối với ô tô trang

bị hệ thống ASR thì động cơ cần trang bị thêm các bộ phận điều chỉnh phụ để khi

có sự can thiệp của động cơ sẽ tạo ra các tác động sau:

- Qua sự điều tiết của bướm ga hoặc hệ thống điều khiển nhiên liệu bằng điện

tử mà tác động đến bàn đạp ga

- Qua việc điều chỉnh đánh lửa trể làm giảm nhanh moment quay của động cơ

- Qua việc làm gián đoạn phun nhiên liệu đến từng xy lanh riêng rẽ

- Qua việc làm gián đoạn phun nhiên liệu trên tất cả các xy lanh

3.1.5 Hệ thống ASR có sự tác động của phanh

Việc tính toán xác định lực kéo tối đa của bánh xe trước khi tăng tốc cho kết quả chính xác khi moment phanh xe không cân bằng ổn định Tác động của hệ thống phanh ASR diễn ra nhanh hơn so với việc tác động vào động cơ thông qua bướm ga So về thời gian điều chỉnh thì hệ thống ABS đạt yêu cầu

3.1.6 So sánh những ưu điểm và hạn chế của 2 phương pháp điều chỉnh trên

 Điều khiển ASR chỉ có tác động vào động cơ:

Ưu điểm: Bảo đảm ổn định hướng trong mọi tình huống, các bước chuyển tiếp từ mặt đường có hệ số bám khác nhau diễn ra êm dịu

Hạn chế: Thời gian tác động chậm do quán tính của các khối lượng quay nhất là với

ô tô có trang bị động cơ công suất lớn

Phục hồi công suất động cơ chậm khi chuyển từ đường trơn sang đường tốt

 Điều khiển ASR chỉ có tác động riêng của phanh

Ưu điểm: Tác động phanh của hệ thống ASR diễn ra nhanh hơn so với việc tác động vào động cơ thông qua bướm ga

Hạn chế: Hệ thống chỉ có thể thực hiện trong thời gian ngắn

Điều khiển không diễn ra êm dịu như điều khiển bằng moment động cơ

Áp lực phanh yêu cầu cho hệ thống cao, hệ thống phải có bình chứa áp lực cao không đáp ứng kết cấu gọn nhẹ, dễ lắp ráp, dễ sửa chữa và giá thành thấp

3.1.7 Nguyên tắc điều khiển ASR

Nguyên tắc kiểm soát lực kéo (ASR) có hai nguyên tắc cơ bản là:

 Một là giảm cung cấp nhiên liệu (nhằm giảm moment xoắn động cơ

Me  làm giảm moment kéo Fk truyền đến mặt đường tới một giá trị phù hợp

 Hai là kết hợp với hệ thống phanh ABS để sinh ra Fp ngược chiều Fk

 làm giảm moment kéo Fk truyền đến mặt đường tới một giá trị phù hợp

Nhờ đó, xe có thể khởi hành và tăng tốc một cách nhanh chóng và ổn định

1 Giảm momen xoắn động cơ bằng cách giảm ga động cơ

ASR ECU (thiết bị điều khiển ASR) điều khiển ga động cơ không phụ thuộc người lái xe nhấn pedal ga bao nhiêu Trong hệ thống có bộ phận ga điện tử thay thế cho sự kết nối cơ khí giữa pedal ga và cánh bướm ga động cơ xăng hoặc thanh răng bơm cao áp được gọi là EMS (điều khiển công suất động cơ bằng điện tử) Thiết bị EMS đã được lập trình trước và từ các tín hiệu của những cảm biến như nhiệt độ nước làm mát, số vòng quay động cơ, bướm ga sẽ được điều khiển đóng lại hay mở lớn tương ứng với vị trí pedal được nhấn bởi tài xế

Khi bánh xe chủ động bị trượt lăn thiết bị điều khiển ASR gứi tín hiệu đến một mô tô điều chỉnh, mô tơ điều chỉnh sẽ quay tác động làm xoay cánh bướm ga hoặc dịch chuyển thanh răng làm giảm lượng nhiên liệu cung cấp vào động cơ, do

đó giảm moment xoắn của động cơ Moment xoắn động cơ giảm kéo theo moment bánh xe chủ động giảm cho đến khi bánh xe chủ động không trượt lăn thì việc điều chỉnh được dừng lại Trong quá trình điều chỉnh vị trí của bướm ga hoặc thanh răng luôn báo về thiết bị EMS Việc cánh bướm ga đóng lại hoặc mở rộng theo tín hiệu điều khiển từ ASR ECU hoặc tín hiệu bàn đạp ga sẽ làm thay đổi công suất động cơ sao cho phù hợp điều kiện bám lớn nhất của lốp xe với mặt đường

Giảm momen xoắn động cơ bằng cách giảm ga và làm trể thời điểm đánh lửa

ASR ECU điều khiển cánh bướm ga bằng bộ điều khiển công suất động cơ bằng thiết bị điều khiển EMS và thêm vào một thiết bị điều khiển hệ thống đánh lửa phun xăng để giảm momen xoắn động cơ.Trong hệ thống này chỉ điều chỉnh công suất động cơ (không sử dụng phanh), góc đánh lửa được điều chỉnh theo hướng trể Khi sự trượt lăn của bánh xe gia tăng hoặc không giảm thì xung đánh lửa sẽ điều chỉnh giảm lưu lượng xăng cung cấp cho động cơ Khi sự trượt lăn của bánh xe giảm và ô tô chạy ổn định xung đánh lửa được điều chỉnh về vị trí cũ và sự cung cấp nhiên liệu cho động cơ ở các chế độ bình thường Vì vậy ô tô cải thiện đáng kể đặc tính kéo trở lại mức ban đầu

2 Giảm moment xoắn động cơ bằng cách giảm ga kết hợp phanh bánh xe

Sự tăng lên của moment xoắn động cơ qua việc thêm ga của người lái xe sẽ dẫn đến tăng moment kéo ở bánh xe chủ động Nếu moment này tăng thì tốc độ xe tăng nhưng nếu moment ở bánh xe chủ động tăng vượt quá moment bám cực đại của bánh xe với mặt đường thì ít nhất bánh xe chủ động bị trượt lăn Qua đó lực kéo sẽ giảm và xe có thể mất ổn định do lực ngang

Trong trường hợp này: ASR sẽ điều chỉnh sự trượt của bánh xe chủ động trong vùng có hệ số bám dọc φx và bám ngang φy lớn Như vậy hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy sẽ quyết định việc điều chỉnh công suất động cơ và moment phanh đáp ứng được tính năng ổn định chuyển động của ô tô Đây là đặc tính cơ bản kết hợp hệ thống ABS và ASR nhằm tăng được khả năng bám tốt nhất của bánh xe chủ động với mặt đường trong điều kiện tình trạng mặt đường luôn thay đổi, nhờ vậy ô

tô có khả năng điều khiển ổn định chuyển động

Nguyên tắc làm việc của hệ thống điều khiển ASR trong trường hợp này:

EMS thiết bị điều khiển công suất động cơ nhận tín hiệu từ bàn đạp ga và từ

ABS/ ASR ECU, trong đó ưu tiên đáp ứng tín hiệu từ ASR hơn khi điều khiển cánh bướm ga đóng lại hay mở ra

MOTRONIC: thiết bị điều khiển công suất động cơ nhận tín hiệu từ ASR để điều

chỉnh thời điểm đánh lửa và lưu lượng cung cấp nhiên liệu cho động cơ

ASR cung cấp áp lực cho ABS để điều khiển áp lực phanh Thiết bị điều khiển

ABS/ASR ECU nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe, vị trí cánh bướm ga và thiết bị điều khiển EMS, MOTRONIC Sau khi xử lý và tính toán ABS/ASR ECU xuất tín hiệu điều khiển đến EMS để điều chỉnh cánh bướm ga đóng bớt lại đồng thời MOTRONIC ECU cũng nhận tín hiệu để điều chỉnh thời điểm đánh lửa về hướng trể nhằm giảm moment xoắn động cơ, ABS/ASR ECU cũng ra lệnh cho ASR

và ABS hoạt động tạo ra áp lực phanh để phanh bánh xe nhằm điều chỉnh giá trị moment kéo tại bánh xe chủ động không vượt quá moment bám của các bánh xe này với mặt đường Moment bám phụ thuộc vào tải trọng, tình trạng mặt đường và lốp xe Do đó khi moment kéo tại bánh xe chủ động nhỏ hơn hoặc bằng moment bám thì sự trượt lăn của bánh xe chủ động không xảy ra và ô tô nhanh chóng ổn định chuyển động

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống ASR [6]

3.2 Lý thuyết điều khiển lực phanh

3.2.1 Khái niệm chung

Khi ô tô phanh với cường độ phanh cực đại thì các bánh xe đồng thời bị hãm cứng và bị trượt lết trên đường, ngoài ra trong trường hợp lực phanh giữa các bánh

xe bên trái và bên phải khác nhau khi đó sẽ tạo ra một moment làm xoay xe và ô tô

sẽ mất ổn định khi phanh

Chúng ta đã biết hệ số bám của bánh xe so với mặt đường là một hàm của độ trượt ngoài việc phụ thuộc vào loại đường, tình trạng mặt đường, hệ số bám còn phụ thuộc nhiều vào độ trượt của bánh xe tương đối với mặt đường trong quá trình phanh

Muốn điều hòa lực phanh có hiệu quả nhất thì lực phanh sinh ra ở các bánh

xe trước Fp1 và các bánh xe sau Fp2 phải thỏa mãn:

Moment phanh sinh ra ở các bánh xe trước Mp1 và Mp2 có thể xác định từ điều kiện bám theo biểu thức sau:

Mp1= φZ1 .r = 𝐺.𝑟.𝜑

𝐿 (𝑏 + 𝜑 ℎ𝑔)

Mp2= φZ2 .r = 𝐺.𝑟.𝜑

𝐿 (𝑎 − 𝜑 ℎ𝑔) Đối với ô tô chất đầy tải, ta có a, b, hg cố định Bằng cách thay đổi giá trị φ

Hình 3.4 Đồ thị chỉ quan hệ giữa moment phanh Mp1, Mp2 với hệ số bám φ [6]

Hình 3.5 Sự thay đổi hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y theo độ trượt tương

đối p của bánh xe khi phanh [6]

Trên đồ thị trình bày sự thay đổi hệ số bám dọc φ x và hệ số bám ngang φy

của bánh xe với mặt đường theo độ trượt tương đối giữa bánh xe với mặt đường Độ trượt đạt giá trị tối ưu khi giá trị hệ số bám dọc đạt tối đa Hệ số bám ngang giảm mạnh khi độ trượt càng tăng

Để tránh hiện tượng mất ổn định khi phanh như trên thì hệ thống phanh ABS được ra đời

3.2.2 Những yêu cầu đối với hệ thống phanh ABS

 Sự điều chỉnh phải thực hiện một các nhanh chóng ngay khi nhận được tín hiệu có một bánh xe có xu hướng bị trượt lết

 Trường hợp hư hỏng ở bộ điều chỉnh thì có thể chuyển qua chế độ an toàn

3.2.3 Phương pháp điều chỉnh và tạo tín hiệu

Việc lựa chọn các tín hiệu điều khiển thích hợp là nhân tố chính trong việc quyết định tính hiệu quả của quá trình điều khiển ABS Tất cả các xe hiện nay đều sử dụng các cảm biến tốc độ bánh xe để tạo ra tín hiệu điều khiển cơ bản nhất cho việc điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống ABS Sử dụng những tín hiệu này, hộp điều khiển (ECU) sẽ tính ra được tốc độ của mỗi bánh xe, sự giảm tốc và tăng tốc của nó, tính được tốc độ chuẩn của bánh xe, tốc độ xe và độ trượt khi phanh

Sự thay đổi gia tốc của bánh xe là một tín hiệu chính, đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình điều khiển của ABS ECU sẽ tính toán và xác định các giá

trị giới hạn của sự giảm tốc (- a) và tăng tốc (+a) cho phép có thể có của xe để

điều khiển các chế độ hoạt động của các van điện (solenoids) trong bộ chấp hành

Tốc độ chuẩn của bánh xe khi phanh (v Ref) là tốc độ tương ứng với tốc độ bánh xe dưới điều kiện phanh tối ưu (có độ trượt tối ưu) Để xác định tốc độ chuẩn này, các cảm biến tốc độ bánh xe liên tục gửi về ECU tín hiệu tốc độ của

cả 4 bánh xe ECU chọn những giá trị chéo tức bánh trước phải và sau trái chẳng hạn và dựa vào đây tính tốc độ chuẩn Một trong hai bánh xe quay nhanh hơn được dùng để xác định tốc độ chuẩn của bánh xe trong từng giai đoạn của quá trình phanh

Độ trượt khi phanh là giá trị không thể đo được một cách trực tiếp nên sử dụng một tín hiệu tương tự được tính toán trong ECU, gọi là ngưỡng trượt 1

(đây là một giá trị vận tốc) Tốc độ chuẩn của bánh xe được sử dụng làm cơ sở cho tín hiệu này Ngưỡng trượt 1 là một tín hiệu quan trọng thứ hai trong quá

trình điều khiển của hệ thống ABS Vận tốc thực tế của bánh xe khi phanh (v R)

được so sánh với ngưỡng trượt 1 để hệ thống ABS quyết định các chế độ điều khiển tăng, giữ hay giảm áp suất phanh trong bộ chấp hành

Đối với các bánh xe bị động hay các bánh xe chủ động mà khi phanh có cắt

ly hợp thì chỉ cần tín hiệu gia tốc của bánh xe là đủ để điều khiển cho quá trình hoạt động của ABS Điều này tuân theo quy tắc ứng xử trái ngược nhau của hệ thống phanh trong vùng ổn định và không ổn định của đường đặc tính trượt Trong vùng ổn định, sự giảm tốc của bánh xe rất nhỏ, tức là nếu lái xe đạp phanh với lực càng tăng thì xe giảm tốc càng nhiều mà bánh xe không bị hãm cứng Tuy nhiên ở vùng không ổn định, thì chỉ cần tăng áp suất phanh thêm một

ít cũng đủ làm cho các bánh xe bị hãm cứng tức thời, nghĩa là sự giảm tốc biến thiên rất nhanh Dựa trên sự biến thiên gia tốc này, ECU có thể xác định được mức độ hãm cứng của bánh xe và có điều khiển thích hợp để duy trì độ trượt khi phanh nằm trong khoảng tối ưu

Đối với các bánh xe chủ động mà khi phanh không cắt ly hợp và cần số đặt ở

vị trí số 1 hay số 2, động cơ sẽ tác động lên các bánh xe chủ động và tăng một cách đáng kể moment quán tính khối lượng ở các bánh xe Nói cách khác, các bánh xe sẽ ứng xử như thể là chúng nặng hơn rất nhiều Điều này dẫn đến gia tốc chậm dần bánh xe thường chưa đủ lớn để có thể coi như là một tín hiệu điều khiển đủ cho ECU có thể xác định được mức độ hãm cứng của bánh xe Như vậy, việc điều khiển của ABS sẽ thiếu sự chính xác Vì vậy, cần thiết phải dùng một tín hiệu tương tự với độ trượt phanh để làm tín hiệu điều khiển phụ, và cần kết hợp tương thích tín hiệu này với tín hiệu gia tốc của bánh xe Đó chính là ngưỡng trượt 1

Trên một số xe có gắn thêm cảm biến giảm tốc đo trực tiếp sự giảm tốc của

xe và cảm biến gia tốc ngang xác định tình trạng quay vòng của xe, các tín hiệu này được xem như các tín hiệu bổ sung cho tín hiệu gia tốc của bánh xe Mạch logic trong ECU tính toán và xử lý tổ hợp dữ liệu này để đạt được quá trình điều khiển phanh tối ưu

Chúng ta có định nghĩa như sau về độ trượt giữa các bánh xe

δ3,1=(V3-V1)/V3: Bánh xe sau bên trái so với bánh trước bên trái

δ4,2=(V4-V2)/V4 : Bánh xe sau bên phải so với bánh trước bên phải

δ3,2=(V3-V2)/V3: Bánh xe sau bên trái so với bánh trước bên phải

δ4,1=(V4-V1)/V4 : Bánh xe sau bên phải so với bánh trước bên trái

Để thực hiện việc điều khiển được chính xác, các cảm biến tốc độ bánh xe luôn theo dõi tốc độ quay của bánh xe và gửi tín hiệu về bộ điều khiển Tại đây bộ điều khiển sẽ tính toán tốc độ dài, thực hiện so sánh tốc độ các bánh xe chủ động với các bánh xe bị động theo các phương thức: so sánh đường chéo, so sánh cùng bên sau

đó tính ra độ trượt của bánh xe chủ động và ra quyết định điều khiển tới bộ chấp hành để đưa độ trượt về giá trị tối ưu

3.2.4 Nguyên tắc điều khiển phanh ABS

Phanh ABS làm việc theo nguyên tắc tự động điều chỉnh lực phanh ở các bánh

xe như thế nào đó để độ trượt tại các bánh xe duy trì trong khoảng δp= (0.2-0.3) để

φx max còn φy đủ lớn, duy trì được sự ổn định khi phanh

Cơ cấu ABS hoạt động chống hãm cứng bánh xe khi phanh bằng cách điều khiển thay đổi áp suất dầu tác dụng lên các xy lanh bánh xe đề ngăn cho nó không

bị hãm cứng trên đường trơn hay khi phanh gấp, đảm bảo tính hiệu quả và tính ổn định của ô tô trong quá trình phanh

Hệ số bám và lực bám có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn chuyển động của ô tô, nó liên quan chặt chẽ đến tính chất động lực học của ô tô

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống phanh ABS [6]

Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe hiện nay thường sử dụng nguyên lý điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh Hoạt động của hệ thống phanh chống hãm cứng theo nguyên lý này như sau:

Trên hình (3.7) trình bày đồ thị chỉ sự thay đổi một số thông số của hệ thống phanh và chuyển động của bánh xe khi có trang bị hệ thống ABS

Khi tác động lên bàn đạp phanh thì áp suất dẫn động tăng lên, nghĩa là moment phanh Mp tăng lên làm tăng giá trị của 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 vẽ a,b,c Giai đoạn này được gọi là pha I (pha bắt đầu phanh hay là pha tăng áp suất trong dẫn động phanh)

Bộ điều khiển của hệ thống ABS lúc này sẽ ghi lại gia tốc tại thời điểm 1 đạt giá trị tới hạn ( đoạn C1 trên hình c) và ra lệnh cho bộ chấp hành thủy lực phải giảm

áp suất trong dẫn động phanh Sự giảm áp suất được bắt đầu với độ chậm trễ nhất định do đặc tính của hệ thống Quá trình diễn tiến từ điểm 1 đến điểm 2 được 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 tiến dần đến giá trị 0 Giá trị gia tốc lúc này tương ứng với đoạn C2 trên hình c 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 trong chuyển động tương đối và vận tốc của bánh xe tiến gần đến vận tốc ô tô, nghĩa là độ trượt sẽ giảm và như vậy hệ số bám dọc tăng lên (đoạn 2-3) Giai đoạn này gọi là pha III (pha giữ áp suất ổn định)

Hình 3.7 Sự thay đổi các thông số moment phanh Mp, áp suất dẫn động phanh p và

gia tốc a của bánh xe khi phanh có ABS [6]

Bởi vì moment trong thời gian này được giữ cố định cho nên gia tốc chậm

hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại Gia tốc chậm dần cực đại này được chọn làm thời điểm phát lệnh và tương ứng với đoạn C3 trên hình c Lúc này bộ điều khiển ghi lại giá trị 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 1 của chu kỳ làm việc tiếp theo của hệ thống ABS Từ lập luận trên ta thấy hệ thống ABS điều khiển moment phanh thay đổi theo chu kỳ làm việc khép kín 1-2-3-1 (hình a), lúc đó bánh xe làm việc

ở vùng có hệ số bám dọc cực đại φxmax và hệ số bám ngang φy cũng có giá trị cao

Trên hình 3.8 trình bày đồ thị sự thay đổi tốc độ góc ωb của bánh xe, tốc độ ô

tô v và độ trượt bánh xe theo thời gian khi phanh trên xe có trang bị hệ thống ABS

Hình 3.8 Sự thay đổi tốc độ góc ωb của bánh xe, tốc độ ô tô v và độ trượt λ theo

thời gian t khi phanh có hệ thống chống hãm cứng bánh xe [6]