Tên đề tài mô phỏng các hệ thống an toàn của phanh (tcs, esc) của xe ford ranger raptor 2020

Phạm vi nghiên cứu Mô phỏng và thiết lập các thông số đầu vào của hệ thống ESC, TCS trên Carsim, sau đó dùng Matlab/Simulink để phân tích mô hình hệ thống, hàm truyền, các khối của bộ đi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM Nguyễn Quang Hưng – 20145290 Huỳnh Quốc khang – 20145354

TP.HCM, tháng 5 năm 2023

Tên đề tài: Mô phỏng các hệ thống an toàn của phanh (TCS, ESC)

của xe Ford Ranger Raptor 2020

GVHD: TS Nguyễn Mạnh Cường

1.5 Tổng quan về hệ thống an toàn phanh trên ô tô 2

1.5.1 Hệ thống Anti – Lock Brake System (ABS) 2

1.5.2 Hệ thống Traction Control System (TCS) 3

1.5.3 Hệ thống Electronic Stability Control (ESC) 4

1.6 Thông số kỹ thuật xe Ford Ranger Raptor 2020 7

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ANTI – LOCK BRAKE SYSTEM (ABS) 8

2.1 Cấu tạo của hệ thống phanh ABS trên ô tô 8

2.3 Mô hình hóa hệ thống phanh ABS 18

2.4 Cơ sở lý thuyết của hệ thống phanh ABS 20

2.4.1 Đặc điểm quá trình phanh của ô tô 20

2.4.2.Các tiêu chí đánh giá hiệu quả quá trình phanh 20

2.4.3 Các tiêu chí đánh giá tính ổn định khi phanh 23

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG TRACTION CONTROL SYSTEM (TCS) 25

3.1 Cơ sở lý thuyết 25

3.1.1 Hệ số trượt: 25

3.1.2 Hệ số bám và lực bám 28

3.2 Vị trí các bộ phận và chức năng 30

3.3 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Carsim 33

3.3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển hệ thống On/Off 33

3.3.2 Xây dựng mô hình của hệ thống TCS 34

3.3.3 Mô phỏng hệ thống TCS trên phần mềm Carsim 35

3.3.4 Sơ đồ thuật toán của hệ thống kiểm soát lực kéo TCS trên Simulink 41

3.4 Chạy mô phỏng và phân tích, đánh giá kết quả 45

3.4.1 Đồ thị so sánh giữa xe không có TCS và xe có TCS trên đường trơn 45

3.4.2 Đồ thị so sánh giữa xe không có TCS và xe có TCS trên đường dốc 49

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG ELECTRONIC STABILITY CONTROL (ESC) 54

4.1 Cấu tạo hệ thống cân bằng điện tử ESC 54

4.1.1 Bộ phận điều khiển thủy lực (bộ phận thực hiện) 54

4.1.2 Cảm biến tốc độ bánh xe 56

4.1.3 Cảm biến góc lái 57

4.1.4 Cảm biến độ lệch bên 58

4.1.5 Bộ xử lý điều khiển động cơ 59

4.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống cân bằng điện tử ESC 60

4.3 Mô phỏng ESC trên Carsim 62

4.4 Thuật toán trên matlab 67

PHẦN KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, nền sản xuất ô tô của thế giới ngày càng tăng trưởng vượt bậc, số lượng xe ô tô được bán ra thị trường ngày càng nhiều Ngay tại Việt Nam, hãng xe Vinfast cũng cho ra nhiều mẫu xe đẹp và thu hút được người mua Như vậy, mật độ ô tô trên đường bộ Việt Nam ngày càng tăng, và vấn đề tai nạn giao thông gây ra bởi xe ô tô cũng rất cần được quan tâm Theo thống kê của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia, trong 8 tháng đầu năm của năm 2022, toàn quốc xảy ra 7488 vụ tai nạn giao thông, làm chết 4276 người, bị thương 4957 người Trong đó, số vụ tai nạn giao thông đường bộ là 7390 vụ, làm chết 4178 người, bị thương 4930 người Những nguyên nhân chính gây ra vấn đề tai nạn giao thông là do con người, do hư hỏng trục trặc kỹ thuật và các nguyên nhân khách quan như đường xá, thời tiết… Trong hư hỏng trục trặc kỹ thuật thì vấn đề cần đáng lưu tâm là hệ thống phanh của xe

thuật tình thương biểu diễn ở Nghệ An bị mất phanh

Vì vậy, việc trang bị một hệ thống an toàn, hiện đại, đảm bảo tính ổn định và tính dẫn hướng của xe ô tô khi phanh là một việc hết sức cần thiết, và hệ thống ESC , TCS là

một trong những hệ thống an toàn phổ biến trên xe ô tô Chính vì những lực ích thiết thực của hệ thống an toàn trên xe nên nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn đề tài: Mô phỏng các hệ thống an toàn của phanh (TCS, ESC) của xe ô tô

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống ESC, TCS

- Dùng được phần mềm Carsim và Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống điều khiển ESC, TCS

- Hiểu và nhận xét được các đồ thị để từ đó rút ra kết luận về lợi ích của việc trang bị hệ thống ESC, TCS trên ô tô hiện nay

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu quá trình điều khiển của hệ thống ESC, TCS

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Mô phỏng và thiết lập các thông số đầu vào của hệ thống ESC, TCS trên Carsim, sau đó dùng Matlab/Simulink để phân tích mô hình hệ thống, hàm truyền, các khối của bộ điều khiển và phân tích các yếu tố: quãng đường phanh, vận tốc, gia tốc, độ trượt.

1.5 Tổng quan về hệ thống an toàn phanh trên ô tô

1.5.1 Hệ thống Anti – Lock Brake System (ABS)

Ngành công nghiệp oto đã là một ngành lâu đời với vô vàn mẫu xe, thiết bị, linh kiện, phụ gia hỗ trợ được ra đời Vì mỗi chiếc oto đều là một tài sản giá trị, đồng thời việc sử dụng oto nếu không đúng cách cũng có thể gây ra những tai nạn nghiêm trọng ngoài ý muốn nên các sản phẩm phục vụ cho oto vẫn luôn luôn không ngừng được nghiên cứu, cải tiến, phát triển những công nghệ mới để giúp cho trải nghiệm của người tài xế được trọn vẹn, an toàn Một trong những công nghệ quan trọng đã ra đời và được ứng dụng rộng rãi trong ngành oto là công nghệ phanh ABS.

Phanh ABS, tên tiếng anh là Anti-Lock Brake System, là hệ thống phanh an toàn trên xe ô tô Cơ cấu phanh điều khiển điện tử có tác dụng ngăn ngừa việc hãm cứng bánh xe khi người lái giảm tốc độ khẩn cấp, đảm bảo sự ổn định của xe và giúp người lái dễ dàng kiểm soát xe trong các tình huống phanh

Hãy hình dung như thế này, khi xe di chuyển chậm thì không có gì phải quá lo lắng, nhưng khi xe đang di chuyển với một tốc độ trung bình hoặc cao mà xảy ra một sự cố bất ngờ khiến người tài xế phải đạp phanh Khi đó má phanh sẽ phải ghì chặt lấy đĩa phanh để giảm tốc hoặc dừng xe theo ý muốn của người tài xế Tuy nhiên, vì xe đang có quán tính lớn nên lốp xe sẽ mất đi độ bám rồi bị trượt dài theo một phương hướng không thể xác định được gây nguy hiểm lớn cho cả người tài xế, khách ngồi trong xe lẫn những người đi đường xung quanh.

Khi xe được trang bị hệ thống phanh ABS thì nỗi lo này sẽ được giải quyết vì xe lốp xe không còn bị bó cứng khi phanh gấp với lực phanh mạnh nữa Cơ chế của phanh ABS cho phép má phanh thực hiện thao tác kẹp đĩa phanh rồi nhả ra một cách liên tục, nhiều lần chứ không phải ôm ghì chặt lấy đĩa phanh Nhờ vậy khi xe phanh gần như không có một sự trượt xe, văng xe, thậm chí là không có những chệch choạc quỹ đạo xe nào, dù là nhỏ nhất.

1.5.2 Hệ thống Traction Control System (TCS)

Giới thiệu hệ thộng kiểm soát lực kéo TCS:

Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS (Traction Control System) đươc phát triển trên cơ sở của hệ thống phanh ABS Hệ thống TCS chủ yếu tác động đến lực bám dọc - lực giúp xe di chuyển về phía trước hoặc giảm tốc khi phanh.

Hệ thống TCS hoạt động để kiểm soát lực bám giữa bánh xe với mặt đường trong quá trình tăng tốc và đảm bảo sao cho nó luôn nằm trong giới hạn cho phép không bị trượt Vì bánh xe là bộ phận duy nhất của xe thực sự tiếp xúc với mặt đất, nên khi xảy ra hiện tượng mất ma sát đều dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng.

Sự cần thiết của hệ thống:

Trong những trường hơp xe bạn không được trang bị hệ thống TCS khi đang đi trên đoạn đường trơn, lầy lội hay đường bị đóng băng, lúc đó xe của bạn sẽ càng bị lún sâu hơn hoăc sẽ bị trượt không ma sát trên mặt đường Ở đường có hệ số ma sát thấp, chẳng hạn như đường tuyết, băng, hay đường ướt, bánh xe chủ động sẽ bị quay tại chỗ nếu xe khởi hành hay tăng tốc nhanh, làm mất mát mômen chủ động và có thể làm trượt xe.

Khi có hệ thống TCS, nó sẽ giúp giảm mômen xoắn của động cơ khi bánh xe bắt đầu trượt quay không phụ thuộc vào ý định của người lái, cùng lúc đó nó điều khiển hệ thống phanh vì vậy giảm mômen truyền đến mặt đường tới một giá trị phù hợp.

Vì vậy có hệ thống TCS trên xe là rất cần thiết vì nó giúp ta dễ điều khiển xe hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn khi ta điều khiển xe như các tình trạng trên.

1.5.3 Hệ thống Electronic Stability Control (ESC)

Hệ thống cân bằng điện tử ESC (Electronic Stability Control) là một trong những giải pháp an toàn chủ động quan trọng bên cạnh hệ thống chống bó cứng phanh ABS, phân bổ lực phanh điện tử EBD và hệ thống chống trượt TCS… Mỗi khi người lái mất kiểm soát tay lái, ESC sẽ tác động lên hệ thống phanh giúp điều chỉnh lại hướng lái, đồng thời tự động giảm công suất động cơ giúp người lái có thời gian giành lại quyền kiểm soát xe

ESC không chỉ làm việc khi xe vận hành trên đường ẩm ướt hay băng giá mà còn hoạt động tốt khi xe tăng tốc, vào cua Yếu tố cốt lõi của ESC giúp phát hiện nguy cơ trượt bánh xe trước khi điều này trở thành mối de dọa thực sự.

Công nghệ đằng sau ESC xuất hiện lần đầu tiên trên xe Mercedes-Benz vào năm 1987 với nguyên bản là hệ thống kiểm soát độ bám đường Từ đầu những năm 1990 đến nay, công nghệ này đã được nhiều nhà sản xuất ô tô khác chú trọng phát triển và ứng dụng trên hầu hết các mẫu xe.

Trước hết chúng ta cần hiểu thế nào là tính ổn định của ô tô Nói một cách khái quát, tính ổn định của ô tô là khả năng đảm bảo giữ được quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu trong mọi điều kiện chuyển động khác nhau Tùy thuộc điều kiện sử dụng, ô tô có thể đứng yên, chuyển động trên đường dốc (đường có góc nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang), có thể quay vòng hoặc phanh ở các loại đường khác nhau (đường tốt, đường xấu, đường trơn trượt ) Trong những điều kiện chuyển động phức tạp như vậy, ô tô phải giữ được quỹ đạo chuyển động của nó sao cho không bị lật đổ, không bị trượt hoăc xe không bị nghiêng, cầu xe bị quay lệch trong giới hạn cho phép để đảm bảo cho xe chuyển động an toàn Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, rất nhiều hệ thống tích hợp trên ô tô cũng được nghiên cứu và phát triển nhằm đảm bảo sự ổn định cho xe.

Năm 1949 bộ chống hãm cứng bánh xe ABS được sử dụng đầu tiên trong ngành hàng không, ABS lúc đó là loại cơ khí Trong quá trình phát triển, ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và nay là loại điện tử Trong ngành ô tô thì ABS xuất hiên đầu tiên vào năm 1969, trên thế giới nhiều hãng đã đi sâu nghiên cứu để trang bị cho ô tô của mình như: Ford, GM, Bendix, Fiat, Toyota, Hệ thống ABS có hiệu quả rất cao trong việc chống hãm cứng bánh xe khi phanh Tuy nhiên hệ thống ABS thông thường chỉ có tác dụng trong việc hãm cứng bánh xe mà không có hiệu quả trong việc phân bố lực phanh cho các bánh xe khi trọng tải trên các cầu thay đổi, vì thế mà hiệu quả phanh đạt được là không cao nhất Để giải quyết khuyết điểm này, trên hệ thống ABS đã được tích hợp thêm hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD (Electronic Brake-force Distribution) EBD là một công nghệ cho phép tăng lục phanh của xe hoặc ứng dụng một cách tự động tùy theo điều kiện đường, tốc độ của xe, tải trọng của xe EBD theo dõi quá một cách tự động thông qua các cảm biến những điều kiện của đường theo dõi áp suất của bàn đạp phanh, tải trọng của xe để xác định thời điểm áp dụng lực ép tới các xy lanh bánh xe Các cảm biến được thiết kế để theo dõi sự chuyển động của các bánh xe và xác định dựa trên cơ sở tải trọng, thông số mà các bánh xe phải sử dụng lực tác dụng nhiều nhất ứng với từng điều kiện Nhờ sự phân phối lực phanh một cách chính xác tự động kết

hợp với hệ thống ABS sẽ làm tăng khả năng chống bó cứng bánh xe trong các điều kiện chuyển động khác nhau như khi quay vòng Nhờ đó tăng tính ổn định hướng chuyển động của xe Tuy nhiên trong quá trình chuyển động của ô tô có rất nhiều yếu tố dẫn đến mất ổn định xe Ở đường có hệ số bám thấp , các bánh xe chủ động dễ bị trượt quay nếu xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột do lực kéo vượt quá giới hạn bám giữa lốp và mặt đường, làm mất mát mô men chủ động và xe mất ổn định.Để khắc phục hiện tượng này,phần lớn các xe ngày nay được trang bị hệ thống kiểm soát lực kéo TRC ( Traction Control System) Hệ thống này thiết kế dựa trên cơ sở của một hệ thống ABS Khi có hiện tượng trượt quay của bánh xe, hệ thống TRC sẽ có đồng thời hai tác dụng: làm giảm mô mên xoắn của động cơ bằng cách đóng bớt bướm ga mà không phụ thuộc vào ý định của người lái và cùng lúc đó kết hợp với hệ thống ABS điều khiển hệ thống phanh tác dụng lên các bánh xe chủ động, vì vậy làm giảm mô men kéo truyền tới mặt đường tới một giá trị phù hợp Nhờ đó xe có thể khởi động và tăng tốc một cách nhanh chóng và ổn định

Trên một số xe hiện nay trong trường hợp phanh khẩn cấp như gặp chương ngại vật độ ngột người lái xe đặc biệt là ngườithiếu kinh nghiệm, thường hoang mang va phản ứng không kịp thời nên đạp chân lên bàn phanh không đủ mạnh, do đó không đủ lục phanh để dừng xe Lực phanh tác dụng lên bàn đạp cũng yếu dần đi trong quá trình phanh làm giảm tác dụng phanh.

Bằng cách nhận biết tốc độ và lực tác dụng lên bàn đạp phanh của người lái xe, một hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp BAS – Brake Assist System sẽ tự động cung cấp thêm một lực phanh lớn hơn nhiều so với lực phanh do người lái tạo ra để dừng hẳn xe.

Do sự phát triển, ngày nay ESC la kết hợp của tất cả các hệ thống trên ESC ngày càng được tích hợp nhiều hệ thống đi cùng để nhằm tăng tính an toàn cho xe.

Có thể nói hệ thống ổn định điện tử ESC là một thành tựu mới của nghành công nghiệp ô tô trong việc nâng cao tính an toàn cho người sử dụng Sự ra đời của ESC gắn liền với quá trình hoàn thiện của các hệ thống điện tử khác liên quan đến tính an toàn đó

là: Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh ABS (Anti-lock Braking Sytem), hệ thống kiểm soát lực kéo TRC Và ESC chính là sự kết hợp của hai hệ thống này, nó làm việc dựa trên cơ sở kế thừa và phát huy nhưng ưu điểm của cả hai hệ thống và kết hợp chúng một cách hoàn hảo Ta có thể tóm tắt qua sơ đồ sau:

Từ sơ đồ trên ta có thể thấy hệ thống ESC làm việc dựa trên nền tảng sự kết hợp của hệ thống ABS phức hợp và hệ thống TRC Chính nhờ sự kết hợp này nên hầu hết các nguyên nhân gây mất an toàn cho xe đều được kiểm soát và ngăn chăn một cách kịp thời ngay khi nó có xu hướng xảy ra.

1.6 Thông số kỹ thuật xe Ford Ranger Raptor 2020

Thông số kỹ thuật của Ranger Raptor 2020

Chiều dài cơ sở 3220

kép có làm mát khí nạp

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ANTI – LOCK BRAKE SYSTEM (ABS)2.1.Cấu tạo của hệ thống phanh ABS trên ô tô

Cấu tạo chung của hệ thống phanh ABS trên ô tô

2.1.1 Cảm biến tốc độ

Cảm biến tốc độ được lắp ở các bánh xe trước và sau, bao gồm một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây và lõi từ

Vành roto cảm biến có răng, khi xe chuyển động các bánh xe sẽ dẫn động roto quay, sinh ra một điện áp AC có tần số tỉ lệ với tốc độ quay của roto Điện áp AC này sẽ báo cho ABS ECU biết tốc độ của bánh xe.

2.1.2 Cảm biến giảm tốc

Cảm biến giảm tốc giúp ABS đo trực tiếp sự giảm tốc của bánh xe khi phanh, biết được tình trang mặt đường để điều chỉnh áp suất dầu phanh hợp lý

Cấu tạo của cảm biến tốc độ

Cấu tạo của cảm biến giảm tốc

Nếu có bất kỳ bánh xe nào bị bó cứng khi phanh gấp, bộ chấp hành ABS điều khiển áp suất dầu phanh tác dụng lên xy lanh bánh xe đó theo tín hiệu từ ECU.Vì vậy bánh xe không bị bó cứng.

a) Chế độ giảm áp

Khi một bánh xe gần bị bó cứng, ECU gửi dòng điện 5A đến cuộn dây của van điện, làm sinh ra một lực từ mạnh Van 3 vị trí chuyển động lên phía trên, cửa “A” đóng trong khi cửa “B” mở.

Kết quả là, dầu phanh từ xi lanh bánh xe qua cửa “C” tới cửa “B” trong van điện 3 vị trí này và chảy về bình dầu.

Cùng lúc đó, mô tơ bơm hoạt động nhờ tín hiệu từ ECU, dầu phanh được hồi trả về xi lanh phanh chính từ bình chứa Mặt khác cửa “A” đóng ngăn không cho dầu phanh từ xi lanh chính vào van điện 3 vị trí và van một chiều số 1 và 3 Kết quả là, áp suất dầu bên trong xi lanh bánh xe giảm, ngăn không cho bánh xe bó cứng Mức độ giảm áp suất dầu được điều chỉnh bằng cách lặp lại chế độ “giữ áp” và “giữ”.

b) Chế độ “Giữ”

Khi áp suất bên trong xi lanh bánh xe giảm hay tăng, cảm biến tốc độ gửi tín hiệu báo rằng tốc độ bánh xe đạt đến giá trị mong muốn, ECU cấp dòng điện 2A đến cuộn dây của van điện để giữ áp suất trong xi lanh bánh xe không đổi.

Khi dòng điện cấp cho cuộn dây của van bị giảm từ 5A (ở chế độ giảm áp) xuống còn 2A (ở chế độ giữ), lực từ sinh ra trong cuộn dây cũng giảm Van điện 3 vị trí chuyển xuống vị trí giữa nhờ lực của lò xo hồi vị làm đóng cửa ”B”.

c) Chế độ “Tăng áp”

Khi tăng áp suất trong xi lanh bánh xe để tạo lực phanh lớn, ECU ngắt dòng điện cấp cho cuộn dây van điện Vì vậy, cửa “A” của van điện 3 vị trí mở, và cửa “B” đóng Nó cho phép dầu trong xi lanh phanh chính chảy qua cửa “C” trong van điện 3 vị trí đến xi llanh bánh xe Mức độ tăng áp suất dầu được điều khiển nhờ lặp lại các chế độ “Tăng áp” và “Giữ”.

2.3.Mô hình hóa hệ thống phanh ABS

Áp dụng định luật thứ hai của Newton, đối với động lực quay của một bánh xe:

˙ ωw=¿

Trong đó:

ωw là tốc độ quay của bánh xe.

Te là mô-men xoắn động cơ.

rw là bán kính bánh xe.

Fx là lực phanh

Tw(ωw) là mô-men xoắn ma sát bánh xe là một hàm theo tốc độ quay của bánh xe,

Jwlàmomen quán tính hiệu dụng của bánh xe, Jw=Iw+rg.Ie

Ie là momen quán tính động cơ

rg là tỷ số truyền

Iwlà momen quán tính bánh xe khi phanh

Độ trượt của bánh xe khi giảm tốc được định nghĩa như sau:

Trong đó:

ωw là vận tốc dài của bánh xe

ωv = u/rwlà vậntốc dàicủa xe và u là vận tốc theo chiều dọc của xe Động lực học theo chiều dọc của xe được thể hiện:

Trong trường hợp phanh, uwlà vậntốc gió ,Nw là tổng số bánh xe Lực phanh bánh xe được xác định bởi:

Trong đó:

Hệ số bám μ là một hàm củaλ, μ <0 khi phanh

Fz là phản lực pháp tuyến tác dụng lên mỗi bánh xe

Xác định x1 =ωv và x2 = ωw để viết lại các phương trình của chuyển động:

Để đơn giản, cho vận tốc gió uw = 0 và góc dốc của đường θ= 0

2.4.Cơ sở lý thuyết của hệ thống phanh ABS

2.4.1 Đặc điểm quá trình phanh của ô tô

Ta sẽ xét hai nhóm chỉ tiêu là hiêu quả quá trình phanh và tính ổn định khi phanh Hiệu quả quá trình phanh đánh giá mức độ phanh khi người lái tác động lên cơ cấu phanh trong quá trình phanh.

Tính ổn định khi phanh đánh giá khả năng duy trì ổn định quỹ đạo của ô tô theo ý muốn của người lái trong suốt quá trình phanh.

2.4.2 Các tiêu chí đánh giá hiệu quả quá trình phanh2.4.2.1.Gia tốc chậm dần khi phanh

Gia tốc chậm dần khi phanh là đại lượng đặc trưng cho mức độ giảm tốc của ô tô trong quá trình phanh Đây cũng là một đại lượng quan trọng để đánh giá chất lượng phanh.

Khi phanh xe chịu tác dụng của các lực như là lực quán tính sinh ra khi phanh ô tô, lực phanh sinh ra ở các bánh xe, lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản lên dốc… Ở đây trong điều kiện phanh tối ưu, ta chỉ xét xe chịu tác dụng của 2 lực là lực quán tính khi phanh (F ) và lực phanh cực đại của ô tô (Fjpmax).

δj: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay.

2.4.2.2.Thời gian phanh

Thời gian phanh cũng là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Để xác định thời gian phanh có thể sử dụng biểu thức sau:

Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt Muốn xác định thời gian phanh nhỏ nhất Tpmin ta lấy tích phân của dt trong khoảng từ v đến v ứng với thời điểm12

bắt đầu phanh và thời điểm kết thúc phanh (v1>v2) ta có:

2.4.2.3.Quãng đường phanh

Quãng đường phanh cũng là một tiêu chí để đánh giá chất lượng phanh Bên cạnh đó đây cũng là một tiêu chí quá trọng và có ý nghĩa nhất vì nó 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.

Quãng đường phanh được xác định bằng biểu thức:

Muốn xác định quãng đường phanh ngắn nhất ta lấy tích phân của dS trong khoảng từ v đến v ứng với thời điểm bắt đầu phanh và thời điểm kết thúc phanh (v121>v ).2

Khi xe dừng hẳn (v =0), ta có:2

Spmin= δj

2 φg.v1

2.4.2.4 Lực phanh và lực phanh riêng

Bên cạnh các tiêu chí trên thì hai tiêu chí lực phanh và lực phanh riêng cũng dùng để đánh giá chất lượng phanh.

Lực phanh được xác định bằng biểu thức:

Mp: momen phanh cơ cấu phanh

rl: bán kính lăn của bánh xe.

rb: bán kính tính toán của bánh xe.

2.4.3.2 Hệ số bám và lực bám

Lực bám đường là lực bám sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa mặt đường và lốp xe, lực bám dọc giúp xe tiến về phía trước hoặc giảm tốc độ khi phanh Lực bám ngang tạo ra sự ổn định khi chuyển động

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:.

φx= kmax

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 𝜑𝑦 và được định nghĩa như sau:

Để cho bánh xe chủ động không bị trượt quay thì lực kéo tiếp tuyến cực đại ở bánh xe đó phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường:

𝐹𝑘𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝐹𝜑𝑋

với 𝐹𝜑𝑥 = , 𝜑𝑥 𝑍𝑏𝐹𝑘𝑚𝑎𝑥 = 𝜑𝑋.𝐺𝑏

Nếu bánh xe đang phanh, để bánh xe không bị trượt lết thì lực phanh cực đại ở bánh xe đó phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc:

Khi dưới bánh xe có phản lực ngang tác dụng thì khả năng bám theo chiều ngang được thể hiện qua lực bám ngang y 𝐹𝜑𝑦: dọc φx và hệ số bám ngang ytheo độ trượt δ của bánh xe khi phanh.p

Ưu điểm vượt trội của hệ thống phanh ABS so với phanh thường là: do ABS hiệu chỉnh liên tục áp suất trong dẫn động phanh, nên độ trượt δp chỉ dao động trong giới hạn 0,1 0,3 Ở trong giới hạn này, xxmax nên Fpmaxxmax.Gb = F , bởi vậy hiệu quả phanh sẽ cao nhất Mặt khác, y ở trong giới hạn này cũng có giá trị khá lớn, nên F =y

y.Gb cũng có giá trị lớn, các bánh xe sẽ không bị trượt ngang, do đó đảm bảo được tính dẫn hướng và độ ổn định của xe khi phanh.

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG TRACTION CONTROL SYSTEM (TCS)

*Bánh xe lăn có trượt quay: Đây là trường hợp của bánh xe đang có lực kéo, khi đó tốc độ của tâm bánh xe (tốc độ thực tế) V nhỏ hơn tốc độ lý thuyết v0, do vậy cực P nằm trong vòng bánh xe và r < r Trong vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường,lb

theo quy luật phân bố vận tốc sẽ xuất hiện một vận tốc trượt vδ ngược hướng với trục x Ta có quan hệ sau:

Hình: Lăn có trượt quay

= 1 (Trượt quay hoàn toàn) *Trường hợp bánh xe lăn có trượt lết:

Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt khi phanh δp:

δp= V0−V V = rl

rb− 1

Trong đó:

v0: là vận tốc lý thuyết của xe v: là vận tốc thực tế của xe

rl: bán kính lăn của bánh xe

rb: bán kính tính toán của bánh xe

Hình: Lăn có trượt lết

Ta có khi bánh xe bị trượt lết đây là trường hợp bánh xe đang được phanh Trong trường hợp này v >v , cực P nằm bên ngoài bánh xe và r > r Tại vùng tiếp xúc của0lb

bánh xe với mặt đường cũng xuất hiện tốc độ trượt nhưng hướng theo hướng dương của trục x.

Ta có:

v = vδ + v = o vδ + ωb rb =ωb rl

v = v - v > 0

Lực bám là lực bám sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa mặt đường và bánh xe, lực bám dọc giúp xe tiến về phía trước hoặc giảm tốc độ khi phanh

Lực 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 thì hệ số bám dọc sẽ phụ thuộc vào hệ số trượt theo đồ thị sau:

Theo sơ đồ đặc tính trượt, ta có tỷ số trượt nằm trong khoảng 0.1 - 0.3 thì đảm bảo xe có thể hoạt động tối ưu nhất

3.2 Vị trí các bộ phận và chức năng

Cấu tạo trên xe

Cảm biến tốc độ: Phát hiện tốc độ bánh xe và gửi tín hiệu đến ECU ABS và TCS.

Cảm biến tốc độ

ECU của ABS và TCS: kết hợp chức năng của 2 ECU riêng lẻ Sau đó sử dụng tín

hiệu của 4 bánh xe, tính toán độ trượt rồi giảm moment xoắn động cơ và tốc độ bánh tương ứng với từng trường hợp.

ECU của ABS và TCS

Bộ chấp hành: Tạo, tích và cung cấp áp suất dầu đến bộ chấp hành phanh ABS theo

tín hiệu từ ECU ABS và TCS Và cũng theo tín hiệu từ ECU ABS và TCS, điều khiển áp suất dầu đến các xylanh phanh của bánh xe một cách độc lập.

Bộ chấp hành

Đèn báo Slip: hoạt động khi hệ thống TCS hoạt động, những dấu hiệu trục trặc được

báo bởi đèn báo TRC OFF

Đèn báo và công tắc TCS

Công tác TRC OFF: Cho phép người lái ngừng hoạt động của hệ thống TCS3.3 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Carsim

3.3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển hệ thống On/Off

Là phương pháp điều khiển đơn giản, dễ thiết kế và giá thành rẻ, nhưng điều khiển sẽ bị dao động quanh giá trị nhiệt độ đặt chứ không ổn định Phương pháp này thường dùng trong những đối tượng cho phép khoảng nhiệt rộng

Đầu ra của bộ điều khiển chỉ có hai vị trí phụ thuộc vào dấu của sai lệch Nếu hai vị trí này đóng hoàn toàn và mở hoàn toàn thì người ta gọi đó là bộ điểu khiển ON/OFF Hầu hết các bộ điều khiển hai vị trí này đều có vùng trung hòa để ngăn ngừa sự dao động của đầu ra.

Vùng trung hòa là vùng xung quanh điểm đặt mà tại đó không xảy ra hành động điều khiển nào cả Độ sai lệch phải vượt qua vùng này thì mới xảy ra hành động điều khiển

Hình: ON/OFF controller with dead band1

Bộ điều khiển ON/OFF cung cấp các xung năng lượng đến quá trình điều khiển, điều này sẽ tạo ra một chu kỳ điều khiển có biên độ phụ thuộc vào ba yếu tố: độ quán tính, thời gian trễ, và mức độ thay đổi của tải.

Độ dao động sẽ giảm khi xảy ra một hay nhiều thay đổi: tăng độ quán tính, giảm thời gian trễ, giảm độ thay đổi của tải.

Điều khiển hai vị trí chỉ phù hợp cho quá trình có độ quán tính lớn, thời gian trễ và độ thay đổi trên tải nhỏ (ví dụ như điều khiển nhiệt độ lò nung chẳng hạn Tuy điều khiển hai vị trí hạn chế đối tượng điều khiển như vậy, nhưng do nó đơn giản và rẻ tiền nên người ta vẫn thích dùng nó.

3.3.2 Xây dựng mô hình của hệ thống TCS

Mô hình hệ thống TCS

Nguyên lý hoạt động:

Điều khiển momen xoắn động cơ: ECU TCS liên tục nhận cảm biến tốc độ bánh xe và nó cũng liên tục tính tốc độ của từng bánh xe Cùng lúc đó nó ước lượng tốc độ xe trên

cơ sở tốc độ của 2 bánh bị động và đặt ra một tốc độ điều khiển tiêu chuẩn Đối với can thiệp thông qua các đơn vị điều khiển động cơ, TCS đã xác định được mô-men xoắn thực tế của động cơ để tính toán một mô-men xoắn lý thuyết của động cơ

Điều khiển quá trình phanh: Khi nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe ECU ABS sẽ tính toán và đưa ra tín hiệu tới bộ chấp hành phanh khi có độ trượt Khi đó bộ chấp hành phanh sẽ tăng giảm áp xuất dầu phanh để phanh cái bánh xe sao cho xe hoạt động ổn định nhất Qua ba chế độ tăng áp, giảm áp, giữ áp

3.3.3 Mô phỏng hệ thống TCS trên phần mềm Carsim

Để kết luận hệ thống điều khiển nào tốt hơn ta tiến hành đưa hệ thống điều khiển đã thiết kế Simulink vào Carsim để tiến hành mô phỏng Hệ thống có thể hoạt động khác với thực tế tuy nhiên nó cũng phản ánh đúng với các phương pháp điều khiển đã thiết lập.

Bước 1: Mở phần mềm Carsim, ta sẽ đến với giao diện chính của phần mềm