TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, sự phát triển của xã hội kéo theo sự gia tăng nhanh chóng của ô tô, biến chúng thành phương tiện vận chuyển quan trọng cho hành khách và hàng hóa, đặc biệt ở các nước phát triển Tại Việt Nam, số lượng ô tô tư nhân cũng đang gia tăng cùng với sự phát triển kinh tế, dẫn đến mật độ xe trên đường ngày càng cao Tuy nhiên, khi mật độ giao thông và tốc độ trung bình của ô tô tăng, nguy cơ tai nạn giao thông cũng gia tăng, làm cho các biện pháp đảm bảo an toàn giao thông trở nên vô cùng quan trọng.
Hệ thống phanh đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho ô tô và người tham gia giao thông Nó giúp giảm tốc độ, dừng xe hoặc giữ xe ở một vị trí cố định Tuy nhiên, trong các tình huống khẩn cấp hoặc khi mặt đường trơn trượt, bánh xe có thể bị hãm cứng, dẫn đến hiện tượng trượt lết, làm tăng quãng đường phanh và mất khả năng điều khiển Hiện tượng này có thể gây ra xoay thân xe và lật đổ xe Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã phát triển hệ thống phanh chống hãm cứng ABS, giúp cải thiện tính ổn định và an toàn khi phanh.
Hệ thống ABS (Anti-lock Braking System) là công nghệ điều khiển tự động, giúp cải thiện tính ổn định và an toàn khi ô tô di chuyển, từ đó giảm thiểu nguy cơ tai nạn giao thông Do đó, việc nghiên cứu và tìm hiểu về sự ổn định hướng chuyển động của ô tô trang bị ABS khi phanh là vấn đề vô cùng quan trọng.
Xuất phát từ lý do đó, chúng em đã chọn đề tài “Phanh chống hãm cứng ABS và vấn đề ổn định hướng khi phanh”
So sánh sự ổn định của xe khi phanh với bánh xe bị hãm cứng và không bị hãm cứng cho thấy phanh ABS mang lại sự ổn định tốt hơn so với phanh truyền thống Điều này chứng minh tầm quan trọng của hệ thống phanh ABS, lý do chính khiến chúng được lắp đặt trên hầu hết các loại ô tô hiện nay.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng của đồ án là những xe ô tô con bốn bánh phổ biến ngày nay, và các yếu tố tác động phổ biến nhất
Nghiên cứu này tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định phanh, bao gồm sự bám, sự trượt và phân tích sự mất ổn định ở hai loại phanh Tuy nhiên, bài viết không đi sâu vào quá trình phát triển của hệ thống ABS, cấu tạo chi tiết, các kiểu loại của chúng, hay phương pháp sửa chữa hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu tài liệu được thực hiện thông qua việc phân tích các tài liệu liên quan đến khái niệm ổn định phanh và tính ổn định của xe khi phanh Quá trình này bao gồm việc thu thập thông tin từ sách, luận văn thạc sĩ, nguồn Internet, cũng như các tiêu chuẩn đánh giá ổn định phanh.
- Phương pháp phân tích triển khai và giải phương trình
Tình hình nghiên cứu về hệ thống phanh ABS đã có những bước phát triển đáng kể từ khi ra đời, với ứng dụng ngày càng rộng rãi trên toàn cầu Các nhà sản xuất ô tô ngày càng chú trọng đến an toàn phương tiện, và hệ thống phanh ABS được công nhận là một yếu tố quan trọng giúp nâng cao độ an toàn cho xe Hàng năm, nhiều báo cáo nghiên cứu được công bố, khẳng định vai trò của hệ thống này trong việc bảo vệ người lái và hành khách.
3 viết về đề tài ABS phần nhiều trong số đó là nghiên cứu về phương pháp điều khiển và viết chung chung về động lực học phanh và lái
Tình hình nghiên cứu về hệ thống phanh ABS trong nước hiện nay cho thấy có nhiều đề tài được thực hiện, chủ yếu tập trung vào việc khai thác hiệu quả của ABS trên các loại xe cụ thể Các nghiên cứu này bao gồm thiết kế hệ thống phanh ABS, phương pháp điều khiển và sửa chữa hệ thống, bên cạnh việc đề cập đến vấn đề ổn định khi phanh Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu liên quan đến những khía cạnh này vẫn còn hạn chế.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng của đồ án là những xe ô tô con bốn bánh phổ biến ngày nay, và các yếu tố tác động phổ biến nhất
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định phanh, bao gồm sự bám, sự trượt và phân tích sự mất ổn định ở hai loại phanh Nghiên cứu không đi sâu vào quá trình phát triển, cấu tạo chi tiết, các kiểu của hệ thống ABS hay cách sửa chữa hệ thống này.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu liên quan đến khái niệm ổn định phanh và tính ổn định của xe khi phanh được thực hiện thông qua việc thu thập thông tin từ sách, luận văn thạc sĩ, Internet và các tiêu chuẩn đánh giá ổn định phanh.
- Phương pháp phân tích triển khai và giải phương trình
Tình hình nghiên cứu
Tình hình nghiên cứu về hệ thống phanh ABS trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc từ khi ra đời, với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi Các nhà sản xuất ô tô toàn cầu đang ngày càng chú trọng đến vấn đề an toàn phương tiện, và hệ thống phanh ABS được công nhận là một giải pháp hiệu quả giúp nâng cao độ an toàn Hàng năm, nhiều báo cáo và nghiên cứu mới về hệ thống này được công bố, khẳng định tầm quan trọng của nó trong ngành công nghiệp ô tô.
3 viết về đề tài ABS phần nhiều trong số đó là nghiên cứu về phương pháp điều khiển và viết chung chung về động lực học phanh và lái
Tình hình nghiên cứu về hệ thống phanh ABS trong nước hiện nay cho thấy có nhiều đề tài được thực hiện, chủ yếu tập trung vào việc khai thác hệ thống phanh ABS trên các loại xe cụ thể, thiết kế và cải tiến hệ thống phanh ABS, cũng như phát triển các phương pháp điều khiển và sửa chữa hệ thống này Mặc dù có đề cập đến vấn đề ổn định khi phanh, nhưng số lượng nghiên cứu liên quan đến khía cạnh này vẫn còn hạn chế.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA PHANH ABS
Nguyên lý chung của phanh ABS
Để đảm bảo xe không bị trượt khi phanh, lực phanh cần phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc của xe, tức là F p ≤ F φx Để nâng cao hiệu quả và ổn định khi phanh, hệ thống phanh cần tạo ra lực phanh tối ưu F p = φ x G b = F φx, với hệ số bám dọc φ x đạt giá trị tối ưu.
Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại φ xmax tại độ trượt tối ưu δ p0, theo quan sát hình 2.5 Thực nghiệm cho thấy φ xmax thường tương ứng với δ p trong khoảng 10-30% Ở độ trượt tối ưu δ p0, không chỉ hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại mà hệ số bám ngang φ y cũng có giá trị cao.
Để đạt được hiệu quả phanh tối ưu, cần giữ cho quá trình phanh diễn ra ở vùng độ trượt tối ưu của bánh xe, tức là δ p0, từ đó đạt được lực phanh cực đại F pmax = φ xmax G b Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả phanh mà còn đảm bảo tính ổn định hướng và tính dẫn hướng tốt nhờ vào hệ số bám ngang φ y cao Để thực hiện điều này, ô tô hiện đại thường được trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe (ABS), có nhiệm vụ duy trì độ trượt của bánh xe trong giới hạn hẹp quanh giá trị δ p0 Nhờ vào việc điều chỉnh áp suất môi chất dẫn đến cơ cấu phanh, ABS giúp giữ cho bánh xe hoạt động hiệu quả mà không gây ra hiện tượng hãm cứng, từ đó đảm bảo chất lượng phanh tốt nhất.
- Theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh
- Theo giá trị độ trượt cho trước
- Theo giá trị của tỷ số vận tốc góc của bánh xe với gia tốc chậm dần của nó
Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe khi phanh gồm các phần tử chính sau:
Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc phát tín hiệu về tình trạng của bánh xe khi phanh, giúp theo dõi hiệu suất phanh Tùy thuộc vào nguyên lý điều chỉnh, có thể sử dụng các loại cảm biến như cảm biến vận tốc góc, cảm biến áp suất trong hệ thống phanh, cảm biến gia tốc của xe, và nhiều loại cảm biến khác để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình phanh.
- Bộ điều khiển để xử lý các thông tin và phát các lệnh nhả phanh hoặc phanh bánh xe (các bộ điều khiển này thường là loại điện tử)
Bộ thực hiện là thiết bị chuyển đổi các lệnh từ bộ điều khiển thành hành động cụ thể, có thể hoạt động bằng thủy lực, khí nén hoặc kết hợp cả hai loại.
Hệ thống chống hãm cứng bánh xe hiện đại thường áp dụng nguyên lý điều chỉnh áp suất phanh dựa trên gia tốc góc chậm dần của bánh xe, với cảm biến vận tốc góc được lắp đặt để theo dõi biến thiên vận tốc theo thời gian, từ đó tính toán gia tốc góc.
Trên hình 3.2 trình bày sơ đồ của ABS với bộ điều khiển điện tử - thủy lực
Hình 3.2 Sơ đồ của ABS với bộ điều khiển điện tử - thủy lực
1- cảm biến ; 2- bộ điều khiển ; 3- bộ thực hiện ; 4- nguồn năng lượng ; 5- xi lanh chính ; 6- xi lanh bánh xe ; 7- bàn đạp phanh
Cảm biến 1 nhạy cảm với thông số đã chọn, như vận tốc góc của bánh xe, và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển 2 Bộ điều khiển 2 xử lý tín hiệu từ cảm biến 1 và gửi lệnh đến bộ thực hiện 3 để điều chỉnh áp suất trong hệ thống phanh Chất lỏng phanh được chuyển từ xi lanh chính 5 qua bộ thực hiện 3 đến các xi lanh bánh xe 6, giúp ép guốc phanh và thực hiện quá trình phanh Nguồn năng lượng 4 cung cấp năng lượng cho bộ thực hiện 3, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống phanh.
Hệ thống chống hãm cứng bánh xe hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh theo gia tốc chậm dần, giúp cải thiện hiệu suất phanh Nguyên lý này mang lại hiệu quả tối ưu trên các đoạn đường bằng phẳng và đồng nhất, đảm bảo khả năng bám đường tốt cho đa số tình huống lái xe.
Có 23 trường hợp sử dụng ô tô trên đường, trong đó tín hiệu từ các bộ phận ABS thường được phát ra bởi các cảm biến vận tốc góc được lắp đặt ở các bánh xe.
Hình 3.3 Sơ đồ cân bằng lực và mô men trên bánh xe
Phương trình chuyển động của bánh xe được phanh có dạng như sau:
J bx ε bx = M P − X r b = M P − M φ (3.1) Trong đó: J bx – Mô men quán tính của bánh xe (𝑘𝑔 𝑚 2 ); ε bx – Gia tốc góc của bánh xe (𝑟𝑎𝑑/𝑠 2 );
X – Phản lực tiếp tuyến giữa bánh xe và mặt đường (N); r b – Bán kính động học của bánh xe (m);
M P – Mô men phanh tạo ra bởi cơ cấu phanh (N.m);
M φ – Mô men phanh theo khả năng bám của bánh xe với mặt đường
Sử dụng phương trình (3.1), chúng ta có thể xây dựng đồ thị thể hiện quá trình làm việc của hệ thống ABS dưới tác động của gia tốc chậm dần Gia tốc chậm dần của bánh xe, ký hiệu là ε bx, được xác định từ biểu thức (3.1) với công thức: ε bx = M P − M φ.
Trên hình (3.4) trình bày đồ thị chỉ sự thay đổi một số thông số của bánh xe khi phanh có ABS
Hình 3.4 Sự thay đổi các thông số Mp, p và 𝜀 khi phanh có hệ thống chống hãm cứng bánh xe
Khi tác động lên bàn đạp phanh, áp suất trong hệ thống phanh tăng lên, dẫn đến mô men phanh M p gia tăng, làm tăng gia tốc chậm dần và độ trượt của bánh xe Đường cong M φ = f(δ) có hình dạng tương tự như đường cong φ x nhưng khác nhau ở tỷ lệ xích, với công thức M φ = X r b = G b φ x r b (G b là tải trọng thẳng đứng tác động lên bánh xe) Trong giai đoạn đầu, từ điểm 0 trở đi, M p > M φ Sau khi vượt qua điểm cực đại trên đường cong φ x = f(δ), gia tốc chậm dần của bánh xe tăng đột ngột do φ x giảm và M p − M φ gia tăng, cho thấy bánh xe có xu hướng bị hàm cứng Giai đoạn này ứng với đường cong 0 – 1 trong hình 3.4 a, b, c, được gọi là pha I (pha bắt đầu phanh hay pha tăng áp suất trong dẫn động phanh) Bộ điều khiển ABS ghi nhận gia tốc tại điểm 1 đạt giá trị tới hạn.
C1 trên hình 3.4c) yêu cầu bộ thực hiện giảm áp suất trong dẫn động Sự giảm áp suất bắt đầu với một độ trễ nhất định do quán tính của ABS Quá trình từ điểm 1 đến điểm 2 được gọi là pha II, hay pha giảm sự phanh, trong đó gia tốc của bánh xe giảm dần và tại điểm 2, gia tốc tiến gần giá trị không.
Giá trị gia tốc tương ứng với đoạn C2 trong hình 3.4c, sau khi ghi lại, bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho bộ thực hiện giữ áp suất ổn định trong dẫn động Khi đó, bánh xe sẽ tăng tốc trong chuyển động tương đối, vận tốc của bánh xe tiến gần tới vận tốc của ô tô, dẫn đến độ trượt giảm và hệ số bám dọc φx tăng lên (đoạn 2 – 3) Giai đoạn này được gọi là pha III, hay pha giữ áp suất ổn định.
Trong quá trình phanh, mô men phanh được giữ cố định, dẫn đến gia tốc chậm dần cực đại của bánh xe trong chuyển động tương đối đạt giá trị cực đại khi hệ số bám dọc φ x đạt đỉnh Gia tốc này được chọn làm thời điểm phát lệnh, tương ứng với đoạn C 3 trên hình 3.4c Tại thời điểm này, bộ điều khiển ghi lại giá trị gia tốc và ra lệnh tăng áp suất trong dẫn động phanh Sau điểm 3, pha I của chu kỳ làm việc mới của hệ thống ABS bắt đầu Điều này cho thấy hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh điều khiển mô men phanh thay đổi theo chu kỳ khép kín 1-2-3.
1 (hình 3.4a), lúc ấy bánh xe làm việc ở gần hệ số bám dọc cực đại φ xmax và hệ số bám
Bánh xe tiến tới có thể bị hãm cứng khi hệ thống phanh không có ABS hoặc khi ABS bị hỏng, dẫn đến những thông số diễn biến theo đường đứt nét như thể hiện trong hình 3.4a Điều này cho thấy giá trị cao của 26 ngang φ y trong các tình huống này.
Hình 3.5 Sơ đồ làm việc của chu kỳ hai pha (a) và chu kỳ ba pha (b)
Các phương pháp điều khiển của ABS
3.3.1 Điều khiển theo ngưỡng trượt: Điều khiển theo ngưỡng trượt thấp (slow mode): Ví dụ các bánh xe trái và phải chạy trên các phần đường có hệ số bám khác nhau ECU chọn thời điểm bắt đầu bị hãm cứng của bánh xe có khả năng bám thấp, để điều khiển áp suất phanh chung cho cả cầu xe Lúc này, lực phanh ở các bánh xe là bằng nhau, bằng chính giá trị lực phanh cực đại của bánh xe có hệ số bám thấp Đối với bánh xe bên phần đường có hệ số bám cao vẫn còn nằm trong vùng ổn dịnh của đường đặc tính trưot và lực phanh chưa đạt cực đại Vì vậy, cách này cho tính ổn định cao, nhưng hiệu quả phanh thấp vì lực phanh nhỏ Điều khiển theo ngưỡng trượt cao (high mode): ECU chọn thời điểm bánh xe có khả năng bám cao bị hãm cứng để điều khiển chung cho cả cầu xe Trước đó, bánh xe ở phần đường có hệ số bám thấp đã bị hãm cứng khi phanh Cách này cho hiệu quả phanh cao vì tận dụng hết khả năng bám của các bánh xe, nhưng tính ổn định kém
3.3.2 Điều khiển độc lập hay phụ thuộc:
Trong loại điều khiển độc lập, bánh xe nào đạt tới ngưỡng trượt, tức bắt đầu có xu hướng bị hãm cứng thì điều khiển riêng bánh đó
Trong hệ thống điều khiển phụ thuộc, ABS điều chỉnh áp suất phanh cho hai bánh xe trên một cầu hoặc toàn bộ xe dựa trên một tín hiệu chung, có thể hoạt động theo ngưỡng trượt thấp hoặc cao.
Loại 1 kênh: Hai bánh sau được điều khiển chung (có ở ABS thế hệ đầu, chỉ trang bị ABS cho hai bánh sau vì dễ bị hãm cứng hơn hai bánh trước khi phanh)
Loại 2 kênh: Một kênh điều khiển chung cho hai bánh xe trước, một kênh điểu khiển chung cho hai bánh xe sau Hoặc một kênh điều khiển cho hai bánh chéo nhau
Loại 3 kênh: Hai kênh điều khiển độc lập cho hai bánh trước, kênh còn lại điều khiển chung cho hai bánh sau
Loại 4 kênh: Bốn kênh điều khiển riêng rẽ cho 4 bánh
VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH KHI PHANH
Đối với phanh hãm cứng
4.1.1 Khái niệm ổn định khi phanh, các nguyên nhân gây mất ổn định và chỉ tiêu đánh giá ổn định phanh
Trong quá trình phanh ô tô, trục dọc có thể nghiêng một góc 𝛾 so với quỹ đạo chuyển động Sự nghiêng này, nếu vượt quá mức quy định, sẽ ảnh hưởng đến tính năng an toàn khi di chuyển Do đó, tính ổn định của ô tô khi phanh được xác định bởi khả năng giữ quỹ đạo chuyển động theo ý muốn của người lái.
Có nhiều nguyên nhân khiến ô tô mất ổn định trong quá trình phanh, có thể chia làm hai nhóm nguyên nhân chính
Khi lực ngang tác động lên thân xe, đặc biệt khi bánh xe bị hãm cứng, xe sẽ bị trượt ngang và mất ổn định Lực ngang thường xuất hiện do các yếu tố bên ngoài như lực quán tính ly tâm, lực nghiêng của mặt đường và lực gió ngang Những yếu tố này cần được xác định chính xác để đảm bảo an toàn khi điều khiển xe.
Lực quán tính ly tâm Fjly xuất hiện khi xe phanh trên đường cong, và giá trị của nó tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc của xe, đồng thời tỷ lệ nghịch với bán kính cong của đường.
𝑔𝑅 (4.1) với: v – Vận tốc của xe (m/s)
G – Trọng lượng của toàn bộ ô tô (N) g – Gia tốc trọng trường (m/s 2 )
Lực gió ngang có thể làm chệch hướng xe khỏi làn đường, đặc biệt ở tốc độ cao, khi những luồng gió mạnh đột ngột xuất hiện trên các con đường thông thoáng Những ảnh hưởng này đặc biệt rõ rệt trên các xe nhạy cảm với gió tạt và cần được xem xét trong giai đoạn thiết kế Lực gió được phân bổ trên toàn bộ thân xe và có thể coi là một lực duy nhất, với vị trí tác động phụ thuộc vào hình dạng thân xe và góc tác động Để đơn giản hóa, chúng ta xem như lực gió ngang tác động tại trọng tâm xe.
- Do lực nghiêng ngang của mặt đường: Nếu mặt đường nghiêng ngang một góc 𝛽 thì ta có:
G – Trọng lượng của toàn bộ ô tô (N)
Sự chênh lệch lực phanh giữa bánh trái và bánh phải tạo ra momen xoay cầu Mq, dẫn đến việc xoay chuyển thân xe Nhiều yếu tố có thể gây ra sự chênh lệch này.
- Lực bám bám không đều ở các bánh xe do độ mòn lốp, áp suất lốp khác nhau, xe chạy trên đường có hệ số bám khác nhau
Do sự mòn khác nhau của các vật liệu phanh như má phanh và guốc phanh, có thể xảy ra tình trạng má phanh bị dính dầu, khe hở giữa má phanh và đĩa phanh không đạt tiêu chuẩn, cũng như tắc nghẽn trong ống dẫn dầu.
- Do hỏng hóc trong hệ thống phanh gây nên thời gian tác dụng chậm tác dụng của các cơ cấu phanh ở mỗi bánh xe khác nhau
- Phân bố tải trọng khác nhau trên các bánh xe trái phải khác nhau
➢ Các chỉ tiêu đánh giá ổn định phanh Để đánh giá ổn định hướng của ô tô khi phanh, người ta sử dụng một trong các chỉ tiêu sau:
Góc lệch thân xe 𝛾 là góc xoay của trục đối xứng dọc của xe, được xác định vào thời điểm cuối cùng của quá trình phanh so với hướng chuyển động ban đầu.
Hành lang phanh Bh là bề rộng tối đa mà ôtô phải giữ trong suốt quá trình phanh, không được phép vượt ra ngoài ở cuối quá trình này Đoạn AN thể hiện độ lệch của ô tô khi thực hiện phanh (hình 4.1).
34 y – Độ lệch của trọng tâm ô tô ở cuối quá trình phanh (m) l – Khoảng cách từ trọng tâm xe đến mép ngang ngoài cùng phía trước của xe (m) B’ – Chiều rộng toàn bộ (m)
A – Điểm xa nhất của ô tô cuối quá trình phanh
Hình 4.1 Sơ đồ xác định độ lệch của ô tô
35 Để ô tô không vượt khỏi hành lang cho phép Bh ở cuối quá trình phanh phải thảo mãn
Sai lệch lực phanh trên cùng một trục KSL, hay còn gọi là hệ số không đồng đều lực phanh, là một chỉ số quan trọng được đánh giá riêng cho từng trục của ôtô Hệ số này được xác định thông qua các phép đo cụ thể nhằm đảm bảo hiệu suất phanh đồng đều và an toàn cho phương tiện.
Fpmax – Lực phanh lớn nhất trên trục ở một phía nào đó được đo (N)
Fpmin – Lực phanh nhỏ nhất trên trục ở một phía nào đó được đo (N)
Các chỉ tiêu được đo lường trong các điều kiện và giá trị cho phép theo quy định của "Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường đối với ô tô".
4.1.2 Ổn định của ô tô khi phanh nếu các bánh xe bị hãm cứng
Khi bánh xe bị hãm cứng, lực bám giảm cả theo chiều dọc và ngang, làm giảm khả năng duy trì sự ổn định và kiểm soát hướng của xe Những tác động bất thường từ mặt đường có thể khiến xe chệch hướng Chuyển động tiếp theo của xe sẽ quay quanh trục thẳng đứng, phụ thuộc vào bánh nào bị khóa, tốc độ xe, hệ số bám, mômen quán tính và kích thước của xe Phân tích hai trường hợp hãm cứng ở bánh trước và sau sẽ cung cấp cái nhìn hữu ích về vấn đề ổn định của xe.
4.1.2.1 Các bánh xe ở cầu sau bị hãm cứng khi phanh
Trong phần này, chúng ta sẽ áp dụng mô hình bánh xe hai vết, trong đó bánh xe phía trước tượng trưng cho bánh xe cầu trước và bánh xe phía sau đại diện cho bánh xe cầu sau Giả thiết rằng khi phanh, lực ngang Y tác động tại trọng tâm của xe từ bên phải theo hướng nhìn của người lái.
36 δ 1 , δ 2 – Góc lệch hướng bánh trước, bánh sau ( 0 )
Y – Lực ngang tác dụng lên thân xe (N)
Lực phanh tại các bánh xe cầu trước (Fp1) và cầu sau (Fp2) được đo bằng Newton (N) Hướng chuyển động của bánh xe cầu trước và cầu sau khi bị hãm cứng lần lượt là v1 và v2, trong khi v đại diện cho hướng chuyển động của xe trước khi thực hiện phanh.
Y1, Y2 – Phản lực ngang ở bánh xe cầu trước và cầu sau
Khi phanh, nếu bánh xe cầu sau bị hãm cứng, phản lực ngang Y2 sẽ bằng 0, dẫn đến hiện tượng trượt ngang Mặc dù xe đang di chuyển về phía trước, bánh xe cầu sau sẽ trượt theo hướng v2 Hướng chuyển động của bánh xe cầu sau bị hãm cứng v2 tạo với hướng chuyển động ban đầu v một góc lệch δ2 rất lớn.
Khi các bánh xe cầu trước chưa bị hãm cứng, lực bám ngang vẫn tồn tại, dẫn đến phản lực ngang Y1 khác không Điều này khiến bánh xe trượt ngang một cách tương đối nhỏ, cho phép bánh xe tiếp tục di chuyển.
Hình 4.2 Các bánh xe cầu sau bị hãm cứng
Hướng chuyển động của xe khi bánh xe cầu sau bị hãm cứng
37 chuyển theo hướng v1, hướng này tạo với hướng chuyển động của bánh xe lúc bắt đầu phanh một góc δ 1 tương đối nhỏ
Đối với phanh ABS
Hệ thống phanh ABS giúp khắc phục hiện tượng bánh xe bị trượt ngang khi có lực tác động, tuy nhiên, phản lực ngang Y vẫn ở mức cao Vấn đề xoay cầu do lực chênh lệch giữa các bánh phanh trái phải vẫn tồn tại, vì ABS điều khiển lực phanh độc lập cho từng bánh Mặc dù góc lệch vẫn có, nhưng khác với trường hợp không có ABS, lực ngang Y vẫn khá lớn và không thể bỏ qua.
Trong trường hợp có hệ thống ABS, góc lệch được ký hiệu là γ′, khác với góc lệch 𝛾 trong trường hợp không có ABS Giả thiết rằng tổng lực phanh bên phải lớn hơn tổng lực phanh bên trái.
Tương tự, ta vẫn có tống lực phanh ở các bánh xe bên phải và bên trái lần lượt là:
Momen Mq do sự chênh lệch lực phanh gây ra là:
Khi có ma sát giữa bánh xe và mặt đường, momen quay vòng Mq sẽ tạo ra phản lực ngang Ry1 ở các bánh xe cầu trước và phản lực ngang Ry2 ở các bánh xe cầu sau.
Phương trình chuyển động của ô tô đối với trọng tâm T được viết dưới dạng:
Lấy tích phân phương trình (4.20) ta được:
Theo điều kiện ban đầu, khi t = 0 thì 𝛾′ = 0 nên 𝛾′̇ = 0, thay vào phương trình (4.21) ta được
Lấy tích phân phương trình (4.23) ta được:
Khi t=0, thì 𝛾′=0, thay vào phương trình (4.23) ta có C2=0, từ đó rút ra được biểu thức cuối cùng để xác định góc lệch 𝛾′ do momen Mq gây ra:
Theo yêu cầu của nhà máy chế tạo ô tô, lực phanh ở các bánh xe trên cùng một cầu phải đồng đều để đảm bảo tính ổn định khi phanh Độ chênh lệch tối đa giữa các lực phanh trên cùng một cầu không được vượt quá 15% so với giá trị lực phanh cực đại của các bánh xe trên cầu đó.
Giả sử rằng các bánh xe bên phải chịu lực phanh lớn nhất Fp.pmax do điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường, trong khi lực phanh tối thiểu của các bánh xe bên trái được cho phép là:
Lúc đó momen quay vòng cực đại Mqmax được xác định như sau:
Thế giá trị momen Mqmax từ biểu thức (4.26) vào biểu thức (4.25), ta tìm được góc lệch cực đại 𝛾′ 𝑚𝑎𝑥 :
Thành phần F’pmax được hiểu là lực phanh cực đại ở một phía, có thể phía bên phải hoặc phía bên trái theo điều kiện bám
𝑅 𝑦2 = 𝑍 2 𝜑 𝑦 (4.31) Thế các giá trị F’max, Ry1, Ry2 vào biểu thức (4.28) ta được:
So sánh giá trị góc xoay lớn nhất giữa phanh có ABS và không có ABS ta thấy:
Kết luận chương 4
Từ những phân tích trên, chúng ta có thể rút ra kết luận về ổn định khi phanh như sau: Đối với phanh thông thường, việc tăng lực phanh sẽ dẫn đến gia tăng độ trượt và có nguy cơ làm bánh xe bị bó cứng, gây mất phản lực ngang, từ đó làm thân xe xoay và trượt ngang, dẫn đến mất ổn định Ngược lại, phanh ABS với hệ thống điều khiển giúp duy trì hệ số ma sát, cải thiện khả năng kiểm soát và giữ ổn định cho xe trong quá trình phanh.
Giá trị tối ưu của lực bám dọc ở mức 47 cho thấy độ bám ngang vẫn giữ ở mức cao, giúp phản lực ngang duy trì sự cân bằng cho ô tô Điều này đảm bảo rằng ô tô vẫn ổn định khi thực hiện phanh.
Khi cầu xe bị xoay do sự chênh lệch mô men giữa hai bên, ta có thể xác định góc xoay tối đa của thân xe với và không có hệ thống ABS, lần lượt là 𝛾′ 𝑚𝑎𝑥 và 𝛾 𝑚𝑎𝑥.
Như vậy, hệ thống phanh ABS ổn định hướng tốt hơn so với phanh thường khi phanh
HỆ THỐNG PHANH CHỐNG HÃM CỨNG ABS TRÊN XE TOYOTA
Thông số kỹ thuật của xe Toyota Yaris G 1.3 AT 2015
Bảng 5.1 Thông số kích thước của xe:
Chiều dài cơ sở 2550mm
Chiều rộng cơ sở (trước/sau) 1475mm/1460mm
Khoảng sáng gầm xe 149mm
Bán kính quay vòng tối thiểu 5,1m
Trọng lượng không tải 1050kg
Trọng lượng toàn tải 1500kg
Bảng 5.2 Thông số động cơ của xe:
Kiểu động cơ 1NZ-FE, 4 xy lanh thẳng hàng, VTT-i
Dung tích công tác 1299cc
Công suất tối đa 84 mã lực tại 6000 vòng/phút
Mô men xoắn tối đa 121 Nm tại 4400 vòng/phút
Hộp số Tự động 4 cấp
Kiểu dẫn động Dẫn động cầu trước FF
Hệ thống treo trước Độc lập kiểu Macpherson
Hệ thống treo sau Bán phụ thuộc kiểu thanh xoắn
Hệ thống phanh trước/sau Đĩa thông gió/Đĩa đặc
Hệ thống lái Trợ lực điện
Bảng 5.3 Thông số an toàn của xe:
Dây đai an toàn Dây đai an toàn 3 điểm
Số lượng túi khí 2 (2 trước)
Giới hạn tốc độ Không có
Hệ thống phanh chống hãm cứng ABS Có
Hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD Có
Hệ thống hỗ trợ phanh gấp BA Có
Hệ thống phanh chống hãm cứng ABS trên xe Toyota Yaris G 1.3 AT 2015
5.2.1 Cấu tạo của hệ thống phanh chống hãm cứng ABS
Hệ thống phanh chống hãm cứng ABS trên Toyota Yaris 2015 được xây dựng dựa trên cấu trúc của hệ thống phanh thông thường, bao gồm các bộ phận chính như xy lanh chính, trợ lực phanh, và các van điều hòa lực phanh Để thực hiện chức năng chống hãm cứng khi phanh, hệ thống ABS còn được trang bị thêm các bộ phận như cảm biến tốc độ bánh xe, ECU ABS, và bộ chấp hành thủy lực Các hình ảnh 5.1, 5.2, 5.3 minh họa sơ đồ cấu tạo của hệ thống phanh ABS trên xe.
Hình 5.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phanh ABS trên xe Toyota Yaris 2015
1 - Cụm xi lanh phanh chính ; 2- Cảm biến tốc độ bánh trước phải ; 3- Bộ chấp hành ABS + ECU điều khiển trượt ; 4,5,6- Cảm biến tốc độ bánh xe
Hình 5.2 Sơ đồ mạch dầu phanh trên xe Toyota Yaris 2015
Hình 5.3 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phanh ABS trên xe Toyota Yaris 2015
1- Đèn báo phanh ; 2- Đèn cảnh báo ABS ; 3- Cụm đồng hồ ; 4- Công tắc báo phanh ;
5- DLC3 ; 6- Công tắc phanh đậu xe
Hệ thống ABS gồm 3 cụm bộ phận chính:
Cụm tín hiệu vào bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe, công tắc báo phanh và công tắc phanh đậu xe, có nhiệm vụ gửi tín hiệu tốc độ của các bánh xe và tín hiệu phanh đến ECU.
Hộp điều khiển (ECU) đóng vai trò quan trọng trong việc nhận và xử lý các tín hiệu đầu vào, đồng thời gửi tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thủy lực Chức năng chính của ECU là điều khiển quá trình phanh, đảm bảo hiệu quả chống hãm cứng.
Bộ phận chấp hành của hệ thống phanh bao gồm bộ điều khiển thủy lực, đèn cảnh báo ABS và bộ phận kiểm tra, chẩn đoán Bộ chấp hành thủy lực nhận tín hiệu từ ECU để phân phối áp suất dầu đến các cơ cấu phanh của bánh xe, đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh.
Hình 5.4 dưới đây thể hiện sơ đồ của hệ thống ABS trên Toyota Yaris 2015
Hình 5.4 Sơ đồ hệ thống ABS trên Toyota Yaris 2015
CB tốc độ bánh trước trái
CB tốc độ bánh trước phải
CB tốc độ bánh sau trái
CB tốc độ bánh sau phải
Công tắc báo mức dầu phanh
Công tắc phanh đậu xe Đèn cảnh báo ABS Đèn báo phanh Đồng hồ đo tốc độ
ABS ECU đánh giá tình trạng lái xe thông qua tín hiệu từ các cảm biến và công tắc, đồng thời truyền tín hiệu điều khiển phanh đến cơ cấu chấp hành ABS.
Rơ le điện từ (tích hợp trong ECU)
Cấp điện cho van điện từ
Rơ le mô tơ (tích hợp trong ECU)
Cấp điện cho mô tơ bơm
Thay đổi đường dẫn dầu phanh dựa trên tín hiệu từ ECU trong quá trình vận hành hệ thống kiểm soát phanh, nhằm điều chỉnh áp suất dầu phanh tác động lên xi lanh bánh xe.
Mô tơ bơm Dẫn động các máy bơm bên trong cơ cấu chấp hành ABS
Cảm biến tốc độ Đo tốc độ bánh xe của từng bánh xe trong số 4 bánh xe
Công tắc đèn phanh Phát hiện tín hiệu bàn đạp phanh
Công tắc phanh đậu xe Phát hiện trạng thái của cần phanh đậu xe
Công tắc báo mức dầu phanh Phát hiện mức dầu phanh
5.2.2 Cảm biến tốc độ bánh xe
Toyota Yaris 2015 sử dụng cảm biến tốc độ bánh xe chủ động để đo tốc độ của cả bốn bánh, với cảm biến này chứa một IC Hall Rô to cảm biến là một vòng từ tính, bao gồm các cực N (Bắc) và S (Nam) được sắp xếp thành vòng tròn Việc sử dụng vòng từ tính mang lại lợi ích so với vòng có răng, vì cảm biến có thể nhỏ hơn nhiều do không cần nam châm vĩnh cửu Thay vào đó, nó được đặt trong “vòng ABS” và vòng từ được lắp trong ổ trục bánh xe, cho phép hoạt động trong không gian hạn chế Sự biến đổi từ trường được tạo ra bởi các phần phân cực trong vòng.
Cụm đồng hồ Đèn báo phanh
-Sáng lên cùng với đèn cảnh báo ABS để cảnh báo người lái khi ABS ECU phát hiện sự cố không chỉ ở ABS mà còn ở EBD
-Đèn sáng để cảnh báo người lái khi mức dầu phanh thấp
Đèn sáng trên bảng điều khiển sẽ thông báo cho người lái biết khi phanh tay được kéo lên Ngoài ra, đèn cảnh báo ABS sẽ sáng lên khi ECU của hệ thống ABS phát hiện có sự cố, giúp người lái nhận biết và xử lý kịp thời.
Hình 5.5 Vị trị lắp đặt cảm biến tốc độ bánh xe
1- Trục trước ; 2- Cảm biến tốc độ bánh xe phía trước ; 3- Rô to cảm biến ; 4-Trục sau ; 5- Cảm biến tốc độ bánh xe phía sau
Cảm biến sử dụng IC Hall để phát hiện sự thay đổi từ trường khi rôto quay, từ đó gửi thông tin đến ABS ECU dưới dạng xung digital Tần số xung này tỷ lệ thuận với tốc độ bánh xe, cho phép phát hiện tốc độ ngay cả khi bánh xe gần như đứng yên, chỉ từ 0,1 km/h.
5.2.2 Cơ cấu chấp hành ABS
Trên xe Toyota Yaris 2015, hệ thống ABS ECU được tích hợp với cơ cấu chấp hành ABS, tạo thành một bộ chấp hành ABS hoàn chỉnh Sự tích hợp này giúp giảm nguy cơ hư hỏng liên quan đến đường dây điện, nâng cao độ bền và hiệu suất của hệ thống phanh.
57 đồng thời dễ kiểm tra, sửa chữa khi hư hỏng Hình 5.6 thể hiện cấu tạo của bộ chấp hành ABS của xe Toyota Yaris 2015
Hình 5.6 Cấu tạo của bộ chấp hành ABS
1- ABS ECU ; 2- Cơ cấu chấp hành ABS
Cấu tạo của cơ cấu chấp hành ABS gồm các bộ phận chính sau: các van điện từ, bơm dầu và bình tích áp
Van điện từ là một phần quan trọng trong cơ cấu chấp hành ABS của Toyota Yaris 2015, bao gồm 8 van điện từ với 2 vị trí: 4 van giữ áp suất và 4 van giảm áp Mỗi bánh xe được điều khiển độc lập bởi một van giữ áp và một van giảm áp, đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu và an toàn khi lái xe.
Van giữ áp suất điều khiển mạch dầu giữa xi lanh chính và xi lanh bánh xe, thường ở trạng thái mở nhờ lực căng của lò xo Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, van sẽ đóng lại Đồng thời, van một chiều cung cấp đường xả bổ sung khi áp suất từ xi lanh chính giảm.
Hình 5.7 Van giữ áp suất
Van giảm áp suất là thiết bị điều khiển mạch dầu giữa xi lanh bánh xe và bình dầu, thường ở trạng thái đóng nhờ lực căng của lò xo Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, van sẽ nén lò xo và mở ra, cho phép lưu thông dầu.
Hình 5.8 Van giảm áp suất
Bơm dầu trong cơ cấu chấp hành ABS của Toyota Yaris 2015 sử dụng bơm kiểu piston, được điều khiển bởi mô tơ điện và hoạt động khi ABS ở chế độ Giảm áp và Tăng áp Bơm này có tác dụng hướng dầu phanh từ van giảm áp và bình tích áp về xy lanh chính Đặc biệt, bơm được thiết kế với hai buồng làm việc độc lập, mỗi buồng sử dụng một piston trái và phải, được điều khiển bằng cam lệch Các van một chiều trong hệ thống chỉ cho phép dòng dầu chảy từ bơm về xy lanh chính.
Bình tích áp: chứa dầu hồi từ xy lanh bánh xe, nhất thời làm giảm áp suất dầu ở xy lanh phanh bánh xe
Hình 5.9 Sơ đồ cơ cấu chấp hành ABS của Toyota Yaris 2015
1- Van giữ áp suất ; 2- Van giảm áp suất ; 3- Bơm dầu ; 4- Bình tích áp ;
5, 6, 7, 8- Xy lanh phanh 4 bánh xe ; a- Từ xy lanh chính
Khi phanh bình thường (ABS không hoạt động):
Khi phanh xe ở tốc độ chậm hoặc rà phanh, hệ thống ABS sẽ không hoạt động, dẫn đến việc ECU của ABS không gửi điện đến cuộn dây của van điện từ Do đó, van giữ áp suất vẫn mở trong khi van giảm áp suất vẫn đóng.
