Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài
Hệ thống ABS, TCS và VSC là những thành phần quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và ổn định cho phương tiện Chúng hoạt động bằng cách điều khiển mômen xoắn của động cơ và phanh từng bánh xe, giúp giảm tốc độ xe hoặc thực hiện phanh khẩn cấp hiệu quả.
Các hệ thống ABS, TCS và VSC cần hoạt động hiệu quả trong điều kiện khắc nghiệt, chịu ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ liên tục Ngoài ra, vật liệu ma sát phải được chế tạo đặc biệt để không bị chảy, dính hay cứng lại khi phanh.
Các hệ thống ABS, TCS và VSC luôn là chủ đề quan trọng, yêu cầu cải tiến liên tục để nâng cao hiệu suất, kéo dài tuổi thọ, dễ bảo trì và đặc biệt là tăng cường độ an toàn và độ tin cậy Đây là những kiến thức cơ bản mà sinh viên ngành ô tô cần chú ý.
1.1.2 Lý do chọn đề tài
Sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử và lập trình điều khiển đã mang lại nhiều phương pháp mới cho hệ thống phanh, không chỉ giúp xe giảm tốc mà còn giảm hiện tượng lật ngang và mất lực kéo Các dòng xe Toyota hiện nay hầu hết được trang bị hệ thống phanh chống bó cứng (ABS), kiểm soát lực kéo (TCS) và cân bằng điện tử (VSC), tất cả đều sử dụng chung cảm biến và bộ chấp hành, được điều khiển bởi ECU tích hợp Đề tài “Nghiên cứu thi công mô hình và mô phỏng các hệ thống ABS – TCS – VSC” giúp nhóm áp dụng kiến thức đã học vào thực tiễn.
2 tại trường, mà thông qua đó còn có cơ hội được nghiên cứu chuyên sâu, phù hợp với sự phát triển của các hệ thống ngày nay.
Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Sinh viên có thể hiểu, nắm bắt các kiến thức cơ bản về các khái niệm của các hệ thống ABS – TCS – VSC trên ô tô
Việc xây dựng cơ sở dữ liệu và học hỏi kiến thức là rất quan trọng để đánh giá tầm quan trọng của việc sử dụng các hệ thống an toàn trên phương tiện giao thông Các dẫn chứng về lợi ích, tính hiệu quả và chi phí lắp đặt, vận hành của những hệ thống này sẽ giúp nâng cao nhận thức và khuyến khích áp dụng rộng rãi hơn trong cộng đồng.
Kết hợp kiến thức đã học và tài liệu sẵn có, phân tích nguyên lý hoạt động của các hệ thống ABS, TCS và VSC, làm rõ chế độ làm việc của từng hệ thống qua các giai đoạn khác nhau.
Phân tích vai trò của từng bộ phận trong sơ đồ mạch điện cơ bản là rất quan trọng để điều khiển hệ thống hiệu quả Mỗi bộ phận đảm nhận một chức năng cụ thể, giúp hệ thống hoạt động một cách đồng bộ và an toàn Hệ thống này không chỉ hoạt động độc lập mà còn kết hợp chặt chẽ với các hệ thống an toàn khác, đảm bảo tính ổn định và bảo vệ người sử dụng khỏi những rủi ro tiềm ẩn Việc hiểu rõ cấu trúc và chức năng của từng bộ phận sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống.
Tìm hiểu và phát triển hệ thống điều khiển ABS – TCS và thi công mô hình Vận hành mô hình và hiểu rõ sự hoạt động của mô hình
Thiết lập thông số ban đầu để mô phỏng các hệ thống ABS – TCS – VSC bằng phần mềm CarSim/Matlab-Simulink
Giải thích kết quả đạt được
1.2.2 Nhiệm vụ Đưa ra các số liệu, hình ảnh, sự đánh giá khách quan trong việc sử dụng các hệ thống ABS – TCS – VSC trên ô tô hiện nay
Nghiên cứu và thi công mạch điều khiển hệ thống ABS – TCS trên phanh thủy khí
Mô phỏng các hệ thống ABS – TCS – VSC bằng phần mềm CarSim/Matlab- Simulink
Hoàn thành tiến độ khóa luận đúng kế hoạch, đúng nội dung nghiên cứu
Giới hạn đề tài
Đề tài “Nghiên cứu thi công mô hình và mô phỏng các hệ thống ABS – TCS – VSC” có nhiều hướng phát triển đa dạng Để nâng cao chất lượng khóa luận và phù hợp với khả năng cũng như tiến độ công việc, đề tài sẽ được giới hạn trong một phạm vi cụ thể.
- Về nghiên cứu: Tìm hiểu về kết cấu và nguyên lý hoạt động của các hệ thống ABS – TCS – VSC
- Về thi công: Tập trung vào hệ thống điều khiển phanh ABS – TCS thủy khí
- Về mô phỏng: Đánh giá hệ thống ABS – TCS – VSC trên mặt đường thực tế bằng phần mềm CarSim/Matlab-Simulink.
Phương pháp nghiên cứu
Để nghiên cứu và thực hiện khóa luận hoàn chỉnh, nhóm đã vận dụng các phương pháp cụ thể như:
Phương pháp luận nghiên cứu khoa học là quá trình khách quan nhằm thiết lập sự kiện thông qua kiểm tra và thử nghiệm Quá trình này bao gồm các bước cơ bản như quan sát, hình thành giả thuyết, đưa ra dự đoán, tiến hành thí nghiệm và phân tích kết quả Nguyên tắc của phương pháp khoa học có thể được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu khoa học, kinh doanh và công nghệ Phương pháp này chỉ có thể trả lời các câu hỏi có thể chứng minh hoặc bác bỏ thông qua thử nghiệm.
Phương pháp thu thập dữ liệu là những kỹ thuật và quy trình quan trọng trong nghiên cứu, giúp thu thập thông tin một cách hiệu quả Các phương pháp này có thể bao gồm khảo sát tự báo cáo đơn giản hoặc các thử nghiệm phức tạp, và bao gồm cả phương pháp định lượng và định tính để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của dữ liệu thu thập được.
Phương pháp thực nghiệm là cách thu thập thông tin thông qua việc quan sát đối tượng trong điều kiện kiểm soát Các nhà nghiên cứu sử dụng tham số để đạt được kết quả mong muốn và cô lập các khía cạnh cụ thể nhằm nghiên cứu điều kiện hiện tại của đối tượng Phương pháp này không chỉ giúp rút ngắn thời gian quan sát mà còn cho phép lặp lại nhiều lần để đạt kết quả chính xác, đồng thời tiết kiệm thời gian mà không bị giới hạn về khả năng tiếp cận.
Nhóm nghiên cứu không chỉ áp dụng các phương pháp khoa học phổ biến mà còn sử dụng nhiều phương pháp hỗ trợ nghiên cứu thực tiễn khác như mô phỏng và mô hình, tối ưu hóa, thiết kế thử nghiệm, phân tích lỗi và phân tích độ tin cậy.
Nhờ đó, nhóm đã nhanh chóng hoàn thiện báo cáo với yêu cầu đặt ra Đúng như các mục tiêu, mục đích nhóm đã thảo luận ban đầu.
Nội dung và bố cục của đề tài
1.5.1 Nội dung Đặt vấn đề nghiên cứu
Giới hạn đề tài chỉ nghiên cứu và thi công phần hệ thống điều khiển phanh ABS và TCS trên mô hình phanh thủy khí
Tổng quan về các hệ thống ABS – TCS – VSC
Kết cấu hoạt động của hệ thống ABS – TSC thủy khí
Nghiên cứu và thi công phần hệ thống điều khiển ABS và TCS
Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình đã thi công
Mô phỏng hoạt động các hệ thống ABS – TCS – VSC
Kết luận và đề nghị
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Tổng quan về các hệ thống ABS – TCS – VSC
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương 4: Thiết lập mô phỏng và kết quả
Chương 5: Nghiên cứu thi công mô hình và kết quả
Chương 6: Kết luận và kiến nghị
Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ABS – TCS – VSC
Tổng quan về hệ thống ABS
Hệ thống phanh (Brake System) là bộ phận an toàn chủ động thiết yếu trên ô tô, có chức năng giảm tốc độ hoặc dừng xe khi cần thiết Đây là một trong những bộ phận quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều khiển xe trên đường Chất lượng hệ thống phanh được đánh giá qua hiệu quả phanh, bao gồm quãng đường phanh, thời gian phanh và gia tốc phanh, đồng thời đảm bảo tính ổn định chuyển động của ô tô trong quá trình phanh.
Khi ô tô phanh đột ngột trên đường trơn, hiện tượng hãm cứng bánh xe có thể xảy ra, dẫn đến quãng đường phanh dài hơn và giảm hiệu quả phanh Nếu bánh xe trước bị hãm cứng, xe không thể chuyển hướng, trong khi bánh xe sau bị hãm cứng có thể gây ra tình trạng trượt ngang Khi phanh trong khi quay vòng, hiện tượng này có thể làm mất ổn định chuyển động của ô tô Để khắc phục vấn đề này, hầu hết ô tô hiện đại đều được trang bị hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), giúp duy trì lực bám và nâng cao tính ổn định khi phanh ABS điều chỉnh áp suất phanh để giảm quãng đường phanh, đặc biệt hiệu quả trên đường khô với tốc độ cao Tuy nhiên, ở tốc độ thấp hoặc trên đường trơn, quãng đường phanh có thể dài hơn khi không có ABS, do đó hệ thống này không được kích hoạt trong những trường hợp này Giới hạn tốc độ kích hoạt ABS khác nhau tùy theo loại xe và nhà sản xuất.
Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS đã diễn ra trong thời gian dài và đạt được nhiều thành tựu quan trọng Các nhà sản xuất hiện nay đang tập trung nghiên cứu chuyên sâu về từng loại phanh để cải thiện hiệu suất và độ an toàn.
Hãng Bosch nổi tiếng với sản phẩm ABS cho hệ thống phanh thủy lực, trong khi Wabco và Bendix chiếm thị phần lớn trong lĩnh vực ABS cho hệ thống phanh khí nén Cả ba hãng đều có quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm tương tự nhau.
Tập đoàn Bosch của Đức đã khởi xướng và phát triển hệ thống ABS từ những năm 1930, và đến năm 1978, họ đã sản xuất thành công hệ thống ABS điện đầu tiên.
Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) lần đầu tiên được áp dụng trên ô tô với dòng xe S-Series của Mercedes-Benz vào năm 1978 Sau đó, công nghệ này đã được mở rộng sang nhiều loại phương tiện khác, sử dụng má phanh có tính năng phanh mềm và từ từ Hiện nay, hầu hết các xe trên toàn cầu đều được trang bị hệ thống ABS, nâng cao tính an toàn khi lái xe.
Hình 2.1: Lịch sử phát triển của hệ thống ABS
2.1.3 Yêu cầu của hệ thống ABS
2.1.3.1 Đặc tính trượt khi phanh
Hiệu quả phanh và khả năng dẫn hướng của ô tô phụ thuộc vào lực bám dọc và lực bám ngang giữa bánh xe và mặt đường Các lực này được xác định theo công thức: b x x z.
- F z : Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe
- x : Hệ số bám dọc bánh xe và mặt đường
- y : Hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường
Để duy trì lực phanh hiệu quả và khả năng điều khiển tốt cho một loại xe nhất định, cần thực hiện các biện pháp điều khiển nhằm giữ cho hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y có giá trị cao.
Hình 2.2: Đặc tính trượt của bánh xe khi phanh
Hệ số lực dọc và hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tình trạng mặt đường, kiểu lốp, chất lượng lốp, nhiệt độ, vận tốc và độ trượt Đặc biệt, độ trượt là giá trị thay đổi liên tục trong quá trình phanh, và việc điều khiển quá trình phanh để giữ độ trượt trong giới hạn mong muốn là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất phanh tối ưu.
Trong nghiên cứu về hệ số bám của bánh xe, các giá trị F_b và F lớn đóng vai trò quan trọng Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc y_φx, bám ngang y_φy và độ trượt của bánh xe λ đã được đề cập trong nhiều tài liệu Đặc biệt, độ trượt của bánh xe khi phanh có thể được xác định thông qua công thức v = v_0 - v.
- v: vận tốc dài thực tế của bánh xe, bằng vận tốc dài của thân xe
- v o : vận tốc dài lý thuyết của bánh xe, được xác định như sau: o d v = r Trong đó:
- : vận tốc góc của bánh xe
- r d : bán kính động lực học của bánh xe
Thông thường độ trượt được tính tương đối: o d v v v r
= 2.1.3.2 Phạm vi điều khiển ABS
Hình 2.3: Đặc tính trượt tương ứng với các loại đường khác nhau
Hình 2.3 minh họa các đường đặc tính trượt, cho thấy mối quan hệ giữa hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y theo độ trượt tương đối của bánh xe trên các loại đường khác nhau.
Để đảm bảo khả năng điều khiển hướng chuyển động và hiệu quả phanh cao, cần duy trì độ trượt của bánh xe trong khoảng từ 10% đến 30% Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc, hệ số bám ngang và đột trượt của bánh xe là yếu tố quan trọng trong việc này.
Hệ thống ABS sẽ điều khiển áp suất phanh nhằm duy trì độ trượt biến đổi trong phạm vi đó
Hình 2.4: Phạm vi điều khiển ABS
- 1: Lốp bố tròn chạy trên đường khô
- 2: Lốp bố chéo chạy trên đường nhựa ướt
- 3: Lốp bố tròn chạy trên đường tuyết
- 4: Lốp bố tròn chạy trên đường băng
Giới hạn 10 30% có thể thay đổi đáng kể, phụ thuộc vào điều kiện bám của bánh xe và mặt đường, dẫn đến việc ABS có thể hoạt động hiệu quả khác nhau trên các loại đường và khi sử dụng các loại lốp khác nhau Việc điều chỉnh dựa trên ngưỡng độ trượt của bánh xe là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu.
2.1.4 Cấu tạo hệ thống ABS thủy lực
Hình 2.5: Các thành phần của hệ thống phanh thông thường trên ô tô
Hệ thống ABS được dựa trên những thành phần cơ bản của hệ thống phanh thông thường, bao gồm:
- Van điều hòa lực phanh
Thêm vào đó, hệ thống ABS còn có thêm các thành phần mới như:
- Cảm biến tốc độ bánh xe
- Bộ điều khiển ABS (ECU)
- Bộ chấp hành của phanh
Hình 2.6: Các thành phần của hệ thống ABS trên ô tô
2.1.4.1 Cảm biến tốc độ bánh xe
Cảm biến tốc độ bánh xe là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển ABS, giúp phát hiện và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển Mỗi xe có thể được trang bị ba hoặc bốn cảm biến tùy thuộc vào phiên bản ABS Cấu tạo của cảm biến bao gồm cuộn dây xung quanh nam châm vĩnh cửu Khi bánh xe lăn, đĩa răng gắn trên bánh sẽ di chuyển, làm thay đổi từ trường và tạo ra dòng điện xoay chiều AC trong cuộn dây, với độ lớn dòng điện tỷ lệ thuận với tốc độ của đĩa răng.
Hình 2.7: Cách bố trí cảm biến tốc độ bánh xe và đĩa răng
Để đảm bảo tín hiệu mạnh và chính xác từ đầu cảm biến đến đĩa răng, cần có khoảng hở phù hợp Do đó, việc kiểm tra và vệ sinh cảm biến là cần thiết khi tín hiệu bị suy giảm.
Tổng quan về hệ thống TCS
Trong quá trình vận hành, ô tô phải đối mặt với nhiều điều kiện chuyển động thay đổi liên tục, bao gồm mặt đường, độ dốc và hướng gió Những yếu tố này ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của xe, khiến cho cả tốc độ và lực kéo luôn biến đổi, ngay cả trong những điều kiện lý tưởng nhất.
Khi ô tô di chuyển trên đường xấu, lực kéo tại các bánh xe chủ động cần phải lớn hơn, dẫn đến việc công suất động cơ giảm và lực cản trong hệ thống truyền lực tăng Các nguyên nhân như chi tiết bị mòn, điều chỉnh không đúng yêu cầu, đặc tính kỹ thuật không phù hợp, cũng như sự thay đổi về nhiên liệu và dầu bôi trơn đều ảnh hưởng đến tính năng cơ động của ô tô.
36 điều kiện bám của bánh xe trên mặt đường xấu và lực cản lăn tăng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất vận hành Để cải thiện tình trạng này cho xe thường xuyên di chuyển trên đường xấu, cần tăng đường kính và bề rộng lốp, cũng như giảm áp suất bơm Việc giảm áp suất bơm giúp giảm lực cản lăn, nhưng lại làm tăng sự biến dạng của lốp, dẫn đến mômen bám tăng và có thể gây hư hại mặt đường cũng như làm cho bánh xe dễ bị trượt Ngược lại, tăng áp suất bơm sẽ làm tăng sự biến dạng của mặt đường.
Trên những mặt đường có hệ số bám thấp như đường tuyết, đường băng hay đường trơn, bánh xe chủ động có thể quay tại chỗ khi xe tăng tốc đột ngột, dẫn đến mất mát mômen kéo và nguy cơ xe bị trượt Điều này khiến việc duy trì mômen phù hợp với hệ số bám trở nên khó khăn cho người lái.
Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) được trang bị trên nhiều loại xe hiện nay nhằm giảm mômen kéo từ động cơ khi bánh xe trượt quay, hoạt động độc lập với ý định của người lái Đồng thời, TCS cũng điều khiển hệ thống phanh để giảm mômen truyền đến mặt đường một cách hợp lý, giúp tăng tốc ô tô một cách nhanh chóng và ổn định.
Hệ thống TCS (Traction Control System) hoạt động khi xe tăng tốc, ngược lại với hệ thống ABS (Anti-lock Braking System) hoạt động khi xe giảm tốc Mặc dù hai hệ thống này có chức năng khác nhau, chúng lại có nhiều điểm chung Hệ thống ABS sử dụng cảm biến trượt để phát hiện hiện tượng trượt của lốp khi phanh, từ đó điều chỉnh lực phanh nhằm duy trì sự tiếp xúc tối ưu giữa lốp và mặt đường Đặc biệt, một số hãng xe như Toyota đã tích hợp cả hai hệ thống này trong cùng một bộ ECU, giúp giảm bớt số lượng thiết bị cần thiết.
Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) xuất hiện từ giữa thập niên 80, được phát triển tại phòng thí nghiệm của tập đoàn Bosch (Đức) TCS có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường, đảm bảo an toàn trong quá trình kéo của xe.
The TCS system was first implemented in the Mercedes-Benz W126 S-Class It was later adopted by Toyota in the 1994 Supra Turbo and subsequently integrated into the 1997 Camry and Avalon models.
Hệ thống TCS không ảnh hưởng đến hoạt động của xe cho đến khi phát hiện bánh sau quay nhanh hơn bánh trước, lúc này, phanh điện tử và kiểm soát trượt (EBTCM) sẽ trì hoãn việc đánh lửa lại Nếu tình trạng này tiếp tục, EBTCM sẽ yêu cầu đóng cánh lướt gió, giảm mômen xoắn đến bánh sau Khi bánh sau quay cùng tốc độ với bánh trước, quyền điều khiển sẽ được trả lại cho người lái Trong chế độ kiểm soát trượt, nếu phanh chỉ áp dụng cho một bánh sau, mômen xoắn sẽ được truyền đến bánh còn lại, cải thiện độ trượt của xe Việc hãm này được thực hiện bằng cách cô lập van của xi lanh chính của TCS, làm tắt hệ thống Van chính mở ra cho dầu phanh vào hệ thống, giúp hệ thống chống trượt hoạt động hiệu quả khi xe khởi hành hoặc tăng tốc trên đường trơn trượt, tối ưu hóa lực kéo mà không gây quay bánh xe.
Việc sử dụng Hệ thống Kiểm soát Tr traction (TCS) mang lại nhiều lợi ích trong việc ngăn chặn hiện tượng bánh xe bị trượt khi khởi động hoặc tăng tốc trên bề mặt đường trơn trượt TCS đặc biệt hiệu quả khi xử lý tình huống tăng tốc vào cua và khởi động trên các đoạn đường nghiêng, giúp cải thiện độ bám đường và tăng cường an toàn cho người lái.
- Tránh tình trạng xe không ổn định và do đó tăng cường an toàn khi lái xe
- Tăng lực kéo do điều tiết độ trượt tối ưu
- Mô phỏng theo chức năng của khóa vi sai ngang
- Mô phỏng theo chức năng của khóa vi sai dọc với xe dẫn động bốn bánh
- Tự động điều khiển công suất động cơ
- Không bị “mài” lốp khi đánh lái vào cua hẹp (không giống với khóa vi sai cơ học)
- Giảm mài mòn lốp xe
Giảm mài mòn cho các cơ cấu truyền động như hộp số và vi sai là rất quan trọng, đặc biệt khi bánh xe đột ngột quay trên mặt đường có độ bám tốt.
- Đèn cảnh báo thông báo cho người lái xe trong các tình huống gần đến giới hạn nguy hiểm về thể chất
- Sử dụng hiệu quả gấp đôi các bộ phận thủy lực ABS hiện có
Hình 2.37: Hoạt động của hệ thống TCS khi phanh bình thường
Khi đạp phanh, tất cả các solenoid trong hệ thống TCS sẽ tắt, dẫn đến áp suất dầu trong xi lanh chính tác động lên các xi lanh bánh xe thông qua solenoid, cắt kết nối giữa xi lanh chính và solenoid 3 vị trí ABS Sau khi nhả phanh, dầu phanh sẽ được hồi từ các xi lanh bánh xe về xi lanh chính.
Bảng 2.3: Trạng thái hoạt động của hệ thống TCS khi phanh bình thường
Solenoid cắt xi lanh chính Tắt Mở
Solenoid cắt bình tích năng Tắt Đóng
Solenoid cắt bình dầu Tắt Đóng
Solenoid 3 vị trí ABS Tắt Cửa A mở, cửa B đóng
Khi các bánh xe chủ động trượt quay trong quá trình tăng tốc, ECU sẽ điều chỉnh mômen kéo từ động cơ và phanh các bánh xe để ngăn ngừa hiện tượng này Áp suất dầu trong mỗi xi lanh bánh xe tại cầu chủ động được điều khiển độc lập với ba chế độ: tăng áp, giữ áp và giảm áp.
Hình 2.38: Hoạt động của hệ thống TCS khi tăng tốc ở chế độ tăng áp
Khi tăng tốc và một bánh xe chủ động bắt đầu bị trượt, ECU phát tín hiệu để bật tất cả các solenoid của hệ thống TCS
Khi solenoid 3 vị trí ABS chuyển sang chế độ tăng áp, áp suất dầu được tăng cường đến các bánh xe Đồng thời, solenoid cắt xi lanh chính sẽ đóng lại, trong khi solenoid cắt bình tích năng mở ra, cho phép dầu cao áp từ bình tích năng tác động lên xi lanh bánh xe thông qua các solenoid này.
Khi công tắc áp suất phát hiện sự giảm áp suất trong bình tích năng, không phụ thuộc vào hoạt động của hệ thống TCS, ECU sẽ kích hoạt bơm của hệ thống TCS để khôi phục áp suất dầu.
Bảng 2.4: Trạng thái hoạt động của hệ thống TCS khi tăng tốc ở chế độ tăng áp
Solenoid cắt xi lanh chính Bật Đóng
Solenoid cắt bình tích năng Bật Mở
Solenoid cắt bình dầu Bật Mở
Solenoid 3 vị trí ABS Tắt Cửa A mở, cửa B đóng
Hình 2.39: Hoạt động của hệ thống TCS khi tăng tốc ở chế độ giảm áp
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu các phần mềm
Matlab/Simulink là một môi trường tính toán số và lập trình do công ty MathWorks phát triển Nó cho phép thực hiện các phép toán với ma trận, vẽ đồ thị hàm số, thực hiện thuật toán, tạo giao diện người dùng và kết nối với các phần mềm khác viết bằng ngôn ngữ lập trình khác Matlab giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán kỹ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C và C++.
Matlab/Simulink là công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực như xử lý tín hiệu, hình ảnh, truyền thông, thiết kế bộ điều khiển tự động, đo lường và kiểm tra Nó cũng được sử dụng trong phân tích mô hình tài chính và tính toán sinh học Với hàng triệu kỹ sư và nhà khoa học làm việc trong cả môi trường công nghiệp và hàn lâm, Matlab/Simulink đã trở thành ngôn ngữ chủ chốt cho các tính toán khoa học.
CarSim là phần mềm mô phỏng 3D được phát triển bởi Mechanical Simulation Corp tại Michigan, ra mắt năm 1996 và hiện được sử dụng bởi hơn 30 nhà sản xuất và 150 trường đại học toàn cầu Phần mềm này mô phỏng chuyển động của các loại xe như xe đua, xe khách và xe tải nhẹ, hỗ trợ thiết kế, phát triển và kiểm định hệ thống ô tô Người dùng có thể điều chỉnh các thông số để tối ưu hóa khí động học, kiểm tra khung sườn và đánh giá ảnh hưởng của hệ thống treo, lái, phanh đến hiệu suất xe CarSim còn phân tích hiệu suất ô tô dựa trên sự thay đổi của các hệ thống truyền lực và điều khiển trong các điều kiện môi trường khác nhau, thông qua các lực và mômen tác động trong quá trình tăng tốc, ổn định và phanh.
CarSim là phần mềm mô phỏng xe với hình ảnh sống động, cung cấp hơn 800 phương trình phân tích và tính toán Phần mềm này hỗ trợ xuất file dưới nhiều định dạng như Matlab và Excel Với giao diện hiện đại, người dùng có thể nhanh chóng mô phỏng và đồ thị hóa các kết quả, giúp tối ưu hóa quá trình phân tích và nghiên cứu.
Chúng tôi cung cấp 58 cụ phân tích linh hoạt và tương tác cao, giúp bạn dễ dàng xuất dữ liệu và tích hợp vào các bản báo cáo cũng như thuyết trình.
CarSim sử dụng các phép toán được xây dựng từ lý thuyết vững chắc và đã được kiểm nghiệm thực tế, đảm bảo độ chính xác trong mô phỏng Phần mềm VehicleSim Lisp giúp tổng hợp và phân tích các phương trình tính toán, cung cấp các phương trình phi tuyến chính xác cho các mô phỏng phức tạp, tối ưu hóa quá trình tính toán Bên cạnh đó, Matlab/Simulink được phát triển trên nền tảng Visual Basic và C++, cho phép người dùng tùy biến và xây dựng các công cụ hỗ trợ một cách dễ dàng.
Cơ sở lý thuyết về hệ thống ABS
3.2.1 Đặc tính của ma sát
Ma sát là lực cản giữa hai vật khi chúng tiếp xúc, và nó phụ thuộc vào lực tác dụng lên bề mặt, độ phẳng cũng như loại vật liệu của các bề mặt tiếp xúc.
Khi bắt đầu kéo một vật từ trạng thái đứng yên, chúng ta cần nhiều sức lực hơn so với khi kéo vật đó đang trong trạng thái chuyển động Điều này cho thấy rằng ma sát tĩnh lớn hơn ma sát động, vì vậy việc khởi động chuyển động khó khăn hơn so với việc duy trì chuyển động.
Hình 3.1: Ma sát tĩnh và ma sát động
Hệ thống phanh ô tô hoạt động dựa trên hai loại lực ma sát chính: ma sát giữa má phanh và đĩa phanh (hoặc trống phanh) và ma sát giữa bánh xe với mặt đường.
Nếu ma sát của hệ thống phanh nhỏ hơn ma sát giữa bánh xe và mặt đường thì xe không thể giảm tốc nhanh chóng được
Khi ma sát của hệ thống phanh vượt quá ma sát giữa bánh xe và mặt đường, bánh xe sẽ bị hãm cứng và trượt trên mặt đường Do ma sát động thấp hơn ma sát tĩnh, sự trượt của bánh xe càng nhiều sẽ làm giảm hiệu quả phanh, dẫn đến mất ổn định trong việc điều khiển xe.
Hệ thống ABS trên xe điều chỉnh áp lực dầu lên các xi lanh bánh xe, giúp các bánh xe giảm tốc độ đồng đều và tránh hãm cứng Điều này cải thiện sự ổn định hướng lái, đặc biệt khi phanh đột ngột.
3.2.2 Hệ số trượt và hệ số bám khi phanh
Trong tính toán động lực học quá trình phanh ô tô, hệ số bám thường được lấy từ dữ liệu hóa trước Hệ số này được xác định qua thực nghiệm khi bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn, tức là bánh xe trượt lết Tuy nhiên, hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường không chỉ phụ thuộc vào tình trạng mặt đường mà còn chịu ảnh hưởng đáng kể từ độ trượt tương đối giữa bánh xe và mặt đường trong quá trình phanh.
Hình 3.2: Sơ đồ các lực tác dụng lên bánh xe khi phanh
60 Độ trượt tương đối (khi phanh) được xác định theo công thức: b b p v r v
- v: vận tốc chuyển động của ô tô
- b : vận tốc góc của bánh xe khi đang quay
- r b : bán kính tính toán của bánh xe
Việc xác định độ trượt tương đối của bánh xe là quan trọng vì nó liên quan đến lực bám dọc và khả năng tăng/giảm tốc của ô tô
Hệ số bám dọc là tỷ số giữa lực phanh tiếp tuyến giữa bánh xe và mặt đường
Fpvà tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe G b : x p b
Với công thức trên thì hệ số bám dọc x bằng 0 khi lực phanh tiếp tuyến F p bằng 0, nghĩa là khi chưa phanh
Nghiên cứu cho thấy hệ số bám dọc đạt cực đại tại độ trượt tương đối tối ưu, ký hiệu là p,0, với giá trị thường nằm trong khoảng 10 đến 30% Tại mức độ trượt này, không chỉ hệ số bám dọc đạt cực đại mà hệ số bám ngang cũng duy trì giá trị cao, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
Để đạt được lực phanh cực đại và hiệu quả phanh tốt nhất, quá trình phanh cần duy trì độ trượt tương đối tối ưu p,0 Hệ thống phanh thường được trang bị thêm hệ thống ABS nhằm giữ cho độ trượt luôn nằm trong giới hạn hẹp quanh giá trị này, từ đó đảm bảo tính ổn định và khả năng dẫn hướng khi phanh với các giá trị cao của x,max và y.
Do đó, hệ thống ABS dựa trên các nguyên lý điều chỉnh sau:
- Theo gia tốc góc chậm dần của bánh xe được phanh ( )
- Theo giá trị độ trượt tương đối cho trước ( p )
- Theo giá trị của tỷ số giữa vận tốc góc của bánh xe và gia tốc góc chậm dần của nó
Hệ thống ABS được phát triển nhằm nâng cao hiệu quả phanh và điều chỉnh áp suất trong hệ thống phanh, giúp duy trì độ trượt tương đối giữa các bánh xe và mặt đường ổn định quanh giá trị p,0 trong một khoảng hẹp.
Mặt đường trơn với hệ số ma sát thấp, chẳng hạn như đường nhựa ướt, sẽ dẫn đến lực phanh giảm và quãng đường phanh kéo dài hơn so với đường bê tông khô.
Đồ thị trong Hình 3.3 minh họa sự biến đổi của lực phanh và lực quay vòng theo hệ độ trượt Khi độ trượt tương đối tăng từ 10% đến 30%, lực phanh của bánh xe gia tăng nhanh chóng Lực phanh đạt giá trị cực đại tại độ trượt khoảng 25%, nhưng sau đó, khi độ trượt tiếp tục tăng, lực phanh có xu hướng giảm.
Ngày nay, nhiều ô tô áp dụng các khái niệm đường cong, trong đó hệ thống ABS (Hệ thống phanh chống bó cứng) là nổi bật nhất Hệ thống này hoạt động bằng cách xác định độ trượt tương đối của bánh xe, nhận diện khi nào bánh xe sắp bị khóa cứng và tự động giảm áp suất phanh để ngăn chặn hiện tượng trượt, giúp duy trì sự kiểm soát và an toàn khi lái xe.
3.2.3 Sự lệch hướng của ô tô khi phanh
Khi ô tô phanh, tải trọng bị dồn lên cầu trước và tải trọng của cầu sau giảm, khiến cho xe chuyển động không ổn định
Nếu bánh xe bị hãm cứng sẽ làm cho xe không thể chuyển hướng được theo sự điều khiển của người lái
Thực tế vào cuối quá trình phanh, trục dọc bị lệch một góc γ so với hướng chuyển động ban đầu:
Từ công thức trên, γ tỷ lệ nghịch với bình phương hệ số bám ngang y
Hình 3.4: Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ô tô khi phanh mà có hiện tượng quay xe do lực phanh phân bố không đều
Khi độ trượt tương đối p tăng, tính ổn định của ô tô giảm sút Điều này có nghĩa là chỉ cần một lực ngang nhỏ tác động lên ô tô cũng đủ làm xe quay vòng Tóm lại, khi γ tăng, sự ổn định của xe sẽ bị ảnh hưởng tiêu cực.
3.2.4 Tác hại của trượt lết khi phanh
Khi phanh, ma sát giữa má phanh và đĩa phanh làm giảm tốc độ quay của bánh xe, và sau đó, ma sát giữa bánh xe và mặt đường giúp xe dừng lại Nếu phanh đột ngột và bánh xe bị bó cứng, lực quán tính sẽ khiến bánh xe trượt trên mặt đường.
Khi bánh xe bị trượt lết, ma sát giữa bánh xe và mặt đường là ma sát động Nếu hệ thống phanh giảm tốc độ quay của bánh xe một cách từ từ, ma sát giữa bánh xe và mặt đường sẽ là ma sát tĩnh Ma sát tĩnh hiệu quả hơn trong việc hãm bánh xe so với ma sát động, do đó, hiện tượng trượt lết làm giảm hiệu quả phanh và ảnh hưởng đến tính dẫn hướng cũng như ổn định khi phanh.
Cơ sở lý thuyết về hệ thống TCS
Góc đánh lái của bánh trước được ký hiệu là , trong khi lực dọc của lốp ở các bánh trước trái, trước phải, sau trái và sau phải lần lượt được ký hiệu là F xfl, F xfr, F xrl và F xrr Lực bên tại các lốp cũng được ký hiệu tương ứng với các vị trí bánh xe.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các lực tác động lên các điểm F yfr, F yrl và F yrr, cùng với phương trình chuyển động của thân xe Phương trình này bao gồm các thành phần như xfl, xfr, yfl, yfr, z, và các lực F, cho thấy mối quan hệ giữa các lực và chuyển động của xe Các yếu tố như trọng lượng và góc tác động cũng được đưa vào phương trình, giúp hiểu rõ hơn về sự cân bằng và chuyển động của xe dưới tác động của các lực khác nhau.
- l f : khoảng cách theo chiều dọc từ trọng tâm đến bánh xe trước
- l r : khoảng cách theo chiều dọc từ trọng tâm đến bánh xe sau
- l w : khoảng cách giữa bánh xe trái và bánh xe phải (chiều rộng) tương ứng
3.3.2 Góc trượt và tỷ số trượt
Xác định góc trượt ở lốp trước và lốp sau như sau: f f r r y l x y l x
Xác định tỷ số trượt dọc của mỗi bánh xe bằng các phương trình sau:
- Khi tăng tốc: x eff w eff w r x r
Sự trượt bánh xe, xảy ra do sự biến dạng của rãnh trên lốp trong quá trình tăng tốc và giảm tốc, được xác định các công thức:
Độ trượt tương đối khi kéo được xác định theo công thức sau: w b k w b w b r v
- v: vận tốc chuyển động của ô tô
- w : vận tốc góc của bánh xe khi đang quay
- r b : bán kính tính toán của bánh xe
3.3.3 Phương trình mô hình lốp theo chiều dọc kết hợp Đặt độ cứng khi vào cua của mỗi lốp được tính bằng C và độ cứng dọc của lốp bằng C Sau đó, lực dọc của mỗi lốp được đưa ra bởi (Dugoff, et., 1969)
Và lực ngang của lốp đưa ra bởi: y tan( )
- F z là lực dọc của lốp
- là hệ số ma sát giữa lốp và đường
Vậy ta tính được lực lốp dọc F xfl , F xfr , F xrl và F xrr và lực lốp ngang F yfl , F yfr ,
Trong quá trình tính toán lực dọc và lực ngang cho từng bánh xe, cần lưu ý rằng góc trượt và tỷ số trượt của mỗi bánh xe tương ứng phải được áp dụng một cách chính xác.
3.3.4 Động lực học bánh xe Động lực quay của 4 bánh xe được cho bởi các phương trình cân bằng mômen sau: w fl dfl bfl eff xfl w fr dfr bfr eff xfr w rl drl brl eff xrl w rr drr brr eff xrr
Mômen truyền động và mômen phanh được định nghĩa cho từng bánh xe của xe, bao gồm T dfl, T dfr, T drl và T drr cho bánh trước trái, bánh trước phải, bánh sau trái và bánh sau phải, cùng với T bfl, T bfr, T brl và T brr cho mômen phanh ở các bánh tương ứng.
Mômen phanh tại mỗi bánh xe phụ thuộc vào áp suất phanh, diện tích hãm của bánh xe, hệ số ma sát phanh và bán kính phanh Cụ thể, mômen phanh ở bánh trước bên trái liên quan đến áp suất phanh tại bánh này thông qua một phương trình cụ thể.
Các phương trình tương tự có thể được thiết lập cho áp suất phanh P bfr, P brl và P brr tại các bánh xe, bao gồm bánh trước bên phải, bánh sau bên trái và bánh sau bên phải.
Hình 3.7: Cấu trúc của hệ thống điều khiển ổn định điện tử
Bộ điều khiển phía trên được thiết kế để đảm bảo sự ổn định trong việc điều khiển hàm và có khả năng điều chỉnh bất kỳ giá trị mong muốn nào của mômen xoắn Nó sử dụng dữ liệu từ các cảm biến như cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến tốc độ chụm, cảm biến gia tốc bên và cảm biến góc lái Dựa trên các phép đo này và các quy tắc điều khiển sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo, bộ điều khiển tính toán giá trị mong muốn cho mômen xoắn.
Bộ điều khiển phía dưới đảm bảo rằng mômen xoắn mong muốn từ bộ điều khiển phía trên được thực hiện chính xác thông qua hệ thống phanh vi sai Nó điều chỉnh áp suất phanh cho từng bánh xe trong số 4 bánh, sử dụng động lực quay của bánh xe để cung cấp mômen xoắn cần thiết cho xe Giả thiết cho rằng động lực học của bánh xe quay nhanh hơn động lực học tổng thể của xe.
3.3.6 Tỷ lệ góc xoay mong muốn (Desired Yaw Rate)
Chúng ta đã thấy rằng góc lái trạng thái ổn định để thỏa thuận đường tròn bán kính R được cho bởi: ss l f l r K a v y
= + + Trong đó K v là gradient bên dưới và được xác định bởi: r f v f f r r f r l m l m
Trong đó C f và C r lần lượt là độ cứng khi vào cua của mỗi lốp trước và sau
Do đó, mối quan hệ ở trạng thái ổn định giữa góc lái và bán kính quỹ đạo của xe là:
Và bán kính có thể được biểu thị theo góc lái như: ss 2 r r f f f r f r
Chiều dài cơ sở của xe được biểu thị bằng công thức L = + f l r Tỷ lệ góc xoay mong muốn cho xe có thể được xác định từ góc lái, tốc độ xe và các thông số kỹ thuật khác của xe, cụ thể là des 2 r r f f f r f r x x mx (l C l C ).
Trong phương trình, C f và C r đại diện cho góc cua, với độ cứng của từng lốp trước và sau được giả định là bằng nhau Nếu độ cứng khi vào cua của lốp trước và lốp sau tương đương, thì ta có C f = C r = C.
3.3.7 Góc trượt bên mong muốn (Desired Side-slip Angle)
Sai số góc xoay ở trạng thái ổn định khi vào cua là:
+ Góc trượt ở trạng thái ổn định của xe là: = −e 2 _ ss
Biểu thức cho góc trượt ở trạng thái dừng liên quan đến vận tốc và bán kính đường Nó có thể được điều chỉnh để thể hiện góc trượt trạng thái ổn định thông qua góc lái ở trạng thái ổn định.
Góc lái trạng thái ổn định:
Do đó, độ cong của đường có thể được biểu thị bằng: ss 2 r r f f f r f r
Góc trượt ở trạng thái ổn định là: r f 2 r f r
Mà sau khi đơn giản hóa trở thành: f 2 r r f r des 2 ss r r f f f r f r f r l l mV
Lưu ý: Biểu thức trên giả định rằng độ cứng khi vào cua của mỗi lốp trước là
C f và của mỗi lốp sau là C r
Công thức này diễn tả góc trượt mong muốn dựa trên các yếu tố như góc lái của người lái, vận tốc di chuyển của xe và các thông số kỹ thuật của xe.
3.3.8 Giá trị giới hạn trên của tỷ lệ góc xoay mục tiêu và góc trượt
Tốc độ trượt mong muốn không phải lúc nào cũng đạt được do ảnh hưởng của hệ số ma sát giữa lốp và mặt đường Việc cố gắng tăng tốc độ trượt trong điều kiện ma sát không đủ có thể gây nguy hiểm Do đó, tốc độ trượt cần được điều chỉnh phù hợp với hệ số ma sát của mặt đường để đảm bảo an toàn khi lái xe.
Gia tốc ngang tại trọng tâm (c.g.) của xe được cho bởi: y _ cg a = +x y
Vìy x tan( ) = , gia tốc bên có thể liên quan đến tốc độ nghiêng và góc trượt của xe theo phương trình: y _ cg
Gia tốc bên phải được giới hạn bởi hệ số ma sát đường như sau: ay _ cg g
THIẾT LẬP MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
Mô phỏng hệ thống ABS
Bộ điều khiển nhận 3 tín hiệu là tốc độ chuyển động của ô tô, tốc độ góc của các bánh xe và áp suất phanh tại xi lanh chính
Hình 4.1: Hệ thống ABS trên Simulink
Khi ô tô di chuyển, cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc đo tốc độ của các bánh xe và gửi thông tin về hệ thống ABS Hệ thống ABS tiếp nhận và xử lý tín hiệu này, sau đó truyền lệnh đến bộ chấp hành phanh Thông tin áp suất phanh tại xi lanh chính được gửi trực tiếp đến bộ chấp hành phanh để điều chỉnh áp suất phanh cho cả bốn bánh xe.
Hệ thống ABS nhận tín hiệu từ cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc của các bánh xe để theo dõi tốc độ chuyển động của ô tô Hệ thống này xử lý độ trượt tương đối của bốn bánh xe dựa trên công thức p v b b r v.
Khi độ trượt tương đối vượt quá ngưỡng quy định, tín hiệu sẽ được truyền đến bộ điều khiển Tín hiệu đầu ra từ bộ điều khiển, có thể là loại On/Off hoặc PID Controller, sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại bộ điều khiển sử dụng Cuối cùng, tín hiệu đầu ra này sẽ được gửi đến bộ chấp hành phanh để thực hiện các điều chỉnh cần thiết.
Hình 4.2: Bộ điều khiển trong hệ thống ABS
Sau khi bộ điều khiển xử lý thông tin và truyền đến bộ chấp hành phanh, tín hiệu được chia cho từng bánh xe theo thứ tự bánh trước trái, bánh trước phải, bánh sau trái và bánh sau phải qua Demux Tín hiệu này sau đó được nhân với áp suất phanh tại xi lanh chính và đi qua hàm truyền Transfer Fcn, thể hiện độ trễ của hệ thống thủy lực hoặc độ trễ cơ khí của solenoid Cuối cùng, tín hiệu được truyền ra để điều khiển áp suất phanh tại từng bánh xe, thực hiện quá trình phanh hiệu quả.
Hình 4.3: Bộ chấp hành phanh ABS
4.1.1 Thiết lập điều kiện mô phỏng
Chọn loại xe để mô phỏng là B-Class Hatchback với khối lượng thân xe là 1110 kg, chiều dài cơ sở là 2600 mm, chiều rộng cơ sở là 1695 mm
Hình 4.4: Thông số kỹ thuật của xe
Ô tô di chuyển với vận tốc ban đầu 70 km/h trên đường cong có hệ số bám 0.4 Khi đạp phanh từ giây thứ 2 đến giây thứ 2.2, áp suất trong xi lanh chính đạt 15 MPa.
Hình 4.5: Thiết lập áp suất phanh
Hình 4.6: Thiết lập điều kiện mô phỏng
Hình 4.7: Thiết lập điều kiện mặt đường mô phỏng
4.1.2 Bộ điều khiển On – Off Controller
Hình 4.8: Bộ điều khiển On – Off Controller
Hình 4.9: ABS – ON/OFF Controller Model
Sau khi xử lý độ trượt tương đối của từng bánh xe, tín hiệu được gửi đến bộ điều khiển On – Off, phân chia thành hai tín hiệu cho bánh xe cầu trước và cầu sau Tín hiệu ‘0’ biểu thị việc nhả phanh, trong khi tín hiệu ‘1’ kích hoạt phanh bánh xe Tín hiệu này sau đó được truyền qua bộ giới hạn tốc độ, có nhiệm vụ kiểm soát tốc độ các bánh xe dựa trên độ trượt tương đối và tín hiệu tăng cường lực phanh Hệ thống ABS sẽ ngừng hoạt động khi tốc độ ô tô dưới 3 km/h Cuối cùng, tín hiệu từ bộ giới hạn tốc độ sẽ được gửi đến bộ điều khiển của bốn bánh xe thông qua bộ chấp hành phanh.
4.1.2.1 Mô phỏng hệ thống ABS Controller Điều chỉnh thông số hệ thống ABS Controller trên CarSim
Hình 4.12: Thiết lập thông số ABS trên CarSim
Hình 4.13: Thiết lập điều kiện mô phỏng
Hình 4.14: Thiết lập áp suất phanh
Hình 4.15: Thiết lập độ bám mặt đường
Hình 4.16: Thiết lập loại đường
Hình 4.17: Đồ thị biểu diễn vận tốc của các bánh xe sử dụng ABS Controller
Hình 4.18: Đồ thị biểu diễn áp suất phanh của các bánh xe sử dụng ABS
Hình 4.19: Đồ thị biểu diễn quãng đường phanh của xe sử dụng ABS Controller
Hình 4.20: Đồ thị biểu diễn vận tốc của xe sử dụng ABS Controller
4.1.2.2 Mô phỏng hệ thống No – ABS Controller
Hình 4.21: Thiết lập thông số ABS trên CarSim
Hình 4.22: Thiết lập loại đường
Hình 4.23: Đồ thị biểu diễn vận tốc của từng bánh xe sử dụng No – ABS
Hình 4.24: Đồ thị biểu diễn vận tốc của xe sử dụng No – ABS Controller
Hình 4.25: Đồ thị biểu diễn quãng đường phanh của xe sử dụng No – ABS
Hình 4.26: Đồ thị biểu diễn áp suất phanh của từng bánh xe sử dụng No – ABS
Phương trình hằng số tỷ lệ: p U(s) p u(t) k e(t) C(s) k
= E(s) = Hàm truyền vòng lập kín: 2 p 0
+ + + + Điều khiển P có thể làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách thay đổi tần số tự nhiên
= + Để đảm bảo tính ổn định, chúng ta cần: a 1 0 và (a 0 +k b ) p 0 0
Thiết kế và điều chỉnh điều khiển P (P Controller) cho hệ thống ABS trong CarSim và Matlab-Simulink, bạn có thể thực hiện các bước sau:
Xây dựng mô hình xe ô tô và hệ thống ABS trong CarSim, bao gồm các thành phần phanh, cảm biến và tín hiệu điều khiển
Xác định các thông số và đặc tính của hệ thống ABS, bao gồm hệ số ma sát, áp suất, thời gian đáp ứng, và các thông số khác
Sử dụng phần mềm CarSim để mô phỏng và đánh giá hiệu suất của hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) trong các tình huống và điều kiện khác nhau Phân tích độ trượt, khoảng cách dừng và tính ổn định của hệ thống là những yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Tạo mô hình điều khiển P controller cho hệ thống ABS trong Simulink dựa trên kết quả xuất ra từ phần mềm CarSim Sử dụng các khối và phương trình tương ứng để mô tả các thành phần và tương tác trong hệ thống, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống phanh.
Xác định hệ số tỷ lệ cho bộ điều khiển P là bước quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng yêu cầu điều khiển của hệ thống ABS Điều chỉnh giá trị của hệ số này giúp cải thiện khả năng phản hồi và ổn định cho hệ thống.
Sử dụng Simulink để mô phỏng và phân tích hiệu suất của hệ thống ABS với khối điều khiển P controller, giúp đánh giá các yếu tố quan trọng như độ trượt, thời gian đáp ứng và tính ổn định của hệ thống.
Tối ưu hóa hệ số tỷ lệ trong điều khiển P là cần thiết để cân bằng hiệu suất và ổn định Việc sử dụng các phương pháp tối ưu hóa hoặc thuật toán điều khiển PID giúp điều chỉnh hệ số tỷ lệ một cách hiệu quả Đánh giá và phân tích kết quả điều khiển P trong hệ thống ABS được thực hiện thông qua video và đồ thị từ CarSim và Matlab-Simulink Dựa trên những phân tích này, cần nhận xét và điều chỉnh các thông số điều khiển nếu cần thiết nhằm đảm bảo hiệu suất và tính an toàn của hệ thống.
Thiết lập mô phỏng bằng cách đặt giá trị độ trượt tương đối là 0.3, sau đó trừ đi tín hiệu đã xử lý của độ trượt tại mỗi bánh xe thông qua bộ điều khiển P Kết quả sẽ được truyền đến bộ điều khiển của 4 bánh xe qua bộ chấp hành phanh ABS.
Hình 4.27: Bộ điều khiển P Controller
Chúng ta thực hiện mô phỏng với nhiều hệ số k p của P Controller để chọn được hệ số k p đạt được tối ưu phanh
Bảng 4.1: Hệ số k p tối ưu của P Controller trong hệ thống ABS
Vị trí các bánh xe kp
Hình 4.28: Mô phỏng hai xe sử dụng P Controller và ABS Controller
Sau khi thử nghiệm hệ thống phanh ABS trên xe đỏ và hệ thống P Controller trên xe xanh trong CarSim, kết quả cho thấy xe xanh có hiệu quả phanh tốt hơn xe đỏ.
Hình 4.29: Đồ thị biểu diễn vận tốc của các bánh xe khi sử dụng P Controller
Hình 4.30: Đồ thị biểu diễn áp suất phanh của các bánh xe sử dụng P Controller
Hình 4.31: Đồ thị biểu diễn quãng đường phanh của hai xe sử dụng P Controller
Hình 4.32: Đồ thị biểu diễn vận tốc của hai xe sử dụng P Controller
4.1.4 Bộ điều khiển PI Controller
Phương trình hằng số tỷ lệ - tích phân: t p i
0 u(t)=k e(t)+k e( )d U(s) E(s) = C(s) = k p + k s i Hàm truyền vòng lập kín:
Cách thiết kế và điều chỉnh bộ điều khiển PI cho hệ thống ABS trong CarSim và Matlab-Simulink tương tự như bộ điều khiển P Tuy nhiên, trong Matlab-Simulink, cần chú ý đến việc điều chỉnh các tham số để tối ưu hóa hiệu suất của bộ điều khiển PI.
- Tạo mô hình điều khiển PI cho hệ thống ABS trong Simulink Sử dụng các khối PID Controller hoặc khối tương tự để xây dựng bộ điều khiển PI
Để đạt được hiệu suất tối ưu trong hệ thống điều khiển PI cho ABS, cần xác định hệ số tỷ lệ (Proportional Gain) và hệ số tích phân (Integral Gain) Việc điều chỉnh giá trị của các hệ số này là rất quan trọng để đáp ứng yêu cầu điều khiển của hệ thống.
Mô phỏng hệ thống TCS
Bộ điều khiển nhận 4 tín hiệu quan trọng: tốc độ di chuyển của ô tô, tốc độ góc của các bánh xe, áp suất phanh tại xi lanh chính và độ mở bướm ga.
Hình 4.41: Hệ thống TCS trên Simulink
Khi ô tô tăng tốc, góc mở của bướm ga gia tăng, và hệ thống ABS nhận thông tin từ cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc của các bánh xe Hệ thống này xử lý tín hiệu để gửi đến bộ chấp hành phanh Dữ liệu áp suất phanh từ xi lanh chính được truyền trực tiếp đến bộ chấp hành, cho phép điều khiển áp suất phanh tại cả 4 bánh xe một cách hiệu quả.
Hình 4.42: Đồ thị độ mở bướm ga
Hệ thống TCS (Hệ thống kiểm soát lực kéo) nhận tín hiệu từ cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc của bánh xe để theo dõi tốc độ chuyển động của ô tô Hệ thống này sẽ xử lý độ trượt tương đối của bốn bánh xe bằng cách áp dụng công thức: k b b b b r v r.
Khi r b b v, tín hiệu độ trượt tương đối sẽ được gửi đến bộ điều khiển Tùy thuộc vào loại bộ điều khiển, như On/Off Controller hoặc PID Controller, tín hiệu đầu ra sẽ khác nhau và được truyền đến bộ chấp hành phanh.
Hình 4.43: Bộ điều khiển trong hệ thống TCS
Sau khi bộ điều khiển xử lý thông tin và gửi tín hiệu đến bộ chấp hành phanh, tín hiệu được chia ra cho từng bánh xe theo thứ tự: trước – trái, trước – phải, sau – trái và sau – phải, rồi qua Gain Tín hiệu này sau đó được nhân với áp suất phanh tại xi lanh chính, truyền qua hàm truyền Transfer Fcn để điều khiển áp suất phanh tại mỗi bánh xe, từ đó thực hiện quá trình phanh Transfer Fcn thể hiện độ trễ của hệ thống thủy lực hoặc độ trễ cơ khí của solenoid trong hệ thống phanh.
Hình 4.44: Bộ chấp hành phanh TCS
4.2.1 Thiết lập điều kiện mô phỏng
Thiết lập ô tô chuyển động trên đường với vận tốc ban đầu là 0 km/h và xe chạy trên đường trơn với hệ số bám là 0.3
Chọn loại xe để mô phỏng là B-Class Hatchback với khối lượng thân xe là 1110 kg, chiều dài cơ sở là 2600 mm, chiều rộng cơ sở là 1695 mm
Hình 4.45: Điều kiện mặt đường mô phỏng hệ thống TCS
Hình 4.46: Thông số kỹ thuật của xe
Hình 4.47: Thiết lập điều kiện xe mô phỏng hệ thống TCS
4.2.2 Bộ điều khiển On – Off Controller
Sau khi xử lý độ trượt tương đối tại mỗi bánh xe, tín hiệu sẽ được truyền đến bộ điều khiển On – Off, phân chia thành hai tín hiệu cho bánh xe cầu trước và cầu sau Quá trình này giúp điều chỉnh độ trượt và gửi tín hiệu đến bộ chấp hành phanh, nhằm tối ưu hóa hệ số bám, từ đó cải thiện khả năng tăng tốc của xe.
Hình 4.48: Bộ điều khiển On – Off Controller
Mô phỏng hệ thống VSC
4.3.1 Thiết lập điều kiện mô phỏng
Nhấp đôi chuột vào biểu tượng để khởi động phần mềm
Một cửa sổ “Select Recent Database” hiện ra
Chọn cơ sở dữ liệu thích hợp
Nhấp vào “Continue with the selected database”
Hình 4.49: Khởi động phần mềm CarSim
Một cửa sổ giao diện chính của phần mềm hiện ra
Hình 4.50: Cửa sổ giao diện phần mềm
4.3.2 Bộ điều khiển On – Off Controller
4.3.2.1 Tạo dữ liệu thông số kỹ thuật Toyota Camry 2018
Tại thanh công cụ, nhấp chọn “Datasets”
Một danh sách dữ liệu có sẵn của CarSim hiện ra:
Nhấp vào mục “Handling and Stability Tests”:
Hình 4.52: Sử dụng thư viện Handling and Stability Tests
Nhấp vào mục “Parametric VSC Model, DLC (Tight)”:
Hình 4.53: Sử dụng thư viện Parametric VSC Models, DLC (Tigh)
Một cửa sổ mới hiện ra, đây là giao diện chứa thông số mô phỏng xe D-Class, SUV V9 2017 có hệ thống VSC khi thay đổi làn đường đột ngột:
Hình 4.54: Giao diện thư viện mô phỏng xe có VSC
4.3.2.2 Thay đổi thông số xe
Sao chép cơ sở dữ liệu bằng nhấp chuột vào biểu tượng “Duplicate”:
Hình 4.55: Sử dụng công cụ Duplicate nhân đôi thư viện mẫu
Một cửa sổ “Duplicate Dataset” hiện ra:
Hình 4.56: Cửa sổ Duplicate Dataset
118 Đặt tên mới cho cơ sở dữ liệu vừa được tạo:
Hình 4.57: Tiến hành đặt tên cho Dataset mới
Chọn “Duplicate”, một cửa sổ dữ liệu mô phỏng đã được sao chép hiện ra
Việc làm này giúp cho khi thay đổi thông số từ thông số mặc định của phần mềm sẽ không làm mất đi dữ liệu mặc định
Hình 4.58: Giao diện của Dataset đã được sao chép mới
Tại mục “Simulated Test Specifications” => Tại mục “Vehicle Configuration: Ind_SA” => Tại mục “D-Class, SUV V9 2017” => Nhấp chọn danh sách:
Hình 4.59: Sử dụng thư viện thông số xe mẫu
Chọn mục “D-Class” để chọn dòng xe mô phỏng hạng D:
Hình 4.60: Sử dụng dữ liệu của xe dòng D, Sedan 2017
Chọn mục D-Class, Sedan 2017 để mô phỏng xe Toyota Camry 2018:
Hình 4.61: Giao diện mô phỏng sau khi chọn xe dòng D, Sedan 2017
Nhấp vào mục [Copy and Link Datasets] để tạo dữ liệu mới từ cơ sở dữ liệu:
Hình 4.62: Sử dụng công cụ Copy and Link Dataset để tạo dữ liệu mới
Tiến hành đặt tên “Toyota Camry 2018”:
Hình 4.63: Tiến hành đặt tên cho dữ liệu mới
Nhấp chọn Copy and Link, một cửa sổ hiện ra hiển thị tên “Toyota Camry 2018” ta mới đặt cho thấy ta đã copy xong:
Hình 4.64: Giao diện mô phỏng sau khi đặt tên cho dữ liệu mới
Nhấp chọn vào mục Toyota Camry 2018, một cửa sổ mới hiện ra cho ta biết thông số kỹ thuật của xe cần mô phỏng:
Hình 4.65: Giao diện chỉnh sửa thông số mô phỏng cho xe
Khi tiến hành mô phỏng, việc sao chép từ dữ liệu mặc định của nhà sản xuất là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho dữ liệu gốc, tránh mất mát khi có sự thay đổi trong tương lai.
In the D-Class Sedan section, select [Copy and Link Dataset] to create a new dataset from the original database Name it "Toyota Camry 2018" and choose "Copy and Link" to complete the duplication process.
Hình 4.66: Sử dụng công cụ Copy and Link Dataset để tạo dữ liệu mới
Hình 4.67: Tiến hành đặt tên cho dữ liệu mới
A new window appears, displaying five essential adjustable parameters for the vehicle: "Vehicle Body," "Animator Data," "Systems," "Front Suspension," and "Rear Suspension."
Hình 4.68: Giao diện thông số mô phỏng mới sau khi sao chép
124 Ở mục “Vehicle Body”, nhấp vào mục “Toyota Camry 2018” ta mới sao chép, một cửa sổ mới hiện ra:
Hình 4.69: Cửa sổ hiển thị thông số xe cần mô phỏng
Tiến hành thay đổi các thông số cơ bản của xe Toyota Camry 2018:
Hình 4.70: Tiến hành thay đổi các thông số xe Camry 2018
In the "Systems" section under "Powertrain: Front-wheel drive," select [Copy and Link Dataset] to create a new dataset from the original database, naming it "Toyota Camry 2018," and then choose "Copy and Link" to complete the duplication process.
Hình 4.71: Sử dụng công cụ Copy and Link Dataset để tạo dữ liệu mới Đặt tên “Powertrain Toyota Camry 2018” và chọn “Copy and Link”:
Hình 4.72: Tiến hành đặt tên cho dữ liệu mới
Nhấp chọn vào mục vừa mới tạo bên dưới:
Hình 4.73: Hiển thị thông số truyền động trên xe cần mô phỏng
Hình 4.74: Tiến hành thay đổi các thông số truyền động cho xe Camry 2018
Thay đổi thông số Toyota Camry 2018:
Hình 4.75: Thay đổi công suất động cơ
Hình 4.76: Sao chép dữ liệu mới
Hình 4.77: Tiến hành thay đổi thông số bộ biến mô
Hoàn thành việc điều chỉnh theo thông số kỹ thuật của Toyota Camry 2018 có trang bị VSC:
Hình 4.78: Giao diện sau khi đã hoàn thành điều chỉnh thông số
4.3.2.3 Tạo thông số xe Toyota Camry 2018 có trang bị VSC
Tại mục “Miscellaneous Data” => Chọn “Miscellaneous: VS Commands” => Chọn “ADAS Support” => Chọn “VSC: Parametric Electronic Stability Control”:
Hình 4.79: Chọn hệ thống VSC cho xe bằng Miscellaneous Data
4.3.2.4 Tạo thông số xe Toyota Camry 2018 không trang bị VSC
Tại mục “Overlay videos and plots with other runs” => Nhấp chọn vào
“Double Lane Change, Tight w/o VSC”:
Hình 4.80: Tạo thông số cho xe Toyota Camry 2018 không trang bị VSC
Chọn “Dupicate” => Đặt tên “Mo phong Toyota Camry 2018 khong VSC” => Chọn “Duplicate”:
Hình 4.81: Cửa sổ Duplicate Dataset
Tại mục “Procedure” => Mục con “Double Lane Change, Tight” => Chọn D- Class => Toyota Camry 2018:
Hình 4.82: Lựa chọn xe đã chỉnh sửa thông số mô phỏng Camry 2018
Hoàn thành mô phỏng xe Toyota Camry 2018 không có VSC:
Hình 4.83: Giao diện sau khi đã hoàn thành điều chỉnh thông số
Tại mục “Procedure” => Mục con “Double Lane Change, Tight” => Chọn [Copy and Link Dataset]:
Hình 4.84: Sử dụng công cụ Copy and Link Dataset để tạo dữ liệu mới
Tại mục “Driver Controls” => Mục “Constant target speed” => Nhập 80 km/h:
Hình 4.85: Điều chỉnh tốc độ mô phỏng cho xe
4.3.2.6 Chạy mô phỏng và xuất đồ thị
Nhóm chọn 6 đồ thị cơ bản để so sánh sự ổn định:
- Yaw Rate of Sprung Masses
- Roll Angle of Sprung Masses
Tại mục “Analyze Results (Post Processing)” => Chọn 6 đồ thị cơ bản như liệt kê ở trên
Nhấp chuột check vào ô “Only these plots” để xuất chỉ 6 đồ thị trên
Tại mục “Set color”, chọn màu xanh cho xe có VSC và đỏ cho xe không VSC Nhấp chuột check vào ô “Overlay videos and plots with other runs”
Chọn “Mo phong on dinh Toyota Camry 2018 khong VSC” đã khởi tạo trước
Hình 4.86: Lựa chọn đồ thị để xuất
Chọn “Run Math Model” cho từng xe:
Tại mục “Analyze Results (Post Processing)” => Chọn “Video” hoặc “Video + Plot” để mô phỏng hoặc mô phỏng và xuất đồ thị đồng thời:
Hình 4.88: Công cụ Analyze Results
Chọn “Video” xuất mô phỏng:
Chọn “Video + Plot” xuất cả mô phỏng và đồ thị:
Hình 4.90: Video mô phỏng và đồ thị.
NGHIÊN CỨU THI CÔNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ
Nội dung nghiên cứu thi công
Nghiên cứu thi công hệ thống điều khiển ABS – TCS trên phanh thủy khí Nội dung thi công:
Trong lĩnh vực cơ khí, chúng tôi tiến hành cải tiến mô hình hiện có tại xưởng khung gầm bằng cách thay thế, lắp đặt và hoàn thiện các chi tiết, bộ phận trên mô hình để nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
- Về phần điều khiển: Xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế, bố trí, lắp đặt các chi tiết trong mạch điều khiển
- Thiết kế sơ đồ mạch thủy khí và mạch điều khiển của hệ thống ABS – TCS trên phanh thủy khí
- Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình đã thi công.
Nghiên cứu thi công phần cơ khí
5.2.1 Tổng quan về hệ thống phanh ABS – TCS thủy khí
Hệ thống dẫn động phanh kết hợp khí nén và thủy lực tối ưu hóa hiệu suất phanh bằng cách tận dụng ưu điểm của cả hai công nghệ Sự kết hợp này cho phép lực bàn đạp nhẹ hơn mà vẫn duy trì độ nhạy và an toàn khi vận hành, mang lại trải nghiệm lái xe tốt hơn.
Hệ thống khí nén cung cấp lực đẩy cho xi lanh thủy lực hoạt động hiệu quả Dẫn động khí nén có ưu điểm là lực bàn đạp nhẹ, cho phép dẫn động với chiều dài lớn Tuy nhiên, hệ thống này có độ nhạy kém và kích thước tương đối lớn.
Hệ thống thủy lực điều khiển guốc phanh và má phanh đĩa mang lại độ nhạy cao và khả năng phanh êm dịu, đồng thời dễ dàng trong việc bố trí Tuy nhiên, một nhược điểm của hệ thống này là lực bàn đạp cần thiết khá lớn.
Hệ thống phanh thuỷ khí chủ yếu được áp dụng cho xe tải và xe buýt lớn do yêu cầu lực phanh mạnh để dừng các phương tiện nặng Tuy nhiên, hệ thống này có những hạn chế như độ phức tạp cao và cần nhiều bộ phận hơn so với phanh thông thường, dẫn đến chi phí, thời gian lắp đặt và bảo trì tăng Thêm vào đó, áp suất khí nén cũng là một yếu tố cần lưu ý trong quá trình vận hành.
161 phải được giữ ổn định, vì áp suất không đúng có thể làm giảm hiệu quả của hệ thống phanh
Hiện nay hệ thống phanh thủy khí còn trang bị thêm một số hệ thống như:
Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) là công nghệ quan trọng giúp ngăn chặn hiện tượng bánh xe bị bó cứng khi phanh, từ đó giảm thiểu nguy cơ mất kiểm soát của xe, đặc biệt trong các tình huống phanh gấp hoặc khi di chuyển trên địa hình trơn trượt.
Hệ thống kiểm soát lực (TCS) giúp giảm mômen kéo từ động cơ khi bánh xe bắt đầu trượt, không phụ thuộc vào ý định của người lái Đồng thời, TCS điều khiển hệ thống phanh để giảm mômen truyền đến mặt đường, cho phép xe tăng tốc nhanh chóng và ổn định.
5.2.1.2 Cấu tạo của hệ thống
Hình 5.1: Sơ đồ cấu tạo hệ thống phanh ABS – TCS thủy khí
Bảng 5.1: Cấu tạo hệ thống phanh ABS – TCS thủy khí
1 Bộ xi lanh thủy khí 8 Mạch dầu
2 Van chấp hành ABS 9 Mạch khí nén
3 Van chuyển mạch 10 Cảm biến tốc độ
4 Bình dầu 11 Xi lanh phanh
5 Bình khí nén 12 Bàn đạp phanh
6 Tổng phanh 13 Công tắc phanh
Phần dẫn động khí nén bao gồm: máy nén khí, bình chứa khí, tổng phanh, van chấp hành ABS, van chấp hành TCS và các đường ống dẫn khí
Phần dẫn động thủy lực bao gồm: các đường dầu, bình chứa dầu và các xi lanh thủy lực ở bánh xe
Hệ thống phanh ABS – TCS thủy khí có cấu tạo tương tự như hệ thống phanh ABS – TCS khí nén, nhưng sử dụng bộ xi lanh thủy khí với cấu trúc phức tạp hơn Nguyên lý hoạt động của phanh thủy khí cũng khác biệt so với các hệ thống phanh khác.
Bộ xi lanh khí nén – thủy lực
Hình 5.2: Cấu tạo của bộ xi lanh khí nén – thủy lực
Xi lanh thủy khí kết hợp giữa khí nén và thủy lực, đóng vai trò chuyển đổi áp suất trong hệ thống Thiết bị này biến đổi áp suất khí nén từ van phân phối thành áp suất thủy lực, sau đó truyền đến cơ cấu phanh.
Bảng 5.2: Cấu tạo của bộ xi lanh khí nén – thủy lực
1 Xi lanh khí nén 7 Công tắc phanh
2 Xi lanh thủy lực A Đường cấp khí nén
3 Piston khí nén B Đường cấp dầu
4 Thành xi lanh C Đường dầu tới phanh
5 Lò xo hồi vị D Đường thông khí
6 Piston thủy lực M, N Các khoang khí nén
Hình 5.3: Xi lanh ở trạng thái chưa cấp khí nén
Khi chưa đạp phanh, van phân phối khí đóng, ngăn không cho khí nén đến xi lanh thủy khí, khiến khoang M không có khí nén và có thể tích nhỏ nhất do tác động của lò xo hồi vị Lúc này, thể tích bên trong xi lanh thủy lực đạt giá trị lớn nhất Dầu phanh sẽ đi qua cửa nạp B và điền đầy vào xi lanh bánh xe qua cửa C, chuẩn bị cho quá trình phanh.
Hình 5.4: Xi lanh ở trạng thái cấp khí nén
Khi đạp phanh, van phân phối khí sẽ mở ra, cho phép khí nén từ bình chứa được dẫn đến các xi lanh thủy khí Khí nén sau đó đi vào khoang M thông qua cửa nạp A, giúp làm đầy khoang này.
164 khoang M tăng lên đồng nghĩa với thể tích khoang N giảm xuống Không khí trong khoang N đi ra ngoài thông qua cửa thoát D
Piston khí nén di chuyển sang phải, dẫn đến việc piston thủy lực đóng cửa nạp dầu, tạo thành không gian kín trong xi lanh thủy lực Sự di chuyển này của piston thủy lực, do tác động của piston khí nén, đẩy dầu với áp suất cao qua cửa thoát C, cung cấp cho các xi lanh trong cơ cấu phanh hoạt động hiệu quả.
Hình 5.5: Van chấp hành ABS
Van chấp hành ABS hoạt động như một ống dẫn khí nén, với cấu tạo và nguyên lý tương tự như van chấp hành ABS khí nén trên phanh thủy khí Van này có ba trạng thái: tăng áp, giảm áp, và giữ áp, được điều khiển bởi hai van điện từ: một van điều khiển cấp khí và một van điều khiển xả khí Bảng trạng thái dưới đây minh họa hoạt động của van chấp hành ABS khi các van điện từ được điều khiển ở chế độ ON/OFF.
Bảng 5.3: Trạng thái hoạt động của van chấp hành ABS khí nén
Tăng áp (ABS kích hoạt hoặc không)
Van điện từ điều khiển cấp khí OFF ON ON
Van điện từ điều khiển xả khí OFF ON OFF
Khi hệ thống TCS phát hiện tình trạng mất bám, bộ điều khiển chính sẽ kích hoạt van điều khiển TCS, một van khóa điện tử trong hệ thống phanh ô tô Van TCS có nhiệm vụ điều chỉnh áp suất phanh trên bánh xe đang gặp phải tình trạng mất bám.
Khi van điều khiển TCS hoạt động, nó giảm áp suất trong hệ thống phanh hoặc chuyển hướng lưu lượng chất lỏng phanh, tạo ra hiệu ứng giảm lực kéo trên bánh xe mất bám Điều này giúp bánh xe duy trì độ bám đường tốt hơn.
Hệ thống TCS liên tục giám sát tốc độ quay của bánh xe và điều chỉnh van điều khiển TCS một cách linh hoạt Khi cảm biến phát hiện bánh xe không còn mất bám, van điều khiển TCS sẽ ngừng can thiệp, khôi phục hoạt động bình thường.
Hình 5.6: Van chấp hành TCS
Nghiên cứu thi công phần điều khiển
5.3.1 Thiết lập bộ điều khiển
Trên cơ sở lý thuyết về nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS và TCS ở chương
2 và kết quả mô phỏng ở chương 4 Việc nghiên cứu và chế tạo bộ điều khiển điện tử
Hệ thống ABS và TCS trên phanh thủy khí được thiết kế dựa trên 175 chỉ số, với mô hình điều khiển nhằm xác định trạng thái hoạt động của hệ thống Qua đó, hệ thống có khả năng điều khiển các van chấp hành và hiển thị kết quả phù hợp trên màn hình LCD.
5.3.1.1 Cấu trúc bộ điều khiển
Bộ điều khiển ABS và TCS bao gồm bốn van chấp hành ABS cho từng bánh xe, một van chấp hành TCS, cùng với một cảm biến bàn đạp ga để theo dõi trạng thái TCS và một công tắc phanh để xác định trạng thái hoạt động của ABS.
Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga, công tắc phanh và các biến trở vận tốc đã được thiết lập Sau đó, nó xử lý thông tin và điều khiển các van chấp hành ABS, van chấp TCS, đồng thời hiển thị kết quả trên LCD tương ứng với từng chế độ đã được cài đặt.
Hình 5.22: Cấu trúc bộ điều khiển của mô hình
Dựa trên kết quả mô phỏng trong chương 4, chúng tôi đã thiết lập các trường hợp cụ thể cho bộ điều khiển, mỗi trường hợp sẽ có kết quả điều khiển và hiển thị LCD tương ứng Hệ thống hoạt động của ABS và TCS được thiết lập để hoạt động độc lập, nghĩa là khi ABS hoạt động thì TCS sẽ không hoạt động và ngược lại Mỗi chế độ sẽ có những trường hợp khác nhau tương ứng.
Hệ thống thiết lập ở chế độ ABS:
- Không có ABS: Bộ điều khiển không điều khiển các van chấp hành ABS và LCD các giá trị tương ứng với các giá trị V (được thiết lập sẵn)
- Có ABS: Bộ điều khiển điều khiển các van chấp hành ABS và LCD các giá trị tương ứng với các giá trị V (được thiết lập sẵn)
Hệ thống thiết lập ở chế độ TCS:
Bộ điều khiển không có TCS không điều chỉnh van chấp hành TCS, trong khi các van chấp hành ABS và LCD hoạt động dựa trên các giá trị V đã được thiết lập sẵn.
Bộ điều khiển TCS điều chỉnh van chấp hành TCS cùng với các van chấp hành ABS và LCD, đảm bảo các giá trị tương ứng với các giá trị V đã được thiết lập sẵn.
Thiết lập các giá trị V đầu vào:
- Tại V = 0 km/h hệ thống thiết lập điều khiển ở chế độ có TCS hoặc No TCS
- Tại V = 20, 50, 100 km/h hệ thống thiết lập điều khiển ở chế độ có ABS hoặc No ABS
Bảng 5.5: Thiết lập các trạng thái ứng với các giá trị V
Trạng thái Vận tốc V (km/h)
Dữ liệu điều khiển được phát triển từ các kết quả mô phỏng trên phần mềm CarSim và Matlab-Simulink, như đã trình bày trong chương 4, nhằm tạo ra cơ sở cho việc xây dựng dữ liệu điều khiển.
Lưu ý rằng dữ liệu dưới đây đã được rút gọn để hiển thị phù hợp Việc điều khiển các van ABS và TCS diễn ra trong thời gian rất ngắn, nên không thể quan sát bằng mắt thường Kết quả hiển thị có thời gian chậm hơn gấp 10 lần so với thực tế.
Dữ liệu điều khiển là những kết quả sẽ hiển thị trên LCD bao gồm:
Đối với hệ thống phanh ABS, các yếu tố quan trọng bao gồm thời gian phanh t (s), vận tốc của xe V (km/h), và vận tốc tại các bánh xe V1234 (km/h), với giả định rằng vận tốc của 4 bánh xe là bằng nhau Bên cạnh đó, hệ số trượt tương ứng tại các bánh xe HS (%) cũng là một thông số cần được xem xét.
Đối với TCS, thời gian t (s) và vận tốc của xe V (km/h) được xem xét, cùng với vận tốc tại các bánh xe bị động (1, 2) và bánh xe chủ động (3, 4) tương ứng với V12 và V34 (km/h) Giả thiết cho thấy vận tốc tại các bánh xe bị động và chủ động có sự khác biệt, đồng thời hệ số trượt tại các bánh xe HS (%) cũng được tính toán.
Tại mỗi giá trị vận tốc thiết lập ban đầu sẽ ứng với mỗi bảng dữ liệu trong mỗi trường hợp khác nhau:
Bảng 5.6: Dữ liệu điều khiển tại V = 0 km/h khi No TCS
Hệ số trượt bánh xe 1,2
Hệ số trượt bánh xe 3,4
Hình 5.23: Đồ thị so sánh vận tốc xe và bánh xe khi khởi động No TCS
Khi bắt đầu đạp ga, vận tốc của các bánh xe sau (bánh xe chủ động) tăng tốc chậm, dẫn đến việc hệ thống TCS không cung cấp đủ lực kéo Điều này gây ra sự chênh lệch vận tốc giữa các bánh xe cầu chủ động và vận tốc của xe, làm cho xe dễ bị mất bám và trượt khi khởi động mà không có sự hỗ trợ của hệ thống TCS.
Bảng 5.7: Dữ liệu điều khiển tại V = 0 km/h khi có TCS
Hệ số trượt bánh xe 1,2
Hệ số trượt bánh xe 3,4
Hình 5.24: Đồ thị so sánh vận tốc xe và bánh xe khi khởi động có TCS
Khi bắt đầu đạp ga, vận tốc của bánh xe sau (bánh xe chủ động) tăng nhanh lên 80 km/h, giúp xe đạt tốc độ cực đại 71,4 km/h nhờ vào hệ thống TCS Hệ thống này cung cấp đủ lực kéo, đảm bảo xe di chuyển ổn định trong giai đoạn khởi động.
Bảng 5.8: Dữ liệu điều khiển tại V = 20 km/h khi No ABS và có ABS
Hệ số trượt bánh xe
Hình 5.25: Đồ thị vận tốc xe và bánh xe khi No ABS/ABS tại V = 20 km/h
Khi quan sát đồ thị, có thể thấy rằng ở vận tốc V = 20 km/h, cả vận tốc xe và vận tốc các bánh xe của xe không có hệ thống ABS và có ABS đều giảm nhanh chóng từ lúc bắt đầu phanh cho đến 0 km/h.
Ở tốc độ 20 km/h, hệ thống ABS sẽ không can thiệp để điều chỉnh tốc độ xe khi vào cua, tương tự như các xe không trang bị hệ thống ABS.
Bảng 5.9: Dữ liệu điều khiển tại V = 50 km/h khi No ABS
Hệ số trượt bánh xe
Hình 5.26: Đồ thị so sánh vận tốc xe và bánh xe khi No ABS tại V = 50 km/h
Nhận xét: Quan sát đồ thị, ta thấy tại V = 50 km/h, vận tốc của các bánh xe khi
Khi không có hệ thống ABS, xe giảm tốc đột ngột từ khi bắt đầu phanh cho đến khi dừng lại ở 0 km/h Tuy nhiên, tốc độ giảm của xe diễn ra tương đối chậm, dẫn đến việc xe mất bám và trượt khi đạt vận tốc 38.2 km/h.
Bảng 5.10: Dữ liệu điều khiển tại V = 50 km/h khi có ABS
Hệ số trượt bánh xe
Hình 5.27: Đồ thị so sánh vận tốc xe và bánh xe khi có ABS tại V = 50 km/h
Thiết kế sơ đồ mô hình và bảng tên
Thiết kế sơ đồ mô hình và bảng tên là công việc cuối cùng được thực hiện
Sơ đồ mô hình hệ thống điều khiển ABS – TCS trên phanh thủy khí là sự kết hợp hoàn hảo giữa phần cơ khí và phần điều khiển, cung cấp cái nhìn tổng quan và trực quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cũng như vai trò của các chi tiết trong hệ thống này.
Sơ đồ được thiết kế bằng phần mềm Adobe Illustrator giúp thể hiện rõ ràng và toàn diện, đồng thời thuận tiện cho việc xuất hình ảnh và in khổ lớn, phục vụ cho thi công mô hình.
Hình 5.65: Sơ đồ được thiết kế trên phần mềm Adobe Illustrator
Hình 5.66: Sơ đồ sau khi hoàn thiện
Sau khi xác minh và đảm bảo tính chính xác của sơ đồ, nhóm tiến hành in sơ đồ với kích thước mong muốn và dán lên tấm tôn có kích thước lớn.
Hình 5.67: In và dán sơ đồ lên tấm tôn khổ lớn
Dùng nẹp cạnh ốp dọc theo khung mô hình và sử dụng máy khoan để cố định các vít giữ tấm sơ đồ lên mô hình
Lau sạch bề mặt sơ đồ và hoàn thiện thi công trên mô hình
Hình 5.68: Cố định sơ đồ lên khung của mô hình
Hình 5.69: Mặt sau của mô hình sau khi hoàn thiện sơ đồ.