Nghiên cứu tổng hợp hệ thống chống bó cứng phanh abs

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ -& - VŨ TRẦN HOÀNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : Điều khiển tự động Lớp : K25 Người hướng dẫn khoa học : Đại tá-TS : DƯƠNG QUỐC TUẤN HÀ NỘI -2015 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ cảm ơn sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học Đại Tá TS Dương Quốc Tuấn, tận tình hướng dẫn đóng góp nhiều ý kiến khoa học trình nghiên cứu xây dựng luận văn Tôi xin cảm ơn tập thể thày, cô giáo môn Điều khiển tự động, khoa Sau Đại học, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi hoàn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Cuối tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp người thân động viên, giúp đỡ trình học tập nghiên cứu Mặc dù cố gắng khó khăn tài liệu, thời gian nghiên cứu khả hạn chế thân luận văn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp từ Thày, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Nội, ngày 05 tháng 01 năm 2015 Tác giả luận văn Vũ Trần Hồng LỜI NĨI ĐẦU Sản xuất tô giới ngày tăng vượt bậc, ô tô trở thành phương tiện quan trọng hành khách hàng hóa cho ngành kinh tế quốc dân, đồng thời trở thành phương tiện tư nhân nước có kinh tế phát triển nước ta số ô tô tư nhân phát triển với tăng trưởng kinh tế, mật độ xe đường ngày tăng Mỹ Nhật hai nước sản xuất ô tô nhiều giới hàng năm nước sản xuất khoảng 12 đến 13 triệu Do mật độ ô tô đường ngày tăng tốc độ chuyển động ngày cao cho lên vấn đề tai nạn giao thông đường vấn đề cấp thiết hàng đầu phải quan tâm nước ta hai năm 1998 đến 2000 năm có 20.000 vụ tai nạn giao thơng làm 7100 người chết 30772 người bị thương Năm 2002 xẩy 27420 vụ tai nạn giao thông, làm 12998 người bị chết 30.000 người bị thương Đến năm 2006 có 42000 vụ tai nạn giao thơng làm 20.000 người chết Nó khơng gây thiệt hại lớn người mà gây thiệt hại lớn tài sản nhà nước công dân Một nguyên nhân người gây ( lái xe say riệu, mệt mỏi, buồn ngủ ) Do hư hỏng máy móc trục trặc kỹ thuật đương xá qúa xấu Trong nguyên nhân hư hỏng máy móc trục trặc kỹ thuật tỉ lệ tai nạn giao thông hệ thống phanh 52.2 % đến 74.4% Từ số liệu thấy tai nạn hệ thống phanh chiếm tỉ lệ lớn mà hệ thống phanh cải tiến, tiêu chuẩn thiết kế, chế tạo sử dụng nghiêm ngặt chặt chẽ nhằm tăng hiệu phanh tính ổn định hướng, tăng độ tin cậy làm việc với mục đích đảm bảo an tồn chuyển động tơ Trong cải tiến có hệ thống phanh trang bị ABS No cịn gọi hệ thống phanh chống bó cứng bánh hệ thống phanh có ưu điển vượt trội Nó đảm bảo cho người phương tiện loại đường làm cho người lái chủ động tốc độ Trong đồ án em tìm hiểu hệ thống phanh, để hiểu rõ công dụng cấu tạo, nguyên lý hoạt động hệ thống từ tìm cách sử dụng tốt nhất, cách bảo dưỡng chuẩn đoán hư hỏng đưa biện pháp sử lý Do hệ thống ABS biết đến việt nam nên q trình làm đồ án gặp số khó khăn tiếp xúc thực tế tài liệu tham khảo Cùng với giúp đõ thầy hướng dẫn Dương Quốc Tuấn thầy khoa khí động lực Mặc dù đồ án không tranh khỏi thiếu sót chưa thể hồn chỉnh Mong thầy bạn góp ý để đồ án hoàn thiện tốt Hà Nội,ngày tháng năm 2015 Học viên thực MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU GIỚI THIỆU CHUNG .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.Sự phát triển chung công nghệ ô tô giới Việt Nam .2 2.Q trình phát triển hệ thống phanh tô CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU 1.Yêu cầu hệ thống phanh ô tô Các sở lý thuyết trình phanh ô tô 11 2.1.Các tiêu đánh giá hiệu phanh 11 2.2 Các tiêu đánh giá tính ổn định phanh 16 2.3 Đặt vấn đề 20 2.4.Hệ số bám .21 CHƯƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG ABSĐ 22 3.1 Hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS (Anti- lock Bracking System) 22 3.1.1 Sơ lược nội dung thiết bị,mơ hình cấu ABS nước ta thời gian qua .22 3.1.2 Mục tiêu cấu ABS 22 3.1.3 Quá trình hoạt động hệ thống phanh ABS 26 3.2 Các trạng thái làm việc ABS 27 3.2.1 Trạng thái phanh thường 27 3.2.2 Trạng thái giảm áp lực phanh: 27 3.2.3 Trạng thái giữ áp lực phanh 28 3.2.4 Trạng thái tăng áp lực phanh 28 3.4.Sơ đồ chung hệ thống phanh ABS 30 3.4.1 Cụm điều khiển điện tử 31 3.4.2 Hệ thống cảm biến 34 3.4.3 Cảm biến gia tốc 37 3.5.4 Bộ điều khiển thủy lực 41 3.5.5 Van điện .42 3.5.6 Các phương án bố trí hệ thống ABS 49 3.6 Tính tốn giá trị thành phần lực mơmen 52 3.6.1 Xác định phản lực pháp tuyến 52 3.6.2 Xác định lực phanh bánh xe .53 3.6.3 Lực cản lăn 54 3.6.4 Lực quán tính 54 3.6.5.Lực cản khơng khí 54 3.6.6 Tính mômen xoay thân xe 55 3.6.7 Xác định mơmen qn tính .56 3.6.8 Phương trình cân chuyển động quay quanh bánh xe .56 3.7 Xây dựng sơ đồ mô Simulink 58 3.7.1 Giới thiệu sơ lược phần mềm Matlab-Simulink .58 3.7.2 Mơ hình mơ phương án khảo sát 61 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ABS .75 4.1 Cơ sở thiết kế ECU 75 4.1.1 Tín hiệu điều khiển ABS 75 4.1.2 Quá trình điều khiển ABS 77 4.2 Cách thức điều khiển ECU theo giá trị ngưỡng 80 4.3 Thiết kế điều khiển điện tử ECU – ABS 85 4.3.1 Thiết kế module bên ECU 85 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 90 5.1 Kết luận .90 TÀI LIỆU THAM KHẢO .91 DANH MỤC BẢNG, HÌNH Hình 2.1 Đồ thị thay đổi quãng đường phanh nhỏ theo tốc độ bắt đầu phanh v1 hệ số bám 15 Hình 2.2 Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô phanh mà bị quay ngang .17 Hình 3.1 Sự thay đổi mômen phanh, áp suất dẫn động phanh gia tốc bánh xe 24 Hình.3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống phanh ABS .26 Hình.3.3 Sơ đồ mối quan hệ yếu tố hệ thống phanh ABS .27 Hình 3.4 Biểu diễn trình phanh hệ thống phanh thường hệ thống phanh ABS 29 Hình 3.5 Sơ đồ cấu tạo hệ thốnh phanh ABS 31 Hình.3.6 Lựơc đồ khối khối điều khiển ABS với tín hiệu đầu vào, đầu 32 Hình 3.7 Vị trí cảm biến tốc độ xe ôtô 34 Hình.3.8 Cấu tạo cảm biến gia tốc bánh xe 35 Hình.3.9 Trục cảm biến vng góc trục vịng bánh xe 35 Hình 3.10 Đầu cảm biến đối diện với niềng .36 Hình 3.11 Niềng nằm bên hơng cảm biến .36 Hình 3.12 Cấu tạo cảm biến gia tốc chậm dần xe TOYOTA .38 Hình.3.13 Vị trí tương ứng đèn LED photo transistor 38 Hình 3.14 Sơ đồ đấu dây cảm biến gia tốc 39 Hình 3.15 Vị trí cảm biến trọng lực 39 Hình.3.16 Đặc điểm cấu tạo cảm biến trọng lực(G) 40 Hình.3.17 Nguyên lý làm việc cảm biến gia tốc trọng lực G 40 Hình 3.18 Sơ đồ đấu dây cảm biến trọng lực 41 Hình 3.19 Bộ điều khiển thuỷ lực(HCU) 41 Hình 3.20 Mối quan hệ yếu tố hệ thống ABS 43 Hình 3.21 Sơ đồ đấu dây van điện ba vị trí 44 Hình 3.22 Vị trí tăng áp lực phanh van điện hai vị trí 44 Hình.3.23 Vị trí giảm áp lực phanh van điện hai vị trí 45 Hình 3.24 Vị trí giữ áp lực phanh 46 Hình.3.25 Bơm điện 46 Hình.3.26 Mạch điện điều khiển bơm 47 Hình 3.27 Hai bánh trước điều kiển riêng rẽ, hai bánh sau chung .48 Hình 3.28 Bốn bánh điều khiển riêng rẽ 48 Hình 3.29 : Hình 3.29 Hình 3.30 Hình 3.30 Hình 3.31 Bảng 3.32 Hình 3.33 Hình 3.34 Hình 3.35 Hình 3.36 Hình 3.37 Hình 3.38 Hình 3.39 Hình 3.40 Hình 3.41 Hình 3.42 Hình 3.43 Hình 3.44 Hình 4.1: Hình 4.2: Hình 4.3: Bảng 4.4: Hình 4.5: Hình 4.6: Hình 4.7: Hình 4.8: Hình 4.9: Hình 4.10: Hình 4.11: Hình 4.12: Hình 4.13: Các phương án bố trí cấu phanh ABS 50 Sơ đồ lực tác dụng ôtô phanh mặt phặng thẳng đứng 52 Sơ đồ cân lực mômen bánh xe 57 Sơ đồ mơ q trình phanh tác động hệ thống ABS 61 Đường cong hệ số bám φ phụ thuộc vào độ trượt 64 Các phương án khảo sát 65 Đồ thị vận tốc góc (rad/s) bánh xe (PA 1.2) .66 Đồ thị độ trượt theo thời gian (PAKS 1.1) 66 Đồ thị quãng đường (m) theo thời gian (PAKS 1.1) 67 Đồ thị vận tốc góc (rad/s) bánh xe (PAKS 1.2) 69 Đồ thị độ trượt theo thời gian (PAKS 1.1) 69 Đồ thị quãng đường (m) theo thời gian (PAKS 1.2) 70 Đồ thị vận tốc góc (rad/s) bánh xe (PAKS 1.3) 71 Đồ thị độ trượt theo thời gian (PAKS 1.3) .71 Đồ thị quãng đường (m) theo thời gian (PAKS 1.3) 72 Đồ thị vận tốc góc (rad/s) bánh xe (PAKS 2.1) 72 Đồ thị độ trượt theo thời gian (PAKS 2.1) .73 Đồ thị quãng đường (m) theo thời gian (PAKS 2.1) 73 Chu trình điều khiển kín ABS 76 Sơ đồ vịng lặp kín hoạt động hệ thống ABS 77 Quá trình điều khiển chống hãm cứng bánh xe phanh 78 Quá trình điều khiển hệ thống phanh ABS 80 Sơ đồ đấu dây hệ thống 81 Mô tả khái niệm SH SL 82 Thuật toán điều khiển theo giá trị gia tốc góc giới hạn .84 Khối tín hiệu vào/ra ECU 85 Bộ chuyển đổi nguồn 24V – 5V .85 Khối xử lý tín hiệu đầu vào 86 Tín hiệu bàn đạp phanh 87 Khối vi xử lý 88 Khối điều khiển van điện từ 89 GIỚI THIỆU CHUNG Lý chọn đề tài Cơ cấu phanh cấu an tồn chủ động tơ, dùng để giảm tốc độ hay dừng đỗ ôtô trường hợp cần thiết Nền công nghiệp ô tô ngày phát triển mạnh, số lượng ô tô tăng nhanh, mật độ lưu thông đường ngày lớn Các xe ngày thiết kế với công suất cao hơn, tốc độ chuyển động nhanh yêu cầu đặt với cấu phanh cao nghiêm ngặt Một tơ có cấu phanh tốt, có độ tin cậy cao có khả phát huy hết cơng suất, xe có khả chạy tốc độ cao, tăng tính kinh tế nhiên liệu, tính an tồn hiệu vận chuyển ô tô 10% số vụ tai nạn xảy trường hợp cần dừng khẩn cấp, tài xế đạp phanh mạnh đột ngột làm xe bị rê bánh trượt đi, dẫn đến lái Hệ thống ABS giúp khắc phục tình trạng khơng phụ thuộc vào kỹ thuật phanh người lái Năm 2005 2006 2007 2008 Số vụ tai nạn 15000 15500 16060 16700 Số người chết (người ) 11200 12300 14600 15740 Số người bị thương (người ) 11840 12140 12410 12780 Trên giới có nhiều diễn biến phức tạp,số vụ tai nạn ngày tăng nên tính cấp thiết phải nâng cao kỹ thuật cho xe giới nói chung nói riêng Báo cáo năm 2004 WHO cho biết ngày giới, 3000 người chết tai nạn giao thông Trong số này, cá c nước có thu nhập thấp trung bình chiếm đến 85% số ca tử vong Do tầm quan trọng hệ thống phanh tơ an tồn giao thơng q trình hoạt động mà việc nghiên cứu để nâng cao kỹ thuật sử lí cho hệ thống phanh.mà nhà trường giao cho em tìm hiểu hệ thống phanh ABS - Giai đoạn (pha giữ áp): gia tốc chậm dần bánh xe a w < -a1, ECU điều khiển van điện từ, giữ nguyên áp suất phanh (pb) bầu phanh, làm cho gia tốc chậm dần bánh xe tăng đến giá trị gia tốc a Khi hệ số bám dọc φx đạt giá trị cực đại, độ trượt bánh xe đạt giá trị độ trượt tối ưu ( ), bánh xe bị bó cứng Nếu gia tốc chậm dần bánh xe đạt giá trị a w < -a2 chuyển sang giai đoạn + Giai đoạn (pha giảm áp): gia tốc chậm dần bánh xe đạt giá trị , ECU điều khiển van điện từ giảm áp suất phanh bầu phanh (p b giảm) trễ hệ thống nên vận tốc bánh xe tiếp tục giảm sau tăng, giá trị gia tốc chậm dần bánh xe giảm, bánh xe tăng tốc, giá trị gia tốc bánh xe chuyển sang giai đoạn + Giai đoạn 4: giá trị gia tốc bánh xe , ECU điều khiển van điện từ giữ nguyên áp suất phanh, gia tốc bánh xe tiếp tục tăng đến giá trị a3, gia tốc bánh xe tăng nhanh đến giá trị a bánh xe có tượng bị hãm cứng Nếu giá trị gia tốc bánh xe chuyển sang giai đoạn + Giai đoạn 5: giá trị gia tốc bánh xe , ECU điều khiển van điện từ thực tăng áp độ trễ hệ thống làm cho vận tốc bánh xe không giảm mà tiếp tục tăng sau giảm Khi gia tốc bánh xe giảm nhanh giá trị a4, chuyển sang giai đoạn - Giai đoạn 6, 7 : Để vận tốc bánh xe giảm nhanh đạt hiệu phanh, ECU điều khiển van điện từ thực chế độ giữ áp, tăng áp liên tục điều chỉnh suất khí nén hệ thống làm cho gia tốc bánh xe giảm nhanh Quá trình điều khiển diễn liên tục theo chu kỳ xe dừng hẳn, bánh xe không trượt, thân xe không bị lệch 79 Quá trình điều khiển ABS theo gia tốc ngưỡng tóm lược bảng 4.4 Q trình điều khiển Ngưỡng bắt đầu Ngưỡng kết thúc Áp suất phanh Giai đoạn Tăng áp Giai đoạn Giữ áp Giai đoạn Giảm áp Giai đoạn Giữ áp Giai đoạn Tăng áp Giai đoạn Giữ áp Giai đoạn Tăng áp ………… ………… ………… ………… Bảng 4.4: Quá trình điều khiển hệ thống phanh ABS Tuy nhiên, trình phanh ảnh hưởng khối lượng chi tiết chuyển động phanh (δ) để q trình điều khiển xác phanh phải cắt ly hợp Đồng thời trình điều khiển ABS kết hợp với trình điều khiển khác điều khiển công suất động cơ, điều khiển hệ thống treo, hệ thống lái nhằm tối ưu hố q trình điều khiển ABS bảo đảm cho xe đạt hiệu phanh lớn nhất, giữ ổn định hướng phanh Hình 4.5 biều diễn sơ đồ đấu dây hệ thống điện xe 4.2 Cách thức điều khiển ECU theo giá trị ngưỡng Phương pháp điều khiển theo giá trị ngưỡng ECU theo cách sau: 80 Hình 4.5: Sơ đồ đấu dây hệ thống  Điều khiển theo mức: ECU tiến hành điều khiển hệ thống theo giá trị ngưỡng mức thấp (SL_ Select Low), ứng dụng điều khiển ABS theo mức cao (SH_Select High), ứng dụng điều khiển chống trượt quay cho TCS 81  Điều khiển theo giá trị độ trượt định trước: Dựa vào đồ thị lăn – bám – trượt, ta xác định vùng làm việc tối ưu xe phanh ứng với λ = 12 - 30 % Hình 4.6: Mơ tả khái niệm SH SL Để đưa tín hiệu điều khiển van điện từ hệ thống ABS thời điểm, trạng thái chuyển động của bánh xe trình phanh, điều khiển ECU phải xác định λ điều khiển λ lốp nằm gần giá trị độ trượt tối ưu λ (vùng trượt tối ưu) Để điều khiển giữ cho độ trượt độ trượt tối ưu ( cho phép ) vấn đề khó, thực tế thường dao động vùng giới hạn xung quanh giá trị λ – gọi vùng trượt tối ưu Phương pháp điều khiển có nhược điểm giá trị λ thơng số khó xác định không đo trực tiếp Muốn xác định giá trị λ phải xác định thông số: ω vận tốc dài xe, vận tốc dài xe thơng số khó xác định xác Do khả áp dụng phương pháp điều khiển theo λ định trước thực tế khó, bắt buộc phải có phương pháp khác để dự đoán ước lượng giá trị độ trượt thông qua vài thông số trung gian khác Nếu muốn điều khiển phanh hiệu 82 nhiều loại đường khác nhau, bắt buộc phải xác định trước vùng giá trị λ0 điều khiển λ nằm vùng Tuy phương pháp đảm bảo cho hệ thống phanh ABS hoạt động nhiều loại đường lại làm giảm hiệu phanh điều khiển λ nằm vùng giá trị không đảm bảo cho lực phanh phát huy tối đa điều kiện bám  Điều khiển theo giá trị gia tốc góc giới hạn: Khi phanh bánh xe làm việc vùng ổn định, áp suất hệ thống dẫn động tăng nhanh (quá trình tăng áp) để đạt giá trị Ppmax, bánh xe bị phanh, ω giảm nhanh, làm ώ giảm nhanh; đồng thời giá trị λ bánh xe tăng nhanh đến giá trị λ Khi λ vượt qua λ0 ( ), hệ số bám dọc, bám ngang ( ) bánh xe giảm mạnh, bánh xe có tượng bị hãm cứng, ECU điều khiển chấp hành chuyển sang trình giảm áp làm ω tăng lên, ώ giảm dần đến λ giảm ECU tín hiệu điều khiển cho chấp hành chuyển sang trình giữ áp, lúc ω tiếp tục tăng gần vận tốc xe làm cho λ tiếp tục giảm giá trị λ0, ώ tăng nhanh Để điều khiển tốt trình phanh ECU phải xác định giá trị gia tốc ngưỡng: giá trị ngưỡng (a , a ), giá trị ngưỡng (a , a ) điều khiển van điện từ đóng mở đường dầu từ xy lanh đến xy lanh bánh xe cho bánh xe khơng bị hãm cứng Phương pháp có ưu điểm ώ thơng số ước lượng đo trực tiếp từ ω nhờ cảm biến đo vận tốc góc bánh xe, phương pháp áp dụng vào thực tế Tuy nhiên nhược điểm phương pháp phải tính tốn giá trị gia tốc ngưỡng (-a, +a) nên vùng làm việc rộng, thời gian trễ hệ thống cao làm hiệu phanh bị giảm Do điều kiện trang bị thiết bị thí nghiệm cịn hạn chế, kiến thức điều khiển cịn hạn hẹp nên nhóm lựa chọn phương án điều khiển theo giá trị gia tốc góc giới hạn để thí nghiệm xe  Thuật tốn điều khiển theo giá trị gia tốc góc giới hạn: 83 Khi bắt đầu phanh: ECU nhận tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc góc bánh xe, tính tốn xác định gia tốc góc (ώ), so sánh gia tốc ngưỡng chọn, nếu: - Khi giá trị gia tốc góc bánh xe tăng đến giá trị lớn giá trị gia tốc ngưỡng (ώ>+a), hệ thống thực chế độ tăng áp (Pp tăng); Hình 4.7: Thuật toán điều khiển theo giá trị gia tốc góc giới hạn - Khi giá trị gia tốc góc bánh xe giảm nhỏ giá trị giá trị gia tốc ngưỡng (ώ