thiết kế chế tạo mô hình hệ thống phanh khẩn cấp phục vụ giảng dạy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ MINH THUẤN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH KHẨN CẤP PHỤC VỤ GIẢNG DẠY NGÀNH: KỸ T

Đặt vấn đề

Cơ cấu phanh là cơ cấu an toàn chủ động của ô tô, dùng để giảm tốc độ hay dừng và đỗ ô tô trong những trường hợp cần thiết Nền công nghiệp ô tô đang ngày càng phát triển mạnh, số lượng ô tô tăng nhanh, mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn Các xe ngày càng được thiết kế với công suất cao hơn, tốc độ chuyển động nhanh hơn thì yêu cầu đặt ra với cơ cấu phanh cũng càng cao và nghiêm ngặt hơn Theo Tổ chức Y tế Thế giới, thương tích giao thông đường bộ đã gây ra khoảng 1,35 triệu ca tử vong trên toàn thế giới trong năm 2016 Tức là cứ 25 giây lại có một người mất 74% số ca tử vong do giao thông đường bộ xảy ra ở các nước có thu nhập trung bình, chỉ chiếm 53% số phương tiện được đăng ký trên thế giới Ở các nước thu nhập thấp, điều đó còn tồi tệ hơn Chỉ 1% số ô tô trên thế giới đã gây ra 16% số ca tử vong do giao thông đường bộ trên thế giới Điều này cho thấy rằng các quốc gia này chịu gánh nặng tử vong do giao thông đường bộ cao không tương xứng so với mức độ cơ giới hóa của họ Để tránh những vụ tai nạn hay giảm thiểu độ thương vong do sự va chạm giữa các phương tiện, hệ thống phanh đóng vai trò vô cùng quan trọng Có rất nhiều hệ thống phanh được phát triển để tạo nên hệ thống phanh mượt mà và tương thích Hệ thống phanh ABS là môt trong số những ví dụ cho hệ thống phanh Nhưng hệ thống phanh rất cần được được thiết lập để có thể phanh trong khoảng thời gian phù hợp với hoàn cảnh nhất Nếu hệ thống không được kích hoạt đúng thời gian, sẽ khó có thể ngăn chặn hay giảm thiểu khả năng va chạm giữa các phương tiện Nhưng sự xuất hiện đột ngột của các phương tiện phía trước các phương tiện khác có thể gây ra sự hoảng loạn cho người lái Vì vậy để đối mặt với các vấn đề đó hệ thống phanh khẩn cấp sẽ nhận định tình huống đạp phanh trên có phải là trường hợp đạp phanh khẩn cấp hay không Từ đó, bộ chấp hành của hệ thống sẽ tăng cường lực phanh tối đa trên hệ thống phanh nhằm đảm bảo rằng chiếc xe sẽ dừng lại một cách sớm nhất có thể

Bước vào thế kỉ 21 với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và nhu cầu học tập của con người ngày càng cao, phần lớn học sinh đều có thể vào học hệ Đại Học hoặc Cao Đẳng kể cả những người đi làm quay trở lại học Đại Học, Cao Đẳng với các chuyên ngành nâng cao ngày càng đông như hiện nay Do vậy, đổi mới phương pháp dạy học là yêu cầu cấp bách, dựa trên những quan điểm phát huy tính tích cực của người học Sự phát triển này đã làm thay đổi không chỉ cách giảng mà còn thay đổi cả quá trình tổ chức

2 dạy học, ứng dụng công nghệ dạy học, phương tiện dạy học trong giảng dạy Điều này khắc phục được nhược điểm của phương pháp cũ, tạo ra chất lượng của phương pháp mới cho giáo dục và đào tạo, đây cũng là chủ trương về giáo dục của nhà nước ta hiện nay: đổi mới mạnh mẽ nội dung và phương pháp dạy học, học tập, chú trọng chất lượng không chạy theo số lượng và bệnh thành tích đặc biệt đổi mới các ngành Cơ Khí Động Lực, việc nghiên cứu và chế tạo mô hình phục vụ cho công tác giảng dạy và học tập là nhiệm vụ cấp bách hiện nay

Ngoài ra nhằm cập nhật những công nghệ mới, tăng tính trực quan hóa trong quá trình giảng dạy và học tập, với mục đích nâng cao chất lượng dạy học và thực hành Mô hình này được thiết kế và thực hiện đầy đủ gồm phần hệ thống phanh ABS và BA Song song đó còn có các bài giảng mẫu được thiết kế dưới dạng phiếu thực hành giúp cho việc giảng dạy và học tập trên mô hình đạt kết quả cao nhất

Chính vì lẽ đó tôi quyết định thiết kế và chế tạo mô hình Mô hình hệ thống phanh khẩn cấp phục vụ giảng dạy tại trường Cao Đẳng Nghề Cần Thơ, với thiết kế nhỏ gọn, dễ di chuyển, sử dụng nguồn điện 12V nhằm giúp người dạy và người học dễ dàng vận hành và đo kiểm nhằm đạt hiệu quả tốt nhất.

Các nghiên cứu trong nước

Các công ty cung cấp thiết bị trên thi trường hiện như: CÔNG TY CỔ PHẦN THIẾT BỊ TÂN PHÁT, CÔNG TY CỔ PHẦN CÔNG NGHỆ BÁCH VIỆT thiết kế mô hình hệ thống phanh ABS kết hợp BA thường cồng kềnh, rất khó di chuyển trong quá trình giảng dạy và sử dụng nguồn điện dẫn động bốn bánh xe là nguồn điện 3 pha 380V rất nguy hiểm cho người dạy và người học trong quá trình vận hành và đo kiểm

Ngoài ra ở một số trường Đại học có nhóm tác giả: Vũ Hải Quân, Nguyễn Minh Tiến, Đặng Văn Bính, Nguyễn Văn Đạt của Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đề tài nghiên cứu: “THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH CHỦ ĐỘNG SỬ DỤNG

CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ CẢM BIẾN IR” là đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường năm 2022

Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình hoạt động ở nhiều dải tốc độ khác nhau, hoạt động ổn định, các mức độ cảnh báo hoạt động và đưa ra cảnh báo phù hợp với lý thuyết hoạt động của mô hình khi xây dựng Bảng 1 thể hiện kết quả thực nghiệm

Bảng 1 1 kết quả thực nghiệm của mô hình

Mô hình được thiết kế với 03 mức độ cảnh báo khác nhau từ thấp đến cao nhằm giúp cảnh bảo người điều khiển về rủi do có thể xảy ra trong quá trình vận hành xe bao gồm:

Mức cảnh báo 1 là cảnh báo đèn còi, mức cảnh báo 2 là cảnh báo dật dây đai, mức cảnh báo 3 là cảnh báo phun nước Sau 3 mức cảnh báo mà người lái xe vẫn chưa ý thức được sự nguy hiểm thì hệ phanh sẽ tự động được kích hoạt

Về việc nghiên cứu tính toán hệ thống phanh thì có một số Giảng Viên ở các trường Đại học như một số đề tài:

- Bài nghiên cứu “Ứng dụng Matlab để tạo giao diện và tính toán hệ thống phanh ô tô” do thầy Dương Nguyễn Hắc Lân hướng dẫn Đề tài này đã tính toán và thông qua những số liệu tính toán để xây dựng giao diện Matlab về hệ thống phanh ô tô

- Bài nghiên cứu “Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống phanh trên xe nâng hàng FG70-7” Đề tài đã đi sâu tìm hiểu tính năng hoạt động của hệ thống phanh, các nguyên lý làm việc của các bộ phận đến các chi tiết chính trong hệ thống.

Các nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu của Tiến sĩ Pankaj Jat, Pritesh Koshti D Y Viện Kỹ thuật và Công nghệ Patil, Pune, Maharashtra, Ấn Độ về hệ thống phanh khẩn cấp Từ biểu đồ đã phân biệt rõ ràng phanh thông thường với phanh khẩn cấp

Tình huống phanh khẩn cấp trên đồ thị, chúng ta có thể quan sát rõ thời gian bàn đạp phanh đạt được 65% quãng đường đi trong tình huống khẩn cấp so với tình huống phanh bình thường.[14]

Bảng 1 2 So sánh quãng đường phanh khẩn cấp và phanh thông thường

Như vậy cuối cùng nghiên cứu đã kết luận rằng bất kỳ người lái xe nào cũng có thể giảm khoảng cách dừng xe bằng cách thực hiện hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp và do đó tai nạn được giảm bớt Kết quả cũng cho thấy rằng hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp hiệu quả hơn hệ thống phanh thông thường.

Tổng quan về hệ thống phanh

BA - Brake Assist (hay BAS) được phát triển lần đầu tiên bởi hãng Daimler-Benz và TRW/Lucas-Verity từ năm 1992 đến 1996, và được áp dụng đầu tiên trên hai dòng xe Mercedes-Benz S-Calss và SLK-Class Sau Merecedes, hãng BMW và Volvo cũng gấp rút cho ra đời hệ thống tương tự Đáng chú ý là Volvo phát triển hệ thống phanh tự động theo cảnh báo va chạm (Collision Warning with Auto Brake - CWAB) trên mẫu S80 vào năm 1998 CWAB nhờ được trang bị thêm radar nhận diện vật cản trong vòng 150 m và sẽ cảnh báo cho tài xế, trong trường hợp tín hiệu này bị bỏ qua (không tắt báo động, không giảm tốc ), hệ thống phanh tự động sẽ được kích hoạt tùy theo khoảng cách còn lại trước vật cản

Không dừng lại ở đó, Mercedes vẫn tiếp tục khẳng định vị trí tiên phong trong công nghệ an toàn khi nâng cấp BAS lên BAS Plus - hệ thống có trang bị thêm 2 rada làm nhiệm vụ đo tốc độ và khoảng cách tương đối của xe với vật thể phía trước với cơ chế hoạt động cũng giống như CWAB của Volvo

1.4.2 Nhiệm vụ của hệ thống phanh Phanh trên xe hơi là một bộ phận giữ nhiệm vụ đặc thù hoàn toàn ngược với các bộ phận khác trên xe, đó là hạn chế và dừng chuyển động của xe

5 Để giảm tốc độ của một xe đang chạy, việc cần thiết phải làm là tạo ra một lực làm cho các bánh xe quay chậm lại Khi người lái đạp bàn đạp phanh, cơ cấu phanh tạo ra một lực (phản lực của mặt đường) làm cho các bánh xe dừng lại và khắc phục lực quán tính đang muốn giữ cho xe tiếp tục chạy, do đó làm cho xe dừng lại Nói khác đi, năng lượng (động năng) của các bánh xe quay được chuyển thành nhiệt do ma sát (nhiệt năng) bằng cách tác động lên các phanh làm cho các bánh xe ngừng quay Người lái không những phải biết dừng xe mà còn phải biết cách cho xe dừng lại theo ý định của mình

Chẳng hạn như, các cụm phanh phải giúp xe giảm tốc độ theo mức thích hợp và dừng xe tương đối ổn định trong một đoạn đường tương đối ngắn khi phanh khẩn cấp

Phanh là thiết bị cơ học có chức năng hạn chế chuyển động của bánh xe bằng cách tạo ra ma sát Theo đó, hệ thống phanh trên ô tô được sử dụng để giảm tốc độ của xe ô tô đến một tốc độ nào đó hoặc cho đến khi ngừng hẳn Ngoài ra hệ thống phanh có thể giữ cho ô tô dừng được ở trên đoạn đường dốc

Phanh là một trong những cụm hệ thống quan trọng nhất, nó đảm bảo cho ô tô chạy an toàn ở mọi tốc độ đặc biệt là ở tốc độ cao, do đó sẽ nâng cao được năng suất vận chuyển và nâng cao được vận tốc trung bình của ô tô.

Mục tiêu nghiên cứu

- Nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên hướng dẫn sinh viên trong quá trình thực tập

- Tạo ra những bài tập thực hành đo kiểm, tìm pan trên mô hình gần giống trên trên xe thật

- Trang bị mô hình phục vụ giảng dạy ngành công nghệ ô tô tại Trường Cao Đẳng Nghề Cần Thơ.

Đối tượng nghiên cứu

Các dòng xe Toyota có trang bị hệ thống phanh ABS và BA

1.7 Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành luận văn nghiên cứu này, em đã áp dụng một loạt các phương pháp nghiên cứu đa dạng, bao gồm: phân tích và tổng hợp lý thuyết, giả thuyết hóa, mô hình hóa, phân loại và hệ thống hóa lý thuyết, điều tra, và nghiên cứu trực tiếp Những phương pháp này đã giúp cho em có được một cái nhìn toàn diện về chủ đề nghiên cứu và cung cấp những kết quả quan trọng

Lực phanh và các mômen phanh cần thiết trên ô tô

2.1.1 Lực phanh và các mômen cần thiết tác dụng lên bánh xe khi phanh :

Khi người tài xế đạp phanh thì ở cơ cấu phanh ở các bánh xe tạo ra các mômen ma sát còn gọi là mômen phanh Mp Tại những vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường xuất hiện lực phanh (Fp) ngược với chiều chuyển động của ô tô khi phanh [1]

Mp – Mômen phanh tác dụng lên bánh xe

Fp – Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường rb – Bán kính tính toán của bánh xe

Khi mômen phanh Mp tăng thì lực phanh Fp tăng, nhưng lực phanh không thể tăng một cách tùy ý Bởi vì lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường, nghĩa là:

Hình 2 1: Sơ đồ phân bố lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh

7 F – Lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

Zb – Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe

 – Hệ số bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

Khi phanh, ngoài mômen phanh, còn có mômen quán tính Mjb và mômen cản lăn tác dụng lên bánh xe Bởi vậy lực hãm tổng cộng tác dụng lên bánh xe sẽ là :

Trong quá trình người tài xế đạp phanh, do Mp tăng dần lên nên Fp cũng tăng dần lên tương ứng và đến một lúc nào đó Fp = Fpmax = F thì các bánh xe xảy ra hiện tượng bị trượt lết Khi các bánh xe bị trượt lết hoàn toàn thì hệ số bám  sẽ giảm xuống giá trị nhỏ nhất min, cho nên lực phanh cũng giảm theo tương ứng xuống giá trị nhỏ nhất, do đó sẽ dẫn đến hiệu quả phanh thấp nhất Ngoài ra, nếu các bánh xe dẫn hướng phía trước bị trượt lết sẽ làm mất tính dẫn hướng khi phanh (xe không điều khiển theo hướng mong muốn của người lái được), còn nếu các bánh xe sau bị trượt lết sẽ làm mất tính ổn định khi phanh (các bánh xe có xu hướng bị trượt ngang khi có lực ngang nhỏ tác dụng lên xe khi phanh)

Từ biểu thức (2.2) ta thấy rằng để có Fp lớn thì cả hệ số bám  và Zb đều phải có giá trị lớn tương ứng Cho nên để sử dụng hết toàn bộ trọng lượng bám của cả xe, vì vậy chúng ta phải bố trí cơ cấu phanh ở tất cả các bánh xe

Khi người tài xế đạp phanh, thì động năng hoặc thế năng của xe bị tiêu hao do ma sát giữa má phanh và trống phanh, giữa lốp xe và mặt đường cũng như để khắc phục các lực cản chuyển động

Nếu mômen phanh càng tang lên thì cơ năng biến thành nhiệt năng giữa trống phanh và má phanh, giữa lốp xe và mặt đường càng tang theo

Khi bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn thì công ma sát giữa trống phanh và má phanh cũng như sự cản lăn không còn nữa, tất cả năng lượng đó hầu như biến thành nhiệt năng ở vùng tiếp xúc giữa lốp và mặt đường

Sự trượt lết sẽ làm giảm hiệu quả phanh, tăng độ mòn của lốp, tăng độ trượt dọc và ảnh hưởng xấu đến tính ổn định ngang của xe khi phanh.[1]

2.1.2 Lực phanh trên ô tô và các điều kiện bảo đảm phanh tối ưu:

Các lực tác dụng lên ôtô khi phanh:

+ Trọng lượng toàn bộ của ô tô G đặt tại trọng tâm

+ Lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau Ff1, Ff2 + Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe trước và sau Z1, Z2 + Lực phanh ở các bánh xe trước và sau Fp1, Fp2

+ Lực cản không khí F + Lực quán tínhF j do khi phanh có gia tốc chậm dần

Lực quán tính F j được xác định theo biểu thức sau:

G jp (2.4) Ở đây: g – Gia tốc trọng trường (g = 9,8 m/s 2 ) jp – Gia tốc chậm dần khi phanh

Khi người tài xế đạp phanh thì lực cản gió F và lực cản lăn Ff1 và Ff2 không đáng kể, có thể không tính đến Sự không tính đến này chỉ gây sai số khoảng 1,5  2%

Khi 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 tại E và F, ta có thể xác định các phản lực vuông góc Z1 và Z2 tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và ở cầu sau như sau: h g

Hình 2 2: Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh

Trong đó: a, b, hg – Tọa độ trọng tâm của ô tô

L – Chiều dài cơ sở của ô tô

G1, G2 – Tải trọng tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và ở cầu sau khi phanh

Thay F j ở công thức (2.4) vào Z1 và Z2, ta sẽ được: Z1 và Z2 như sau:

Z1t L Gb ; Z2t L Ga m1p = 1 + j h p g gb ; m2p = 1 – j h p g ga Ở đây :

Z1t, Z2t – Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi xe đứng yên trên mặt phẳng nằm ngang (phản lực tĩnh) m1p, m2p – Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và ở cầu sau khi phanh

G1t, G2t – Tải trọng tĩnh tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau

Các lực phanh sinh ra ở các bánh xe ở cầu trước và ở cầu sau sẽ là: Fp1, Fp2 cụ thể như sau:

10 Để tận dụng hết trọng lượng bám của cả ôtô thì cơ cấu phanh được bố trí tất cả các bánh xe ở phía trước và các bánh xe ở phía sau và lúc này thì lực phanh lớn nhất đối với toàn bộ ô tô sẽ là:[1]

2.1.2.2 Phanh tối ưu phải bảo đảm các điều kiện sau đây:

Phanh tối ưu có nghĩa là trong quá trình người tài xế đạp phanh đạt hiệu quả cao nhất Quá trình phanh có hiệu quả cao nhất được đánh giá thông qua các chỉ tiêu: Sp Spmin, tp = tpmin, jp = jpmax Với Sp, tp, jp là quãng đường phanh, thời gian phanh và gia tốc phanh

Quá trình phanh đạt hiệu quả cao nhất là khi lực phanh sinh ra ở tất cả các bánh xe tỷ lệ thuận với tải trọng tác dụng lên chúng, mà tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong quá trình phanh lại thay đổi do lực quán tính F j tác dụng lên xe

Trong trường hợp phanh đạt hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh xe trước và ở các bánh xe sau sẽ là: p1 p2

Trong lúc phanh thì lực cản lăn Ff1 và Ff2 sẽ không đáng kể, có thể bỏ qua, do đó biểu thức có thể viết như sau:

F j= Fp1 + Fp2 Và F j max = Fpmax = G  (2.13) Thay F j max vào biểu thức (9.12), ta có: p1 p2

Một số chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh

2.2.1 Gia tốc chậm dần khi phanh:

Một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh ôtô là gia tốc chậm dần khi phanh Khi phân tích các lực tác dụng lên ô tô khi phanh có thể viết phương trình cân bằng lực kéo của ô tô như sau:[1]

Fj = Fp + Ff + F + F  Fi (2.30) Ở đây :

Fj : – Lực quán tính sinh ra khi phanh ôtô

Fp : – Lực phanh sinh ra ở các bánh xe

F : – Lực để thắng tiêu hao cho ma sát cơ khí

Fi : – Lực cản lên dốc Khi phanh ô tô trên đường nằm ngang thì lực lúc này cản lên dốc Fi =0

Khi phanh ô tô thì F, Ff và F không đáng kể, có thể bỏ qua Sự bỏ qua này chỉ gây sai số nằm trong khoảng 1,5  2%

Khi bỏ qua các lực F, Ff , F, và khi phanh ô tô trên đường nằm ngang Fi = 0, ta có phương trình sau :

Lực phanh ô tô lớn nhất Fpmax được xác định theo điều kiện bám khi các bánh xe bị phanh ô tô hoàn toàn và đồng thời theo biểu thức :

i – Hệ số tính đến ảnh hưởng các trọng khối quay của ôtô

Từ (2.32) ta xác định được gia tốc chậm dần cực đại khi ô tô phanh: jpmax δi

(2.33) Để jpmax tăng thì ta giảm i và tăng 

+ Giảm i bằng cách tách ly hợp khi phanh gấp

+ Tăng  bằng cách cải thiện tình trạng mặt đường

Thời gian ô tô phanh cũng là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh

Thời gian ô tô phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh sẽ càng tốt Để xác định thời gian ô tô phanh có thể sử dụng biểu thức sau : jp dt dv δi

Muốn xác định thời gian phanh ô tô nhỏ nhất tpmin cần tích phân dt trong giới hạn từ thời điểm ứng với vận tốc khi bắt đầu phanh v1, vận tốc khi kết thúc quá trình phanh v2 (v1 > v2) tpmin =  1  v v 2

Từ thời điểm ôtô phanh đến lúc ô tô dừng hẳn thì v2 = 0, do đó : tpmin .g δ i v 1

Từ biểu thức đã nêu trên ta thấy rằng thời gian ôtô phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc bắt đầu ôtô phanh, phụ thuộc vào hệ số i và hệ số bám  giữa các bánh xe với mặt đường Để cho thời gian ô tô phanh nhỏ nhất cần phải giảm i, vì vậy người tài xế khi phanh nên cắt ly hợp Ngoài ra người tài xế phải thực hiện các biện pháp để tăng hệ số bám dọc .[1]

Quãng đường ôtô phanh là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng phanh của ôtô Để xác định quãng đường ôtô phanh nhỏ nhất, có thể sử dụng biểu thức 2.34 bằng cách nhân hai vế với dS (dS – Vi phân của quãng đường), ta có : dt dvdS δi

Quãng đường ôtô phanh nhỏ nhất được xác định bằng cách tích phân dS trong giới hạn từ v1 đến v2 Ta có :

 (v 1 2 − v 2 2 ) (2.40) Từ lúc ô tô phanh đến lúc ô tô dừng hẳn v2 = 0:

Từ biểu thức đã nêu trên ta thấy rằng quãng đường ô tô phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của ô tô lúc bắt đầu phanh, phụ thuộc vào hệ số bám  và hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay i Để giảm quãng đường ô tô phanh cần giảm hệ số i, cho nên nếu tài xế cắt ly hợp trước khi phanh thì quãng đường phanh ô tô sẽ ngắn hơn

Cần chú ý rằng, theo các công thức trên thì jpmax, tpmin, Spmin phụ thuộc vào hệ số bám , nhưng do  lại phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên các bánh xe, tức là phụ thuộc vào trọng lượng toàn bộ của ô tô G Bởi vậy jp, tp, Sp có phụ thuộc vào G, mặc dù trong các công thức tính jp, tp, Sp không có mặt của G.[1]

2.2.4 Lực phanh và lực phanh riêng của ô tô:

Lực phanh và lực phanh riêng của ô tô cũng là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh ô tô Chỉ tiêu này được dùng thuận lợi nhất là khi ta thử phanh ôtô trên bệ thử Lúc này lực phanh ô tô sinh ra ở các bánh xe của xác định theo biểu thức:

Mp – Mômen phanh ở các cơ cấu phanh rb – Bán kính làm việc trung bình của bánh xe

Lực phanh riêng là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lượng toàn bộ G của ô tô, nghĩa là:

Lực phanh riêng cực đại ứng với khi lực phanh cực đại:

Từ biểu thức (2.44) ta thấy rằng lực phanh riêng của ô tô đạt cực đại bằng hệ số bám 

Như vậy về lý thuyết mà nói, trên mặt đường nhựa khô nằm ngang, lực phanh riêng của ô tô cực đại có thể đạt được giá trị từ 7580% Nhưng trong thực tế giá trị cực đại đạt được thấp hơn nhiều, chỉ khoảng 4565%

Trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh ô tô thì chỉ tiêu quãng đường phanh là đặc trưng nhất và có ý nghĩa quan trọng nhất, vì quãng đường phanh cho phép tài xế hình dung được vị trí xe sẽ dừng lại trước một chướng ngại vật mà họ phải xử trí tình huống để không xảy ra tai nạn khi người tài xế phanh ở tốc độ ban đầu nào đó

Cần lưu ý rằng bốn chỉ tiêu nêu trên đều có giá trị ngang nhau (giá trị tương đương), nghĩa là khi ta đánh giá chất lượng phanh ô tô chỉ cần dùng một trong bốn chỉ tiêu đã trên.[1]

Sự ổn định của ô tô khi phanh

2.3.1 Sự ổn định của ô tô khi phanh nếu các bánh xe bị hãm cứng: Để hiểu rõ sự ổn định của ô tô khi phanh nếu các bánh xe bị hãm cứng, trước tiên 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.[1]

Phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe khi phanh 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

Trong quá trình phanh ô tô, nếu có lực ngang tác dụng lên thân xe, lực Y, thì tại tâm các bánh xe sẽ có lực ngang Fy tác dụng, trong lúc này dưới các bánh xe cũng xuất hiện các phản lực ngang Yb ngược chiều với Fy ( hình 2.6 )

Chúng ta giả thiết rằng: x y tq φ φ φ = φ

Trong lúc này dưới bánh xe sẽ xuất hiện đồng thời các lực Fpb và Yb Hợp lực của các lực này là Nb:

Phản lực tổng hợp Nb cũng bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường Nghĩa là:

Giá trị Nbmax xác định một vòng tròn có tâm O tại tâm bề mặt tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường và bán kính R = Nbmax Vòng tròn này được gọi là vòng tròn giới hạn bám của bánh xe khi phanh Nếu các lực Fpb, Yb hoặc Nb lớn hơn R thì bánh xe sẽ trượt (hình 2.7)

Hình 2 6: Nguyên nhân xuất hiện phản lực ngang ở các bánh xe khi phanh

Hình 2 7: Vòng tròn giới hạn bám của bánh xe khi phanh

Theo biểu thức (2.49) ta thấy rằng: Khi lực phanh Fpb tăng thì phản lực ngang Yb giảm và ngược lại Đặt biệt nếu:

Fpb = Fpbmax = Zb và Nb = Nbmax = Zb thì Yb = 0 (2.50)

Từ biểu thức (2.50) ta thấy rằng nếu lực phanh Fp = Fpmax = Zb và bánh xe bắt đầu bị hãm cứng thì phản lực ngang tác dụng lên bánh xe Yb = 0 Lúc này chỉ cần một lực ngang nhỏ Y tác dụng lên thân xe thì ở bánh xe sẽ xuất hiện một lực ngang Fy rất nhỏ tác dụng tại tâm bánh xe là làm cho bánh xe sẽ trượt ngang, do ở dưới bánh xe Yb = 0 và không còn cân bằng lực theo chiều ngang nữa

Ta sẽ sử dụng kết luận nêu trên để xét sự ổn định của xe khi phanh nếu các bánh xe bị hãm cứng.[1]

2.3.1.1 Các bánh xe ở cầu sau bị hãm cứng khi phanh:

Chúng ta giả thiết rằng ô tô đang phanh trên đường không thẳng tuyệt đối, cho nên lực quán tính Fj sẽ tạo với trục dọc của xe một góc α 0 (xem hình 2.8) Nếu đường thẳng thì vẫn có lực ngang tác dụng tại trọng tâm T, đó là thành phần Gsin do mặt đường nghiêng ngang một góc β 0  Như vậy, khi phanh ô tô sẽ xuất hiện lực ngang Y tác dụng tại T (Y = Fjy hay Y = Gsin hoặc Y là lực của gió tạt theo hướng ngang )

22 Nếu có lực ngang tác dụng tại T thì ở các bánh xe cầu trước sẽ xuất hiện các phản lực ngang Y ,Y ( Y + Y = Y ) b1 ' b1 " b1 ' b1 " 1 , còn các bánh xe ở cầu sau do các bánh xe đã bị hãm cứng ( Fp2  Z2 ) nên Y = 0, Y = 0 b2 ' b2 " , suy ra Y = Y + Y 2 b2 ' b2 " =0

Ta dễ thấy rằng Y1 = Fjy và Y1, Fjy là một ngẫu lực nên đã làm xuất hiện mômen Mq làm quay ô tô:

Theo chiều của Mq như ở hình 2.8 sẽ làm góc  tăng lên, sẽ dẫn đến Fjy tăng lên và làm cho giá trị Mq càng tang lên, ô tô sẽ có khả năng bị quay ngang và nguy cơ ô tô bị lật đổ là điều khó tránh khỏi Bởi vậy, nếu các bánh xe của ô tô ở cầu sau bị hãm cứng khi phanh là một trạng thái chuyển động không ổn định [1]

2.3.1.2 Các bánh xe cầu trước bị hãm cứng khi phanh:

Với giả thiết rằng: khi ô tô đang phanh thì có lực ngang Y tác dụng lên thân ô tô ( Y = Fjy hay Y = Gsin hoặc Y là lực của gió tạt ngang ) Lúc này các bánh xe của ô tô ở cầu trước sẽ bị hãm cứng (xem hình 2.9)

Hình 2 8: Các bánh xe ở cầu sau bị hãm cứng

23 Khi có lực ngang tác dụng tại T thì ở các bánh xe của ô tô phía cầu sau sẽ xuất hiện các phản lực ngang Y ,Y ( Y + Y = Y ) b2 ' b2 " b2 ' b2 " 2 , còn ở các bánh xe phía cầu trước do các bánh xe bị hãm cứng ( Fp1  Z1 ) nên Y = Y = 0 b1 ' b1 " , suy ra Y = Y + Y = 0 1 b1 ' b1 "

Ta thấy Y2 = Fjy và Y2, Fjy là một ngẫu lực nên đã làm xuất hiện mômen M ' q làm quay ô tô:

Với chiều của mômenM ' q như hình 2.9 sẽ làm góc  giảm xuống, dẫn đến Fjy giảm xuống và làm cho giá trị M ' q càng giảm, tức chính là nguyên nhân làm quay ô tô càng giảm xuống và trở về không Cho nên nguy cơ ô tô bị quay ngang là không thể xảy ra

Tuy nhiên, khi các bánh xe của ô tô ở phía cầu trước bị hãm cứng, do các phản lực ngang tác dụng lên các bánh xe ở phía trước bằng không Nên ô tô sẽ không còn điều khiển được thông qua hệ thống lái, tức là làm cho ô tô bị mất tính ổn định hướng Bởi vậy, ở trường hợp này ô tô cũng chuyển động không ổn định

+ Khi phanh ô tô, để ô tô chuyển động ổn định thì không được để các bánh xe ở phía cầu trước và các bánh xe ở phía cầu sau bị hãm cứng

+ Nếu tất cả các bánh xe của ô tô ở cả hai cầu bị hãm cứng và không có lực ngang tác dụng lên ô tô thì ô tô sẽ trượt thẳng Nếu có lực ngang tác dụng lên ô tô thì ô tô sẽ trượt xiên (vì lúc này ngoài lực ngang Y còn có lực Fj tác dụng theo chiều dọc của ô tô, nên hợp lực của chúng làm cho ô tô trượt ) và xe chuyển động không ổn định Nếu hợp lực của lực ngang Y và lực Fj quá lớn thì ô tô có xu hướng bị lật đổ.[1]

Hình 2 9: Các bánh xe ở cầu trước bị hãm cứng

2.3.2 Sự ổn định của ô tô khi phanh nếu các lực phanh phân bố không đều:

Quá trình phanh ô tô thì trục dọc của ô tô có thể bị nghiêng đi một góc  nào đó so với phương quỹ đạo đang chuyển động của ô tô Sở dĩ như vậy là do tổng các lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên phải khác với tổng các lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên trái của ô tô và tạo thành mômen quay vòng Mq quanh trục thẳng đứng z đi qua trọng tâm T của ô tô (hình 2.10)

Trong khi phanh mà ô tô bị quay đi một góc vượt mức quy định sẽ ảnh hưởng đến an toàn chuyển động của ô tô trên đường Vậy tính ổn định của ô tô khi phanh là khả năng mà ô tô giữ được quỹ đạo chuyển động theo muốn của người lái trong quá trình phanh Ở phần này chúng ta nghiên cứu sự ổn định của ô tô khi phanh mà các lực phanh phân bố không đồng đều Sơ đồ nghiên cứu như hình 2.10

Ta giả sử nếu ô tô đang chuyển động theo hướng của trục x nhưng sau khi phanh thì ô tô bị lệch một góc  Trong khi phanh thì ở các bánh xe bên phải của ô tô có các lực phanh Fp.p1 ở cầu trước và Fp.p2 ở cầu sau, còn ở các bánh xe bên trái của ô tô có các lực phanh Fp.t1 ở cầu trước và Fp.t2 ở cầu sau

Tổng các lực phanh ở các bánh xe bên phải của ô tô là:

(2.53) Và tổng các lực phanh ở các bánh xe bên trái của ô tô bằng:

Hệ thống phanh chống hãm cứng ABS khả năng nâng cao hiệu quả và ổn định của ô tô khi phanh

Muốn nâng cao hiệu quả và sự ổn định của ô tô khi phanh thì phải đảm bảo được điều kiện Fp1 = F1 và Fp2 = F2 trong suốt quá trình phanh ôt ô Vì nếu Fp1 < F1 và Fp2 <

F2 thì quãng đường phanh sẽ tăng lên, còn nếu Fp1 > F1 thì các bánh xe cầu trước ô tô sẽ bị hãm cứng và xe sẽ mất tính dẫn hướng ( lúc này hệ thống lái ô tô không điều khiển được) hoặc nếu Fp2 > F2 thì các bánh xe cầu sau của ô tô sẽ bị hãm cứng và trượt lết trên đường, trong lúc này chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng lên ô tô là các bánh xe sẽ trượt ngang và ô tô sẽ mất tính ổn định khi phanh Khi các bánh xe bị trượt ngang thì quỹ đạo chuyển động của ô tô sẽ thay đổi, nếu lúc này lực quán tính tác dụng lên ô tô quá lớn thì ô tô có thể bị lật đổ

Hiện tượng nguy hiểm này thường gặp ở những ô tô có hệ thống phanh thường cổ điển khi phanh gấp hoặc phanh trên đường trơn có hệ số bám nhỏ

Hiện nay, vận tốc của các loại ô tô càng ngày càng được nâng lên Bởi vậy yêu cầu đặc biệt được đặt ra cho hệ thống phanh trên các ô tô đời mới là phải loại trừ được nhược

28 điểm lớn nói trên của hệ thống phanh thường Cho nên, trên các ô tô hiện đại đã được trang bị thêm hệ thống phanh chống hãm cứng ABS (Antilock Braking System)

Nhiệm vụ của hệ thống phanh ABS là điều chỉnh liên tục áp suất trong dẫn động phanh để làm sao cho các lực phanh ở các bánh xe luôn luôn xấp xỉ bằng lực bám, nhờ đó các bánh xe không bị hãm cứng và giữ cho độ trượt giữa bánh xe với mặt đường thay đổi trong một giới hạn hẹp xung quanh giá trị po (hình 2.11) Vì vậy nên hệ thống phanh ABS đã đảm bảo được hiệu quả phanh cao nhất, duy trì được tính dẫn hướng và tính ổn định của ô tô tốt khi phanh (do xung quanh giá trị po thì x  xmax và y có giá trị tương đối lớn)

Hình 2 11: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y theo độ trượt tương đối p Trên đồ thị hình 2.11 cho chúng ta thấy:

Hệ số bám một mặt phụ thuộc vào loại đường và tình trạng mặt đường, mặt khác còn phụ thuộc vào độ trượt của bánh xe với mặt đường khi phanh ô tô

Hệ số bám dọc khi phanh ô tô được định nghĩa :

29 Với định nghĩa này thì x = 0 khi lực phanh Fp = 0, tức là lúc chưa phanh ô tô Khi bắt đầu phanh, x tăng nhanh và độ trượt p cũng tăng lên Khi độ trượt nằm trong khoảng từ 15  25% thì x  xmax, đặc biệt khi p = po = 20% thì x = xmax và y có giá trị khá lớn Bởi vậy giá trị po được gọi là độ trượt tối ưu Thực nghiệm chứng minh rằng, tùy từng loại ô tô mà po có thể thay đổi trong giới hạn 15  25% Đối với hệ thống phanh thường, khi gặp nguy hiểm, người tài xế đạp mạnh lên bàn đạp phanh làm cho áp suất trong dẫn động phanh tăng cao, dẫn đến Fpi > Fi ở các bánh xe, ngay lập tức các bánh xe sẽ bị hãm cứng và trượt lết hoàn toàn p = 100%, do đó x giảm đi gần một nửa, nên lực phanh Fpi cũng giảm đi gần một nửa, đồng thời khi p 100% thì y  0, dẫn đến

Fy = y.Gb  0, cho nên khả năng bám ngang của các bánh xe ô tô không còn nữa, lúc này chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng lên ô tô là ô tô sẽ bị trượt ngang (hình 2.12) Ưu điểm vượt trội của hệ thống phanh ABS so với hệ thống phanh thường là : do ABS điều chỉnh được liên tục áp suất trong dẫn động phanh, nên độ trượt p chỉ dao động trong giới hạn 10  30% (hình 2.12) Ở trong giới hạn này x  xmax nên Fpmax 

xmax.Gb = F, vì vậy hiệu quả phanh sẽ cao nhất Mặt khác y ở trong giới hạn này cũng có giá trị khá lớn, cho nên

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

Hình 2 12:Sự thay đổi hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y theo độ trượt tương đối

p của bánh xe khi phanh Để giữ cho các bánh xe của ô tô không bị hãm cứng và đảm bảo hiệu quả phanh cao cần phải điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh sao cho độ trượt của bánh xe với mặt

30 đường thay đổi quanh giá trị po trong giới hạn hẹp Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe của ô tô khi phanh có thể sử dụng các nguyên lý điều chỉnh sau đây:

+ Theo gia tốc góc chậm dần của bánh xe được phanh ()

+ Theo giá trị độ trượt cho trước (p)

+ Theo giá trị của tỷ số vận tốc góc của bánh xe với gia tốc góc chậm dần của nó

Như vậy hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe khi phanh gồm các phần tử sau : + Cảm biến để phát tín hiệu về tình trạng của đối tượng cần được thông tin, cụ thể là tình trạng của bánh xe đang bị phanh (cảm biến vận tốc góc, cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc của xe)

+ Bộ điều khiển để xử lý các thông tin và phát ra các lệnh nhả phanh hoặc phanh bánh xe (các bộ điều khiển này thường là loại điện tử)

+ Bộ thực hiện để thực hiện các lệnh do bộ điều khiển phát ra (bộ thực hiện có thể là loại thủy lực, loại khí hay loại hỗn hợp thủy khí)

Hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electronic Stability Program)

Hệ thống (ESP) là tên viết tắt của (Electronic Stability Program), là một trong những hệ thống an toàn được trang bị trên ô tô ngày nay Hệ thống này được một kỹ sư người Đức triển khai đầu tiên và được hai hang sản xuất ô tô là Mercedes-Benz và BMW ứng dụng lần đầu tiên trên ô tô vào năm 1995 Sau đó nó được giới thiệu tại hội triển lãm Mỹ với cái tên là ESC (Electronic Stability Control) và sau này tên gọi ESC trở thành thông dụng với sự chấp nhận của hiệp hội kỹ sư ô tô Mỹ, mặc dù cũng có nhiều tên gọi khác nhau tùy theo nhà sản xuất

Có thể nói ESP là hệ thống còn rất mới mẻ đối với Việt Nam nhưng trên thế giới thì ESP đã trở thành một hệ thống khá quen thuộc đối với ngành công nghiệp ô tô nói riêng và người dung ô tô nói chung Sự phổ biến của hệ thống có thể thấy rõ qua các số liệu sau: ESP là tiêu chuẩn trên 40% xe khách 2006 và tùy chọn trên 15% các loại xe khác tại Đức Nó là tiêu chuẩn trên mọi xe Audi2006, BMW, Infiniti, Mercedes-Benz, Porsche

43 Tám hãng chế tạo ô tô khác là Cadillac, Jaguard, Randrover, Lexus, Mini, Toyota, Volvo, Wolkswagen cũng tùy chọn trên tất cả các mẫu xe

Các số liệu điều tra cho thấy những xe được lắp bộ điều khiển ESC (Electronic Stability Control) hay còn gọi là ESP (Electronic Stability Program) có thể giảm 43% nguy cơ tai nạn Hiện tại khoảng 70% số xe thể thao đa dụng SUV và 40% xe du lịch bán ở Mỹ được trang bị ESP

Hiện nay, ngoài tên gọi phổ biến là ESC (Electronic Stability Control) và ESP (Electronic Stability Program) thì hệ thống ổn định điện tử còn được gọi với nhiều tên khác nhau, tùy theo hãng sản xuất mà có cái tên khác nhau

ESP hoạt động dựa trên 2 công nghệ chính: ABS (độ ổn định trong phanh) và TCS hệ thống điều khiển lực kéo (ổn định khi tăng tốc) Chống bó cứng phanh sử dụng các cảm biến phát hiện tình huống bánh xe mất độ bám đường khi phanh gấp Hệ thống này sẽ nhấn phanh nhiều lần liên tục để bánh xe đạt độ bám đường cần thiết giúp lái xe giữ được ổn định tay lái Nếu xuất hiện khác biệt nằm ngoài phạm vi cho phép, lập tức ESP sẽ can thiệp nhằm đưa xe về vùng an toàn, bằng cách tác động vào hệ thống phanh hoặc giảm cường độ làm việc của động cơ Cơ cấu điều khiển thủy lực thông qua hệ thống máy tính điện tử, can thiệp bằng cách phanh riêng lẽ từng bánh xe Điều này cho phép hệ thống tạo ra một mômen thông qua trục thẳng đứng của phương tiện tại trọng tâm của nó

Do đó, hệ thống ESP có thể tăng hoặc giảm mômen của chiếc xe Nó giúp xe không bị chệch khỏi hướng đi một cách đột ngột và thụ động, đồng thời nhanh chóng xác lập lại chế độ làm việc thích hợp cho động cơ.[3]

2.4.2 Chu trình điều khiển hệ thống ESP

Mong muốn của tài xế được nhận biết thông qua cảm biến góc lái

- Những giá trị đầu vào được so sánh với các tín hiệu của các cảm biến gia tốc ngang và cảm biến góc lệch thân xe:

Hình 2 24: Chu trình điều khiển hệ thống ESP

- Nếu hướng chuyển động thực tế của xe phù hợp với mong muốn của tài xế, thì tình huống được đánh giá là hoạt động bình thường và ESP sẽ không hoạt động

- Nếu có một sự khác biệt lớn giữa chuyển động thực tế của xe và mong muốn của tài xế, thì trường hợp này được đánh giá là tình trạng xe không ổn định

+ Trong trường hợp thừa lái, ECU kiểm soát trượt điều khiển phanh một trong các bánh xe tạo ra mô men quay theo hướng ngược lại với hướng quay của xe

+ Trong trường hợp thiếu lái, ECU kiểm soát trượt điều khiển phanh một trong các bánh xe tạo ra mô men quay theo hướng quay của xe

- Mômen quay được tạo ra bằng cách tác dụng lực phanh riêng biệt lên từng bánh xe Khi lực phanh trên mỗi bánh xe khác nhau, một mômen quay xuất hiện trên thân xe và làm cho xe quay theo hướng điều khiển của người lái

- Đối với việc tạo ra thêm mômen quay trong điều kiện người lái đánh lái về bên phải, quay vòng thiếu, lực phanh được áp dụng:

+ Bánh xe bên trong phía sau

+ Bánh xe bên trong phía trước

- Đối với việc tạo ra thêm mômen quay trong điều kiện người lái đánh lái về bên phải, quay vòng thừa, lực phanh được áp dụng:

+ Bánh xe bên ngoài phía trước

+ Bánh xe bên ngoài phía sau

2.4.3 Cấu tạo hệ thống ESP

45 - Bộ điều khiển ESP (tích hợp trong ABS ECU): tiếp nhận thông tin từ cảm biến sau đó tính toán, gửi tín hiệu điều khiển bộ chấp hành thủy lực để phanh các bánh xe ở các chế độ khác nhau, gửi tín hiệu đến ECU động cơ để điều khiển bộ chấp hành bướm ga, thay đổi công suất động cơ

- Cảm biến tốc độ bánh xe: bốn cảm biến tốc độ bánh xe dùng để đo tốc độ của từng bánh xe

- Cảm biến góc lái (loại Hall): giúp xác định vị trí góc quay vô lăng, hướng lái cũng như tốc độ thay đổi hướng lái thực tế của xe, tín hiệu này được sử dụng cho ECU kiểm soát trượt Gồm 3 bộ phận chính: vòng nam châm đa cực được lắp đặt trên trục lái, có thể xoay theo trục lái; hai cảm biến Hall được gắn cố định, không di chuyển; hai đĩa Stato có rãnh đặt lệch để xác định vị trí và thay đổi từ thông qua cảm biến.[3]

Hình 2 25: Cảm biến góc lái loại Hall

+Hoạt động: Vị trí trung gian được xác định là vị trí tương quan giữa vòng nam châm đa cực và cảm biến trong quá trình lắp đặt và hiệu chỉnh ban đầu Khi người lái thực hiện đánh lái, vòng nam châm quay làm thay đổi từ thông qua cảm biến Hall làm sinh ra một dòng điện một chiều, dòng điện này được IC chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu xung vuông và được gửi tới ECU kiểm soát trượt Dựa vào tín hiệu này, ECU kiểm soát trượt có thể tính toán được vị trí, hướng quay và tốc độ quay của vô lăng Do cảm biến và vòng nam châm không có sự tiếp xúc cũng như ít phụ thuộc vào các yếu tố bụi bẩn nên cảm biến loại Hall cho tín hiệu chính xác hơn rất nhiều so với cảm biến quang Dữ liệu hoạt động của cảm biến có thể được hiển thị bằng máy chuẩn đoán

46 - Cảm biến góc xoay xe kết hợp cảm biến gia tốc: các tín hiệu từ cảm biến góc xoay xe, cảm biến gia tốc ngang, cảm biến gia tốc dọc sẽ được gửi đến ABS ECU (tích hợp bộ điều khiển ESP)

+ Cảm biến góc xoay xe: có cấu tạo gồm các khung di động, khung dao động, lược xoay, khung coriolis và một mạch điện Khi xe đi thẳng, cảm biến góc xoay được cấp điện sẽ làm cho lược xoay quay quanh trục của nó, dẫn đến 2 khung truyền động di chuyển tịnh tiến, điện áp lúc này xuất ra bằng 2.5V, ứng với góc xoay của xe bằng 0°

Mô hình phanh ABS trên 1 bánh xe

Hình 3 1: Mô phỏng phanh ABS trên 1 bánh xe bằng matlab simulink

Giá trị đầu vào của xe: g = 9.81(gia tốc trọng trường ) I = 5 (momen quán tính) m = 75 (khối lượng của xe ) R=1.25 ( bán kính của xe) Momem xoắn của lốp xe = μNR μ: hệ số ma sát trượt

N: lực của mỗi bánh xe (N= mg

Gia tốc: a= − T m∗R Vận tốc: V=∫ a dt Hằng số trượt mong muốn là 0.2 Vận tốc ban đầu của xe là 44m/s

Khối này có thể điều khiển áp suất đầu vào cho hệ thống phanh để ngăn chặn bánh xe khóa khi phanh trên mặt đường trơn trượt, giúp giảm nguy cơ tai nạn giao thông Về cơ bản, khối bang-bang controller hoạt động bằng cách so sánh giá trị đầu vào với một ngưỡng giới hạn và cung cấp đầu ra tương ứng cho phép điều khiển áp suất phanh

58 Sau khi tính toán độ trượt tương đối tại mỗi bánh xe, lúc này chúng ta truyền tín hiệu vào Bang-Bang Controller để xử lý và xuất ra hai tín hiệu phanh ở hai bánh xe cầu trước và hai bánh xe cầu sau Sau đó đi qua bộ Speed Limit, nếu vận tốc xe lúc này nhỏ hơn 3 km/h thì tín hiệu tăng phanh “1” sẽ được truyền đến bộ chấp hành, ngược lại nếu vận tốc xe lúc này từ 3 km/h trở lên thì tín hiệu phanh ở hai bánh xe cầu trước và hai bánh xe cầu sau sẽ được truyền đến bộ chấp hành phanh nhằm điều khiển phanh xe giúp xe bám tối ưu để có thể tăng tốc tốt nhất

Khối này so sánh giá trị đầu vào:

- Khi lớn hơn 0 xuất ra giá trị bằng 1

- Khi bé hơn 0 xuất giá trị bằng -1

Khối tốc độ bánh xe (Wheel speed): được thể hiện bằng khối Gain với hệ số là 2pi/60, trong đó 2pi là chu vi bánh xe và 60 là số giây trong 1 phút

Khối hệ số ma sát giữa bánh xe và đường (Friction coefficient) được sử dụng để mô phỏng độ bám dính của bánh xe và độ ma sát giữa bánh xe và đường Độ ma sát này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất phanh của hệ thống ABS Khi hệ số ma sát giữa bánh xe và đường giảm, độ bám dính của bánh xe giảm và xe bắt đầu trượt Hệ thống ABS sẽ giảm áp suất phanh để giữ độ bám dính của bánh xe và giảm khoảng cách phanh Ngược lại, khi hệ số ma sát tăng, độ bám dính của bánh xe cũng tăng, giúp xe dừng lại nhanh hơn và an toàn hơn Vì vậy, khối hệ số ma sát giữa bánh xe và đường rất quan trọng trong mô phỏng hệ thống ABS trên Simulink

Khối trạng thái phanh (Brake state): Khối trạng thái phanh (Brake state block) trong mô phỏng Simulink của hệ thống ABS (Anti-lock Braking System) được sử dụng để mô phỏng trạng thái của hệ thống phanh khi phanh được kích hoạt Khối này có tác dụng lưu trữ thông tin về trạng thái phanh (được bật hoặc tắt) và trạng thái khởi đầu của hệ thống phanh

Khối bộ thủy lực phanh (Hydraulic brake): được mô hình hóa bằng khối Transfer Function Khối này nhận giá trị trạng thái phanh (thông qua khối trạng thái phanh) và tính toán áp suất trong bộ thủy lực phanh

Khối bộ thủy lực phanh (Hydraulic brake) trong mô hình mô phỏng Simulink hệ thống ABS được sử dụng để mô tả cách thức hoạt động của hệ thống thủy lực phanh trong ô tô Các thành phần chính của khối bao gồm hệ thống bơm, van điều khiển, ống dẫn và bộ điều khiển áp suất

Khối tốc độ của xe (Vehicle speed): được thể hiện bằng khối Constant

59 Khối kết quả đầu ra (Output): được mô hình hóa bằng khối Scope Khối này hiển thị giá trị tốc độ của bánh xe và trạng thái phanh của hệ thống ABS

Tóm lại, mô hình này thể hiện cách tính toán điện áp đưa vào bộ thủy lực phanh để duy trì tốc độ an toàn của xe thông qua hệ thống ABS trên 1 bánh xe

Hình 3 3: Đồ thị tốc độ bánh xe Ở đồ thị tốc độ bánh xe, ta thấy tốc độ bánh xe không giảm tuyến tính mà giảm theo đồ thị dao động với biên độ tắt dần cho đến khi về 0, việc này đảm bảo bánh xe không bị bó cứng gây mất ổn định cho xe khi xe chạy ở vận tốc cao rồi đột ngột thắng gấp Đồ thị này tương ứng với tốc độ đầu vào là 44m/s

Hình 3 4: Đồ thị vận tốc của xe

60 Ở đồ thị tốc độ của xe thấy được tốc độ xe giảm tuyến tính về 0 Trong giai đoạn đầu, tốc độ giảm chậm, sau đó giảm ngày càng nhanh cho đến khi về 0 Điều đó cho thấy rằng quãng đường dừng lại của xe cũng phụ thuộc vào tốc độ ban đầu của xe Đồ thị cũng cho thấy việc duy trì khoảng cách an toàn với các phương tiện khác trên đường rất quan trọng để tránh tình trạng phanh gấp và giảm tốc đột ngột, đặc biệt là khi lái xe ở tốc độ cao

Hình 3 5: Đồ thị khoảng cách dừng của xe Đồ thị mô tả quan hệ giữa quãng đường dừng lại (stopping distance) và thời gian phản ứng (reaction time) của người lái xe Đường cong được biểu diễn bởi đồ thị là một đường cong lồi, có nghĩa là với mỗi giá trị tăng dần của thời gian phản ứng, quãng đường dừng lại sẽ tăng nhanh hơn Đồ thị chỉ ra rằng thời gian phản ứng của người lái xe có ảnh hưởng đáng kể đến quãng đường dừng lại của xe Vì vậy, việc giảm thời gian phản ứng có thể giúp giảm quãng đường dừng lại của xe, đặc biệt là trong những trường hợp khẩn cấp Ngoài ra, đồ thị cũng cho thấy rằng ở các tốc độ cao hơn, quãng đường dừng lại của xe tăng nhanh hơn Do đó, việc giữ khoảng cách an toàn với các phương tiện khác trên đường là rất quan trọng để đảm bảo an toàn khi lái xe ở tốc độ cao

Hình 3 6: Đồ thị trượt thực tế của xe Ở đồ thị hệ số trượt, phanh ABS sẽ điều khiển lực phanh sao cho hệ số trượt dao động với tần số dày đặc trong biên độ tối ưu nhất để đảm bảo độ bám với mặt đường, giữ cho xe ổn định Khi ta phanh ta luôn muốn hệ số trượt là tốt nhất dao động từ khoảng 0,1-0,3 là độ trượt lí tưởng để xe không bị trượt.

Mô hình hệ thống ABS trên Simulink

Bộ điều khiển nhận 3 tín hiệu là tốc độ chuyển động của ô tô, tốc độ góc của các bánh xe và áp suất phanh tại xy lanh

Hình 3 7: Thiết lập hệ thống phanh ABS trên Simulink

62 Khi tài xế đạp phanh, áp suất phanh tăng đột ngột khiến cái bánh xe bị bó cứng, đồng thời ô tô di chuyển vào đường cong, trơn, thì bánh xe sẽ bị trượt ngang Nhờ vào cảm biến vận tốc góc bánh xe, cảm biến gia tốc đo tốc độ của các bánh xe, tốc độ chuyển động của ô tô gửi vào bộ điều khiển hệ thống ABS Lúc này, bộ điều khiển hệ thống ABS sẽ xử lý thông tin từ tín hiệu truyền đến rồi gửi tín hiệu đến bộ chấp hành phanh Tín hiệu áp suất phanh tại xylanh chính truyền trực tiếp đến bộ chấp hành phanh, lúc này sẽ xử lý thông tin để điều khiển áp suất phanh tại 4 bánh xe để tăng độ bám cho các bánh xe, giúp xe đạt hiệu quả phanh Đồng thời các cảm biến vận tốc góc bánh xe, cảm biến gia tốc đo tốc độ của các bánh xe, tốc độ chuyển động của ô tô sẽ liên tục gửi vào bộ điều khiển hệ thống ABS để phản hồi hiệu quả phanh của xe so với yêu cầu mong muốn đề ra, nếu đạt hiệu quả thì duy trì, nếu chưa đạt thì bộ điều khiển ABS tiếp tục tính toán và truyền thông tin đã xử lý đến bộ chấp hành phanh để tiến hành phanh các bánh xe Và như vậy ta thấy hệ thống ABS là một hệ thống điều khiển hồi tiếp, hay còn gọi là hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop)

Hình 3 8: Sơ đồ bộ điều khiển trong hệ thống ABS

Hệ thống ABS nhận tín hiệu tốc độ chuyển động của ô tô thông qua cảm biến gia tốc và tốc độ của các bánh xe thông qua cảm biến vận tốc góc bánh xe Khi đó, hệ thống sẽ xử lý độ trượt tương đối của 4 bánh xe theo công thức:

𝑣 (𝑣 > 𝜔 𝑏 𝑟 𝑏 ) rồi truyền tín hiệu độ trượt tương đối vào bộ điều khiển Tùy thuộc vào bộ điều khiển đó là Bang-Bang hoặc PID Controller… sẽ có tín hiệu đầu ra khác nhau, và tín hiệu đầu ra đó sẽ truyền đến bộ chấp hành phanh

Hình 3 9: Sơ đồ chấp hành phanh

Bộ điều khiển xử lý thông tin và truyền đến bộ chấp hành phanh, đi qua Demux chia tín hiệu ra cho mỗi bánh xe theo thứ tự lần lượt là bánh xe trước – trái, trước phải, sau – trái và sau – phải Để rồi, tín hiệu ấy nhân với áp suất phanh tại xylanh chính, truyền qua Transfer Fcn rồi truyền ra và điều khiển áp suất phanh tại mỗi bánh xe để thực hiện phanh Transfer Fcn là hàm truyền, thể hiện độ trễ của hệ thống thủy lực khi phanh hoặc đó là độ trễ cơ khí của solenoid trong hệ thống phanh.

Mô phỏng hệ thống ABS trên Carsim

Thiết lập điều kiện mô phỏng trên Carsim

Hình 3 10: Thông số kỹ thuật của xe

Hình 3 11 : Thông số kỹ thuật của xe

Chọn loại xe để mô phỏng là B-Class Hatchback có cầu trước chủ động với thông số xe được điều chỉnh lại thành thông số của xe Toyota Vios 2016 1.5E (MT) khối lượng thân xe là 1068 kg, chiều dài cơ sở là 2500 mm, chiều rộng cơ sở là 1700 mm Công suất, cấp số, tỉ số truyền, loại lốp, đã điều chỉnh xấp xỉ theo thông số của xe Toyota Vios 2016 1.5E (MT) với sai số không quá lớn

Em chọn ra 3 trường hợp thường gặp nhất để mô phỏng

3.1.3.1 Trường hợp xe chạy trên đường thẳng hệ số bám cao

Hình 3 12: Thiết lập áp suất phanh xe chạy trên đường thẳng hệ số bám cao

65 Thiết lập ô tô chuyển động trên đường với vận tốc ban đầu là 65 km/h và thiết lập tài xế đạp phanh ở giây thứ 5 đến giây thứ 5.1 thì áp suất xylanh chính là 15 Mpa

Hình 3 13: Thết lập loại đường trường hợp hệ số bám cao

Thiết lập hệ số bám trường hợp này là 0.85

3.1.3.2 Trường hợp xe chạy trên đường thẳng hệ số bám thấp

Hình 3 14: Thiết lập áp suất phanh xe chạy trên đường thẳng hệ số bám thấp

66 Tương tự như trường hợp trên, thiết lập ô tô chuyển động trên đường với vận tốc ban đầu là 65 km/h và thiết lập tài xế đạp phanh ở giây thứ 5 đến giây thứ 5.1 thì áp suất xylanh chính là 15 Mpa

Hình 3 15: Thết lập loại đường trường hợp hệ số bám thấp

Loại đường tương tự như trường hợp trên nhưng hệ số bám ở trường hợp này là 0.5

3.1.3.3 Trường hợp xe vào cua ở tốc độ cao

Thiết lập ô tô chuyển động trên đường với vận tốc ban đầu là 120 km/h, ô tô đã đi được quãng đường 150m trước khi ta bắt đầu video và thiết lập tài xế đạp phanh ở giây thứ 5 đến giây thứ 5.1 thì áp suất xylanh chính là 15 Mpa

Đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống ABS

Sau khi cho xe chạy với bộ điều khiển ABS và xe phanh không có ABS, ta có được sự so sánh: Quãng đường phanh, áp suất phanh, tốc độ xe và bánh xe trong quá trình phanh

Ta so sánh trong cùng một điều kiện làm việc thì khi xe không sử dụng hệ thống ABS với xe sử dụng hệ thống ABS Và ta xem khi phanh như vậy thì trường hợp nào tốt hơn

Quãng đường phanh Trường hợp xe chạy trên đường thẳng với hệ số bám cao

Hình 3 17: Đồ thị quãng đường phanh trường hợp hệ số bám cao

Dựa vào đồ thị thể hiện quãng đường phanh, ta thấy xe không có ABS có quãng đường phanh dài hơn xe có trang bị hệ thống ABS Xe có sử dụng ABS dừng tại thời điểm 7.2 giây trong khi xe không có ABS thì tại thời điểm 7.4 giây Do xe không có hệ thống ABS khi phanh đột ngột sẽ bị bó cứng phanh dẫn đến xe bị trượt lết

Trường hợp xe chạy trên đường thẳng với hệ số bám thấp

Hình 3 18 : Đồ thị quãng đường phanh trường hợp hệ số bám thấp Tương tự như trường hợp trên, ta thấy xe không có ABS có quãng đường phanh dài hơn xe có trang bị hệ thống ABS Xe có sử dụng ABS dừng tại thời điểm 8.1 giây trong khi xe không có ABS thì tại thời điểm 11,2 giây Do xe không có hệ thống ABS khi

69 phanh đột ngột sẽ bị bó cứng phanh dẫn đến xe bị trượt lết và quãng đường phanh dài hơn xe có hệ thống ABS khoảng 23m Trường hợp này cho ta thấy rõ ưu điểm của hệ thống phanh ABS

Trường hợp xe vào cua với tốc độ cao

Hình 3 19: Đồ thị quãng đường phanh trường hợp xe vào cua

Dựa vào đồ thị thể hiện quãng đường phanh, ta thấy xe không có ABS lúc đầu có quãng đường phanh ngắn hơn xe có trang bị hệ thống ABS, nhưng lúc sau do xe bị trượt nên quãng đường phanh của xe không có ABS dài hơn xe có ABS

Tốc độ bánh xe trong quá trình phanh Trường hợp xe chạy trên đường có hệ số bám cao

Hình 3 20: Đồ thị thể hiện tốc độ bánh xe trường hợp hệ số bám cao

70 Đồ thị thể hiện tốc độ bánh xe của xe không có ABS đang chạy với tốc độ 65km/h, khi tài xế đạp phanh, áp suất phanh tăng đột ngột lên 15Mpa khiến tốc độ bốn bánh xe giảm từ 65km/h về 0km/h trong vòng chưa tới 1/2 giây dẫn đến các bánh xe bị bó cứng khiến xe bị trượt lết Đối với xe có hệ thống ABS, khi tài xế đạp phanh thì áp suất phanh ở các bánh xe tăng giảm liên tục khiến vận tốc các bánh xe cũng tăng giảm liên tục để tăng hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường, giúp xe không bị trượt lết

Tốc độ xe có ABS bằng 0 tức xe dừng hẳn tại thời điểm 7.2 giây, xe không có ABS thì dừng hẳn tại thời điểm 7.4 giây trong khi tốc độ bốn bánh xe bằng 0 tại thời điểm 5.3 giây nên suy ra xe bị trượt từ thời điểm 5.3 giây đến 7.4giây

Hình 3 21: Đồ thị thể hiện tốc độ bánh xe trường hợp hệ số bám thấp

Tương tự như trường hợp trên: Đồ thị thể hiện tốc độ bánh xe của xe không có ABS đang chạy với tốc độ 65km/h, khi tài xế đạp phanh, áp suất phanh tăng đột ngột lên 15Mpa khiến tốc độ bốn bánh xe giảm từ 65km/h về 0km/h trong vòng khoảng 0.1 giây dẫn đến các bánh xe bị bó cứng khiến xe bị trượt lết Đối với xe có hệ thống ABS, khi tài xế đạp phanh thì áp suất phanh ở các bánh xe tăng giảm liên tục khiến vận tốc các bánh xe cũng tăng giảm liên tục để tăng hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường, giúp xe không bị trượt lết

Tốc độ xe có ABS bằng 0 tức xe dừng hẳn tại thời điểm 8.8 giây, xe không có ABS thì dừng hẳn tại thời điểm 11.8 giây trong khi tốc độ bốn bánh xe bằng 0 tại thời điểm 5.1

71 giây nên suy ra xe bị trượt từ thời điểm 5.1 giây đến 8.8 giây Trường hợp này cho thấy rõ ưu điểm của phanh ABS hơn trường hợp trên

Trường hợp xe chạy cua với tốc độ cao

Hình 3 22: Đồ thị thể hiện tốc độ bánh xe trường hợp xe vào cua Đồ thị thể hiện tốc độ bánh xe của xe không có ABS đang chạy với tốc độ 120 km/h, khi tài xế dậm phanh, áp suất phanh tăng đột ngột lên 15Mpa khiến tốc độ bốn bánh xe giảm từ 120 km/h về 0km/h trong vòng chưa tới 1/2 giây dẫn đến các bánh xe bị bó cứng, đồng thời xe chịu tác dụng của lực ly tâm làm cho xe bị mất ổn định chuyển động

Tại thời điểm 7.5 giây đến 7.9 giây và thời điểm 8.0 đến 8.3 giây lần lượt tốc độ của bánh sau bên phải và bánh sau bên trái tăng và giảm đột ngột làm cho xe tốc độ xe không có ABS mất ổn định hơn xe có ABS Áp suất phanh Trường hợp xe chạy trên đường thẳng với hệ số bám cao

Hình 3 23 : Đồ thị thể hiện áp suất phanh xe trường hợp hệ số bám cao Xe không có hệ thống ABS khi tài xế đạp phanh, áp suất phanh tăng đột ngột lên 15MPa từ thời điểm 5.1 giây dẫn đến lực phanh lớn hơn lực bám nên xảy ra hiện tượng trượt lết ở các bánh xe Đối với xe có hệ thống ABS, khi tài xế đạp phanh thì áp suất phanh ở các bánh xe tăng giảm liên tục trong khoảng từ 5.1 giây đến 7.1giây để giúp tăng độ bám giữa bánh xe với mặt đường như mong muốn và hiệu quả phanh cao

Trường hợp xe chạy trên đường thẳng với hệ số bám thấp

Hình 3 24 : Đồ thị thể hiện áp suất phanh xe trường hợp hệ số bám thấp Tương tự như trường hợp trên:

73 Xe không có hệ thống ABS khi tài xế đạp phanh, áp suất phanh tăng đột ngột lên 15MPa từ thời điểm 5.1 giây dẫn đến lực phanh lớn hơn lực bám nên xảy ra hiện tượng trượt lết ở các bánh xe Đối với xe có hệ thống ABS, khi tài xế đạp phanh thì áp suất phanh ở các bánh xe tăng giảm liên tục trong khoảng từ 5.1 giây đến 8.6 giây để giúp tăng độ bám giữa bánh xe với mặt đường như mong muốn và hiệu quả phanh cao

Trường hợp xe vào cua

Hình 3 25: Đồ thị thể hiện áp suất phanh xe trường hợp xe vào cua

Tương tự như trường hợp trên:

Xe không có hệ thống ABS khi tài xế đạp phanh, áp suất phanh tăng đột ngột lên 15MPa từ thời điểm 5.1 giây dẫn đến lực phanh lớn hơn lực bám nên xảy ra hiện tượng trượt lết ở các bánh xe Đối với xe có hệ thống ABS, khi tài xế đạp phanh thì áp suất phanh ở các bánh xe tăng giảm liên tục trong khoảng từ 5.1 giây đến 9.4 giây để giúp tăng độ bám giữa bánh xe với mặt đường như mong muốn và hiệu quả phanh cao

Hình 3 26: Kết quả mô phỏng trường hợp xe chạy trên đường có hệ số bám cao

Xe đỏ - xe có hệ thống ABS, xe xanh - xe không có hệ thống ABS

Hình 3 27: Kết quả mô phỏng trường hợp xe chạy trên đường có hệ số bám thấp

Xe đỏ - xe có hệ thống ABS, xe xanh - xe không có hệ thống ABS

Hình 3 28: Kết quả mô phỏng trường hợp xe vào cua

Xe đỏ - xe có hệ thống ABS, xe xanh - xe không có hệ thống ABS Nhận xét kết quả mô phỏng

Mô hình và mô phỏng hệ thống ESP

Hình 3 29 : Hệ thống ESP trên Simulink

Hình 3 30: Bộ điều khiển ESP

Hệ thống cân bằng điện tử hoạt động bằng cách can thiệp vào hệ thống phanh giúp cho xe bám đường tốt hơn, tránh nguy cơ mất lái, lật xe trong những tình huống người lái không kịp phản ứng

Hệ thống ESP hoạt động dựa trên các loại cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến quay vòng, gia tốc, cảm biến góc đánh lái, cảm biến áp suất phanh, Tất cả các thông số khi xe vận hành được các cảm biến ghi lại liên tục và truyền thông tin về bộ điều khiển trung tâm của hệ thống ESP

Khi phát hiện tình trạng mất ổn định trên một hoặc nhiều bánh xe, bộ điều khiển trung tâm ECU sẽ tự can thiệp bằng cách kích hoạt phanh từng bánh xe một cách tự động

77 (dựa vào hệ thống chống bó cứng phanh ABS) tùy theo điều kiện thực tế hoặc ngắt momen từ động cơ đến các bánh xe (dựa vào hệ thống kiểm soát lực kéo TCS)

Mô phỏng hệ thống trên Carsim

Thông số kỹ thuật của xe được thiết lập giống hệt như phần mô phỏng ABS

Hình 3 31: Thiết lập loại đường và hệ số bám

Thiết lập hệ số bám của mặt đường là 0.85

Hình 3 32: Thiết lập tốc độ xe

Thiết lập tốc độ xe là 120 km/h, áp suất phanh là 10MPa và thời gian mô phỏng là 10 giây bắt đầu từ lúc xe chạy

3.2.3 Đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống ESP

Hình 3 33: Đồ thị góc lái

Dựa vào đồ thị, ta thấy được rằng đường màu đỏ ( xe có ESP ) trở về vị trí ổn định chuyển động Còn đường màu xanh ( xe không có ESP) thì nó vẫn chưa trở về vị trí ổn định Tại khoảng thời gian 7.7 giây thì xe có ESP đã trở về vị trí 0 độ, tức là vị trí ổn định chuyển động trong khi xe không có ESP vẫn đang bị mất ổn định

Phân tích kĩ đồ thị, khi xe bắt đầu né vật cản thì xe không có ESP sẽ đánh lái thiếu so với xe có ESP khoảng 150 0 tại thời điểm giây thứ 1.3 đến 1.5 Tại thời điểm giây thứ 2.6 thì xe không có ESP đánh thừa lái, giây 2.7 đến giây 4.0 xe có ESP cũng bị thừa lái

Bằng việc tác dụng lực phanh, xe có ESP sẽ nhanh chóng trở về quỹ đạo chuyển động

Còn xe không có ESP vẫn tiếp tục bị mất ổn định chuyển động

Hình 3 34: Đồ thị tốc độ xe

Dựa vào đồ thị, khi xe bắt đầu mất ổn định thì xe có ESP sẽ tác động lực phanh vào các bánh xe giảm tốc độ để giảm lực ngang tác dụng vào bánh xe để góc trượt không bị tăng, khi đó xe được ổn định Còn xe không có ESP thì tốc độ xe tăng giảm liên tục làm xe bị mất ổn định

Hình 3 35: Đồ thị gia tốc ngang Đồ thị này cho thấy lúc đầu thì 2 xe chưa mất ổn định nhưng khoảng giây 1.3 thì cả 2 xe bắt đầu mất ổn định do lực ngang Ở xe có ESP sẽ hiệu chỉnh phanh và góc lái sao cho xe ổn định và gia tốc ngang giảm nhanh chóng so với gia tốc ngang của xe không có ESP

80 Tại giây thứ 8, gia tốc ngang của xe có ESP đã giảm về 0, trong khi gia tốc ngang của xe không có ESP vẫn đang tiếp tục thay đổi.

Kết luận

Hình 3 36: Kết quả mô phỏng hệ thống ESP

Xe đỏ - xe có hệ thống ESP, xe xanh - xe không có hệ thống ESP

Khi người điều khiển ô tô ở tốc độ cao nếu đánh lái thiếu sẽ gặp tình trạng bị trượt bánh trước làm cho xe có xu hướng bị văng ngang ra khỏi cung đường dự kiến, có thể gây lật xe hoặc tai nạn Ở xe được trang bị hệ thống ESP, cảm biến trượt ngang và góc đánh lái sẽ gửi tín hiệu về hộp điều khiển, dựa vào đó ESP sẽ tính toán và điều khiển thực hiện việc chủ động tạo một lực phanh ở bánh xe phía đối diện với hướng xe bị trượt, có tác dụng như một tâm quay tạo ra mô men bù lại lực trượt ngang, nhờ đó giữ xe ở trạng thái ổn định và di chuyển theo đúng hướng dự kiến

Nếu xe vào cua ở tốc độ cao và đánh lái quá nhiều khiến đuôi xe trượt khỏi hướng lái dự kiến Bộ điều khiển ESP cũng gửi đi tín hiệu điều khiển thực hiện phanh bánh trước theo phía đối diện hướng đuôi xe bị văng, lực phanh tạo thành tâm quay sinh ra mômen bù giữ cho xe ở trạng thái cân bằng và di chuyển ổn định về phía trước theo đúng như mong muốn

Các yêu cầu về mô hình giảng dạy thực hành

Mô hình dạy học nhằm làm tăng tính trực quan, giúp nguời học nhanh chóng tiếp thu được kiến thức và hình thành kỹ năng nghề, đồng thời tạo nên hứng thú cho người dạy và người học, trực quan hóa trong quá trình giảng dạy

Các hệ thống trên mô hình dạy học và các bài tập thực hành kèm theo phải bảo đảm tính đặc trưng của việc dạy lý thuyết, thực hành và các nguyên lý sư phạm cơ bản

Các bộ phận hệ thống trên mô hình dạy học phải phù hợp ý nghĩa sư phạm và phương pháp giảng dạy từ đó hình thành tư duy nghiên cứu cho người học

Các mô hình dạy học phải có sự liên kết chặt chẽ bố cục và hình thức trong đó mỗi loại trong bộ phương tiện phải có vai trò tích cực và chức năng riêng

Mô hình dạy học phải thúc đẩy việc sử dụng các phương pháp dạy học tiên tiến, hiện đại

4.1.2 Tính nhân trắc học của phương tiện dạy học

Mô hình dạy học giảng dạy phải kích thướt phù hợp để khi bố trí lớp học người học ngồi phía sau cũng quan sát được Mô hình không chiếm nhiều không gian trong xưởng

Phải phù hợp với người dạy và người học

Màu sắc có tác dụng thông tin, phải hài hòa, không làm chói mắt khó phân biệt với chi tiết

Mô hình dạy học phải đảm bảo tất cả các yêu cầu kỹ thuật an toàn và khi sử dụng không gây nguy hiểm cho người dạy và người học

Mô hình dạy học phải đảm bảo tính thẩm mỹ và tỷ lệ cân đối hài hoà về khung và các chi tiết lắp trên mô hình

Mô hình phải tạo được không khí thích thú cho người dạy và học, tăng khả năng sáng tạo và tự học cho người học

4.1.4 Tính khoa học kỹ thuật

Vật liệu chế tạo mô hình phải bảm đảm tuổi thọ cao và độ vững chắc

Mô hình dạy học phải thể hiện các công nghệ mới của khoa học kỹ thuật

Phải có sự kết cấu thuận lợi cho việc bảo quản, di chuyển ở xưởng thực hành

Kết cấu của của mô hình dạy học phải đơn giản, ít chi tiết, chi phí giá thành thấp mà vẫn đảm bảo được đủ tính năng cho người học khai thác

Mô hình dạy học phải đảm bảo bền chắc hiệu quả sử dụng cao nhất, chi phí bảo quản thấp.

Thi công, xây dựng mô hình hệ thống phanh khẩn cấp phục vụ giảng dạy

4.2.1 Chức năng của mô hình:

Mô hình hệ thống phanh khẩn cấp được ứng dụng trong giảng dạy lý thuyết và thực hành như:

- Xác định được tốc độ quay của các bánh xe trước sau bên phải và bên trái

- Đo kiểm được điện trở các cảm biến tốc độ bánh xe, xem được hình dạng xung của tốc độ các bánh xe

- Đo kiểm điện trở các cuộn dây van điện từ

- Kết nối với máy G- Scan 2 điều khiển được các van điện từ, kích hoạt motor bơm dầu

4.2.2 Bản vẽ của mô hình:

Hình 4 1: Bản vẽ mô hình hệ thống phanh ABS có BA

Hình 4 2: Bản vẽ 3D mô hình hệ thống phanh ABS có BA 4.3 Các chi tiết lắp trên mô hình

- 04 cảm biến tốc độ bánh xe

84 - Cảm biến góc quay vô lăng

- Cảm biến độ lệch của xe - Cảm biến gia tốc

- Cảm biến áp xuất xylanh chính - ECU điều khiển trượt

- Bộ chấp hành phanh - Đèn báo quay trượt - Đèn báo cân bằng điện tử - Van điện từ của bộ trợ lực - Bộ tổng phanh trợ lực bằng chân không trên ô tô - Công tắt phanh

- Máy hút chân không ( tạo trợ lực phanh) - Hệ thống kiểm tra báo lỗi tự động với đèn và giắc chẩn đoán OBD - Đồng hồ đo áp suất xylanh chính

- Đồng hồ đo áp suất xylanh tại 4 bánh xe - Bình ắc quy 12VDC 35A

4.3.1 ECU điều khiển động cơ có điều khiển ABS và BA - Nhận biết thông tin về tốc độ góc các bánh xe, từ đó tính toán ra tốc độ bánh xe và sự tăng giảm tốc của nó, xác định tốc độ xe, tốc độ chuẩn của bánh xe và ngưỡng trượt để nhận biết nguy cơ bị hãm cứng của bánh xe

- Cung cấp tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thủy lực

-Thực hiện chế độ kiểm tra, chẩn đoán, lưu giữ mã code hư hỏng và chế độ an toàn

Cấu tạo của ECU là một tổ hợp các vi xử lý, được chia thành 4 cụm chính đảm nhận các vai trò khác nhau:

- Phần xử lý tín hiệu - Phần logic

- Bộ phận an toàn - Bộ chẩn đoán và lưu giữ mã lỗi

Hình 4 3: ECU điều khiển ABS và BA 4.3.2 Bộ chấp hành phanh thủy lực

Cấu tạo của một bộ chấp hành thủy lực gồm có các bộ phận chính sau: các van điện từ, motor điện dẫn động bơm dầu, bơm dầu và bình tích áp

Van điện từ: Van điện từ trong bộ chấp hành có hai loại, loại 2 vị trí và 3 vị trí Cấu tạo chung của một van điện gồm có một cuộn dây điện, lõi van, các cửa van và van một chiều Van điện từ có chức năng đóng mở các cửa van theo sự điều khiển của ECU để điều chỉnh áp suất dầu đến các xylanh bánh xe

Motor điện và bơm dầu: Một bơm dầu kiểu piston được dẫn động bởi một motor điện, có chức năng đưa ngược dầu từ bình tích áp về xylanh chính trong các chế độ giảm và giữ áp Bơm được chia ra làm hai buồng làm việc độc lập thông qua hai piston trái và phải được điều khiển bằng cam lệch tâm Các van một chiều chỉ cho dòng dầu đi từ bơm về xylanh chính

Bình tích áp: Chứa dầu hồi về từ xylanh phanh bánh xe, nhất thời làm giảm áp suất dầu ở xylanh phanh bánh xe

Chúng ta hoàn toàn có thể phân loại ABS (Van điện 2 vị trí có van tinh chỉnh và điều khiển lưu lượng, Van điện 2 vị trí có van điều khiển và tinh chỉnh tăng áp, Van điện 3 vị trí có van cơ khí, Van điện 3 vị trí) cũng như phân biệt ABS hoạt động giải trí có bao nhiêu kênh điều khiển và tinh chỉnh dựa vào đường dầu vào và đường dầu ra

Hình 4 4: Bộ chấp hành hệ thống phanh thuỷ lực

4.3.3 Cảm biến tốc độ bánh xe

Chỉ chế tạo vòng răng cảm biến và lắp cảm biến tốc độ bánh xe vào Không lắp bánh xe trên mô hình để nhằm giảm bớt khối lượng của mô hình, để việc dẫn động vòng răng cảm biến chỉ là động cơ điện 12V Nhằm mục đích an toàn cho sinh viên thực tập

Cảm biến có nhiệm vụ xác định các trạng thái làm việc của bánh xe và các giá trị thay đổi trong quá trình làm việc Quá trình chuyển đổi ở đây là từ các đại lượng vật lí chuyển thành các tín hiệu điện

Hình 4 5: Cảm biến tốc độ bánh xe

Hình 4 6: Cảm biến tốc độ bánh xe đang hoạt động 4.3.4 Cụm xy lanh chính và bầu trợ lực phanh:

Xi lanh chính là một cơ cấu chuyển đổi lực tác động của bàn đạp phanh thành áp suất thuỷ lực Hiện nay, xi lanh chính kiểu hai buồng có hai pit tông tạo ra áp suất thuỷ lực trong đường ống phanh của hai hệ thống

Sau đó áp suất thuỷ lực này tác động lên các càng phanh đĩa hoặc các xi lanh phanh của phanh kiểu tang trống

Bình chứa dùng để loại trừ sự thay đổi lượng dầu phanh do nhiệt độ dầu thay đổi

Bình chứa có một vách ngăn ở bên trong để chia bình thành phần phía trước và phía sau như thể hiện ở hình bên trái Thiết kế của bình chứa có hai phần để đảm bảo rằng nếu một mạch có sự cố rò rỉ dầu, thì vẫn còn mạch kia để dừng xe

88 Cảm biến mức dầu phát hiện mức dầu trong bình chứa thấp hơn mức tối thiểu và sau đó báo cho người lái bằng đèn cảnh báo của hệ thống phanh

Bộ trợ lực phanh là một cơ cấu sử dụng độ chênh lệch giữa chân không của động cơ và áp suất khí quyển để tạo ra một lực mạnh (tăng lực) tỷ lệ thuận với lực ấn của bàn đạp để điều khiển các phanh

Bộ trợ lực phanh sử dụng chân không được tạo ra trong đường ống nạp (bơm chân không trong trường hợp động cơ điêzel)

Hình 4 7: Cụm trợ lực phanh và xy lanh chính 4.3.5 Cảm biến góc xoay thân xe:

Cảm biến góc xoay thân xe (Yaw-rate Sensor) giúp duy trì sự cân bằng, ổn định cho một chiếc xe và nó là thành phần không thể thiếu trong hệ thống cân bằng điện tử ESP

Cảm biến góc xoay thân xe thường được lắp đặt dưới ghế tài xế, dưới ghế hành khách hoặc tại bảng điều khiển trung tâm Nó được đặt sát dưới sàn xe để tối ưu việc tiếp cận với trọng tâm của thân xe

Mô hình tổng thành

Hình 4 16: Mô hình hệ thống phanh ABS có sử dụng BA 4.4.1 Thực nghiệm và đánh giá kết quả của mô hình

Sau khi lắp đặt hoàn thành mô hình để đánh giá được hiệu quả và giao tiếp với các thiết bị đo kiểm đã tiến hành các thực nghiệm Nội dung thực nghiệm đã đo được xung và điện trở của các cảm biến bánh xe, kích hoạt được motor bơm dầu, kích hoạt được các van điện từ đóng mở, bật tắt các đèn báo, đọc được các mã lỗi

4.4.1.2: Thông số kỹ thuật của mô hình:

Tên mô hình : Mô hình hệ thống phanh ABS có BA Điện áp hoạt động : 12V DC 35A Điện áp hoạt động trợ lực phanh : 220V- 50HZ Thông số kỹ thuật hệ thống cảm biến

1 Cảm biến tốc độ xe phía trước

Chân giắc kiểm tra Điều kiện Giá trị tiêu chuẩn

1-2 Ngắt kết nối giắc cảm biến

0.9 đến 2.1kΩ Điện áp chân cực ECU

Chân giắc Điều kiện Giá trị

BM (S27-2)-GND (Y1-1) Khóa điện bật ON, mô tơ bơm chạy

FR+ (S27-3) - FR- (S27-17) Khóa điện bật ON, bánh xe phải trước quay chậm

Khóa điện bật ON, nhả bàn đạp phanh

FL+ (S27-18)-FL- (S27-4) Khóa điện bật ON, bánh xe trái trước quay chậm

RR+ S27-5)-RR- (S27-19) Khóa điện bật ON, bánh xe sau phải quay chậm

RL+ S27-20)-RL- S27-6) Khóa điện bật ON, bánh xe sau trái quay chậm

Khóa điện bật ON Phát xung

NEO (S27-10)-GND1 (S27- 32) Động cơ chạy không tải Phát xung

Khóa điện tắt OFF 54 đến 67 ohm

Khóa điện bật ON 10 to 14 V

Di chuyển xe 20k/h Phát xung

MRF (S27-14) - R+ (S27-45) Khóa điện bật ON 10 đến 14 V MR (S27-15)-R+ (S27-45) Khóa điện bật ON, mô tơ bơm 10 đến 14 V

Chân giắc Điều kiện Giá trị chạy +BS (S27-31) - GND1 (S27-

Khóa điện bật ON, mô tơ bơm chạy

STP (S27-27) - GND1 Công tắc bàn đạp phanh ON 8 đến 14 V STP (S27-27) - GND1 Công tắc bàn đạp phanh OFF Dưới 1.5V PKB (S27-28) - GND1 (S27-

Khóa điện bật ON, Công tắc phanh dừng đỗ ON

Khóa điện bật ON, Công tắc phanh dừng đỗ OFF

Khóa điện bật ON, Đèn báo ABS ON

Khóa điện bật ON, Đèn báo ABS OFF

Khóa điện bật ON, VSC Chuông âm thanh

Dưới 1.0 Mũi tên phải và trái 10 to 14 V

IG switch ON, VSC không chuông âm thanh

Khóa điện bật ON Phát xung

NEO (S27-10)-GND1 (S27- 32) Động cơ chạy không tải Phát xung

Khóa điện tắt OFF 54 đến 67 ohm

Khóa điện bật ON 10 đến 14 V

Khóa điện ON đèn VSC ON Dưới 2.0 V

CSW(1) (S27-43) - GND1 TRAC OFF tắt OFF 10 đến 14 V

Chân giắc Điều kiện Giá trị

Khóa điện ON, Đèn cảnh báo phanh ON

Khóa điện bật ON 10 đến 14 V

Bảng 1 3: Thông số kỹ thuật của mô hình 4.4.1.3 An toàn khi sử dụng mô hình:

- Khi vận hành mô hình, người học phải được hướng dẫn các yêu cầu kỹ thuật và cách sử dụng mô hình

- Giáo viên hướng dẫn phải luôn quan sát và quản lý chặt chẽ khi người học vận hành mô hình, không để có sự cố xảy ra

- Khi có bất kỳ sự cố hoặc hiện tượng lạ nào xảy ra đối với thiết bị, phải báo ngay cho giáo viên hướng dẫn để có phương án xử lý kịp thời

4.4.1.4 Các điều cần chú ý để bảo quản, bảo trì mô hình:

- Đặt thiết bị tại vị trí vững trãi, bằng phẳng, khô thoáng, thường xuyên phải che chắn cho thiết bị khi không hoạt động

- Theo định kỳ phải tra dầu, mỡ vào các chi tiết cần thiết, đặc biệt là các chi tiết chuyển động quay, tránh để han gỉ

- Kiểm tra, làm sạch thiết bị thường xuyên, chú ý khi vận chuyển thiết bị

- Khi kết thúc thực hành phải kiểm tra đầy đủ các các chi tiết, tránh để mất mát.

Kết quả thực nghiệm đo bằng máy đo xung và máy G- Scan2 của các cảm biến trên mô hình

- Màn hình máy đo xung thể hiện xung AC của cảm biến tốc độ các bánh xe:

Hình 4 17: Xung AC của cảm biến tốc độ bánh xe phía trước bên phải

Hình 4 18: Xung AC của cảm biến tốc độ bánh xe phía sau bên trái

- Dữ liệu của hệ thống khi kết nối với máy G- Scan2:

Thông tin dữ liệu của hệ thống hiện thị khi kết nối với máy G-Scan2

Hình 4 19: Dữ liệu của hệ thống khi kết nối với G- Scan2

- Dữ liệu cảm biến góc xoay thân xe khi hoạt động:

Hình 4 20: Dữ liệu của góc xoay thân xe khi hoạt động

- Tín hiệu tắt - mở đèn báo ABS

Hình 4 21: Tắt - Mở đèn báo ABS

- Tín hiệu tắt - mở đèn báo VSC

Hình 4 22: Tắt - Mở đèn báo VSC

- Kích hoạt rờ le điều khiển Solenoid

Hình 4 23: Kích hoạt rờ le điều khiển Solenoid

- Kích hoạt rờ le điều khiển mô tơ bơm ABS:

Hình 4 24: Kích hoạt rờ le điều khiển mô tơ bơm ABS

- Kích hoạt Solenoid điều khiển chống trượt:

Hình 4 25: Kích hoạt rờ le điều khiển chống trượt

- Kích hoạt Solenoid điều khiển van dầu trong cụm ABS:

Hình 4 26: Kích hoạt rờ le điều khiển van dầu trong cụm ABS

MỘT SỐ BÀI TẬP ỨNG DỤNG TRÊN MÔ HÌNH

Bài 1: Kiểm tra cảm biến tốc độ các bánh xe trên mô hình

(Dựa vào sơ đồ cấu tạo bộ điều khiển ECU

TT Nội dung công việc Phương pháp kiểm tra Kết quả kiểm tra Nhận xét của giáo viên

Bài 2: Hãy quang sát sự nhấp nháy của đèn MIL bằng cách nối tắt các cực TE1 và E1 (hoặc TC và CG) của DLC 1, 2, hoặc 3 Theo sơ đồ sau, dựa vào bảng mã lỗi, hãy điền vào hạng mục phát hiện và khu vực hư hỏng

Mã DTC Hạng mục phát hiện Khu vực hư hỏng

Bài 3: Hãy dựa vào sơ đồ mạch điện và sơ đồ chân cực ECU Hãy đo kiểm và điền các giá trị tương ứng vào bảng Chân giắc kiểm tra Điều kiện Giá trị đo được

Bài 4: Dựa vào bộ điều khiển thuỷ lực trên mô hình sau đây Hãy đo các giá trị điện trở của các cuộc dây Solenoid và đánh giá số liệu đo được so với yêu cầu kỹ thuật của mô hình?

Chân giắc kiểm tra Giá trị đo được Yêu cầu kỹ thuật

Cuộn Solenoid van chuyển mạch hỗ trợ phanh(………) ……… ………

Bài 5: Quan sát các đồng hồ báo áp suất trên mô hình, đèn báo phanh khẩn cấp

Các em hãy ghi nhận lại các giá trị áp suất trong các trường hợp sau?( Làm việc nhóm)

Trường hợp Giá trị đo được Đèn báo phanh khẩn cáp Điều chỉnh tốc độ xe 20km/h, đạp phanh nhanh( khẩn cấp) ……… ………

Kết luận

Kết quả mong muốn đạt được của mô hình:

- Đã hoàn thành nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình hệ thống phanh khẩn cấp phục vụ giảng dạy

- Mô hình đã kết nối được với máy tính có cài đặt phần mềm đo xung, máy đo xung OSILLOSCOPE và máy G- Scan2

- Mô hình thể hiện đúng nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS và BA như trên xe thực tế

- Có kết nối với chẩn đoán làm sáng tỏ hiệu quả của hệ thống

- Mô hình thuận tiện cho việc học tập và nghiên cứa của sinh viên

Sau thời gian nghiên cứu, chuyên đề đã đạt được một số kết quả như sau:

- Thực hiện đo kiểm, xem được tín hiệu các cảm biến bằng máy tính có cài đặt phần mềm đo xung, máy đo xung OSILLOSCOPE, kích hoạt được các van điện từ của bộ chấp hành, tắt- mở được các đèn báo bằng máy G -Scan 2 Như vậy, thực nghiệm chính xác về mặt kỹ thuật, tính thực tiễn và phạm vi sử dụng của mô hình

- Nghiên cứu hệ thống phanh ABS và BA trên các dòng xe TOYOTA - Kết quả cho thấy hệ thống làm việc giống nhau về nguyên lý và cấu tạo

- Nghiên cứu được cách thức để thiết kế mô hình nhỏ gọn, cơ động và giá thành thấp mà vẫn đạt được các tính năng phục vụ giảng dạy của nó

- Tiết kiệm được các nguyên vật liệu

2 Hướng phát triển của chuyên đề:

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên chuyên đề còn tồn tại nhiều vấn đề chưa được giải quyết như: nghiên cứu phương pháp gia công chế tạo cơ cấu trong “mô hình hệ thống phanh khẩn cấp phục vụ giảng dạy” chưa được tường minh Do vậy hướng phát triển tiếp theo của chuyên đề là nghiên cứu các phương pháp gia công cơ khí và lắp đặt mô hình một cách khoa học hơn

Soạn nhiều bài tập thực hành cho Sinh viên thực hành trên mô hình hơn Để chuyên đề mang tính thiết thực đem lại cho thực tập sinh những kinh nghiệm sau những tháng tìm hiểu và nghiên cứu Rất mong sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn là thầy Tiến Sĩ Nguyễn Mạnh Cường

109 Tuy trong quá trình nghiên cứu chuyên đề em đã cố gắng rất nhiều nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong các quý Thầy và các bạn chân thành góp ý, giúp em có thể hoàn thiện mảng kiến thức của mình ngày một vững vàng hơn trong quá trình giảng dạy sau này.

Tiêu đề	Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Hệ Thống Phanh Khẩn Cấp Phục Vụ Giảng Dạy
Tác giả	Lê Minh Thuấn
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Mạnh Cường
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	146
Dung lượng	14,87 MB