Nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanhabs trên xe toyota fortuner bằng phần mềmmatlap simulink

Chính vì vậy, em chọn đề tài:“Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABStrên xe ôtô Toyota Fortuner”Đối với những xe có tốc độ cao, khi đang điều khiển trong tình huốn

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA: CÔNG NGHỆ Ô TÔ

BÀI TẬP LỚN

HỌC PHẦN: CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANHABS TRÊN XE TOYOTA FORTUNER BẰNG PHẦN MỀM

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay tại Việt Nam, ngành ô tô đang trên đà phát triển và ngày càng khẳng định vị trí của mình trong sự phát triền của nền công nghiệp Việt Nam Vì thế mà ngày càng có nhiều trường đại học, cao đẳng đưa ngành công nghệ ô tô vào giảng dạy Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội có thể được xem là một trong những trường đào tạo ngành công nghệ ô tô phát triển mạnh tại miền Bắc Ngành công nghệ ôtô là một trong những ngành ứng dụng rất nhiều hệ thống hiện đại nhằm đáp ứng được các nhu cầu đòi hỏi sự an toàn, tiện nghi và khả năng phát huy tối đa công suất động cơ, tốc độ xe của người sử dụng Nên các nhà chế tạo đã không ngừng cải tiến và hoàn thiện các bộ phận trên xe Vấn đề nghiên cứu thiết kế và chế tạo các phần tử của hệ thống phanh ABS là phù hợp với xu hướng phát triển của thế giới và chủ trương nội địa hoá sản phẩm ôtô của Việt Nam Chính vì vậy, em chọn đề tài:

“Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABStrên xe ôtô Toyota Fortuner”

Đối với những xe có tốc độ cao, khi đang điều khiển trong tình huống bất ngờ có chướng ngại vật xuất hiện phía trước, buộc người tài xế phải đạp phanh gấp, hoặc phanh khi xe đang đi trong đường trơn trượt, nếu đối với phanh thường thì sẽ bị trượt lết ở các bánh xe, làm xe bị mất ổn định lái và mất đi hiệu quả phanh dễ dẫn đến tai nạn Vì vậy, các nhà sản xuất và chế tạo ôtô đã sử dụng hệ thống phanh ABS(Anti-lock Braking System) để trang bị cho các xe đời mới, với mục đích là để khắc phục được những tình trạng đó, nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho tài xế cũng như hành khách trên xe

Nghiên cứu các vấn đề về lý thuyết và điều khiển hệ thống phanh ôtô hiện đại nhằm ứng dụng thiết kế và chế tạo các hộp đen ECU điều khiển hệ thống phanh là một vấn đề rất phức tạp nhưng đó là công việccần phải bắt tay vào làm

để trong tương lai không xa chúng ta tự nghiên cứu và sản xuất ra những sản phẩm ô tô riêng của Việt Nam.

Đề tài cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc nghiên cứu về tính hiệu quả của phanh khi cần giảm tốc độ cũng như hiệu quả phanh trong quá trình điều khiển động học của ôtô thông qua việc sử dụng phần mềm lập trình

Em xin chân thành cảm ơn thầy Th.s Trịnh Đắc Phong người trực tiếp hướng dẫn cùng các thầy trong bộ môn ôtô, Khoa CN Ô tô , Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài.

Hà Nội, ngày 15 tháng 8 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Hiếu

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ 7

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VỀ HỆ THỐNG ABS 15

2.1 Lực và momen tác động lên bánh xe trong mặt phẳng dọc 15

2.1.1 Lực phanh sinh ra ở bánh xe 15

2.1.2 Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu 17

2.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh 20

2.2 : Cấu tạo và hoạt động của cụm chi tiết của hệ thống ABS trên ToyotaFortuner 2015: 27

2.2.1 Cấu trúc hệ thống ABS: 28

2.2.2 Quá trình điều khiển của ABS: 30

2.2.3 Giới thiệu chung 35

2.2.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việ c của các cụm chi tiết và cả cơ cấu ABS 37

2.2.5 Các trạng thái phanh 48

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB – SIMULINK 51

3.1 Giới thiệu nội dung chính của Matlab - Simulink 52

3.1.1 Matlab – Simulink 52

3.2 Mô hình hóa và mô phỏng 53

3.3 Thông số đầu vào 59

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 62

LỜI KẾT 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG THUYẾT MINH 69

BẢN VẼ 72

SLIDE THUYẾT MINH 73

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Sơ đồ và lực momem tác dụng lên bánh xe khi phanh 14

Hình 2.Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh 16

Hình 3 Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo tốc độ bắt đầu phanh và hệ số 24

Hình 4 Toyota Fortuner 2015[4] 26

Hình 5 Sơ đồ hệ thống phanh ABS trên xe 27

Hình 6 Đồ thị mối quan hệ giữa lực phanh và hệ số trượt 28

Hình 7.Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS 31

Hình 8.Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe 32

Hình 9.Chu trình điều khiển kín của ABS 33

Hình 10.Sơ đồ điều khiển cơ cấu phanh thường 35

Hình 11.Sơ đồ khối các cụm chức năng của cơ cấu ABS 35

Hình 12.Vị trí lắp cảm biến 36

Hình 13.Cảm biến tốc độ bánh xe loại điện từ 37

Hình 14.Tín hiệu điện áp ở cảm biến tốc độ bánh xe 38

Hình 15.Các chế độ hoạt động của cảm biến giảm tốc 38

Hình 16.Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc 39

Hình 17.Cảm biến gia tốc ngang 40

Hình 18.Các chức năng điều khiển của ECU 41

Hình 19.Sơ đồ mạch điện ABS của xe TOYOTA Fortuner 2015 43

Hình 20.Sơ đồ các van điện từ của hệ thống phanh ABS 4 kênh dùng van điện từ2 vị trí 47

Hình 21 Van giứ áp và van giảm áp 48

Hình 22.Giai đoạn tăng áp, ABS chưa hoạt động 48

Hình 23.Pha giữ áp, ABS hoạt động 49

Hình 24.Pha giảm áp, ABS hoạt động 49

Hình 25 Chế độ làm việc phanh ABS 50

Hình 26.Màn hình giao diện MATLAB 51

Hình 27.Vận tốc bánh xe ( rad/s) 61

Hình 28 Vận tốc của xe 61

Hình 29 Hệ số trượt trong quá trính phanh (m) 62

Hình 30 Gia tốc khi phanh (m/s^2) 62

Hình 31 Quãng đường phanh (m) 63

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ

I Thông tin chung

Tên lớp học phần: 20224AT6048001 Khóa: 16

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Hiếu Mã sinh viên: 2021606139

II Nội dung học tập

1 Tên đề tài: Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe ôtô Toyota Fortuner

2 Hoạt động của sinh viên

- Hoạt động 1: Tổng quan hệ thống phanh ABS + Nhiệm vụ, yêu cầu, chức năng

+ Các bộ phận cơ bản, một số vấn đề liên quan

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Hiểu được tổng quan hệ thống phanh ABS - Hoạt động 2: Cấu tạo, nguyên lý hệ thống đèn phanh ABS

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Phân tích được kết cấu của hệ thống - Hoạt động 3: Thiết kế kết cấu hệ thống bằng phần mềm kỹ thuật

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Áp dụng các phần mềm chuyên dụng để giải quyết các vấn đề kỹ thuật.

- Hoạt động 4: Phân tích và giải thích biểu đồ

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Giải thích biểu đồ và kết luận

- Hoạt động 5: Báo cáo kết quả thực hiện bài tập lớn thông qua báo cáo và thuyết trình bài tập lớn

- Hoạt động 6: Yêu cầu sinh viên viết được tài liệu hướng dẫn cho người đọc bằng chữ viết và đồ họa khi sử dụng sản phẩm của đồ án (bản vẽ, thuyết minh, các mô hình nghiên cứu)

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Khả năng giao tiếp bằng văn viết và đồ họa trong môi trường kỹ thuật Khả năng giao tiếp bằng văn viết và đồ họa trong môi trường phi kỹ thuật Khả năng giao tiếp bằng lời nói Xác định và sử dụng các tài liệu kỹ thuật phù hợp.

3 Sản phẩm cần đạt được

- Quyển báo cáo bài tập lớn trình bày toàn bộ kết quả thực hiện theo phiếu giao đề tài.

- Bản báo cáo tóm tắt bài tập lớn

- Bản thiết kế trên máy tính và các bản vẽ - Hướng dẫn sử dụng sản phẩm đồ án.

III Nhiệm vụ học tập

- Hoàn thành toàn bộ nội dung được giao theo đúng thời gian quy định - Nộp toàn bộ sản phẩm cần đạt được trước khi bảo vệ

IV Cách thức đánh giá

- Nội dung bài tập lớn theo phiếu giao.

- Đánh giá khả năng giao tiếp bằng văn bản và bằng đồ hoạ trong môi trường kỹ thuật của sinh viên thông qua báo cáo đồ án.

- Đánh giá khả năng giao tiếp bằng văn bản và bằng đồ hoạ trong môi trường phi kỹ thuật của sinh viên thông qua việc viết tài liệu hướng dẫn người

- Đánh giá khả năng lựa chọn và sử dụng tài liệu tham khảo phù hợp trong đồ án.

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNGDẪN

MỞ ĐẦU

1 Mục đích thực hiện đề tài

- Hiểu được các cơ sở lý thuyết về quá trình phanh của ô tô; nắm được cấutạo cơ bản, nguyên lý làm việc của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS

- Đánh giá được hiệu quả của quá trình phanh 2 Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS

- Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống chống bócứng bánh xe ABS; từ đó phân tích, đánh giá các chỉ tiêu hiệu quả phanh dựa trên kếtquả mô phỏng thu được

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện nghiên cứu trên xe ô tô

- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phanh có trang bị ABS trên xe ô tô 4 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các nguồn tài liệu lý thuyết liên quan đến đề tài nghiên cứu, tiến hànhchọn lọc, phân tích, giải thích các bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong quátrình phanh Từ đó, đưa ra các cơ sở lý thuyết tính toán kết hợp với phần mềm môphỏng MATLAB-SIMULINK để tiến hành xây dựng các mô hình mô phỏng, đánh giáhiệu quả của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS

5 Cấu trúc đồ án tốt nghiệp

Đồ án ngoài phần “mở đầu” và phần “kết luận chung và hướng phát triển củađề tài”, gồm có 4 chương:

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2 Cơ sở về hệ thống phanh ABSChương 3 Mô phỏng bằng matlab-simulink Chương 4 Một số kết quả và bàn luận.

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Với sự hiểu biết đơn giản và kinh nghiệm, tránh hiện tượng các bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe trên đường trơn trượt, người lái xe đạp phanh bằng cách nhấn liên tục lên bàn đạp phanh để duy trì lực bám ngăn không cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển được hướng chuyển động của xe Về cơ bản chức năng của cơ cấu phanh ABS cũng giống như vậy nhưng hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn

Cơ cấu ABS được sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm 1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh Với công nghệ thời đó, kết cấu của cơ cấu ABS còn cồng kềnh, hoạt động không tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi tình huống Trong quá trình phát triển ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay là loại điện tử

Vào thập niên 60, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử ra đời, giúp cơ cấu ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô vào năm 1969, sau đó cơ cấu ABS được nhiều công ty sản suất ô tô nghiên cứu và đưa vào ứng dụng vào năm 1970 Công ty Toyota sử dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật Bản vào năm 1971 đây là cơ cấu ABS một kênh điều khiển đồng thời hai bánh sau Nhưng phải đến thập niên 80 cơ cấu này mới được phát triển mạnh nhờ cơ cấu điều khiển kĩ thuật số, vi xử lý thay cho các cơ cấu điều khiển tương tự đơn giản trước đó Lúc đầu cơ cấu ABS chỉ được lắp ráp trên các xe du lịch mới, đắt tiền, được trang bị theo yêu cầu và theo thị trường Dần dần cơ cấu này được đưa vào sử dụng rộng rãi hơn, đến nay ABS gần như trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đường băng, tuyết dễ trơn trượt, ngày nay cơ cấu ABS không chỉ được thiết kế

trên các cơ cấu phanh thuỷ lực mà còn ứng dụng rộng rãi trên các cơ cấu phanh khí nén của các xe tải và xe khách lớn

Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động như khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với tốc độ cao, khi phanh trong những trường hợp khẩn cấp … Cơ cấu ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều cơ cấu khác.

Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu kiểm soát lực kéo Traction Control (hay ASR) làm giảm bớt công suất động cơ và phanh các bánh xe để tránh hiện tượng các bánh xe bị trượt lăn tại chỗ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, bởi điều này làm tổn hao vô ích một phần công suất của động cơ và mất tính ổn định chuyển động của ô tô

Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu phân phối lực phanh bằng điện tử EBD (Electronic Break force Distribution) nhằm phân phối áp suất dầu phanh đến các bánh xe phù hợp với các chế độ tải trọng và các chế độ chạy của xe

Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu BAS ( Break Assist System) làm tăng thêm lực phanh ở các bánh xe để quãng đường phanh là ngắn nhất trong trường hợp phanh khẩn cấp Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu ổn định ô tô bằng điện tử (ESP) không chỉ có tác dụng trong khi dừng xe, mà còn can thiệp vào cả quá trình tăng tốc và chuyển động quay vòng của ô tô, giúp nâng cao hiệu quả chuyển động của ô tô trong mọi trường hợp.

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kĩ thuật điện tử của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều khiển mở, điều khiển thông minh, tối ưu hoá quá trình điều khiển ABS.

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

Các công ty như BOSCH, AISIN, DENCO, BENDI là những công ty đi đầu trong việc nghiên cứu, cải tiến và chế tạo các cơ cấu ABS và cung cấp cho các công ty sản xuất ô tô trên toàn thế giới.

Qua nghiên cứu các đề tài, mỗi đề tài có mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu khác nhau và đạt được kết quả nhất định trong đó nổi trội nhât là: Công trình nghiên cứu với đề tài (wheel slip control with moving slipding surface for traction control system) của K.CHUN và M.SUNWOO đại học Hanyang –seoul -Hàn Quốc (11/4/2004); trong đó tác giả đã phân tích được quá trình điều khiển, tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Matlap-Simulink và được thử nghiệm trên xe điện (electric kart) công trình đã đạt được :

- Nghiên cứu kĩ càng về hệ thống phanh ABS

Đã tính tới yếu tố thời gian tăng tốc và thời gian phản ứng của hệ thống -Mô phỏng được quá trình điều khiển

- Kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm trên loại xe điện nhỏ Hạn chế của đề tài:

- Mới chỉ kiểm nghiệm dưới dạng mô hình đơn giản.

Đề tài mong muốn tham gia một phần trong mảng nghiên cứu chống trượt quay bánh xe giúp ô tô tăng khả năng tăng tốc trên đường đặc biệt là đường có hệ số bám thấp Đây là vấn đề liên quan đến an toàn giao thông khi điều kiện đường xá nước ta còn chưa phát triển và tạo điều kiện cho xe có khả năng tăng tốc tốt khi điều kiện thời tiết xấu

Để khắc phục những hiện tượng đó, phần lớn các ô tô con sang trọng hiện nay đều được trang bị hệ thống chống trượt quay bánh xe, gọi tắt là ASR (Traction Control System) Tại thị trường ô tô Việt Nam rất nhiều hãng đã trang bị hệ thống này trên ôtô: BMW, GM Daewoo,Toyota, Ở Việt Nam cũng đã có

- Luận án tiến sĩ của Nguyễn Sĩ Đỉnh (2010): Nghiên cứu động lực học dẫn động phanh thủy lực để lắp hệ thống chống hãm cứng bánh xe lên ô tô quân sự

- Đào Mạnh Hùng, Nguyễn Đức Trung, “ Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS) trên cơ sở lý thuyết điều khiển trượt”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 4, tháng 4 năm 2010

- Lê Hùng Lân, Nguyễn Văn Tiềm, “Tổng hợp điều khiển thích nghi hệ thống chống bó cứng bánh xe ô tô khi phanh trên cơ sở mô hình mạng nơ ron xuyên tâm- RBFN”, Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, Trường đại học Giao thông vận tải, số 24, tr 38-45

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VỀ HỆ THỐNG ABS

2.1 Lực và momen tác động lên bánh xe trong mặt phẳng dọc 2.1.1 Lực phanh sinh ra ở bánh xe

Khi người lái tác dụng vào bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra momen ma sát còn gọi là momen phanh Mp nhằm hãm bánh xe lại lúc đó ở bánh xe xuất hiện phản lực tiếp tuyến [1]

- Chiều ngược chiều chuyển động

- Phương song song với mặt phẳng nằm ngang

- Điểm đặt tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp và đường Xét tại một bánh xe như hình vẽ:

Hình 1 Sơ đồ và lực momem tác dụng lên bánh xe khi phanh

Mf : Mômen cản lăn

 : Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường;

Khi phanh thì bánh xe chuyển động với gia tốc chậm dần, do đó trên bánh xe sẽ có mô men quán tính Mjb tác dụng, mô men này cùng với chiều chuyển động của bánh xe; ngoài ra còn có mômen cản lăn Mf tác dụng, mômen này ngược với chiều chuyển động và có tác dụng hãm bánh xe lại Như vậy trong khi phanh bánh xe thì lực hãm tổng cộng là:

PP0==+Pp (2.3)

Trong quá trình phanh ôtô, mômen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lên, đến một lúc nào đấy sẽ dẫn đến sự trượt lê bánh xe Khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thì hệ số bám  có giá trị thấp nhất thì lực phanh sinh ra giữa bánh xe và

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

mặt đường là nhỏ nhất, dẫn tới hiệu quả phanh thấp nhất Không những thế, nếu các bánh xe trước bị trượt sẽ làm mất tính dẫn hướng khi phanh, còn nếu bánh sau bị trượt khi phanh làm mất tính ổn định khi phanh

Vì vậy để tránh hiện tượng trượt lê hoàn toàn bánh xe (tức là không để bánh xe bị bó cứng khi phanh) trên ôtô hiện đại có đặt bộ chống bó cứng bánh xe khi phanh

2.1.2 Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu

Giả sử ôtô chuyển động với vận tốc v1 , khi phanh thì v1 giảm dần và gia tốc j<0 Lúc này lực tác dụng lên ô tô :

Hình 2.Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh

Trong đó:

G: Trọng lượng ôtô đặt tại trọng tâm của xe

L: Chiều dài cơ sở của xe

thức sau:

Trong đó:

g: Gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2 )

kể, có thể bỏ qua Sự bỏ qua này chỉ gây sai số khoảng 1,5 ÷ 2%

Bằng cách lập các phương trình cân bằng mômen của các lực tác dụng lên ô tô khi phanh đối với các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường A và B, ta

Nhận xét : Các phản lực tiếp tuyến tại bánh xe là hàm bậc nhất đối với lực

phanh và phụ thuộc vào trọng lượng ôtô khi phanh và toạ độ trọng tâm

(2.7) (2.8)

ngược chiều với chiều chuyển động của ôtô

ta có :

Ppmax = G.

Nhận xét: Sự phanh có hiệu quả nhất là khi lực phanh sinh ra ở các bánh

xe tỷ lệ thuận với tải trọng tác dụng lên chúng, mà tải trọng tác dụng lên các

Vậy để phanh có hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh xe trước và lực phanh ở các bánh xe sau sẽ là:

(2.10) Hay :

Do bỏ qua P� và Pf nên khi phanh thì: Pj = PP và Pjmax = PPmax = G.�

Nhận xét: Tỷ số lực phanh bánh xe trước – sau phụ thuộc toạ độ trọng

tâm của xe và gia tốc chậm dần khi phanh Để tỷ số này không thay đổi trong suốt quá trình phanh là điều kiện không thể vì: Trên xe tải trọng lớn kết hợp với hệ thống treo làm thay đổi chiều cao trọng tâm khi xe chuyển động

Mặt khác do sức cản mặt đường thì gia tốc chậm dần khi phanh không phải là chậm dần đều, do các chất tải vì thế hệ số bám � thay đổi nên tọa độ

bảo đảm điều kiện này thì: thay đổi momen phanh tại bánh xe bằng cách dung áp suất dầu hoặc khí nén tác dụng vào xy lanh phanh mà có thể điều chỉnh được.

2.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh

Để đánh giá chất lượng của quá trình phanh ta phải xét đến các yếu tố sau:

1 Gia tốc chậm dần khi phanh 2 Thời gian phanh

3 Quãng đường phanh

4 Lực phanh và lực phanh riêng

2.1.3.1 Gia tốc chậm dần khi phanh

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

Gia tốc chậm dần đều khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh Khi phân tích các lực tác dụng lên ôtô, có thể viết phương trình cân bằng lực kéo khi phanh ôtô như sau:

Thực nghiệm chứng tỏ rằng các lực cản lại chuyển động của ôtô có giá trị

trên đường nằm ngang có phương trình:

g: Gia tốc trọng trường

Từ biểu thức (2.14) có thể xác định gia tốc chậm dần cực đại khi phanh:

Nhận xét: Để tăng gia tốc chậm dần khi phanh cần phải giảm hệ số δi Vì vậy khi phanh đột ngột người lái cần tắt ly hợp để tách động cơ ra khỏi hệ thống

phụ thuộc vào hệ số bám � của lốp với mặt đường(mà giá trị của hệ số bám lớn

2.1.3.2 Thời gian phanh.

Thời gian phanh cũng là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt.

Để xác định thời gian phanh cần sử dụng công thức sau:

(2.16) Từ biểu thức (2.16) có thể viết :

Muốn xác định thời gian phanh nhỏ nhất chỉ cần tích phân dt trong giới

cuối quá trình phanh:

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

Trong đó:

Từ biểu thức (2.18) ta thấy rằng thời gian phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào

xe với mặt đường Để thời gian phanh nhỏ cần giảm δi, vì vậy người lái xe cần cắt ly hợp khi phanh.

2.1.3.3 Quãng đường phanh.

Quãng đường phanh là chỉ tiêu quan trọng, thực tế nhất để đánh giá chất lượng phanh của ôtô So với các chỉ tiêu khác thì quãng đường phanh là chỉ tiêu mà người lái xe có thể nhận thức được một cách trực quan, dễ dàng tạo điều kiện cho người lái xe xử trí tốt trong khi phanh ôtô trên đường

Từ công thức:

Ta nhân 2 vế với ds ta được:

(2.19)

Quãng đường phanh nhỏ nhất được xác định bằng cách tích phân ds hai

Từ biểu thức trên ta thấy quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào:

- Hệ số bám �

lái cắt ly hợp trước khi phanh thì quãng đường phanh sẽ ngắn hơn Ta thấy ở

Ta có đồ thị thể hiện sự thay đổi của quãng đường phanh nhỏ nhất theo

Hình 3 Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo tốc độ bắt đầu phanh và hệ số Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

Từ đồ thị thấy rằng:

Ở vận tốc bắt đầu phanh v1 càng cao thì quãng đường phanh S càng lớn vì

Hệ số bám � càng cao thì quãng đường phanh S càng giảm.

2.1.4 Lực phanh và lực phanh riêng.

Lực phanh và lực phanh riêng cũng là chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Chỉ tiêu này được dùng thuận lợi nhất là khi thử phanh ôtô trên bệ thử

Lực phanh sinh ra ở bánh xe được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

Lực phanh riêng P là lực phanh được tính trên một đơn vị trọng lượng toàn bộ G của ôtô:

Từ biểu thức trên ta thấy rằng lực phanh riêng cực đại bằng giá trị hệ số bám � :

Về mặt lý thuyết thì: Trên mặt đường nhựa khô nằm ngang, lực phanh riêng cực đại có thể đạt giá trị 75 ÷80%

Trong thực tế giá trị đạt được thấp hơn nhiều khoảng 45% đến 65%

Nhận xét: Trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh thì chỉ tiêu quãng

đường phanh là đặc trưng nhất và có ý nghĩa quan trọng nhất Vì quãng đường phanh cho phép người lái hình dung được vị trí xe sẽ dừng trước một chướng ngại vật mà họ phải xử trí để khỏi xảy ra tai nạn khi người lái xe phanh ở tốc độ ban đầu nào đấy.

2.2 : Cấu tạo và hoạt động của cụm chi tiết của hệ thống ABS trên Toyota Fortuner 2015:

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

Thông số kĩ thuật:

2.2.1 Cấu trúc hệ thống ABS:

Hình 4 Toyota Fortuner 2015[4]

Hình 5 Sơ đồ hệ thống phanh ABS trên xe

Khi xe chuyển động ở tốc độ không đổi, tốc độ của xe và bánh xe là như nhau (nói cách khác các bánh xe không trượt) Tuy nhiên khi người lái đạp phanh để giảm tốc độ, tốc độ của các bánh xe giảm từ từ và không thể bằng tốc độ thân xe lúc này đang chuyển động nhờ quán tính của nó Sự khác nhau giữa tốc độ thân xe và tốc độ bánh xe được biểu diễn bằng một hệ số gọi là hệ số trượt.

Hình 6 chỉ ra các đường đặc tính trượt, thể hiện mối quan hệ giữa hệ số

với các loại đường khác nhau Từ các đồ thị trên, chúng ta có thể rút ra một số

nhanh chóng và đạt giá trị cực đại trong khoảng độ trượt  =10  30% Nếu độ

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

trượt tiếp tục tăng thì x giảm, khi độ trượt  = 100% (lốp xe bị trượt lết hoàn

Khi đường ướt còn có thể giảm nhiều hơn nữa, đến 50  60% Đối với hệ số

có giá trị khá cao

Hình 6 Đồ thị mối quan hệ giữa lực phanh và hệ số trượt.

- Vùng a gọi là vùn g ổn định, ứng với khi mới bắt đầu phanh, vùng b là vùng không ổn định của đường đặc tính trượt Ở hệ thống phanh thường, khi độ

- Ở hệ thống phanh thường, khi phanh đến giới hạn bị hãm cứng = 100% thì hệ số bám ngang y giảm xuống gần bằng không, thậm chí đối với loại đường có hệ số bám dọc cao như đường bêtông khô, nên khả năng bám ngang không còn nữa, chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng cũng đủ làm cho xe bị trượt ngang, không tốt về phương diện ổn định khi phanh.

Như vậy, nếu giữ cho quá trình phanh xảy ra ở độ trượt của bánh xe là 0

phanh chống hãm cứng (ABS) được thiết kế để thực hiện mục tiêu này.

2.2.2 Quá trình điều khiển của ABS:Yêu cầu của hệ thống điều khiển ABS:

Một hệ thống ABS hoạt động tối ưu, đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng phanh của ôtô phải thỏa mãn đồng thời các yêu cầu sau:

- Trước hết, ABS phải đáp ứng được các yêu cầu về an toàn liên quan đến động lực học phanh và chuyển động của ôtô

- Hệ thống phải làm việc ổn định và có khả năng thích ứng cao, điều khiển tốt trong suốt dải tốc độ của xe và ở bất kỳ loại đường nào (thay đổi từ đường bêtông khô có sự bám tốt đến đường đóng băng có sự bám kém)

- Hệ thống phải khai thác một cách tối ưu khả năng phanh của các bánh xe trên đường, do đó giữ tính ổn định điều khiển và giảm quãng đường phanh Điều này không phụ thuộc vào việc phanh đột ngột hay phanh từ từ của người lái xe

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

- Khi phanh xe trên đường có các hệ số bám khác nhau thì moment xoay xe quanh trục đứng đi qua trọng tâm của xe là luôn luôn xảy ra không thể tránh khỏi, nhưng với sự hỗ trợ của hệ thống ABS, sẽ làm cho nó tăng rất chậm để người lái xe có đủ thời gian bù trừ moment này bằng cách điều chỉnh hệ thốn g lái một cách dễ dàng

- Phải duy trì độ ổn định và khả năng lái khi phanh trong lúc đang quay vòng

- Hệ thống phải có chế độ tự kiểm tra, chẩn đoán và dự phòng, báo cho lái xe biết hư hỏng cũng như chuyển sang làm việc như một hệ thống phanh bình thường.

Phạm vi điều khiển của ABS:

1 Lốp bố tròn (radial-ply) chạy trên đường bê tông khô ; 2 Lốp bố chéo (bias-ply) chạy trên đường nhựa ướt ; 3.Lốp bố tròn chạy trên đường tuyết ;

4 Lốp bố tròn chạy trên đường đóng băng

Mục tiêu của hệ thống ABS là g iữ cho bánh xe trong quá trình phanh có

đặc tính trượt), gọi là phạm vi điều khiển của hệ thống ABS Khi đó, hiệu quả

phanh là rút ngắn quãng đường phanh, cải thiện tính ổn định hướng và khả năng điều khiển lái của xe trong khi phanh Thực tế giới hạn này có thể thay đổi trong phạm vi lớn hơn, có thể bắt đầu sớm hơn hay kết thúc trễ hơn tùy theo điều kiện bám của bánh xe và mặt đường.

Trên (hình 7 ) thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc x và độ trượt  ứng với các loại lốp khác nhau chạy trên các loại đường có hệ số bám khác nhau

Hình 7.Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS.

Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS ứng với từng điều kiện cụ thể là khác nhau Theo đó, ta thấy đối với loại lốp bố tròn chạy trên đường bêtông khô

để đạt giá trị hệ số bám cực đại trong hai trường hợp trên là khác nhau Vì vậy, phạm vi điều khiển ABS của chúng cũng khác nhau, trường hợp lốp bố tròn chạy trên đường bêtông khô sẽ có quá trình điều khiển ABS xảy ra sớm hơn Tương tự là phạm vi điều khiển của hệ thống ABS đối với loại lốp bố tròn chạy trên đường tuyết và đường đóng băng (đường cong 3 và 4).

Khi phanh trên đường vòng, xe chịu sự tác động của lực ngang nên các bánh xe sẽ có một góc trượt  Đồ thị hình 2.5 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số

giảm đi rất nhiều Trong trường hợp này hệ thống ABS sẽ ưu tiên điều khiển tính

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

ổn định của xe hơn là quãng đường phanh Vì vậy ABS sẽ can thiệp sớm khi hệ

được giá trị cực đại của nó là 0.8, quá trình điều khiển này cũng được kéo dài hơn bình thường Nhờ vậy xe giữ được tính ổn định khi phanh trên đường vòng, mặc dù quãng đường phanh có thể dài hơn so với khi chạy thẳng.

Chu trình điều khiển của ABS:

Quá trình điều khiển của hệ thống ABS được thực hiện theo một chu trình kín như (hình 9) Các cụm của chu trình bao gồm:

- Tín hiệu vào là lực tác dụng lên bàn đạp phanh của người lái xe, thể hiện qua áp suất dầu tạo ra trong xy lanh phanh chính

- Tín hiệu điều khiển bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe và hộp điều khiển (ECU) Tín hiệu tốc độ các bánh xe và các thông số nhận được từ nó như gia tốc và độ trượt liên tục được nhận biết và phản hồi về hộp điều khiển để xử lý kịp thời

Hình 8.Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe.

- Tín hiệu tác động được thực hiện bỡi bộ chấp hành, thay đổi áp suất dầu cđến các xy lanh làm việc ở các cơ cấu phanh bánh xe

- Đối tượng điều khiển: là lực phanh giữa bánh xe và mặt đường ABS hoạt động tạo ra moment phanh thích hợp ở các bánh xe để duy trì hệ số bám tối ưu giữa bánh xe với mặt đường, tận dụng khả năng bám cực đại để lực phanh là lớn nhất

- Các nhân tố ảnh hưởng: như điều kiện mặt đường, tình trạng phanh, tải trọng của xe, và tình trạng của lốp (áp suất, độ mòn,…)

Hình 9.Chu trình điều khiển kín của ABS

2.2.3 Giới thiệu chung

Cơ cấu ABS được thiết kế dựa trên cấu tạo của một cơ cấu phanh thường Ngoài ra các cụm bộ phận chính của một cơ cấu phanh như cụm xy lanh chính, bầu trợ lực, cơ cấu phanh bánh xe, các van điều hoà lực phanh.Để thực hiện chức năng chống hãm cứng bánh xe khi phanh, thì cơ cấu ABS cần trang bị thêm các bộ phận như : cảm biến tốc độ bánh xe, hộp diều khiển điện tử (ECU), bộ chấp hành thuỷ lực, bộ chẩn đoán, báo lỗi

Một cơ cấu ABS bao gồm 3 cụm bộ phận chính :

- Cụm tín hiệu vào gồm các cảm biến tốc độ bánh xe, công tắc b áo phanh, …có nhiệm vụ gửi thông tin tốc độ bánh xe, tín hiệu phanh về hộp điều khiển điện tử (ECU), dưới dạng tín hiệu điện

- Hộp điều khiển điện tử (ECU) có chức năng nhận và xử lý các tín hiệu vào, đưa tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thuỷ lực, đ iều khiển quá trình phanh chống bó cứng bánh xe

- Bộ phận chấp hành gồm có bộ điều khiển thuỷ lực, bộ phận hiển thị đèn báo phanh ABS, bộ phận kiểm tra, chẩn đoán

Trong đó :

+ Bộ điều khiển thuỷ lực nhận tín hiệu điều khiển từ ECU thực hiện quá trình phân phối áp suất dầu đến các cơ cấu phanh bánh xe

+ Bộ phận hiển thị đèn báo phanh và bộ phận kiểm tra chẩn đoán có chức năng báo cho người lái xe biết khi cơ cấu ABS gặp sự cố, dưới dạng các xung điện hoặc là tín hiệu nhấp nháy của đèn báo.

Hình 10.Sơ đồ điều khiển cơ cấu phanh thường

Nguyên tắc điều khiển cơ bản của cơ cấu ABS như sau: - Các cảm biến tốc độ bánh xe nhận biết tốc độ góc của các bánh xe và gửi tín hiệu về ECU dưới dạng các xung điện áp xoay chiều

- ECU theo dõi tình trạng các bánh xe bằng cách tính tốc độ xe và sự thay đổi tốc độ bánh xe, xác định mức trượt dựa trên tốc độ các bánh xe

- Khi phanh gấp hay phanh trên những đường ướt, trơn trượt có hệ số bám thấp, ECU điều khiển bộ chấp hành thuỷ lực cung cấp áp suất dầu tối ưu cho mỗi xy lanh phanh bánh xe theo các chế độ tăng áp, giữ áp hay giảm áp để duy trì độ trượt nằm trong giới hạn tốt nhất, tránh bị hãm cứng bánh xe khi phanh.

2.2.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việ c của các cụm chi tiết và cả cơ cấu ABS a, Cảm biến tốc độ bánh xe:

Cảm biến tốc độ bánh xe dùng để đo vận tốc góc của bánh xe và gửi về ECU dưới dạng các tín hiệu điện.

Hình 12.Vị trí lắp cảm biến

Tuỳ theo cách điều khiển khác nhau, các cảm biến tốc độ bánh xe thường được gắn ở mỗi bánh xe để đo riêng rẽ từng bánh hoặc được gắn ở vỏ bọc của cầu chủ động, đo tốc độ trung bình của hai bánh xe dựa vào tốc độ của bánh răng vành chậu Ở bánh xe, cảm biến tốc độ được gắn cố định trên các giá đỡ của các bánh xe, vành răng cảm 19 biến được gắn trên đầu ngoài của bán trục h ay trên cụm moay ơ bánh xe, đối diện và cách cảm biến tốc độ một khe hở nhất

Cảm biến tốc độ bánh xe có hai loại : Cảm biến điện từ và cảm biến HALL Trong đó loại cảm biến điện từ được sử dụng phổ biến hơn.[2]

 Cấu tạo

Gồm một nam châm vĩnh cửu, một cuộn dây quấn quanh lõi từ, hai đầu cuộn dây được nối với ECU

Gồm một nam châm vĩnh cửu, một cuộn dây quấn quanh lõi từ, hai đầu cuộn dây được nối với ECU.

Hình 13.Cảm biến tốc độ bánh xe loại điện từ.

 Nguyên lý làm việc

Khi bánh xe quay, vành răng quay theo, khe hở A giữa hai đầu lõi từ và vành răng thay đổi, từ thông biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động xoay chiều dạng hình sin có biên độ và tần số thay đổi tỉ lệ theo tốc độ góc của bánh xem (hình 14) Tín hiệu này liên tục được gửi về ECU Tuỳ theo cấu tạo của cảm biến, vành răng và khe hở giữa chúng, các xung điện áp tạo ra có thể nhỏ dưới 100mV ở tốc độ thấp, hoặc cao hơn 100mV ở tốc độ cao.

Khe hở không khí giữa lõi từ và đỉnh răng của vành răng cảm biến chỉ khoảng 1mm và độ sai lệch phải nằm trong giới hạn cho phép Cơ cấu ABS sẽ không làm việc tốt nếu khe hở nằm ngoài giá trị tiêu chuẩn.

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

Hình 14.Tín hiệu điện áp ở cảm biến tốc độ bánh xe.

b, Cảm biến giảm tốc:

Hình 15.Các chế độ hoạt động của cảm biến giảm tốc.

Trên một số xe ngoài cảm biên tốc độ bánh xe còn được trang bị thêm một cảm biến giảm tốc cho phép ECU xác định chính xác hơn sự giảm tốc của xe trong quá trình phanh Kết quả là, mức độ đáp ứng của ABS được cải thiện tốt hơn Nó thường được sử dụng nhiều trên xe 4WD bởi vì nếu một trong các bánh xe bị hãm cứng thì các bánh xe khác cũng có xu hướng bị hãm cứng theo, do tất cả các bánh được nối với cơ cấu truyền lực nên có tốc độ ảnh hưởng lẫn nhau Cảm biến giảm tốc còn gọi là cảm biến “G”.

Hình 16.Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc

Cấu tạo của cảm biến như (hình 15) gồm hai cặp đèn LED và phototransistors, một đĩa xẻ rãnh và một mạch biến đổi tín hiệu Đặc điểm của đèn LED là phát sáng khi cấp điện và phototransistors là dẫn điện khi có ánh sáng chiếu vào Khi mức độ giảm tốc của xe thay đổi, đĩa xẻ rãnh lắc theo chiều dọc xe tương ứng với mức độ giảm tốc Các rãnh trên đĩa cắt cho ánh sáng từ đèn LED đến phototransistors, làm phototransistors đóng, mở, báo tín hiệu về ECU ECU nhận những tín hiệu này để xác định chính xác trạng thái mặt đường và thực hiện các điều chỉnh thích hợp Tín hiệu này cũng được dùng để ECU điều khiển chế độ làm chậm sự tăng mômen xoay xe

Sử dụng hai cặp LED và phototransistors sẽ tạo ra sự đóng và mở của các phototransistors chia mức độ giảm tốc thành 4 mức

c, Cảm biến gia tốc ngang:

Cảm biến gia tốc ngang được trang bị trên một và i kiểu xe, giúp tăng khẳ năng ứng xử của xe khi phanh trong lúc đang quay vòng, có tác dụng làm chậm quá trình gia tăng mô men xoay xe Trong quá trình quay vòng, các bánh xe phía trong có xu hướng nhấc lên khỏi mặt đất do lực ly tâm và các yếu tố góc đặt bánh xe Ngược lại, các bánh xe bên ngoài bị tỳ mạnh xuống mặt đường đặc biệt là các bánh xe phía trước bên ngoài Vì vậy các bánh xe phía trong có xu hướng bó cứng dễ dàng hơn so với các bánh xe ở phía ngoài Cảm biến gia tốc ngang có nhiệm vụ xác định gia tốc ngang của xe khi quay vòng và gửi tín hiệu về ECU Trong trường hợp này một cảm biến kiểu phototransistors giống như cảm

Downloaded by TOM CUA (tomboy3@gmail.com)

biến giảm tốc được gắn theo trục ngang của xe hay một cảm biến kiểu bán dẫn được sử dụng để đo gia tốc ngang Ngoài ra cảm biến kiểu bán dẫn cũng được sử dụng để đo sự giảm tốc, do nó có thể đo được cả gia tốc ngang và gia tốc dọc.

Hình 17.Cảm biến gia tốc ngang