KHÁI NIỆM VỀ SỰ TRƯỢT VÀ SỰ BÁM CỦA BÁNH XE CHỦ ĐỘNG VÀ BÁNH XE PHANH ĐẶC TÍNH TRƯỢT
Các khái niệm
𝑣 0 là vận tốc của xe khi chuyển động không có sự trượt v 0 = S l t = 2πr b N b t = r b ω b (m/s) (2 1) Trong đó
𝑆 𝑙 – Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn.(m)
𝑡 – Thời gian bánh xe đã lăn.(s)
𝑟 𝑏 – Bán kính tính toán của bánh xe.(m)
𝑁 𝑏 – Tổng số vòng quay của bánh xe
𝜔 𝑏 – Vận tốc góc của bánh xe.(rad/s)
𝑣 là vận tốc chuyển động thực tế của xe (tính đến ảnh hưởng của sự trượt)
𝑆 𝑡 – Quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn.(m)
𝑡 – Thời gian bánh xe đã lăn.(s)
𝑟 𝑙 – Bán kính lăn của bánh xe.(m)
𝑁 𝑏 – Tổng số vòng quay của bánh xe
𝜔 𝑏 – Vận tốc góc của bánh xe.(rad/s)
𝑟 𝑏 là bán kính bánh xe sau khi đã tính đến sự biến dạng của lốp
𝑟 0 – Bán kính thiết kế của bánh xe.(m)
𝜆 – Hệ số kể đến sự biến dạng của lốp
𝑟 𝑙 là tỉ lệ giữa vận tốc thực tế 𝑣 với vận tốc góc của bánh xe 𝜔 𝑏
𝑟 𝑙 – Bán kính lăn của bánh xe.(m) v- Tốc độ thực tế (m/s)
𝜔 𝑏 – Tốc độ góc của bánh xe (rad/s)
Bán kính lăn không chỉ là một thông số hình học mà còn là một thông số động học, thể hiện tỷ lệ giữa tốc độ thực tế của xe (V, m/s) và tốc độ góc của bánh xe (𝜔𝑏, rad/s) Điều này cho thấy rằng bán kính lăn phụ thuộc vào mức độ trượt của bánh xe trên mặt đường, không chỉ đơn thuần dựa vào bán kính thực tế của bánh xe.
Quan hệ giữa bán kính kính lăn và lực kéo, lực phanh:
Sự trượt của bánh xe và mặt đường liên quan phụ thuộc vào lực kéo 𝐹 𝑘 và lực phanh
Bán kính lăn của bánh xe phụ thuộc vào sự trượt giữa bánh xe và mặt đường Điều này cho thấy rằng bán kính lăn chịu ảnh hưởng trực tiếp từ lực kéo và lực phanh tác động lên bánh xe.
𝐹 𝑝 Sự phụ thuộc đó được xác định bằng công thức:
𝑟 𝑙0 – Bán kính lăn của bánh xe bị động khi không phanh (m)
𝜆 𝑓 - Hệ số thực nghiệm cho trước, phụ thuộc vào loại đường, tình trạng mặt đường, tải trọng pháp tuyến
Hình 2 1: Sự phụ thuộc của bán kính lăn 𝑟 𝑙 vào lực tác dụng lên bánh xe
Phương trình 𝑟 𝑙 = 𝑟 𝑙0 – 𝜆 𝑓 𝐹 𝑘 (hoặc 𝑟 𝑙 = 𝑟 𝑙0 – 𝜆 𝑓 𝐹 𝑝) là một phương trình tuyến tính thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố trong điều kiện đường Đường thẳng này có độ dốc được xác định bởi 𝜆, phụ thuộc vào tình trạng và loại mặt đường, với trường hợp lý tưởng là nằm ngang Tuy nhiên, phương trình này bị giới hạn bởi giá trị tối đa 𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥.
Khi lực kéo 𝐹 𝑘 tăng lên, hiện tượng trượt xảy ra và bán kính lăn giảm xuống Khi 𝐹 𝑘 đạt đến giá trị tối đa 𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥, bán kính lăn sẽ trở về 0, khiến bánh xe rơi vào trạng thái trượt hoàn toàn.
Khi lực phanh 𝐹 𝑝 tăng, hiện tượng trượt lết cũng gia tăng, dẫn đến việc bán kính lăn tăng lên Tại giá trị tối đa 𝐹 𝑝𝑚𝑎𝑥, bán kính lăn đạt đến vô cùng, nghĩa là bánh xe đã bó cứng hoàn toàn Ở điểm mà cả 𝐹 𝑘 và 𝐹 𝑝 đều bằng 0 trên đồ thị, bán kính lăn sẽ bằng bán kính tính toán.
Khái niệm về khả năng bám , hệ số bám và lực bám
2.2.1 Sự bám của bánh xe với mặt đường
Lực kéo tiếp tuyến do động cơ truyền xuống bánh xe:
𝑖 𝑡 - Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực
𝜂- hiệu suất của hệ thống truyền lực
𝑟 𝑏 - bánh kính tính toán của bánh xe (m)
Giá trị của lực kéo tiếp tuyến 𝐹 𝑘 do động cơ truyền xuống bánh xe bị giới hạn bởi
Giá trị lực kéo tối đa 𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥 và lực phanh tối đa 𝐹 𝑝𝑚𝑎𝑥 đều giới hạn khả năng hoạt động của động cơ và cơ cấu phanh Do đó, không nên tùy ý chọn động cơ có công suất lớn (𝑀 𝑒 lớn) vì lực kéo 𝐹 𝑘 bị hạn chế bởi 𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥 Tương tự, việc chọn cơ cấu phanh lớn (𝐹 𝑃 lớn) cũng cần thận trọng vì lực phanh 𝐹 𝑃 bị giới hạn bởi 𝐹 𝑝𝑚𝑎𝑥.
Sự bám là khả năng của bánh xe trong việc duy trì chuyển động bình thường mà không bị trượt quay khi chịu tác động của momen chủ động, hoặc không bị trượt lết khi đang chịu momen phanh.
2.2.2 Hệ số bám Độ bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bởi hệ số bám Tùy theo chiều của phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe mà hệ số bám sẽ có tên gọi khác nhau Nếu xét khả năng bám theo chiều dọc ( khi dưới bánh xe chỉ có phản lực dọc : lực kéo hoặc lực phanh ) thì hệ số bám được gọi là hệ số bám dọc φx và được định nghĩa như sau :
𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥 – Lực kéo tiếp tuyến cực đại giữa bánh xe với mặt đường (N)
Fz – Phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe (N)
Nếu xét khả năng bám theo chiều ngang ( khi dưới bánh xe chỉ có phản lực ngang
Yb , ) thì hệ số bám được gọi là hệ số bám ngang , và được định nghĩa như sau :
𝑌 𝑏𝑚𝑎𝑥 – Phản lực ngang cực đại của mặt đường tác dụng lên bánh xe (N)
Fz – Phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe (N)
Trong trường hợp tổng quát, khi bánh xe chịu tác động đồng thời của phản lực dọc Xb và phản lực ngang Yb, cần xem xét khả năng bám theo hướng của vectơ lực Q = √(Xb² + Yb²), là hợp lực của Xb và Yb Khi đó, hệ số bám được gọi là hệ số bám tổng quát φtq và được định nghĩa như sau:
𝐹 𝑧 (2 9) Với: Q max – Giá trị cực đại của lực Q (N)
Fz – Phản lực pháp tuyến lớn nhất từ mặt đường tác dụng lên bánh xe (N)
Thông thường, chúng ta thường xuyên sử dụng hệ số bám dọc 𝜑 𝑥 , nên nó còn có thể được ký hiệu đơn giản là φ
Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám:
Hệ số bám φ giữa bánh xe chủ động và mặt đường chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố, bao gồm nguyên liệu làm đường, chất liệu lốp, tình trạng bề mặt đường, cấu trúc hoa lốp, tải trọng lên bánh xe và áp suất lốp.
Hệ số bám φ phụ thuộc vào áp suất lốp q, tốc độ dịch chuyển v, phản lực pháp tuyến 𝐹 𝑧 từ mặt đường tác động lên bánh xe, và độ trượt 𝜆 của bánh xe với mặt đường, như thể hiện trong các đồ thị (hình 2.2).
Hình 2 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám
1 Đường khô 2 Đường ướt a Ảnh hưởng của áp suất trong lốp b Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động của ô tô c Ảnh hưởng của phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe d Ảnh hưởng của độ trượt của bánh xe với mặt đường
2.2.3 Khả năng bám Điều kiện để ô tô có thể chuyển động được là ở các bánh xe chủ động phải có mômen xoắn chủ động truyền đến và tại bề mặt tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có độ bám nhất định Nếu độ bám nhỏ thì bánh xe có thể bị trượt quay khi ở bánh xe có mômen chủ động lớn hoặc bánh xe bị trượt lết khi ở bánh xe có mômen phanh lớn 𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑧 𝜑 gọi là giới hạn bám khi kéo (trượt quay hoàn toàn)
𝐹 𝑝𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑧 𝜑 gọi là giới hạn bám khi phanh (trượt lết hoàn toàn) (2 10)
𝐹 𝑧 - phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe.(N)
𝜑- hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường
Như vậy , ta có thể hiểu khả năng bám là khả năng tiếp nhận lực kéo hoặc lực phanh của bánh xe
Hệ số bám dọc giúp xác định lực kéo tiếp tuyến cực đại giữa bánh xe chủ động và mặt đường.
Lúc đó lực bám dọc 𝐹 𝜑𝑥 được xác định như sau:
Để bánh xe chủ động không bị trượt quay hoàn toàn, lực kéo tiếp tuyến cực đại tại bánh xe phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc giữa bánh xe và mặt đường.
Khi bánh xe đang phanh, để tránh tình trạng trượt lết hoàn toàn, lực phanh cực đại tại bánh xe cần phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc.
Khi dưới bánh xe có phản lực ngang tác dụng, khả năng bám theo chiều ngang được thể hiện qua lực bám ngang F φy :
𝐹 𝜑𝑦 = φy𝐹 𝑧 (N) (2 15) Để cho bánh xe không bị trượt ngang hoàn toàn, phản lực ngang cực đại phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám ngang:
Khi bánh xe chịu tác dụng đồng thời của phản lực dọc Xb và phản lực ngang Yb, khả năng bám theo hướng của vectơ hợp lực Q được thể hiện qua lực bám tổng quát F φt.
Để tránh bánh xe bị trượt theo hướng của vectơ hợp lực Q, phản lực tổng hợp Q cực đại cần phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám tổng quát.
Từ các biểu thức trên, lực bám 𝐹 𝜑 theo một chiều nào đó sẽ tỷ lệ thuận với hệ số bám φ theo chiều đó và 𝐹 𝑧 (hoặc trọng lượng bám Gb)
Lực kéo cực đại 𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥 theo chiều dọc bị giới hạn bởi lực bám 𝐹 𝜑𝑥 Để tận dụng tối đa lực kéo từ động cơ nhằm vượt qua các lực cản chuyển động, cần tăng cường lực bám Việc này có thể thực hiện bằng cách nâng cao hệ số bám và trọng lượng bám, tốt nhất là cải thiện cả hai yếu tố Để tăng hệ số bám, lốp có vấu cao thường được sử dụng, trong khi thiết kế xe với nhiều cầu chủ động giúp tối ưu hóa trọng lượng bám bằng cách sử dụng toàn bộ trọng lượng của xe.
Động học bánh xe khi lăn
Trong lý thuyết ô tô, sự trượt được định nghĩa là chuyển động tương đối giữa lốp xe và mặt đường khi xe di chuyển Hiện tượng này xảy ra khi tốc độ của bánh xe vượt quá hoặc thấp hơn tốc độ của xe Sự trượt không chỉ là một hiện tượng không mong muốn mà còn có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn khi lái xe.
Bánh xe lăn có trượt lết
Khi phanh, một momen phanh tác động lên trục bánh xe, dẫn đến việc các thớ lốp bị kéo dãn tạm thời tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường Tại khu vực này, tốc độ trượt 𝑣 𝛿 xuất hiện theo hướng chuyển động của xe, với 𝑣 𝛿 = 𝑣 − 𝑣 0 > 0, cho thấy sự khác biệt giữa tốc độ của bánh xe và tốc độ thực tế của xe.
Hình 2 3: Lăn có trượt lết
Hệ số trượt khi phanh 𝛿 𝑝 lúc này được tính như sau:
𝛿 𝑝 – Hệ số trượt khi phanh
𝑣 0 – Vận tốc chuyển động lý thuyết.(m/s)
𝑣 – Vận tốc chuyển động thực tế.(m/s)
𝑟 𝑏 – Bán kính tính toán của bánh xe.(m)
𝑟 𝑙 – Bán kính lăn của bánh xe.(m)
𝜔 𝑏 – Vận tốc góc của bánh xe.(rad/s)
Trường hợp momen phanh đủ lớn để vượt qua ma sát, lực 𝐹 𝑝 tăng tới khi đạt tới giới hạn bám:
𝐹 𝑧 - phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe.(N)
𝜑- Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường
Khi bánh xe trượt lết hoàn toàn, bán kính lăn của bánh xe tăng đến vô cực (𝑟 𝑙 = ∞), dẫn đến hệ số trượt 𝛿 𝑝 = -1 Điều này cho thấy hệ số trượt sẽ nằm trong khoảng -1 < 𝛿 𝑝 < 0 trong quá trình phanh.
Bánh xe lăn có trượt quay
Khi xe đang chạy, momen tăng tốc tác động lên trục bánh xe, khiến cho các thớ lốp xe bị nén tạm thời tại vùng tiếp xúc với mặt đường Trong khu vực này, theo quy luật phân bố vận tốc, sẽ xuất hiện một hiện tượng gọi là vận tốc trượt.
𝑣 ngược hướng với hướng chuyển động của xe nên 𝑣 𝛿 = 𝑣 − 𝑣 0 < 0
Hình 2 4: Lăn có trượt quay
Hệ số trượt khi kéo 𝛿 𝑘 lúc này được tính như sau:
𝛿 𝑘 – Hệ số trượt khi kéo
𝑣 0 – Vận tốc chuyển động lý thuyết.(m/s)
𝑣 – Vận tốc chuyển động thực tế.(m/s)
𝑟 𝑏 – Bán kính tính toán của bánh xe.(m)
𝑟 𝑙 – Bán kính lăn của bánh xe.(m)
𝜔 𝑏 – Vận tốc góc của bánh xe.(rad/s)
Trường hợp momen tăng tốc có thể đủ lớn để vượt qua ma sát, lực 𝐹 𝑘 tăng tới khi đạt tới giới hạn bám:
Phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe, ký hiệu là \( F_z \) (N), cùng với hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường, ký hiệu là \( \phi \), có thể dẫn đến hiện tượng bánh xe quay trơn hoàn toàn Khi đó, bán kính lăn của bánh xe giảm xuống còn \( r_l = 0 \) và vận tốc thực tế của xe \( v = 0 \), dẫn đến \( \delta_k = 1 \) Điều này cho thấy hệ số trượt sẽ nằm trong khoảng \( 0 < \delta_k < 1 \) khi xe đang tăng tốc.
Bánh xe lăn không trượt
Trong trường hợp này, tốc độ của tâm bánh xe, đồng thời cũng là tốc độ của xe, bằng với tốc độ vòng Điều này có nghĩa là tốc độ thực tế (v) tương đương với tốc độ lý thuyết (𝑣₀).
Trạng thái này chỉ có được ở bánh xe bị động với Mp = 0, lúc đó 𝑣 = 0
Đặc tính trượt của bánh xe khi kéo và khi phanh
Khi giá trị lực kéo Fk hoặc lực phanh Fp tác động lên bánh xe thay đổi, độ trượt giữa bánh xe và mặt đường cũng sẽ thay đổi Đặc tính trượt khi kéo và khi phanh thể hiện mối quan hệ giữa khả năng tiếp nhận lực kéo hoặc lực phanh với sự trượt của bánh xe Thay vì sử dụng các lực, người ta thường sử dụng các thông số không thứ nguyên, cụ thể là hệ số lực phanh (áp = Fp/Fz) và hệ số lực kéo (ak = Fk/Fz) Đồ thị dưới đây minh họa sự phụ thuộc này.
Hình 2 5: Đặc tính trượt khi kéo và khi phanh
Khả năng tiếp nhận lực kéo (𝑘) không phải là hằng số mà thay đổi theo mức độ trượt của bánh xe với mặt đường Giá trị cực đại của 𝑘 cho mọi loại đường thường nằm trong khoảng độ trượt từ 0,1 đến 0,2 Khi vượt qua ngưỡng tối ưu này, hệ số lực kéo sẽ giảm, và nếu độ trượt tiếp tục tăng, 𝑘 sẽ duy trì không đổi cho đến khi xảy ra hiện tượng trượt quay hoàn toàn Tương tự, trong quá trình phanh, giá trị 𝑝 cũng đạt cực đại tại độ trượt từ 0,1 đến 0,2; nếu lực phanh tiếp tục tăng, độ trượt sẽ tăng theo.
16 tăng) khả năng tiếp nhận lực phanh sẽ giảm xuống đến giá trị hệ số bám khi xảy ra hiện tượng trượt lết hoàn toàn khi phanh
Khi ô tô di chuyển, nó không chỉ chịu tác động của các lực tiếp tuyến mà còn bị ảnh hưởng bởi các lực ngang, dẫn đến xu hướng trượt ngang Mức độ trượt ngang này phụ thuộc vào hệ số bám ngang φ 𝑦.
Hình 2 6: Lực tổng hợp tác dụng
Lực tổng tác dụng lên bánh xe :
Lực tổng F bị giới hạn bởi lực bám tối đa F 𝑚𝑎𝑥 ≤ G 𝑏 φ Khi F 𝑥 đạt đến F 𝑚𝑎𝑥, lực F 𝑦 sẽ bằng 0, dẫn đến hệ số bám ngang φ 𝑦 cũng bằng 0, tức là bánh xe không còn khả năng bám ngang Điều này cho thấy rằng khi lực kéo hoặc lực phanh tăng lên, khả năng bám ngang sẽ giảm xuống Khi xảy ra trượt dọc hoàn toàn, hệ số bám ngang φ 𝑦 gần bằng 0.
Trong đặc tính trượt, ngoài việc chú trọng đến khả năng tiếp nhận lực kéo (lực dọc), chúng ta cũng cần quan tâm đến khả năng tiếp nhận lực ngang thông qua hệ số bám ngang φ 𝑦.
Chương này thiết lập một phần quan trọng trong nghiên cứu về sự trượt của bánh xe khi lăn, với các yếu tố như lực kéo Fk, lực phản lực pháp tuyến Fz, lực ngang Y và hệ số bám φ Sự liên hệ giữa trượt dọc và trượt ngang cho thấy trượt dọc càng lớn thì bám ngang càng giảm Những khái niệm này là cơ sở cho việc tính toán và nghiên cứu trong các chương sau, đặc biệt là về bán kính lăn, hệ số bám và đặc tính trượt.
CHƯƠNG 3: KHÁI NIỆM ĐẶC TÍNH HƯỚNG VÀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG
Bánh xe ô tô là một phần tử đàn hồi, với vỏ cao su bơm không khí bên trong, có khả năng biến dạng dưới tác dụng của lực Ô tô chịu tác động của ba lực theo ba phương X, Y, Z, nhưng trong chương này, chúng ta chỉ tập trung vào sự đàn hồi của bánh xe khi chịu lực ngang Biến dạng và sự trượt ngang của bánh xe do lực ngang gây ra hiện tượng quan trọng là góc lệch hướng khi bánh xe lăn Góc lệch hướng này ảnh hưởng trực tiếp đến quỹ đạo chuyển động của ô tô, liên quan đến ổn định hướng chuyển động của phương tiện.
• Tìm hiểu khái niệm đặc tính hướng
• Làm rõ vấn đề ổn định hướng khi phanh và quay vòng
3.1 Khái niệm về đặc tính hướng
Trong quá trình di chuyển, ô tô phải chịu nhiều lực ngang, đặc biệt khi quay vòng, lực ly tâm 𝐹 𝑙𝑡 xuất hiện Ngoài ra, lực ngang cũng có thể phát sinh do gió ngang hoặc khi xe di chuyển trên mặt đường nghiêng.
Khi quay vòng ta có: 𝐹 𝑙𝑡 = 𝑚𝑣
F lt : Lực ly tâm tác dụng lên xe khi quay vòng (N) m: Khối lượng của xe (kg) v: Vận tốc xe (m/s)
Lực ngang Y tác động lên thân xe có thể được coi là 𝐹 𝑙𝑡, gây ra biến dạng ngang của lốp và dẫn đến hiện tượng trượt ngang của bánh xe.
Khi bánh xe chịu tác dụng của lực ngang Y, phương vecto tốc độ của tâm bánh xe sẽ bị lệch một góc δ so với mặt phẳng đối xứng dọc, dẫn đến sự thay đổi hướng chuyển động của bánh xe Sự lệch này ảnh hưởng đến hướng di chuyển của ô tô, gây mất ổn định trong quá trình di chuyển.
Hình 3 1: Góc lệch hướng của bánh xe đàn hồi khi lăn có lực ngang tác dụng
Góc lệch hướng δ được xác định bởi hai yếu tố chính: hiện tượng biến dạng ngang của lốp và hiện tượng trượt ngang của lốp khi chịu tác dụng của lực ngang Y.
𝛿 =f( biến dạng ngang, trượt ngang)
Biến dạng ngang là thành phần chính tạo ra góc lệch hướng δ, trong đó lốp xe hoạt động như một phần tử đàn hồi khi chịu tác động của lực ngang Y, dẫn đến sự biến dạng ngang của nó.
Y là lực ngang tác dụng lên bánh xe (N)
C y là độ cứng ngang của lốp xe
Thành phần thứ hai gây ra góc lệch hướng δ là sự trượt ngang; khi trượt ngang tăng lên, góc lệch hướng cũng sẽ tăng theo Nguyên nhân là do tốc độ của bánh xe tại tâm bánh xe bao gồm hai thành phần khác nhau.
• Tốc độ theo phương ngang chính là tốc độ trượt ngang, sự trượt ngang càng lớn thì thành phần tốc độ trượt ngang sẽ lớn
Tốc độ thực tế là hợp của tốc độ dọc và tốc độ ngang , mà trượt ngang càng lớn thì dẫn đến góc lệch hướng cũng sẽ lớn
Trượt ngang = f ( lực ngang Y, bám ngang)
• Lực ngang Y càng lớn thì trượt ngang càng lớn
Bám ngang của mặt đường là khả năng tiếp nhận lực ngang, phụ thuộc vào ma sát ngang giữa bánh xe và mặt đường Đặc biệt, ma sát ngang này còn chịu ảnh hưởng bởi bám dọc, một đặc tính trượt quan trọng được đề cập trong chương 2.
Khi lực kéo và lực phanh tăng lên, hiện tượng trượt dọc cũng gia tăng Hệ số trượt dọc lớn đồng nghĩa với việc hệ số bám ngang giảm, dẫn đến việc trượt ngang tăng lên đáng kể.
Tóm lại: δ=f (Y,Z,X,Cy,loại đường,, ) được gọi là đặc tính hướng
Z: tải trọng pháp tuyến tác dụng lên bánh xe
X: lực dọc tác dụng lên bánh xe
Y: lực ngang tác dụng lên bánh xe
C y là độ cứng ngang của lốp xe
Vấn đề ổn định hướng
3.2.1 Vấn đề ổn định hướng khi phanh
3.2.1.1 Khái niệm về ổn định hướng chuyển động khi phanh
Hệ thống phanh ô tô cần đảm bảo duy trì hướng chuyển động khi phanh Khi phanh đột ngột, đặc biệt trên bề mặt trơn hoặc ướt, xe có thể bị lệch hướng và mất lái Điều này có nghĩa là quỹ đạo chuyển động của ô tô khi phanh không còn tuân theo sự kiểm soát của người lái.
Sự mất ổn định hướng phanh có nhiều nguyên nhân, nhưng nguyên nhân chính là sự chênh lệch lực phanh giữa bên trái và bên phải Chênh lệch này tạo ra một momen xoay xe, dẫn đến việc lệch quỹ đạo chuyển động của phương tiện.
Sự chênh lệch lực phanh có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm tình trạng kỹ thuật của hệ thống phanh và khả năng bám của mỗi bên bánh xe Những yếu tố như tình trạng mặt đường và tải trọng pháp tuyến cũng đóng vai trò quan trọng trong việc gây ra sự khác biệt này.
3.2.1.2 Ổn định của ô tô khi phanh nếu các bánh xe bị hãm cứng Để thấy rõ ổn định của ô tô khi phanh nếu các bánh xe bị hãm cứng, trước hết chúng ta phải khảo sát mối quan hệ giữa phản lực tiếp tuyến Xb và phản lực ngang Yb tác dụng từ mặt đường lên bánh xe trong quá trình phanh
Khi phanh, phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe sẽ là:
Nhưng do Ffb rất nhỏ so với Fpb, nên có thể coi:
Fpb – Lực phanh tác dụng lên bánh xe
Ffb – Lực cản lăn tác dụng lên bánh xe
Hình 3 2: Nguyên nhân xuất hiện phản lực ngang ở các bánh xe khi phanh
Trong quá trình phanh, lực ngang Y tác động lên thân xe tạo ra lực ngang Fy tại tâm các bánh xe, dẫn đến sự xuất hiện của các phản lực ngang Yb dưới các bánh xe, ngược chiều với Fy.
Lúc này, dưới bánh xe xuất hiện đồng thời phản lực ngang Yb và phản lực tiếp tuyến
Khi lực phanh Fpb gia tăng, độ trượt δp cũng sẽ tăng theo, dẫn đến việc giảm hệ số bám 𝜑 𝑦 Mối quan hệ giữa hệ số bám 𝜑 𝑥, 𝜑 𝑦 và độ trượt δp được thể hiện rõ trong hình 3.3, phản ánh đặc tính trượt của bánh xe trong quá trình phanh.
Hình 3 3: Mối quan hệ giữa hệ số bám 𝜑 𝑥 , 𝜑 𝑦 và độ trượt δ p
Như chúng ta đã biết :
Từ đồ thị và biểu thức Yb ≤ F 𝑧 φy, ta nhận thấy rằng khi tăng lực phanh Fpb, δp sẽ tăng và 𝜑y sẽ giảm, dẫn đến sự giảm của Yb Đặc biệt, trong trường hợp bánh xe bị hãm cứng với Fpb/Fpbmax = F 𝑧 φx và δp = 1, thì 𝜑y sẽ bằng 0 và Yb cũng sẽ bằng 0.
Khi lực phanh đạt giá trị tối đa và bánh xe bắt đầu bị hãm cứng, phản lực ngang tác dụng lên bánh xe trở thành Yb = 0 Trong tình huống này, chỉ cần một lực ngang nhỏ tác động lên thân xe sẽ dẫn đến sự xuất hiện của một lực ngang rất nhỏ tại tâm bánh xe, khiến bánh xe trượt ngang Điều này xảy ra do không còn sự cân bằng lực theo chiều ngang dưới bánh xe, với Yb = 0.
Chúng ta sẽ sử dụng kết luận trên để xét ổn định của xe khi phanh nếu các bánh xe bị hãm cứng.
Các bánh xe ở cầu sau bị hãm cứng khi phanh
Bánh xe trước đại diện cho hai bánh xe ở cầu trước và bánh xe sau đại diện cho hai bánh xe ở cầu sau
Khi phanh xe, lực ngang Y tác dụng tại trọng tâm T của xe Trong trường hợp phanh trên đường cong, lực này được xác định là Y = Fjly, với Fjly là thành phần ngang của lực quán tính ly tâm Fjl Nếu mặt đường nghiêng một góc β khác 0, thì Y sẽ bằng Gsinβ Ngoài ra, nếu có gió tạt ngang, lực Y cũng sẽ bị ảnh hưởng.
Y chính là lực của gió ngang
Khi phanh, nếu các bánh xe sau bị hãm cứng, thì Y2 = 0 và có lực ngang Y tác dụng, dẫn đến việc các bánh xe sau trượt ngang với góc lệch hướng δ2 rất lớn Ngược lại, ở các bánh xe trước, do Fp1 < Fz1.φx, nên Y1 ≠ 0 và góc lệch hướng δ1 tương đối nhỏ Hướng vectơ v biểu thị hướng chuyển động của xe trước khi các bánh xe sau bị hãm cứng.
Hình 3 4: Các bánh xe sau bị hãm cứng
Khi có sự xuất hiện của các góc lệch hướng δ1 < δ2, xe sẽ chuyển động lệch sang bên phải do tâm quay vòng O của xe nằm ở phía bên phải, so với hướng chuyển động ban đầu.
Nếu bánh xe sau bị hãm cứng trong thời gian dài, xe có thể quay ngang, dẫn đến nguy cơ lật xe nếu lực ngang Y đủ lớn.
Khi phanh xe, nếu bánh xe sau bị hãm cứng và có lực ngang tác động, xe sẽ rơi vào trạng thái chuyển động không ổn định, gây nguy hiểm cho người lái.
Khi phanh, các bánh xe ở cầu trước sẽ bị hãm cứng Hình 3.5 minh họa bánh xe trước, đại diện cho cả hai bánh xe ở cầu trước, trong khi bánh xe sau đại diện cho hai bánh xe ở cầu sau.
Giả thuyết rằng khi phanh xe có lực ngang Y tác dụng tại trọng tâm T của xe
Khi phanh, nếu bánh xe trước bị hãm cứng, thì Y1 sẽ bằng 0 và có lực ngang Y tác động, dẫn đến việc bánh xe trước trượt ngang với góc lệch hướng δ1 lớn Ngược lại, ở bánh xe sau, do Fp2 nhỏ hơn F𝑧2.𝜑x, nên Y2 không bằng 0 và góc lệch hướng δ2 sẽ tương đối nhỏ Hướng vectơ 𝑣⃗ thể hiện hướng chuyển động của xe trước khi bánh xe trước bị hãm cứng.
Hình 3 5: Các bánh xe trước bị hãm cứng
ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TRƯỢT TỚI ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA Ô TÔ
Công suất tổn hao 𝑃𝛿
Sự tổn hao công suất được biểu thị bằng công suất tổn hao do trượt tại bánh xe 𝑃 𝛿 :
Hình 4 1 Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ
Lực kéo tiếp tuyến được tính theo công thức: 𝐹 𝑘 = 𝑀 𝑒 𝑖 𝑡𝑙 𝜂 𝑡𝑙
𝑀 𝑒 − Mô men xoắn của động cơ.(Nm)
𝑟 𝑏 − Bán kính tính toán của bánh xe.(m)
Vận tốc trượt được tính theo công thức: 𝑉 𝛿 = 𝑉 - 𝑉 0 = 𝜔 𝑏 (𝑟 𝑙 - 𝑟 𝑏 ) (4 3)
𝜔 𝑏 – Vận tốc góc của bánh xe (rad/s)
𝑟 𝑙 – Bán kính lăn của bánh xe.(m)
𝑟 𝑏 − Bán kính tính toán của bánh xe.(m)
𝑖 𝑡𝑙 𝜔 𝑒 – vận tốc góc của động cơ
Lực kéo tiếp tuyến 𝐹𝑘
𝐹 𝑘 được xác định như sau: Ở chế độ vận tốc cực đại 𝑉 𝑚𝑎𝑥 :
𝐹 𝑘 𝑣 − Lực kéo tiếp tuyến ở chế độ 𝑉 𝑚𝑎𝑥 (N)
𝑀 𝑒 𝑝 − Mô men xoắn của động cơ ở chế độ công suất cực đại.(Nm)
𝑖 𝑡𝑙 𝑛 − Tỉ số truyền lực ở tay số n
𝑟 𝑏 − Bán kính tính toán của bánh xe.(m) Ở chế độ gia tốc cực đại 𝐽 𝑚𝑎𝑥 hoặc ở chế độ có khả năng leo dốc cực đại 𝑖 𝑚𝑎𝑥 :
𝐹 𝑘 𝑖 − Lực kéo tiếp tuyến ở chế độ 𝑖 𝑚𝑎𝑥 (N)
𝐹 𝑘 𝑗 − Lực kéo tiếp tuyến ở chế độ 𝐽 𝑚𝑎𝑥 (N)
𝑀 𝑒 𝑀 − Mô men xoắn cực đại của động cơ.(Nm)
𝑖 𝑡𝑙 1 − Tỉ số truyền lực ở tay số 1
𝑟 𝑏 − Bán kính tính toán của bánh xe.(m)
Tốc độ trượt 𝑉𝛿
Tốc độ trượt 𝑉 𝛿 được xác định như sau:
𝜔 𝑏 – Vận tốc góc của bánh xe (rad/s)
𝑟 𝑙 – Bán kính lăn của bánh xe.(m)
𝑟 𝑏 − Bán kính tính toán của bánh xe.(m)
Bán kính lăn của bánh xe được xác định theo:
𝑟 𝑙 là tỉ lệ giữa vận tốc thực tế 𝑣 với vận tốc góc của bánh xe 𝜔 𝑏
𝑟 𝑙 – Bán kính lăn của bánh xe.(m)
𝜔 𝑏 – Vận tốc góc của bánh xe.(rad/s)
Công suất kéo thực tế 𝑃𝑘
Công suất kéo thực tế 𝑃 𝑘 :
𝑃 𝑒 − Công suất của động cơ.(W)
4.5 Xác định giá trị 𝑽 𝒎𝒂𝒙 , 𝑱 𝒎𝒂𝒙 , 𝒊 𝒎𝒂𝒙 từ công suất thực tế 𝑷 𝒌
Sau khi có công suất thực tế 𝑃 𝑘 có thể xác định 𝑉 𝑚𝑎𝑥 , 𝐽 𝑚𝑎𝑥 , 𝑖 𝑚𝑎𝑥 từ phương trình cân bằng công suất Ở chế độ 𝑉 𝑚𝑎𝑥 :
𝑃 𝑘 𝑣 − Công suất động cơ ở chế độ 𝑉 𝑚𝑎𝑥 (W)
𝑃 𝑒 𝑃 − Công suất động cơ ở chế độ công suất cực đại.(W)
𝑃 𝛿 𝑣 − Công suất tổn hao ở chế độ 𝑉 𝑚𝑎𝑥 (W)
𝑉 𝑚𝑎𝑥 − Vận tốc tối đa.(m/s) m – Khối lượng xe (kg) f − Hệ số cản lăn
𝐶 𝑥 − Hệ số cản của không khí
Để đạt được vận tốc tối đa 𝑉 𝑚𝑎𝑥, phương trình cân bằng công suất có thể được biểu diễn là 𝑃 𝑘 𝑣 = 𝑃 𝑒 𝑃 𝜂 𝑡𝑙 = 𝑉 𝑚𝑎𝑥 (mgf + 0.63𝐶 𝑥 𝑉 𝑚𝑎𝑥 2 𝑆) Để tăng 𝑉 𝑚𝑎𝑥, có thể cải thiện bằng cách nâng cao công suất tối đa của động cơ 𝑃 𝑒 𝑃, giảm khối lượng xe, giảm hệ số cản lăn f, giảm diện tích cản gió S và giảm hệ số cản không khí 𝐶 𝑥 Trong thực tế, khi tính đến sự trượt, cần phải giảm công suất tổn hao 𝑃 𝛿 bằng cách giảm vận tốc trượt 𝑉 𝛿 Điều này cho thấy rằng vận tốc tối đa 𝑉 𝑚𝑎𝑥 sẽ giảm khi có sự trượt, do đó, để đạt được 𝑉 𝑚𝑎𝑥 cao, cần giữ sự trượt ở mức thấp.
𝑃 𝑘 𝑗 − Công suất động cơ ở chế độ 𝐽 𝑚𝑎𝑥 (W)
𝑃 𝑒 𝑀 − Công suất động cơ ở chế độ momen xoắn cực đại.(W)
𝑃 𝛿 𝑗 − Công suất tổn hao ở chế độ 𝐽 𝑚𝑎𝑥 (W)
𝑉 𝑗 − Vận tốc ở chế độ 𝐽 𝑚𝑎𝑥 (m/s) m – Khối lượng xe (kg) f − Hệ số cản lăn
𝐶 𝑥 − Hệ số cản của không khí
𝛿 𝑖 − Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay
𝜔 𝑒 𝑀 − Vận tốc góc của động cơ ở chế độ momen xoắn cực đại (rad/s)
𝑖 𝑡𝑙 1 − Tỉ số truyền của tay số 1
𝑟 𝑏 − Bán kính tính toán của bánh xe (m)
Để tối ưu hóa gia tốc cực đại 𝐽 𝑚𝑎𝑥 trong trường hợp không có trượt, phương trình cân bằng công suất có dạng 𝑃 𝑘 𝑗 = 𝑃 𝑒 𝑀 𝜂 𝑡𝑙 = 𝑉 𝑗 (mgf + m𝛿 𝑖 𝐽 𝑚𝑎𝑥 ) Để tăng 𝐽 𝑚𝑎𝑥, có thể nâng cao công suất tối đa của động cơ tại chế độ momen xoắn cực đại 𝑃 𝑒 𝑀, giảm khối lượng xe, giảm hệ số cản lăn f và giảm hệ số 𝛿 𝑖 Tuy nhiên, trong thực tế có tính đến trượt, cần giảm công suất tổn hao 𝑃 𝛿 bằng cách hạ thấp vận tốc trượt 𝑉 𝛿 Do đó, gia tốc cực đại 𝐽 𝑚𝑎𝑥 sẽ giảm khi có trượt, vì vậy để đạt được gia tốc cao, cần duy trì mức độ trượt thấp.
𝑃 𝑘 𝑖 − Công suất động cơ ở chế độ 𝑖 𝑚𝑎𝑥 (W)
𝑃 𝑒 𝑀 − Công suất động cơ ở chế độ momen xoắn cực đại.(W)
𝑃 𝛿 𝑖 − Công suất tổn hao ở chế độ 𝑖 𝑚𝑎𝑥 (W)
𝑉 𝑖 − Vận tốc ở chế độ 𝑖 𝑚𝑎𝑥 (m/s) m – Khối lượng xe (kg) f − Hệ số cản lăn
𝑖 𝑚𝑎𝑥 − Độ dốc lớn nhất mà xe có thể vượt qua được
𝜔 𝑒 𝑀 − Vận tốc góc của động cơ ở chế độ momen xoắn cực đại (rad/s)
𝑖 𝑡𝑙 1 − Tỉ số truyền của tay số 1
𝑟 𝑏 − Bán kính tính toán của bánh xe (m)
Để tăng giá trị 𝑖 𝑚𝑎𝑥 trong trường hợp không có trượt, phương trình cân bằng công suất có dạng 𝑃 𝑘 𝑖 = 𝑃 𝑒 𝑀 𝜂 𝑡𝑙 = 𝑉 𝑖 (mgfcos𝛼 𝑚𝑎𝑥 + mgsin𝛼 𝑚𝑎𝑥 ) Chúng ta có thể tăng công suất tối đa của động cơ ở chế độ momen xoắn cực đại 𝑃 𝑒 𝑀, giảm khối lượng xe và giảm hệ số cản lăn f Tuy nhiên, trong thực tế có trượt, để tăng 𝑖 𝑚𝑎𝑥, cần giảm công suất tổn hao 𝑃 𝛿 bằng cách giảm vận tốc trượt 𝑉 𝛿 Khi có trượt, độ dốc cực đại mà xe có thể vượt qua 𝑖 𝑚𝑎𝑥 sẽ giảm, vì vậy để nâng cao độ dốc này, cần giữ sự trượt ở mức thấp.
Sau khi tính toán công suất tổn hao do sự trượt, chúng ta nhận thấy rằng các giá trị 𝑉 𝑚𝑎𝑥, 𝐽 𝑚𝑎𝑥, 𝑖 𝑚𝑎𝑥 tỉ lệ nghịch với công suất tổn hao này Để tăng cường 𝑉 𝑚𝑎𝑥, 𝐽 𝑚𝑎𝑥, 𝑖 𝑚𝑎𝑥 cho ô tô, ngoài việc điều chỉnh các yếu tố thiết kế, cần hạn chế công suất tổn hao bằng cách giảm vận tốc trượt giữa bánh xe và mặt đường.
NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ABS, ASR, ESC LIÊN
Đặt vấn đề
Hệ thống phanh thường làm việc ứng với độ trượt S = 1, có nghĩa là bánh xe bị trượt lết hoàn toàn
Trong trạng thái trượt lết, hệ số bám nuy không đạt giá trị tối đa, dẫn đến hiệu quả phanh không cao Khi phanh với cường độ cực đại, hệ số bám ngang gần như bằng không, khiến ô tô mất khả năng bám đường và trượt ngang hoàn toàn Sự kết hợp giữa chuyển động dọc và chuyển động ngang tạo ra góc lệch hướng, gây mất ổn định khi phanh.
Để tối ưu hóa hiệu quả phanh, cần duy trì độ trượt trong khoảng 0,1 – 0,2, khi đó hệ số bám dọc đạt cực đại, giúp tăng khả năng tiếp nhận lực phanh Đồng thời, trong khoảng độ trượt này, hệ số bám ngang cũng lớn, đảm bảo sự ổn định ngang và giảm thiểu hiện tượng trượt ngang dưới tác động của lực ngang Y.
Nguyên lý hoạt động ABS điều khiển lực phanh để duy trì độ trượt trong khoảng 0,1 – 0,2 nên khắc phục được nhược điểm của phanh thường
Giới thiệu chung về ABS
Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) giúp ngăn chặn hiện tượng khóa cứng bánh xe khi phanh, đặc biệt hiệu quả trên bề mặt đường trơn trượt ABS hoạt động bằng cách điều chỉnh lực phanh, đảm bảo xe duy trì khả năng kiểm soát và ổn định khi phanh gấp.
Mục tiêu chính là duy trì lực xoay vòng ở các bánh xe bị phanh, nhằm tối ưu hóa động lực học và ổn định hướng cho xe Điều này giúp tận dụng tối đa sự bám giữa lốp xe và mặt đường, từ đó giảm thiểu khoảng cách phanh và gia tăng hiệu quả phanh.
Mặc dù hệ thống phanh trên xe du lịch hiện đại, nhưng khi phanh trên đường trơn, tình huống nguy hiểm dễ xảy ra Khi phanh toàn lực hoặc một phần, phanh không thể truyền hết lực xuống mặt đường do hệ số ma sát giữa lốp xe và mặt đường quá nhỏ Kết quả là lực phanh vượt quá mức tối đa cho phép, khiến bánh xe bị khóa cứng Khi bánh xe khóa cứng, nó không còn khả năng bám đường và không thể truyền lực kéo hay lực đánh lái, dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng.
Nguyên lý của ABS
Hiệu suất lực phanh giữa bánh xe và mặt đường là yếu tố quyết định đến lực phanh tối đa có thể đạt được Lực phanh này phụ thuộc vào độ trượt giữa bánh xe và mặt đường, cùng với các yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu suất phanh.
- Điều kiện mặt đường và lốp xe ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số bám mà hệ số bám quyết định độ lớn của lực phanh cực đại (F pmax ≤φ x F z )
- Tải trọng trên các bánh xe
Hình 5 1: Ảnh hưởng của phản lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe đến hệ số bám
Khi tải trọng tác động lên các bánh xe tăng lên, hệ số bám sẽ giảm xuống Sự thay đổi này cho thấy tải trọng trên bánh xe ảnh hưởng trực tiếp đến độ lớn của lực phanh tối đa.
Hình 5 2: Ảnh hưởng của tốc đô chuyển động của xe đến hệ số bám
Từ đồ thị, có thể nhận thấy rằng khi tốc độ của xe tăng lên, hệ số bám sẽ giảm xuống Điều này cho thấy vận tốc xe ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số bám, từ đó tác động đến độ lớn của lực phanh tối đa.
- Yếu tố nhiệt độ môi trường cũng ảnh hưởng trực tiếp đến điều kiện lốp xe và mặt đường
5.3.2 Hiệu suất lực quay vòng
Duy trì sự ổn định khi quay vòng là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển xe, vì hiệu suất lực quay vòng giảm nhanh chóng so với hiệu suất lực phanh trong cùng một hệ số trượt khi phanh.
5.3.3 Hệ số trượt khi phanh
Hệ số trượt khi phanh là tỉ lệ giữa tốc độ xe và tốc độ bánh xe Hệ số trượt được xác định theo công thức:
𝛿 𝑝 – Hệ số trượt khi phanh
𝑣 0 – Vận tốc chuyển động lý thuyết
𝑣 – Vận tốc chuyển động thực tế
Hình 5 3: Đồ thị mối quan hệ giữa hiệu suất lực phanh, hiệu suất lực quay vòng và hệ số trượt khi phanh trên những điều kiện đường khác nhau
Mặc dù không thể đạt được độ bám tối đa, việc tăng độ trượt có thể giúp tăng lực phanh đến mức ổn định Khi đó, lực quay vòng lớn vẫn tác động, giúp xe duy trì sự ổn định, dễ dàng điều khiển và không bị mất lái.
Khi đạt đến mức mất ổn định trong đường cong (từ 30-100%), lực phanh quá lớn có thể khiến bánh xe bị bó cứng, dẫn đến tình trạng xe mất lái và không thể điều khiển Để ngăn ngừa tình huống này, hệ thống ABS sẽ can thiệp vào phanh, giúp duy trì độ bám với hệ số trượt từ 10-30%.
Ưu và khuyết điểm của hệ thống phanh ABS
Tốc độ bánh xe và tốc độ xe luôn tương đồng; khi bánh xe dừng lại, xe cũng sẽ ngừng chuyển động Khi phanh đột ngột, áp lực phanh đạt mức tối đa, nhưng nếu bánh xe giảm tốc quá nhanh, áp lực dầu sẽ giảm để tránh hiện tượng bó cứng Sau đó, bánh xe sẽ tăng tốc trở lại khi lực phanh giảm Hệ thống ABS sẽ điều chỉnh và duy trì áp lực dầu để đảm bảo tốc độ bánh xe và tốc độ xe luôn tương ứng cho đến khi xe dừng hẳn.
Sự thay đổi áp lực trong khoảng nhỏ và tần số không lớn dẫn đến tốc độ xe giảm đều, trong khi tốc độ bánh xe tăng giảm theo sự thay đổi của áp lực điều khiển.
Quãng đường phanh là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng hệ thống phanh Hệ thống phanh ABS giúp giảm quãng đường phanh, mang lại hiệu quả an toàn cao hơn Để chứng minh điều này, chúng ta có thể tham khảo công thức xác định quãng đường phanh ngắn nhất.
𝛿 𝑗 − Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay
𝑣 1 − Vận tốc chuyển động của ô tô lúc bắt đầu phanh
𝑣 2 − Vận tốc chuyển động của ô tô lúc dừng hẳn
Khi phanh ôtô đến dừng hẳn thì v2 = 0, ta có:
Từ biểu thức trên ta thấy quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào:
- Vận tốc chuyển động của ôtô lúc bắt đầu phanh 𝑣 1
- Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay 𝛿 𝑗
Hệ thống phanh ABS can thiệp để duy trì hệ số trượt trong khoảng tối ưu từ 0,1 đến 0,3, giúp tối đa hóa hệ số bám dọc 𝜑 𝑥 Đồng thời, hệ số bám ngang 𝜑 𝑦 cũng nằm trong khoảng tương đối, như thể hiện trong Hình 3.3 về mối quan hệ giữa các hệ số bám và độ trượt.
𝛿 𝑝 ), đảm bảm tính an toàn khi phanh
Hệ thống phanh có tính an toàn cao và ổn định lái, với phanh thường (không có ABS) có thể dẫn đến hiện tượng hãm cứng bánh xe, làm giảm hệ số bám ngang và gây trượt Khi tất cả các bánh xe bị hãm cứng, xe có thể trượt thẳng hoặc trượt xiên, dẫn đến tình trạng không ổn định và nguy cơ lật xe Để duy trì sự ổn định khi phanh, cần tránh hãm cứng bánh xe ở cả cầu trước và cầu sau Hệ thống phanh ABS giúp duy trì hệ số trượt trong khoảng 0,1 – 0,3, đảm bảo hệ số bám tối ưu và khắc phục tình trạng hãm cứng, đồng thời tăng cường ổn định lái và hướng.
- Xe chạy trên đường trơn trượt có thể ổn định trong khi phanh
Khi xe di chuyển trên đường trơn, hệ số bám giảm, dễ dẫn đến hiện tượng hãm cứng bánh xe khi phanh Hệ thống ABS giữ cho hệ số trượt trong khoảng 0,1 – 0,3, tối ưu hóa giá trị hệ số bám, giúp xe phanh một cách ổn định trên bề mặt trơn trượt.
- Kết cấu phức tạp, khó bảo quản, sửa chữa ,lắp ráp
- Các bộ phận thay thế phải đúng loại theo nhà chế tạo
- Đòi hỏi người thợ phải có tay nghề cao, kinh nghiệm
Mục tiêu của cơ cấu ABS
Cơ cấu phanh ABS được thiết kế nhằm duy trì độ trượt của bánh xe trong quá trình phanh ở mức tối ưu, giúp tận dụng tối đa khả năng bám đường Khi độ trượt nằm trong giới hạn hẹp quanh giá trị λ, hiệu quả phanh đạt cực đại và tính ổn định cũng như khả năng dẫn hướng của bánh xe được cải thiện Mục tiêu chính của hệ thống phanh này là rút ngắn quãng đường phanh, đồng thời nâng cao tính ổn định và khả năng điều khiển của xe Để đạt được điều này, cơ cấu phanh chống hãm cứng kiểm soát áp suất trong hệ thống phanh, giữ độ trượt của bánh xe với mặt đường ở mức lý tưởng.
Cơ cấu chống hãm cứng được thiết kế trên cơ sở cơ cấu phanh thường và trang bị các cụm bộ phận chính sau
Cụm tín hiệu vào có vai trò quan trọng trong việc nhận diện tình trạng của bánh xe khi phanh Tùy thuộc vào nguyên lý điều chỉnh, có thể sử dụng các cảm biến như cảm biến đo vận tốc góc của bánh xe, cảm biến áp suất trong hệ thống phanh, cảm biến giảm tốc của ô tô và các loại cảm biến khác để thực hiện nhiệm vụ này.
Bộ điều khiển ECU nhận và xử lý thông tin từ cụm tín hiệu đầu vào, nhằm điều khiển bộ chấp hành thủy lực Mục tiêu là cung cấp áp suất dầu tối ưu cho từng xylanh phanh bánh xe.
Cụm van điều khiển trong bộ chấp hành thủy lực nhận lệnh từ bộ điều khiển để điều chỉnh áp suất dầu, giúp duy trì hệ số trượt dao động trong khoảng tối ưu từ 10-30% Việc này rất quan trọng để tránh hiện tượng hãm cứng bánh xe.
Các cơ cấu chống hãm cứng bánh xe hiện nay sử dụng nguyên lý điều chỉnh áp suất trong hệ thống phanh dựa trên gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh.
Hình 5 4: Đồ thị sự thay đổi của một số thông số của cơ cấu phanh và chuyển động của bánh xe khi có trang bị cơ cấu ABS
Khi tác động lên bàn đạp phanh, áp suất dẫn động tăng, dẫn đến mômen phanh Mp tăng và gia tốc chậm dần của bánh xe cũng tăng theo, làm tăng độ trượt Sau khi vượt qua điểm cực đại trên đường cong 𝜑 = f(λ), gia tốc chậm dần của bánh xe bắt đầu tăng đột ngột, cho thấy bánh xe có xu hướng bị hãm cứng Giai đoạn này trong quá trình phanh có ABS tương ứng với các đường cong (0-1) trên hình a, b, c, và được gọi là pha I, tức là pha bắt đầu phanh hay pha tăng áp suất trong dẫn động phanh.
Bộ điều khiển của hệ thống ABS ghi lại gia tốc tại thời điểm 1 khi đạt giá trị tới hạn và yêu cầu bộ chấp hành thủy lực giảm áp suất trong dẫn động phanh Quá trình giảm áp suất bắt đầu với độ trễ do đặc tính của cơ cấu, diễn ra từ điểm 1 đến điểm 2, được gọi là pha II Tại điểm 2, gia tốc của bánh xe giảm dần đến giá trị 0, tương ứng với đoạn C2 Sau đó, bộ điều khiển yêu cầu bộ chấp hành ổn định áp suất, khiến bánh xe tăng tốc gần bằng vận tốc của ô tô, giảm độ trượt và tăng hệ số bám dọc 𝜑 (đoạn 2-3) Giai đoạn này được gọi là pha III, trong đó mô men phanh được giữ cố định, dẫn đến gia tốc chậm dần cực đại của bánh xe trong chuyển động tương đối.
Tại thời điểm 57, hệ số bám dọc 𝜑 đạt giá trị cực đại, đánh dấu gia tốc cực đại và là thời điểm phát lệnh cho bộ điều khiển Bộ điều khiển ghi lại giá trị gia tốc này và gửi lệnh cho bộ chấp hành tăng áp suất dẫn động phanh Sau điểm 3, chu kỳ làm việc tiếp theo của hệ thống ABS bắt đầu với pha I Hệ thống ABS điều khiển momen phanh theo chu kỳ khép kín 1-2-3-1, khi bánh xe hoạt động ở vùng có hệ số bám dọc cực đại 𝜑 max.
Quá trình hoạt động hệ thống phanh ABS
Hình 5 5: Nguyên lí hoạt động thế thống phanh ABS
Khi phanh, bánh xe giảm tốc độ cho đến khi gần bó cứng, lúc này các cảm biến gửi tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm (ECU) ECU tiếp nhận tín hiệu và điều chỉnh van áp suất từ xilanh chính đến xilanh bánh xe, tuy nhiên lực phanh không tăng, khiến bánh xe có xu hướng lăn nhanh hơn Khi nhận tín hiệu từ cảm biến, ECU lại điều chỉnh van để tăng áp suất đến xilanh bánh xe, tạo lực phanh mạnh hơn Quá trình này lặp lại liên tục cho đến khi bánh xe dừng hẳn, với chu kỳ khoảng 1/10 giây Nhờ các bộ tích áp suất và van một chiều, ABS hoạt động hiệu quả, ngăn chặn hiện tượng bó cứng bánh xe, thực hiện hành động nhấp phanh liên tục với độ chính xác và tần suất cao hơn so với người lái xe kinh nghiệm.
Hệ thống phanh ABS trong ô tô sử dụng bộ tự điều chỉnh áp suất dầu để điều chỉnh lượng dầu vào xilanh bánh xe, giúp hạn chế trượt bánh khi phanh Van điện là một thành phần quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình phanh, và tùy thuộc vào loại van điện được sử dụng, hệ thống ABS có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều trạng thái khác nhau.
Hình 5 6: Van điện trong hệ thống ABS
Trong giai đoạn này, ECU chưa cấp điện cho việc điều khiển van điện, khiến đường dầu tới (cổng A) mở và đường dầu về (cổng B) đóng, cho phép áp lực dầu từ xilanh chính truyền tới xilanh bánh xe Đồng thời, ECU liên tục nhận thông tin từ các cảm biến và so sánh với các ngưỡng giá trị được lập trình sẵn Lực phanh có thể tăng hoặc giảm theo sự tác động của người lái, và bánh xe vẫn chưa bị khóa cứng.
5.6.2 Trạng thái giảm áp lực phanh:
Hệ thống cảm biến gửi tín hiệu đến ECU, giúp nhận diện tình trạng hãm cứng bánh xe ECU tính toán và quyết định chống hãm cứng bằng cách cung cấp dòng điện khoảng 5A để tạo ra lực từ mạnh, đóng đường dầu tới cổng A và mở đường dầu về cổng B Nhờ vậy, áp lực dầu không đến xilanh bánh xe, mà trở về bình tích trữ, làm giảm áp lực phanh và ngăn chặn hiện tượng bó cứng Nếu áp lực phanh vẫn cao, ECU sẽ điều khiển bơm ABS để bơm dầu từ bình tích trữ về xilanh chính, giúp giảm nhanh áp lực phanh và ngăn chặn bánh xe bị bó cứng.
5.6.3 Trạng thái giữ áp lực phanh Áp lực phanh tăng hoặc giảm ở xilanh bánh xe khi ECU nhận thấy giá trị phù hợp, thì ECU gửi dòng điện tới cuộn dây khoảng 2A vừa đủ để đóng đường tới (cổng A) và đóng đường về (cổng B) làm cho áp lực phanh không đổi ở xilanh bánh xe Lúc này ECU tiếp tục điều khiển bơm ABS làm việc để trả dầu từ bình tích năng làm tăng áp lực phanh ở xilanh chính chuẩn bị cho quá trình tăng áp tiếp theo nếu cần thiết
5.6.4 Trạng thái tăng áp lực phanh
Khi áp lực phanh cần tăng, ECU ngừng cung cấp điện cho cuộn dây van điều khiển, mở đường dầu tới (cổng A) và đóng đường dầu về (cổng B), cho phép dầu chảy từ xilanh chính tới xilanh bánh xe Đồng thời, ECU điều khiển bơm ABS hoạt động để bơm dầu về xilanh chính của bánh xe, nhằm tăng áp lực phanh Thực tế, trạng thái này chính là trạng thái phanh thường.
Nhận xét: Trạng thái làm việc của hệ thống phanh ABS thay đổi liên tục theo tình trạng của ôtô và mặt đường
Giới thiệu chung về ASR
Khi công suất động cơ được tăng cường và lực kéo tiếp tuyến tăng lên trên mặt đường trơn, có thể xảy ra tình trạng lực kéo vượt quá lực bám của bánh xe chủ động, dẫn đến nguy cơ xe bị mất lái và xoay.
- Bánh xe trượt quay khi tăng tốc cũng nguy hiểm tương tự như bánh xe trượt lết khi đang phanh
- Bánh xe trượt quay truyền được rất ít lực quay vòng cũng như khi trượt lết
Bánh xe trượt quay không còn truyền lực kéo lên mặt đường, dẫn đến tình trạng xe mất ổn định và khó kiểm soát, gây nguy hiểm Hệ thống ASR có chức năng ngăn chặn hiện tượng bánh xe trượt quay, giúp duy trì sự ổn định và an toàn cho xe.
Nguyên lý ASR
Cũng như khi phanh, lực kéo cũng được truyền từ lốp xe lên mặt đường phụ thuộc vào độ trượt giữa lốp xe và mặt đường
Hệ số trượt khi kéo là tỉ lệ giữa vận tốc bánh xe và vận tốc xe Hệ số trượt được xác định bằng công thức:
𝛿 𝑘 – Hệ số trượt khi kéo
𝑣 0 – Vận tốc chuyển động lý thuyết
𝑣 – Vận tốc chuyển động thực tế
Khi bánh xe trượt quay hoàn toàn (hệ số trượt = 1) lực bám sẽ bị giảm tối thiểu Lực quay vòng cũng giảm tương tự khi hệ số trượt tăng
Hệ thống ASR chỉ can thiệp khi giá trị trượt hoặc kéo vượt quá giới hạn cho phép Các van solenoid điều khiển điện sẽ thực hiện phanh bánh xe một phần hoặc giảm công suất động cơ cho đến khi độ trượt trở về mức ổn định.
Hoạt động của ASR
Khi những cảm biến cảm nhận ra sự trượt quay vượt qua giới hạn cho phép, bộ điều khiển ASR bắt đầu hoạt động
Khi bánh xe tăng tốc bị trượt, ECU sẽ điều khiển van phanh vi sai để tăng áp suất phanh tới xy lanh của bánh xe đó Điều này làm giảm momen truyền từ động cơ tới bánh xe bị phanh, trong khi momen truyền tới bánh xe còn lại tăng lên Hiện tượng này hoạt động tương tự như bộ khóa vi sai, giúp cải thiện khả năng bám đường và ổn định cho phương tiện.
Khi xe di chuyển với tốc độ vượt quá 50km/h, hiện tượng trượt quay có thể xảy ra ở các bánh xe chủ động, dẫn đến việc phanh vi sai chỉ còn tác dụng đồng bộ các bánh xe này Trong tình huống này, bộ điều khiển động cơ trở thành yếu tố chính trong việc điều khiển xe.
ECU điều khiển bơm nhiên liệu ở chế độ cầm chừng, giảm công suất động cơ mặc dù người lái có đạp ga Khi các thông số trượt ở bánh xe trở về mức cho phép, ECU sẽ trả quyền điều khiển động cơ cho người lái.
ASR sẽ điều chỉnh việc sử dụng phanh vi sai hoặc bộ điều khiển động cơ dựa trên điều kiện đường và tốc độ, nhằm kiểm soát sự trượt Điều này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất mà còn giảm thiểu nguy cơ quá nhiệt cho hệ thống phanh.
Giới thiệu hệ thống ESC
Hệ thống kiểm soát ổn định ESC (Electronic Stability Control) là một công nghệ an toàn chủ động điện-thủy lực, giúp ngăn chặn tình trạng trượt xe và giữ cho xe di chuyển theo quỹ đạo đã định, đặc biệt trong các tình huống di chuyển gấp ESC còn được gọi là "hệ thống ổn định động", đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao an toàn khi lái xe.
Hệ thống hỗ trợ ổn định (ESC) là một giải pháp an toàn chủ động, tích hợp các tính năng của ABS và TCS, nhằm nâng cao tính ổn định ngang của ô tô và giảm thiểu nguy cơ va chạm từ phía hông xe ESC giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe, mang lại sự an toàn tối đa cho người lái.
• Cải thiện tính ổn định của ô tô khi quay vòng
Khi xe quay vòng, có thể xảy ra tình trạng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa Hệ thống ESC sẽ sử dụng lực phanh không đều giữa hai bên bánh xe để tạo ra momen xoay ESC tính toán và phân bổ lực phanh độc lập cho từng bánh xe nhằm tạo ra momen xoay có chủ đích, giúp khắc phục tình trạng quay vòng thiếu hoặc thừa.
• Có khả năng báo hiệu trạng thái mất ổn định của ô tô cho người lái xe bằng tín hiệu đèn và còi
• Quãng đường phanh ngắn khi phanh ô tô trên đường vòng hoặc đường trơn trượt
Khi ô tô di chuyển trên đường vòng hoặc mặt đường trơn trượt, lực ngang Y tác động lên xe Hệ thống ESC và ABS hoạt động song song, với ESC điều khiển phanh và ABS đảm bảo hệ số trượt trong giới hạn cho phép, giúp tối ưu quãng đường phanh.
Hệ thống ESC kết hợp với ASR cải thiện tính ổn định của ô tô khi khởi hành, đặc biệt trên bề mặt đường trơn trượt Việc kiểm soát lực kéo giúp xe tăng tốc một cách an toàn, ngăn chặn hiện tượng xoay vòng bánh xe tại chỗ và đảm bảo xe đi đúng hướng Tính năng này mang lại lợi ích lớn cho lái xe, giúp điều khiển xe mượt mà hơn và duy trì quyền kiểm soát trên các đoạn đường khó khăn.
Nguyên lý làm việc của hệ thống ESC
Hình 5 7: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của hệ thống ESC
Trong quá trình điều khiển xe, mọi hoạt động được cảm biến ghi lại và truyền về hệ thống điều khiển trung tâm (hộp đen ECU) để so sánh với các chương trình đã tính toán trước Khi xảy ra hiện tượng bất thường như xe đi chệch quỹ đạo ở tốc độ cao hoặc phanh gấp khi vào cua, hệ thống ESC sẽ ngay lập tức can thiệp theo các chương trình đã được cài đặt Cơ cấu điều khiển thủy lực sẽ tác động vào hệ thống chống bó cứng phanh ABS, điều chỉnh góc xoay và tốc độ của từng bánh xe để cân bằng với góc trượt quán tính của xe Đồng thời, hệ thống sẽ tự động giảm công suất động cơ, kiểm soát tốc độ vòng quay của bánh xe cho đến khi đạt được độ bám đường cần thiết, đảm bảo xe hoạt động trong vùng an toàn, ngăn chặn hiện tượng chệch hướng đột ngột hoặc lật xe.
Hệ thống ESC (Electronic Stability Control) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của xe trong quá trình chuyển động, đặc biệt khi xe vào cua Khi phát hiện tình trạng xe có nguy cơ mất lái, ESC sẽ can thiệp bằng cách điều chỉnh hệ thống phanh để giảm tốc độ xe ngay lập tức Hệ thống này có khả năng điều khiển phanh một cách độc lập trên từng bánh xe, cả ở cầu trước và cầu sau, nhằm đảm bảo an toàn cho người lái Nhiệm vụ chính của ESC là hỗ trợ ổn định xe trong các tình huống phanh, khi vào cua, và ngay cả khi khởi động.
64 hành và tăng tốc Tuy nhiên, để hiệu quả khi hoạt động, hệ thống ESC cũng tác động đến cả động cơ và hộp số
Xét về bản chất, ESC là một “hệ thống tổng” bao gồm các hệ thống “cấp dưới” được mô phỏng như hình sau:
Hình 5 8: Hệ thống cân bằng điện tử ESP( Electronic Stability Program)
Hệ thống ESC (Electronic Stability Control) phối hợp với các cảm biến như cảm biến góc lái và cảm biến gia tốc ngang để giảm thiểu hiện tượng "văng đầu" và "văng đuôi" khi xe vào cua hoặc tránh chướng ngại vật Khi phát hiện xe chệch khỏi quỹ đạo, ESC tự động điều khiển lực phanh đến các bánh xe tương ứng và giảm mô-men xoắn của động cơ để giữ xe trong tầm kiểm soát Ngoài ra, trên các dòng xe hiện đại, ESC còn can thiệp vào hộp số để đảm bảo tính ổn định cao khi xe vận hành trong nhiều điều kiện khác nhau.
Sự can thiệp của ESC khi quay vòng thiếu:
Hình 5 9: Tác động của ESC khi quay vòng thiếu
Khi ECU phát hiện các bánh xe ở cầu trước có dấu hiệu trượt ngang khi ô tô quay trái, nó sẽ điều chỉnh công suất động cơ bằng cách đóng bướm ga phụ và giảm góc đánh lửa sớm Nếu biện pháp giảm moment xoắn không đủ để ổn định ô tô, hệ thống ESC sẽ can thiệp bằng cách phanh ở bánh xe phía trong góc cua và hai bánh xe ở cầu trước, nhằm tạo ra moment kiềm chế sự trượt của xe.
Sự can thiệp của ESC khi quay vòng thừa:
Hình 5 10: Tác động của ESC khi xe quay vòng thừa
Khi ô tô có dấu hiệu trượt ở bánh sau khi quay vòng sang trái, ECU của hệ thống ESC sẽ can thiệp bằng cách phanh bánh trước bên ngoài góc cua và giảm công suất động cơ Điều này giúp tạo ra moment chống lại xu hướng quay vòng thừa, đảm bảo an toàn cho xe.
Hệ thống cân bằng điện tử ESC hoạt động dựa trên mô đun điều khiển thủy lực tương tự ABS, với khả năng kiểm soát và điều chỉnh áp suất dầu phanh cho từng bánh xe ESC có thể tăng áp suất dầu khi cần thiết để tạo ra lực phanh chênh lệch, giúp phanh độc lập trên từng bánh, điều này cho phép nó hoạt động hiệu quả hơn cùng với ABS Hệ thống ESC tự động điều chỉnh khi phát hiện sự sai lệch giữa góc đánh lái và góc quay của thân xe, trong khi ABS chỉ hoạt động khi người lái đạp phanh và có nguy cơ bó cứng Chức năng chính của ESC là duy trì sự ổn định và cân bằng của xe, đặc biệt trong các tình huống như văng đuôi, trượt ngang khi vào cua hoặc khi đánh lái đột ngột ở tốc độ cao.
Nếu đường trơn trượt, lốp mòn hoặc áp suất hơi không đạt tiêu chuẩn, khả năng bám đường sẽ giảm và ảnh hưởng đến hiệu suất của ESC Khi ESC hoạt động, đèn cảnh báo sẽ nhấp nháy trên bảng điều khiển Tất cả các mẫu xe trang bị ESC đều có công tắc để kích hoạt hoặc tạm ngắt chế độ này, nhưng để đảm bảo an toàn, nên luôn để ở chế độ kích hoạt.
Hệ thống ABS và ESC đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự trượt của xe, giúp duy trì ổn định hướng chuyển động trong các tình huống phanh, quay vòng và di chuyển thẳng Sự hoạt động hiệu quả của các hệ thống này đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách.