Điển hình như: - Viện Công nghệ Ô tô và Động cơ - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội: Viện này thực hiện nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ ô tô và động cơ, bao gồm cả hệ thống ABS và EBD
Lí do chọn đề tài
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thế giới nói chung và ngành công nghiệp ô tô nói riêng, nhu cầu đời sống con người ngày càng được cải thiện và nâng cao, các phương tiện nhằm đáp ứng yêu cầu đi lại của mọi người cũng không phải là ngoại lệ, bằng chứng là các phương tiện hiện đại luôn được tung ra thị trường với công suất cao hơn, tốc độ nhanh hơn Chính vì thế mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn, đi đôi với đó là những vụ tai nạn cũng ngày một nhiều và thảm khốc hơn Để hạn chế những rủi ro đó, các hệ thống đảm bảo an toàn trên xe cũng được nâng cấp, trong đó không thể không nhắc đến chính là hệ thống phanh
“Cái phanh không làm xe đi nhanh hơn, nhưng nhờ nó mà chúng ta dám đi nhanh hơn”, hiểu câu này theo nghĩa đen, cái phanh chính là thứ kìm hãm tốc độ nhưng cũng chính nó là thứ giúp chúng ta dám đạp ga tăng tốc Một chiếc ô tô có cơ cấu phanh tốt, có độ tin cậy cao thì lúc đó chiếc xe mới có thể được hoạt động hết công suất Bởi thế, hệ thống phanh luôn được ưu tiên đặt lên hàng đầu để đảm bảo tính an toàn cho người tham gia giao thông cũng như mọi người xung quanh Một chiếc xe chạy nhanh và an toàn khi nó có một hệ thống phanh tốt, một chiếc xe thiếu hệ thống phanh là một chiếc xe không được lưu thông
Do đó, với tính thiết thực của hệ thống phanh nói chung và hệ thống ABS, EBD nói riêng, là sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, chúng tôi đã chọn đề tài
“Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng hệ thống ABS, EBD trên xe Honda Accord 2023 bằng phần mền Simulink/CarSim”.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Các nghiên cứu trong nước Ở nước ta mặc dù còn rất nhiều hạn chế về vấn đề nghiên cứu hệ thống ABS và EBD nhưng cũng có một số các nghiên cứu như:
- Ngiên cứu của TS Trần Quang Vinh - Khoa Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội với đề tài: "Design and simulation of an adaptive EBD controller for improved vehicle stability" (Thiết kế và mô phỏng một bộ điều khiển EBD thích ứng để cải thiện sự ổn định của xe)
- Ngiên cứu của TS Trần Đình Thịnh - Khoa Cơ khí, Đại học Đà Nẵng với đề tài: "Development of an integrated ABS-EBD control algorithm for electric motorcycles" (Phát triển một thuật toán điều khiển tích hợp ABS-EBD cho xe mô tô điện)
- Ngiên cứu của TS Đặng Hữu Hoà - Khoa Cơ khí, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên với đề tài: "Investigation of braking performance and stability control for intelligent vehicles using ABS and EBD technology" (Nghiên cứu về hiệu suất phanh và kiểm soát ổn định cho xe thông minh sử dụng công nghệ ABS và EBD)
Bên cạnh đó, một số tập đoàn và tổ chức nghiên cứu cũng đang tiến hành nghiên cứu về hệ thống ABS và EBD trên các loại xe Điển hình như:
- Viện Công nghệ Ô tô và Động cơ - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội: Viện này thực hiện nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ ô tô và động cơ, bao gồm cả hệ thống ABS và EBD trên các loại xe Nhóm nghiên cứu của viện tập trung vào việc phân tích và đánh giá hiệu suất, an toàn và điều khiển của các hệ thống này trên xe hơi và xe máy
Viện Nghiên cứu Ô tô Việt Nam, có trụ sở tại Thành phố Hồ Chí Minh, chuyên cung cấp dịch vụ tư vấn và nghiên cứu ô tô Nghiên cứu của Viện tập trung vào hệ thống phanh trên xe ô tô, bao gồm ABS và EBD, đánh giá hiệu suất và đưa ra phương án cải tiến cho các dòng xe phổ biến tại Việt Nam.
- Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Kỹ thuật tổng hợp FPT (FPT Technology Research Institute): Trung tâm này tại Việt Nam đã tiến hành các nghiên cứu về hệ thống ABS và EBD, đồng thời phối hợp với các đối tác công nghệ ô tô quốc tế để áp dụng và phát triển các công nghệ phanh mới trên ô tô Nghiên cứu của trung tâm tập
3 trung vào việc nắm bắt các xu hướng công nghệ mới và ứng dụng chúng vào việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống phanh trên ô tô
Những nghiên cứu trên là một số ví dụ và không đại diện cho tất cả các nghiên cứu về ABS và EBD trong nước Tuy nhiên, chúng thể hiện sự quan tâm và nỗ lực của cộng đồng nghiên cứu Việt Nam để nghiên cứu, phát triển và tối ưu hóa hệ thống phanh trên các loại xe
1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước
Có rất nhiều nhà nghiên cứu và giáo sư trên thế giới đã và đang tiến hành nghiên cứu về hệ thống ABS và EBD trên các loại xe, sau đây là một số nghiên cứu điển hình:
- Prof Hans-Georg Schweiger - Đại học Kỹ thuật München, Đức với đề tài:
"Development of an advanced EBD (Electronic Brakeforce Distribution) control algorithm for enhanced vehicle stability" (Phát triển một thuật toán điều khiển EBD tiên tiến để cải thiện sự ổn định của xe)
- Prof Takashi Yamaguchi - Đại học Hiroshima, Nhật Bản với đề tài: "Model- based optimal controller design for ABS and brake-by-wire systems" (Thiết kế điều khiển tối ưu dựa trên mô hình cho hệ thống ABS và hệ thống phanh brake-by-wire)
- Prof Guohong Li - Đại học Công nghệ Huadong, Trung Quốc với đề tài:
"Anti-Lock Brake System Modeling and Control Based on ADM (Active Disturbance Rejection) theory" (Mô hình và điều khiển hệ thống ABS dựa trên lý thuyết ADM)
- Prof Clara Marina Martin - Đại học Rovira i Virgili, Tây Ban Nha với đề tài:
"EBD control design based on road preview information for electric vehicles" (Thiết kế điều khiển EBD dựa trên thông tin xem trước con đường cho xe điện)
Ngoài ra còn có nhiều tập đoàn lớn cũng bắt tay vào nghiên cứu và sản xuất hệ thống ABS và EBD ví dụ như:
- Bosch: Công ty Bosch có trụ sở tại Đức và là một trong những nhà sản xuất hàng đầu về công nghệ phanh trên thế giới Họ đã tiến hành nghiên cứu và phát triển hệ thống ABS và EBD với nhiều ứng dụng trên các loại phương tiện, từ ô tô đến xe mô tô
- Continental: Continental là một công ty Đức với trụ sở chính tại Hannover Họ cung cấp các giải pháp phanh tiên tiến cho công nghiệp ô tô và xe máy trên toàn cầu Các hệ thống ABS và EBD của Continental đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trên các dòng xe từ hạng nhẹ đến hạng nặng
- TRW Automotive: TRW Automotive là một tập đoàn chuyên về công nghệ phanh và an toàn ô tô với trụ sở chính tại Livonia, Michigan, Hoa Kỳ Họ đã tham gia vào nghiên cứu và phát triển các hệ thống ABS và EBD để cải thiện hiệu suất phanh và an toàn trên các loại xe
Phạm vi nghiên cứu
Với thời gian và kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên phạm vi nghiên cứu của đề tài chưa thể thực hiện trên xe thực tế mà chỉ dừng lại ở việc xây dựng, mô phỏng và kiểm nghiệm hệ thống ABS, EBD trên phần mềm Simulink/CarSim.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài: “Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng hệ thống ABS, EBD trên xe Honda Accord 2023 bằng phần mền Simulink/CarSim” sử dụng phương pháp nghiên cứu chính là tham khảo tài liệu cũng như biên dịch và chọn lọc các tài liệu nước ngoài liên quan đến các vấn đề về hệ thống phanh Bên cạnh đó là phương pháp thực nghiệm mô phỏng trên phần mềm Simulink/CarSim để có thể so sánh và đánh giá hiệu quả trong quá trình phanh
Tổng quan về phanh ô tô
2.1.1 Lực phanh và mômen phanh cần thiết trên ô tô
2.1.1.1 Lực phanh và các mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh
Hình 2.1 Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh
Tài xế nhấn bàn đạp phanh, lúc này các cụm cơ cấu phanh ở bánh xe tạo ra một mômen ma sát hay còn gọi là mômen phanh (M p ), giữa mặt đường và bánh xe tiếp xúc xuất hiện lực phanh (F p ) ngược chiều với chiều chuyển động của ô tô
Lúc này lực phanh được tính theo công thức:
M p – Mômen phanh tác dụng lên bánh xe
F p – Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa mặt đường và bánh xe r b – Bán kính tính toán của bánh xe
Để dừng xe, lực phanh phải lớn hơn lực ma sát nghỉ giữa bánh xe và mặt đường Khi lực phanh tăng thì mô men phanh cũng tăng theo, giúp xe giảm tốc hiệu quả hơn Tuy nhiên, lực phanh không thể tăng vô hạn vì bị giới hạn bởi hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường, được mô tả trong công thức: lực phanh cực đại = hệ số ma sát nghỉ * trọng lượng xe.
F φ – Lực bám dọc giữa mặt đường với bánh xe
Z b – Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe φ – Hệ số bám dọc giữa mặt đường với bánh xe
Khi phanh, ngoài mômen phanh còn có mômen quán tính M jb và mômen cản lăn M f tác dụng lên bánh xe Do đó lực hãm tổng cộng tác dụng lên bánh xe sẽ là:
Trong quá trình phanh, mômen phanh tăng dẫn đến lực phanh tăng, đến một lúc nào đó lực phanh sẽ bằng với lực phanh lớn nhất, lúc này các bánh xe sẽ có hiện tượng trượt lết (hệ số bám φ = φ min ) và hiệu quả phanh sẽ giảm Ngoài ra, trong trường hợp các bánh xe cầu trước xảy ra trượt lết, tính dẫn hướng khi phanh sẽ mất khiến xe không kiểm soát được nữa, ngược lại ở các bánh xe cầu sau, tính ổn định khi phanh sẽ mất khi xuất hiện trượt lết, điều này đồng nghĩa các bánh xe có xu hướng trượt ngang khi có lực nhỏ tác dụng lên xe Sự trượt lết 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
2.1.1.2 Lực phanh ô tô và điều kiện đảm bảo phanh tối ưu a) Lực phanh ô tô
Hình 2.2 Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh
8 Những lực tác dụng lên ô tô khi phanh:
- Lực cản lăn của các bánh xe trước và sau (F f1 và F f2 )
- Phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe trước và sau (Z 1 và Z 2 )
- Lực phanh ở các bánh xe trước và sau (F p1 và F p2 )
- Lực quán tính F j do khi phanh có gia tốc chậm dần
Lực F j này được xác định theo biểu thức sau:
Với: g – Gia tốc trọng trường j p – Gia tốc chậm dần khi phanh
Bỏ qua sai số từ lực cản không khí và lực cản lăn khi phanh vì không đáng kể Xét sự cân bằng mômen của các lực tác dụng lên ô tô khi phanh tại các điểm E và F, phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau là:
Trong đó: a, b, h g – Tọa độ trọng tâm của ô tô
G 1 , G 2 – Tải trọng tác dụng lên các bánh xe khi phanh (cầu trước, cầu sau) Thay F j ở biểu thức (2.4) vào Z 1 và Z 2 ta được:
Z 1t , Z 2t – Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe ở hai cầu trên mặt phẳng ngang (phản lực tỉnh) m 1p , m 2p – Hệ số thay đổi tải trọng khi phanh (cầu trước, cầu sau)
G 1t , G 2t – Tải trọng tĩnh tác dụng lên bánh xe ở hai cầu
Các lực phanh sinh ra ở bánh xe ở hai cầu sẽ là:
L(a −j p h g g ) φ (2.10) Để sử dụng hết trọng lượng bám của ô tô thì cơ cấu phanh được bố trí ở tất cả các bánh xe và lực phanh lớn nhất đối với toàn bộ xe sẽ là:
F pmax = Gφ (2.11) b) Điều kiện đảm bảo phanh tối ưu
Phanh tối ưu có nghĩa là quá trình phanh đạt hiệu quả cao nhất, lúc này quãng đường phanh, thời gian phanh và gia tốc phanh là nhỏ nhất
Quá trình phanh đạt hiệu quả cao khi lực phanh tỷ lệ thuận với tải trọng, nhưng tải trọng trên các bánh xe khi phanh lại thay đổi bởi lực quán tính F j
Muốn đảm bảo phanh đạt hiệu quả cao nhất thì tỷ lệ lực phanh ở các bánh xe trước và sau phải thỏa mãn:
Bỏ qua lực cản F f1 và F f2 khi phanh vì không đáng kể, ta có:
F j = F p1 + F p2 ; F jmax = F pmax = Gφ (2.13) Thay F jmax vào công thức (2.12), ta được:
10 Vậy biểu thức (2.14) chính là điều kiện để đảm bảo sự phanh có hiệu quả nhất Khi phanh các tọa độ trọng tâm (a, b, h g ) với hệ số bám dọc φ luôn thay đổi, vì thế biểu thức (2.14) luôn đổi Muốn vậy mômen phanh M p1 , M p2 phải thay đổi, mà muốn thay đổi mômen phanh ta phải thay đổi được áp suất dầu bên trong các xy lanh ở các bánh xe Trong một hệ thống phanh bình thường thì không có điều này, nên khi tài xế đạp phanh gấp, sau khoảng thời gian ngắn trong tổng thời gian phanh thì G 1 hoặc Z 1 tăng lên, G 2 hoặc Z 2 giảm xuống, dẫn đến lực bám F φ1 tăng, F φ2 giảm, hậu quả là: F p1 < F φ1 , F p2 > F φ2 , điều này làm cho bánh xe cầu sau bị hãm cứng và trượt lết hoàn toàn Lúc này chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng lên xe là cầu sau sẽ trượt ngang, làm cho độ ổn định của xe giảm và xe bị quay ngang có khả năng lật đổ Nhằm không để tình trạng này xảy ra, hệ thống ABS và hệ thống EBD được sinh ra để tự động điều chỉnh áp suất dẫn động đến các cơ cấu phanh, nhờ đó mà lực phanh cũng được thay đổi sao cho phù hợp
2.1.1.3 Phân bố lực phanh và mômen của ô tô khi phanh
Xét công thức (2.14), giả sử bán kính các bánh xe là r b1 và r b2 là như nhau thì trong quan hệ giữa mômen phanh ở các bánh xe khi phanh có thể được biểu diễn như sau:
Kết hợp các công thức (2.14) và (2.15) ta có tỷ số sau:
M p1 và M p2 là các mômen phanh sinh ra ở các bánh xe (trước, sau)
Như vậy, khi các mômen phanh ở các bánh xe mà thỏa mãn biểu thức (2.16) thì hiệu quả phanh sẽ là tốt nhất,
Mômen phanh được tạo ra ở các bánh xe có thể xác định từ điều kiện bám như sau:
L (a − φ h g ) (2.18) Đối với ô tô tải trọng không đổi, ta có a, b, h g không đổi Với sự thay đổi của φ dựa trên biểu thức (2.17) và (2.18) ta vẽ được đồ thị M p1 = f 1 (φ ) và M p2 = f 2 (φ ) như sau:
Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mômen phanh với hệ số bám Chú thích:
- Đường nét liền ứng với ô tô đầy tải
- Đường nét đứt ứng với ô tô không tải
Từ hình 2.3 có thể vẽ đồ thị quan hệ giữa mômen phanh ở các bánh xe cầu trước với mômen phanh ở các bánh xe cầu sau
12 Hình 2.4 Đường đặc tính phanh lý tưởng của ô tô
1 – Đầy tải 2 – Không tải Đối với ô tô ngày nay thường dùng dẫn động phanh thủy lực hoặc khí nén, quan hệ giữa mômen phanh sinh ra ở bánh xe và áp suất trong dẫn động phanh biểu thị như sau:
Trong đó: p 1dd , p 2dd – Áp suất trong dẫn động phanh của cơ cấu phanh trước và sau k 1 , k 2 – Hệ số tỷ lệ tương ứng với phanh trước và sau
Từ các biểu thức (2.19) và (2.20) có thể xác định quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh trước và sau là: p 2dd p 1dd = k 1 M p2 k 2 M p1 (2.21)
13 Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh sau và trước
Do vậy để đảm bảo quá trình phanh hiệu quả thì quan hệ giữa áp suất trong hệ thống phanh phải bám sát theo đồ thị hình 2.5 Đây được cho là đường đặc tính lý tưởng trong điều hòa lực phanh
Để đạt được đường đặc tính như trên đồ thị ở Hình 2.5, bộ điều hòa lực phanh cần có cấu trúc khá phức tạp Tuy nhiên, trên thực tế, các thiết kế chỉ tương đối gần đúng với đường đặc tính lý tưởng.
2.1.1.4 Mômen phanh cần thiết tại các cơ cấu phanh
Mômen phanh được tạo ra ở các cơ cấu phanh của ô tô cần được đảm bảo giảm tốc cho xe hoặc dừng hẳn với gia tốc chậm dần nằm trong khoảng cho phép, bên cạnh đó còn phải chắc chắn giữ được ô tô đứng ở độ dốc cực đại (mômen phanh sinh ra ở phanh tay)
Lực phanh lớn nhất có thể tác dụng lên bánh xe khi phanh trên mặt đường nằm ngang đối với cầu trước là:
Các hệ số m 1p , m 2p cho trường hợp phanh với cường độ lớn nhất (j p = j pmax ) sẽ là: m 1p = 1 +j max h g gb = 1 +φ ′ h g b (2.24) m 2p = 1 −j max h g ga = 1 −φ ′ h g a (2.25)
Mômen phanh tính toán cần sinh ra của mỗi cơ cấu phanh ở cầu trước được xác định dựa trên hệ số đặc trưng cường độ phanh (φ′) và gia tốc chậm dần cực đại khi phanh (j max) Hệ số này phản ánh cường độ phanh, trong khi gia tốc chỉ ra mức độ giảm tốc tối đa của phương tiện khi phanh Trong thiết kế ô tô, cơ cấu phanh được lắp đặt tại tất cả các bánh xe, đảm bảo hiệu quả phanh tối ưu.
2L(a − φ ′ h g )φr b (2.27) Khi tính toán có thể chọn φ ′ = 0,4 ÷ 0,5 và φ = 0,7 ÷ 0,8
Xét về kết cấu của phanh guốc thì mômen phanh M p1 , M p2 phải bằng:
M p1 ′ , M p1 ′′ – Mômen phanh sinh ra ở má phanh trước và má sau của mỗi cơ cấu phanh ở cầu trước
M p2 ′ , M p2 ′′ – Mômen phanh sinh ra ở má phanh trước và sau của mỗi cơ cấu phanh ở cầu sau
2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh
Giới thiệu xe và hệ thống phanh trên xe Honda Accord 2023
2.2.1 Giới thiệu xe Honda Accord 2023
Honda Accord còn được biết đến với tên khác là Honda Inspir, là sản phẩm được Honda giới thiệu từ năm 1976, nổi tiếng với biến thể sedan bốn cửa và đã trở thành một trong những gương mặt đại diện cho Honda tại Mỹkể từ năm 1989 bởi số lượng bán ra vượt trội Bảng tên Accord đã được sử dụng cho nhiều loại xe trên toàn thế giới bao gồm coupe, station wagon, hatchback và crossover Honda Crosstour
Kể từ những thiết kế đầu tiên, dòng xe này đã là mẫu xe bán chạy nhất phân khúc Sau gần 4 thập kỉ tồn tại và được cải tiến, phát triển liên tục, hãng Honda đã thêm vào bộ sưu tập của họ 10 thế hệ khác nhau
Thế hệ thứ 10 của Honda Accord được ra mắt vào cuối năm 2021, nhà sản xuất đã lột xác chiếc xe sang trọng, lịch lãm này thành một mẫu xe mang hơi hướng cực kì năng động và thể thao Đây là sự thay đổi và đột phá lớn về ngôn ngữ thiết kế của Honda
24 Đầu năm 2023, thế hệ thứ 11 – thế hệ mới nhất của dòng xe này tiếp tục có nhiều sự khác biệt với thiết kế ngày càng năng động, hầm hố và có nét tương đồng với Honda Civic thế hệ 11
2.2.2 Tổng quan về hệ thống phanh trên xe Honda Accord
Hình 2.9 Sơ đồ bố trí hệ thống phanh trên xe Honda Accord
Hệ thống phanh trên Honda Accord 2023 với phanh trước là phanh đĩa tản nhiệt và phanh sau là phanh đĩa có nhiệm vụ giảm tốc an toàn cho xe hoặc giúp cho xe có thể dừng dỗ trên các mặt đường dốc Đây hệ thống an toàn chủ động rất cần thiết trên ô tô chính vì thế hệ thống phanh phải thỏa mãn các yêu cầu rất nghiêm ngặt như:
- Hoạt động nhẹ nhàng và êm dịu
- Có độ nhạy cao để xử lý các trường hợp nguy cấp
- Sử dụng tối đa trọng lượng bám khi phanh để phân bố mômen phanh lên các bánh xe
- Cơ cấu phanh phải thoát nhiệt tốt
- Có khả năng tự phát hiện hư hỏng
- Có độ tin cậy, độ bền cao
Hệ thống chống bó cứng phanh trên xe Honda Accord
2.3.1 Giới thiệu chung về hệ thống ABS
Hệ thống chống bó cứng ABS (Anti – Lock Brake System) là hệ thống an toàn trên xe ô tô Nó là hệ thống điều khiển điện tử có tính năng ngăn chặn việc khóa cứng bánh xe trong những tình huống cấp bách cần phải giảm tốc độ đột ngột Cụ thể, ABS giúp tài xế có thể vừa chuyển hướng xe né khỏi các vật cản trên đường, vừa có thể dừng xe lại tránh gây tai nạn Từ đó đảm bảo an toàn cho tài xế và hành khách trên xe khi gặp những tình huống nguy hiểm trong nhiều điều kiện đường khác nhau Đối với những đời xe cũ không có hệ thống ABS, khi tài xế phanh gấp rất dễ xảy ra trượt bánh, lúc này độ bám đường của bánh xe giảm xuống dưới mức an toàn, lực truyền đi từ hệ thống phanh không giúp giảm tốc độ xe mà còn làm cho xe mất kiểm soát
Hệ thống ABS đầu tiên được tạo ra bởi kỹ sư người Đức Karl Wilsdorff vào năm 1928 Trong những năm tiếp theo, hệ thống ABS đã được phát triển và có thêm nhiều khả năng mới Năm 1967, công ty Bosch của Đức đã phát triển hệ thống ABS
2 kênh được giới thiệu trên Mercedes-Benz W116 Hệ thống ABS trên mẫu xe này nhận biết trạng thái của 2 bánh trước bằng 2 cảm biến tốc độ Năm 1978, công ty Kelsey-Hayes của Mỹ đã phát triển hệ thống ABS 4 kênh với 4 cảm biến tốc độ Các nghiên cứu về hệ thống ABS cho ra kết quả là có hữu ích trong việc giảm thiểu số tai nạn giao thông xảy ra Theo Cơ quan An toàn Giao thông Đường cao tốc Quốc gia Hoa Kỳ (NHTSA), ABS có thể giúp hạn chế các tai nạn va chạm xe từ 20% đến 30% Ngày nay, hệ thống an toàn này được bình thường hóa và đã có mặt trên đa số các đời xe mới trên khắp thế giới
2.3.2 Mục tiêu hệ thống ABS
Mục tiêu chính của hệ thống ABS là giữ cho độ trượt của bánh xe trong quá trình thay đổi gần ngưỡng giá trị λ 0 để tăng độ bám của bánh xe xuống mặt đường, lúc này hiệu quả phanh là tốt nhất (lực phanh đạt giá trị lớn nhất φ xMax ), bên cạnh đó độ ổn định và khả năng dẫn hướng của bánh xe cũng là tốt nhất (φ x lớn nhất), điều
Hệ thống phanh ABS tuân thủ tiêu chuẩn quan trọng là rút ngắn quãng đường và thời gian phanh, đồng thời tăng độ chậm dần gia tốc trong quá trình phanh Để đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu và duy trì tốc độ ổn định của bánh xe, ABS điều khiển áp suất dầu trong hệ thống phanh theo gia tốc chậm dần của bánh xe đang phanh Nhờ đó, độ trượt của bánh xe được giảm gần về giá trị λ 0.
- Biến dạng của má phanh và gia tốc bánh xe có sự thay đổi theo thời gian, trong đó má phanh được đẩy về trạng thái về trạng thái bình thường nhanh hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc đạp phanh lần tiếp theo.- Giá trị gia tốc của hệ thống phanh ABS tại thời điểm tương ứng với giá trị gia tốc cực tiểu của bánh xe là 0, tức là bánh xe ngừng quay.- Gia tốc của hệ thống phanh ABS ở thời điểm bánh xe đạt giá trị gia tốc cực đại là không đổi, có giá trị từ 5 - 7 m/s².
Hình 2.10 Sự thay đổi mômen phanh, áp suất dẫn động phanh và gia tốc của bánh xe khi có ABS Khi người lái đạp vào chân phanh thì áp suất trong cơ cấu này tăng lên, từ đó momen phanh M P tăng lên, từ đó làm tăng giá trị gia tốc chậm dần của bánh xe và đồng thời cũng làm tăng độ trượt Sau khi vượt qua giá trị lớn nhất trên đường cong φ x = f(λ) thì gia tốc chậm dần của bánh xe tăng đột biến, cho thấy rằng bánh xe sắp
27 bị khóa chặt Giai đoạn này của quá trình phanh trên xe có ABS sẽ tương ứng với các đường cong (0-1) trên (hình 2.10 a, b, c) và được gọi là pha I (pha pha tăng áp)
Bộ điều khiển ABS (ECU) bắt đầu ghi nhận gia tốc tại thời điểm 1 (khoảng C1 trên hình c) và gửi tín hiệu cho bộ chấp hành thủy lực, từ đó giảm áp suất dầu trong cơ cấu phanh và lực phanh lúc này giảm xuống Tuy nhiên vì cơ cấu thông thường có đặc tính kỹ thuật riêng nên sự giảm áp xảy ra với một độ trễ nhất định Quá trình điểm
1 đến điểm 2 được gọi là pha II (pha giảm áp) Gia tốc của bánh xe lúc này giảm xuống và tiến dần đến 0 tại điểm 2 và được thể hiện bằng đoạn C2 trên hình c Sau khi đạt giá trị này, bộ điều khiển tiếp tục gửi tín hiệu cho bộ chấp hành phanh Lúc này bánh xe sẽ tạm dừng giảm tốc và tăng lên gần với tốc độ của xe, đồng thời độ trượt giảm và hệ số bám dọc φ x sẽ tăng lên (đoạn 2-3) Giai đoạn này được gọi là pha III (pha giữ áp)
Bởi vì mômen phanh trong quá trình phanh được duy trì ổn định nên gia tốc chậm dần lớn nhất của bánh xe sẽ được sinh ra tương ứng với tại thời điểm hệ số bám dọc φ x đạt giá tri lớn nhất Gia tốc cực đại này được chọn làm mốc thời gian gửi lệnh và được diễn đạt bằng đoạn C3 trên (hình c) Lúc này ECU ghi nhận giá trị của gia tốc cực đại và gửi tín hiệu được tính toán đến bộ chấp hành phanh, từ đó điều chỉnh áp suất dầu đến cơ cấu phanh
Sau điểm 3, quy trình được lặp lại và bắt đầu pha I của chu kỳ làm việc tiếp theo Theo phân tích trên ta có thể thấy rằng ABS điều chỉnh momen phanh biến đổi tuần hoàn theo chu kỳ lặp lại 1-2-3-1 (hình a), lúc này các bánh xe hoạt động ở vùng giá trị hệ số bám dọc φ xMax lớn nhất và hệ số bám ngang φ y cũng tương đối lớn
28 Hình 2.11 Sự thay đổi góc ω b của bánh xe, vận tốc v, độ trượt λ theo thời gian t
Hình 2.11 thể hiện sự thay đổi tốc độ góc ω b của bánh xe, độ trượt bánh và tốc độ xe theo thời gian t khi xe có sử dụng hệ thống ABS Ta có thể thấy rằng trong quá trình phanh, vận tốc góc ω b thay đổi theo một chu kỳ cố định Bên cạnh đó độ trượt bánh xe λ dao động tương đối nhỏ trong một khoảng quanh giá trị độ trượt tối ưu λ 0
2.3.3 Ưu và khuyết điểm của hệ thống ABS
Hệ thống ABS là một phát minh lớn của nhân loại Hiện nay đây là một tính năng an toàn quan trọng cần được trang bị cho hầu hết các xe ô tô đời mới để đảm bảo an toàn và giảm thiểu tối đa thiệt hại do tai nạn giao thông gây ra Từ lần đầu tiên được giới thiệu, nó đã mang lại cực kì nhiều thành công không thể phủ nhận cho sự an toàn giao thông trên khắp thế giới
Việc trang bị ABS lên xe sẽ giúp cho tài xế giữ vững được tay lái và có thể kiểm soát hướng lái của xe trong những tình huống nguy hiểm đột ngột Hệ thống ABS làm cho bánh xe không bị bó cứng giúp tăng tính ổn định của xe, hạn chế tối đa việc xe bị lệch bánh gây ra những tai nạn không đáng có
Tổng quan hệ thống phân bố lực phanh điện tử EBD
2.4.1 Giới thiệu hệ thống EBD
Hệ thống phân bố lực phanh điện tử (Electronic Brake-force Distribution hoặc EBD) là công nghệ điều khiển phanh của xe một cách tự động có chức năng biến đổi lực phanh lên từng bánh của xe, dựa trên nhiều điều kiện khác nhau như đường xá, tải trọng, tốc độ, v.v., từ đó đảm bảo khả năng kiểm soát cân bằng xe cũng như lực phanh trên xe một cách thông minh Hệ thống EBD luôn đồng hành cùng hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và nó có thể tác dụng nhiều hoặc ít áp lực phanh lên từng bánh xe nhằm tối đa hóa khả năng giảm tốc độ của xe trong khi vẫn duy trì khả năng kiểm soát xe
46 Trên thực tế, hiện tượng bó cứng bánh xe không chỉ bị gây ra bởi điều kiện đường xá, thời tiết và tốc độ của xe Tải trọng của xe cũng ảnh hưởng rất lớn đến sự hiệu quả của hệ thống phanh trong nhiều tình huống
Cụ thể như khi xe phanh trên đường thẳng, lúc này lực quán tính là đáng kể nên phần đầu xe chịu trọng lượng lớn hơn và phần đuôi xe chịu ít trọng lượng hơn Hoặc trong một trường hợp khác khi xe đang quay vòng hay vào cua, mạn ngoài của xe cũng chịu nhiều trọng lượng hơn mạn bên trong Trong những tình huống trên, tài xế rất khó kiểm soát tốc độ bánh xe, độ ổn định của xe cũng như đánh lái né vật cản, từ đó dễ gây ra tai nạn
Trước đây, việc điều hòa lực phanh trên xe được thực hiện chủ yếu bằng các van cơ khí (van bù tải, van điều hòa lực phanh, van giảm tốc, ) Ngày nay các hãng xe trên thế giới đã phát triển hệ thống phân bố lực phanh điện tử Hệ thống EBD kết hợp với hệ thống ABS giúp phân bố lực phanh lên cách bánh xe một cách linh động, hiệu quả và chính xác hơn đáng kể dưới nhiều điều kiện hoạt động của xe
Hình 2.28 Giới thiệu hệ thống EBD
2.4.2 Ưu và khuyết điểm của hệ thống EBD
Hệ thống EBD là một bước tiến lớn và cực kì hữu ích trong bài toán giảm tốc độ cho xe trước những tình huống nguy hiểm Hiện nay nó đã được tích hợp rộng rãi
47 trên các dòng xe đời mới, mang lại sự an toàn và hỗ trợ tối ưu cho người tiêu dùng trước thời đại công nghệ phát triển
Ta có thể liệt kê một số điểm cộng lớn của hệ thống EBD như:
- Cải thiện độ ổn định và khả năng kiểm soát của xe: EBD giúp ngăn bánh xe bị bó cứng và tình trạng xe bị trượt hoặc mất lái Điều này quyết định rất nhiều đến sự an toàn của tài xế và hành khách khi phanh gấp
- Giảm khoảng cách dừng xe: EBD giúp phân bổ lực phanh đều giữa cả 4 bánh, từ đó có thể rút ngắn khoảng cách dừng xe
- Cải thiện khả năng xử lý: EBD giúp duy trì sự cân bằng và khả năng xử lý xe của tài xế trong quá trình phanh, đặc biệt khi phanh trên bề mặt không bằng phẳng, khi rẽ hoặc khi có vật cản trên đường
- Giảm độ mòn của lốp: EBD giúp ngăn ngừa tình trạng lốp bị mòn không đều do lực phanh tác dụng quá mạnh lên một hoặc nhiều bánh xe
2.4.2.2 Khuyết điểm Đến từ chính những tiến bộ về tiện ích và công nghệ, hệ thống EBD vẫn tồn tại những điểm trừ:
- Chi phí lắp đặt và bảo trì tăng: EBD được trang bị phổ biến ở những dòng xe phân khúc vừa và cao Điều này phần nào hạn chế việc tìm đến sản phẩm từ những khách hàng phổ thông bởi chi phí lắp đặt và chi phí bảo trì khá cao
- Độ phức tạp và yêu cầu kỹ thuật cao: EBD là một hệ thống khá phức tạp cần phải có thêm nhiều cảm biến và thiết bị điện tử để hoạt động Điều này bên cạnh việc tăng chi phí thì các cơ cấu cũng có độ phức tạp cao, đòi hỏi người kỹ sư phải có kinh nghiệm và tay nghề phù hợp để sửa chữa những hỏng hóc và lỗi xảy ra
- Khả năng hư hỏng: Như bất kỳ bộ điều khiển điện tử thông minh nào, hệ thống EBD cũng dễ bị hư hỏng các linh kiện bởi nhiều lý do Nếu hệ thống bị lỗi, nó có thể hoạt động không trơn tru, thậm chí không hoạt động Từ đó làm giảm đáng kể hiệu quả phanh của xe cũng như tăng khả năng gây ra tai nạn
Nhìn chung, ưu điểm của EBD được đánh giá cao hơn khuyết điểm EBD là một tính năng an toàn cực kỳ có giá trị có thể hạn chế tai nạn giao thông và cải thiện trải
48 nghiệm lái xe tổng thể Việc dùng một nguồn tài chính cao hơn để nâng cao sự an toàn là một điều đáng để xem xét Trong tương lai, các hệ thống ưu việt hơn, thực dụng hơn rất mong đợi xuất hiện và có thể dễ dàng tiếp cận hơn với số đông người tiêu dùng
2.4.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống EBD
2.4.3.1 Sự phân bố lực phanh điện tử trên ô tô
Hệ thống EBD hoạt động dựa trên nguyên tắc quan trọng là mỗi bánh xe chịu tải trọng khác nhau thì cần các lượng lực phanh khác nhau để làm cho xe dừng lại
Cụ thể hơn, những bánh xe chịu tải trọng nặng hơn do hành khách, hàng hóa hoặc hướng chuyển động của xe thì cần một lực phanh lớn hơn tác động lên xy lanh bánh xe Ngược lại những bánh xe chịu tải trọng nhẹ hơn cũng cần lực phanh yếu hơn
Ma sát trong trường hợp này cần được nhắc đến để diễn đạt rõ hơn vấn đề Nó là yếu tố quan trọng để giúp cho xe khởi hành, chuyển hướng cũng như dừng lại Ma sát giữa bánh xe với mặt bắt buộc phải được duy trì trong tất cả các tình huống, thể hiện rõ hơn là giá trị tỷ số trượt λ Dễ hiểu hơn thì đây là sự khác biệt giữa tốc độ xe và tốc độ của bánh xe Trong các tình huống khi tải trọng của xe không đều, hiện tượng bó cứng bánh xe rất dễ xảy ra đối với những bánh xe chịu tải trọng nhẹ hơn
Do đó hiệu quả phanh sẽ giảm và đây là điểm bắt nguồn cho những vụ tai nạn từ vừa đến nghiêm trọng
Giới thiệu phần mềm Simulink
Simulink là một môi trường mô phỏng và mô hình hóa hệ thống động, được phát triển bởi MathWorks Nó cung cấp các phương tiện đồ họa để thiết kế, mô phỏng và phân tích hệ thống điều khiển, xử lý tín hiệu và các ứng dụng khác trong lĩnh vực hệ thống điều khiển và kỹ thuật điện tử Simulink thông thường được dùng phát triển và kiểm thử các mô hình trước khi triển khai chúng trong thực tế.
Giới thiệu phần mềm CarSim
CarSim là một phần mềm mô phỏng và mô hình hóa động cơ, hộp số, hệ thống lái và các khía cạnh khác của xe ô tô Được phát triển bởi công ty Mechanical Simulation Corporation, CarSim được sử dụng để mô phỏng động cơ xe và mối liên hệ của nó với các bộ phận khác trong hệ thống lái để phát triển và kiểm thử các tính năng lái xe, hiệu suất và an toàn Nó là một công cụ hỗ trợ đắc lực trong lĩnh vực phát triển và kiểm thử ô tô, giúp kỹ sư và nhà phát triển đánh giá và tối ưu hóa thiết kế trước khi tiến hành thử nghiệm thực tế
- Khả năng đáp ứng nhanh, mạnh và chính xác
- Giải quyết được nhiều những vấn đề trước khi kiểm nghiệm thực tế
- Có thư viện phần tử khổng lồ, dễ dàng tra cứu và sử dụng
- Kết quả từ đồ thị là chính xác và cho phép xử lí tối ưu
3.2.2 Ứng dụng và khả năng của CarSim
Hình 3.1 Ứng dụng và khả năng của CarSim a) Các lĩnh vực ứng dụng của CarSim
Các lĩnh vực ứng dụng của CarSim rất đa dạng, điển hình như: ABS, hệ thống treo chủ động, hệ thống trợ lực lái điện tử, lái tự động, kiểm soát ổn định điện tử, kiểm soát hành trình thích ứng, hệ truyền động Hybrid, bộ mô phỏng lái xe, b) Các khả năng của CarSim
Phần mềm Carsim có nhiều khả năng hữu ích, bao gồm:
- Mô phỏng kết quả chuyển động chi tiết của xe đối với: kiểm soát lái xe, tương tác với mặt đường và môi trường xung quanh
- Rất chính xác trong những thí nghiệm kiểm tra ở mức độ hệ thống cho:
• Phanh, thiết bị lái, gia tốc, độ ổn định
• Các thử nghiệm liên quan đến hệ thống xe
• Rất dễ học và sử dụng
• Nhanh, hỗ trợ phần cứng trong vòng lặp (HIL) thời gian thực
- Làm việc tốt với các phần mềm hỗ trợ thứ ba như: MatLab, Simulink,
Hệ thống điều khiển tự động trên ô tô
3.3.1 Hệ thống điều khiển vòng kín
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín
Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop Control System) hay hệ thống điều khiển hồi tiếp (Feedback Control System) là một trong những phương thức điều khiển của hệ thống điều khiển tự động trên ô tô
Trong hệ thống này có một cảm biến thu thập tín hiệu đầu ra sau đó truyền về máy chủ để điều chỉnh liên tục các tín hiệu điều khiển đầu vào để giữ cho sai số điều khiển luôn ở mức tối thiểu
Một hệ thống điều khiển vòng kín được xem là lý tưởng khi nó triệt tiêu hết tất cả những sai số, giảm thiểu tối đa các yếu tố bên ngoài có thể tác động đến hệ thống và tạo ra một phản ứng trong hệ thống mà có thể đáp ứng được yêu cầu cảu kỹ sư thiết kế Trên thực tế, hệ thống đó không tồn tại do sai số kỹ thuật trong các cảm biến, độ trễ ở bộ điều khiển, và sự thiếu sót trong khâu thiết kế điều khiển đầu vào
3.3.2 Bộ điều khiển Bang-Bang
Bộ điều khiển Bang-Bang hoặc điều khiển ON – OFF (điều khiển đóng – mở) là bộ điều khiển hồi tiếp chuyển đột ngột giữa hai trạng thái on và off Bộ điều khiển on – off được sử dụng trong trường hợp điều khiển các hệ thống có độ trễ
Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID (PID- Proportional Integral Derivative) là một bộ điều khiển sử dụng cơ chế điều khiển vòng kín được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID tính toán liên tục giá trị sai số e là hiệu số giữa điểm đặt mong muốn r (desired value) và biến quá trình đo được y (output) sau đó áp dụng hiệu chỉnh dựa trên các giá trị độ lợi (tỷ lệ, tích phân và đạo hàm được ký hiệu là P, I và D tương ứng) để cho ra giá trị điều khiển u cung cấp cho hệ thống.
Mục tiêu thiết kế mô phỏng
- Xác định được các thông số quan trọng của hệ thống ABS, EBD, chẳng hạn như tốc độ phanh, áp suất phanh và độ trượt lốp Sau đó điều chỉnh các thông số này để đảm bảo rằng hệ thống ABS, EBD hoạt động chính xác và hiệu quả
- Hiểu và đánh giá hiệu quả của hệ thống ABS, EBD trong việc kiểm soát và giảm thiểu trượt lốp khi phanh gấp trên xe hơi qua đó giúp tăng cường an toàn khi lái xe.
Nhiệm vụ thiết kế mô phỏng
- Giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về hệ thống ABS, EBD
- Tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS, EBD
- Xây dựng mô hình hoạt động của cơ cấu ABS, EBD và giải thích cơ chế các quá trình điều khiển của hệ thống ABS, EBD
- Khẳng định tính hiệu quả, tính an toàn của ABS, EBD trên xe ô tô.
Xây dựng hệ thống ABS trên Simulink
Hệ thống ABS được xây dựng trên cơ sở của hệ thống điều khiển vòng kín (Closed – Loop)
Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống ABS Khi ở tốc độ cao, người lái đạp phanh đột ngột, áp suất phanh lúc này rất lớn dẫn đến tình trạng bó cứng bánh xe và xảy ra tình trạng trượt lết, nếu xe đi trên đường trơn trượt thì xe sẽ có hiện tượng xoay vòng Do đó, các cảm biến tốc độ trên xe có nhiệm vụ gửi tín hiệu vào khối tính toán trượt (Slip Estimator) khối này sẽ tính toán độ trượt của từng bánh xe để xem bánh nào đang có xu hướng bó cứng và gửi kết quả đó đến bộ điều khiển (ABS controller), bộ điều khiển sẽ xử lý thông tin rồi truyền tín hiệu đến bộ chấp hành phanh (Actuator), ở đây áp suất phanh sẽ được điều khiển từ xy lanh chính đến 4 bánh xe một cách hợp lý giúp cho xe thoát khỏi tình trạng bó cứng Quá trình này diễn ra liên tục trong quá trình phanh để cho hiệu quả phanh luôn được kiểm soát theo ý muốn chính vì thế hệ thống này được xem là hệ thống điều khiển vòng kín hay hệ thống điều khiển hồi tiếp
55 Hình 3.5 Hệ thống ABS trên Simulink
3.6.1 Thiết lập đối tượng mô phỏng (CarSim S-Function2)
Hình 3.6 Đối tượng điều khiển Đối tượng điều khiển bao gồm 4 tín hiệu đầu vào (áp suất phanh xy lanh của 4 bánh xe) và 6 tín hiệu đầu ra (tốc độ 4 bánh xe, tốc độ xe và áp suất phanh xy lanh chính) Đối tượng mô phỏng được chọn là xe Honda Accord 2023 với các thông số xe như sau:
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật xe Honda Accord 2023 Động cơ 1.5L DOHC VTEC Turbo
Hệ truyển động Dẫn động cầu trước
Chiều dài cơ sở (mm) 2830
Khoảng sáng gầm xe (mm) 135
Trọng lượng không tải (kg) 1488
Hệ thống phanh ABS, EBD
Chiều rộng cơ sở (mm) (trước/sau) 1600/1620
Phân bố tải trọng (%) (trước/sau) 59/41
Hệ thống treo (trước/sau) MacPherson/Multi-Link
Dựa vào bảng 3.1, tiến hành thiết lập các thông số để xe trên phần mềm CarSim
Hình 3.7 Thông số kỹ thuật xe Honda Accord 2023
Vì xe Honda Accord là dòng sedan phân khúc D nên chiều cao trọng tâm xe được lấy tham khảo từ mẫu xe D-Class, Sedan trên Carsim với giá trị là 520 mm Sau đó, ở phần hệ thống truyền lực (PowerTrain), lựa chọn dẫn động cầu trước, hộp số CVT với công suất 150kW
57 Hình 3.8 Hệ thống truyền lực
Tiếp theo là hệ thống treo (Suspension), Honda Accord sử dụng hệ thống treo độc lập với kiểu hệ thống treo cầu trước là hệ thống treo Macpherson còn hệ thống treo ở cầu sau là hệ thống treo liên kết đa điểm
Hình 3.9 Hệ thống treo (trước – sau) Cuối cùng là điều chỉnh kích thước lốp xe, với lốp 225/50R17 thì chiều rộng lốp tương ứng là 225 mm
58 Hình 3.10 Kích thước lốp xe
3.6.2 Bộ chấp hành phanh (Brake Actuator Model)
Bộ chấp hành phanh nhận tín hiệu từ bộ điều khiển, tùy thuộc vào kiểu điều khiển mà tín hiệu truyền đến bộ chấp hành cũng khác nhau Tín hiệu được truyền vào bộ chấp hành được tách ra thành 4 tương ứng với các bánh LF, RF, LR, RR
Hình 3.11 Bộ chấp hành phanh Ở đây, áp suất từ xy lanh chính sẽ được tính toán và phân bố đến các xy lanh con của từng bánh xe Được biết, giữa các cơ cấu phanh có một độ trễ nhất định sinh ra bởi hệ thống thủy lực hay độ trễ của việc đóng mở các van Để việc nghiên cứu mô phỏng được dễ dàng hơn, các thành phần của hệ thống phanh được xem là lý tưởng, tính phi tuyến tính của lò xo van điện từ và độ trễ áp suất thủy lực đã bị bỏ qua, bộ truyền động thủy lực nhận các tính hiệu điều khiển làm đầu vào và điều chỉnh dòng chất lỏng làm đầu ra, hàm truyền thủy lực được đơn giản hóa theo phương trình sau:
Trong đó, van điện từ có thời gian đáp ứng (TB) được chọn là 60 mili giây, do đó tham số quan tính trở thành 0.06 và độ lợi phanh (K) được lấy là 1 Vì vậy hàm truyền thủy lực được viết lại thành:
3.6.3 Khối tính độ trượt (Slip Ratio) Độ trượt λ khi phanh được xác định bởi công thức: λ =v v − v w v v (3.3)
Với: v v – Vận tốc xe v w – Vận tốc bánh xe
Hình 3.12 Khối tính toán độ trượt
3.6.4 Bộ điều khiển (ABS Controller)
3.6.4.1 Bộ điều khiển Bang-Bang
Với mục đích chống bó cứng bánh xe, giúp cho xe không bị trượt lết của ABS, bộ điều khiển Bang-Bang là cách đơn giản nhất để mô hình hóa ABS mà vẫn giữ được mục tiêu ban đầu của hệ thống
60 Hình 3.13 Khối điều khiển Bang-Bang
Sau khi khối Slip Ratio tính toán và cho ra độ trượt λ tại mỗi bánh xe, sai số e sẽ được tính với e = 0.2 − λ (0.2 là độ trượt mong muốn mà tại đó hiệu quả phanh là tốt nhất) Sau đó, sai số e này sẽ được truyền đến các khối xử lý để cho ra u là tín hiệu ON/OFF tương ứng 0/1 với “0” là nhả phanh và “1” là phanh đến 2 bánh xe cầu trước và 2 bánh xe cầu sau
Khối Speed Limit mục đích tối ưu hiệu quả phanh, nếu trường hợp vận tốc nhỏ hơn 3 km/h thì sẽ trực tiếp gửi tín hiệu “1” đến bộ chấp hành, lúc này các bánh xe sẽ phanh với tối đa áp suất phanh mà không sợ bị trượt lết Trường hợp ngược lại khi vận tốc xe lớn hơn 3 km/h thì bộ chấp hành sẽ nhận tín hiệu ON/OFF từ các khối xử lý để kiểm soát sự trượt lết của bánh xe
Hình 3.14 Khối xử lý tín hiệu ON/OFF Thuật toán của khối xử lý điều khiển ON/OFF được biểu diễn như sau:
61 Hình 3.15 Thuật toán điều khiển ON/OFF
Tương tự như bộ điều khiển Bang-Bang, bộ điều khiển PID cũng là một phương pháp mô hình hóa hệ thống ABS Tuy nhiên, sự khác biệt trong đầu ra của hai bộ điều khiển này dẫn đến kết quả phanh khác nhau Những khác biệt này sẽ được phân tích chi tiết trong phần trình bày kết quả mô phỏng.
Trong đồ án này, bộ điều khiển PID cổ điển được sử dụng để điều khiển
Hình 3.16 Mô hình bộ điều khiển PID cổ điển
62 Đầu vào của hệ thống này là sai số e, sau đó sai số sẽ được nhân với các giá trị độ lợi tỷ lệ K p , độ lợi tích phân K i và độ lợi đạo hàm K d , tổng lại ta được đầu ra u của bộ điều khiển, biểu thức điều khiển PID có dạng như sau: u(t) = K p e(t) + Ki ∫ edt + K d d dte(t) (3.4)
Hình 3.17 Khối điều khiển PID Tương tự như bộ điều khiển Bang-Bang tín hiệu u được gửi đến bộ chấp hành phanh khi vận tốc xe lớn hơn 3 km/h và nó được giới hạn lại bởi khối Saturation, chỉ cho phép u dao động trong khoảng từ 0 đến 1 với 0 là 0% áp suất xy lanh chính còn
1 là 100% áp suất xy lanh chính
Bảng 3.2 Các thông số Kp, Ki và Kd của 2 bánh trước và 2 bánh sau
Xây dựng hệ thống EBD trên Simulink
Hệ thống EBD là phiên bản nâng cấp của hệ thống ABS chính vì thế sơ đồ khối được dùng để xây dựng hệ thống EBD dựa trên sơ dồ khối của hệ thống ABS với bộ điều khiển là PID Controller, do đó nguyên lý, cấu trúc và các thông số của các khối không có quá nhiều sự thay đổi ngoại trừ khối EBD được bổ sung thêm
Tín hiệu đầu ra u của bộ điều khiển PID lúc này được truyền vào khối EBD và khối EBD sẽ có nhiệm vụ phân phối lực phanh đến từng bánh xe với tải trọng tương ứng sau đó gửi đến bộ chấp hành Điều này giúp cho phanh đạt được hiểu quả tối ưu
63 cũng như giảm được tình trạng xe mất kiểm soát, duy trì trạng thái cân bằng trong mọi trường hợp
Hình 3.18 Hệ thống EBD trên Simulink
3.7.1 Sự phân bố lực phanh trên các bánh xe
Xét sự cân bằng mômen, các lực pháp tuyến tác dụng lên tâm trục trước và trục sau khi tăng tốc (hình 3.19) lần lượt là:
Lực kéo hãm tối đa của xe ô tô được tính dựa trên công thức sau:$F_k = f_k M$Trong đó:* $F_k$ là lực kéo hãm tối đa (N)* $f_k$ là hệ số ma sát trượt giữa lốp xe và mặt đường* $M$ là trọng lượng xe (N), tính theo công thức: $M = g m$ (với $g$ là gia tốc trọng trường, $m$ là khối lượng xe)
64 Hình 3.19 Lực pháp tuyến trên các bánh xe
Lực pháp tuyến tác dụng lên các bánh xe LF, RF, LR, RR lần lượt được xác định theo các công thức (3.7), (3.8), (3.9), (3.10) [5]
Với d f , d r là chiều rộng cơ sở trước và sau
Hình 3.20 Khối EBD Khối EBD nhận tín 3 tín hiệu đầu vào bao gồm:
- Gia tốc dọc và gia tốc ngang của xe
- Tín hiệu u từ bộ điều khiển PID
Các khối Fn sẽ phụ trách tính toán lực pháp tuyến lên từng bánh xe theo công thức (3.7), (3.8), (3.9), (3.10) Sau đó lực phanh sẽ được phân bố phù hợp đến các bánh thông qua khối phân phối lực phanh (Brake Force Distributor) Khối này nhận tín hiệu Fn của bánh xe mà tại đó lực pháp tuyến là lớn nhất rồi lấy đó làm tiêu chuẩn để phân phối lực phanh đến các bánh còn lại đồng thời cũng phụ trách kiểm tra điều kiện để EBD ngừng hoạt động Trong trường hợp EBD không được kích hoạt thì lúc này hệ thống ABS (PID controller) vẫn sẽ hoạt động bình thường
Thiết kế điều kiện mô phỏng trên CarSim
3.8.1 Trên đường thẳng có hai hệ số bám khác nhau
Hình 3.21 Phương thức vận hành của đường thẳng (Procedures)
Thiết lập tốc độ khảo sát là 80 km/h, cho xe chạy với toàn bộ tay số và không sử dụng đến hệ thống lái Tiến hành chỉnh sửa các thông số điều khiển phanh trong phần Braking: Brake Control như hình 3.22 để áp suất phanh đạt 15 Mpa tại thời điểm 0.3 giây
Hình 3.22 Áp suất phanh và thời gian phanh (đường thẳng)
67 Ở đây, thời gian bắt đầu đạp phanh tại 0.2s và đến khi xe dừng hẳn Ta có 0,1s sau khi bắt đầu đạp phanh là độ trễ cần thiết để đáp ứng
Cuối cùng cần thiết lập loại đường (Miscellaneous: 3D Road), trường hợp khảo sát là đường thẳng có hai hệ số bám khác nhau ở hai mặt đường, mặt đường bên trái có hệ số bám 0,6 và mặt đường bên phải có hệ số bám 0,8
Hình 3.23 Đường thẳng với hai hệ số bám khác nhau
3.8.2 Phanh và ôm cua trên đoạn đường cong
Hình 3.24 Phương thức vận hành của đường cong (Procedures)
68 Thiết lập tốc độ khảo sát là 100km/h, thời điểm xe bắt đầu chạy cách vị trí ban đầu 150m (để xe phanh ngay vào thời điểm bắt đầu vào cua), đồng thời cho xe chạy với toàn bộ tay số và không sử dụng đến hệ thống lái Tiến hành chỉnh sửa các thông số điều khiển phanh trong phần Braking: Brake Control như hình 3.25 để áp suất phanh đạt 15 Mpa tại 5.1 giây, đây cũng là thời điểm xe bắt đầu vào cua
Hình 3.25 Áp suất phanh và thời gian phanh (đường cong)
Chọn loại đường khảo sát là đường cong như hình 3.26 (Alt 3 from FHWA)
3.8.3 Phanh và đánh lái né vật cản
Hình 3.27 Phương thức vận hành của đường có vật cản (Procedures)
Thiết lập tốc độ khảo sát là 100km/h và cho xe chạy với toàn bộ tay số Tiến hành chỉnh sửa các thông số điều khiển phanh trong phần Braking: Brake Control như hình 3.28 để áp suất phanh đạt 15 Mpa tại 5.1 giây, đây cũng là thời điểm xe bắt đầu gặp vật cản
Hình 3.28 Áp suất phanh và thời gian phanh (né vật cản) Tiếp đến cần thiết lập thông số đánh lái ở phần Steering: Driver Path Follower
70 Hình 3.29 Thông số đánh lái
Cho xe bắt đầu đánh lái tại thời điểm xe gặp vật cản tức là khi xe chạy được 140m tính từ vị trí ban đầu, sau đó xe sẽ đánh lái qua trái với quãng đường dịch chuyển ngang là 2.5m trong 10m từ 145m đến 155m và lập tức trả lái về vị trí ban đầu
Cuối cùng là thiết lập vật cản mô phỏng Vật cản mô phỏng ở đây là một cái thùng (Barrel) được đặt giữa làn đường và cách vị trí ban đầu 170m
Hình 3.30 Vật cản mô phỏng
Trên đường thẳng có hai hệ số bám khác nhau
Hình 4.31 Đồ thị vận tốc của xe trên đường hai hệ số bám
Hình 4.32 Đồ thị vận tốc của các bánh xe LF – RF – LR – RR trên đường hai hệ số bám
- Xe không có ABS (NOABS): khi đạp phanh tại thời điểm 0.2s các bánh xe lập tức bị bó cứng và vận tốc giảm mạnh về 0
- Xe sử dụng bộ điều khiển Bang-Bang (ONOFF): được thiết kế áp suất phanh đến các bánh sau chỉ bằng 50% các bánh trước và mômen phanh của cặp bánh sau ít hơn cặp bánh trước, do đó đồ thị vận tốc các bánh xe sau dao động ổn định với biên độ nhỏ hơn các bánh xe trước
Xe sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ các bánh xe, giúp tăng độ ổn định cho xe Khi tốc độ xe giảm, tốc độ các bánh xe cũng được điều chỉnh giảm dần theo đường gần thẳng về 0, tương ứng với sự giảm dần tốc độ của xe.
- Xe có thêm hệ thống phân phối lực phanh (EBD): khi phanh trên đường thẳng tải trọng được phân bố tập trung lên cầu trước, do đó so với PID đã giảm 50% áp suất phanh trên các bánh sau thì dường như không có quá nhiều sự thay đổi
Hình 4.33 Đồ thị độ trượt của các bánh xe LF – RF – LR – RR trên đường hai hệ số bám
- Xe không có ABS (NOABS): khi phanh các bánh xe lập tức bị bó cứng, độ trượt tăng vọt lên 1 trong suốt quá trình phanh
- Xe sử dụng bộ điều khiển Bang-Bang (ONOFF): ở 2 bánh trước biên độ dao động lớn hơn 2 bánh sau vì mômen phanh ở 2 bánh trước được thiết kế lớn
73 hơn 2 bánh sau, mà tín hiệu được gửi đến bộ điều khiển chỉ có 2 giá trị là “0” hoặc “1” tức là phanh với 0% hoặc 100% áp suất xy lanh chính, chính vì thế ở 2 bánh trước việc kiểm soát độ trượt trở nên khó khăn hơn ở 2 bánh sau Ở
2 bánh sau biên độ được kiểm soát ổn định xung quanh độ trượt mong muốn là 0.2 Ngoài ra vì hệ số bám ở 2 bánh bên trái thấp hơn 2 bánh bên phải nên dễ trượt hơn (với áp suất phanh nhỏ vẫn có thể tạo ra mômen phanh khiến bánh xe bị bó cứng), chính vì thế biên độ dao động có lớn hơn 2 bánh bên phải
- Xe sử dụng bộ điều khiển PID (PID): đường biểu diễn độ trượt được kiểm soát một cách ổn định tiệm cận với giá trị độ trượt mong muốn là 0.2
Bảng 4.1 Độ vọt lố trên đường hai hệ số bám
- Xe có thêm hệ thống phân phối lực phanh (EBD): khi phanh trên đường thẳng tải trọng được phân bố tập trung lên cầu trước, do đó so với PID đã giảm 50% áp suất phanh trên các bánh sau thì dường như không có quá nhiều sự thay đổi
4.1.3 Đồ thị áp suất phanh
Hình 4.34 Đồ thị áp suất phanh của các bánh xe LF – RF – LR – RR trên đường hai hệ số bám
- Xe không có ABS (NOABS): tại thời điểm bắt đầu đạp phanh, áp suất tối đa được truyền tới 4 bánh xe làm cho bánh xe bị bó cứng dẫn đến tình trạng trượt lết
Hệ thống phanh sử dụng bộ điều khiển Bang-Bang (ONOFF) hoạt động bằng cách điều khiển áp suất phanh tăng giảm liên tục để bánh xe không bị bó cứng Khi phanh trên đường thẳng, tải trọng tập trung nhiều ở cầu trước khiến hiệu quả phanh của cầu sau bị ảnh hưởng Do đó, mômen phanh của bánh sau được thiết kế nhỏ hơn và áp suất từ xy lanh chính chỉ bằng 50% so với áp suất lên bánh trước, giúp giảm khả năng bó cứng bánh sau Cụ thể, bánh sau bên phải (RR) có áp suất phanh thưa thớt hơn do hệ số bám cao hơn Ở các bánh bên trái, áp suất điều khiển thấp hơn do hệ số bám thấp hơn, khiến bánh dễ trượt hơn.
- Xe sử dụng bộ điều khiển PID (PID): nhìn vào đồ thị có thể thấy các bánh bên trái được điều khiển với áp suất thấp hơn bởi lẽ mặt đường bên trái có hệ số bám thấp hơn, nếu phanh với lượng áp suất lớn bánh xe rất dễ xảy ra tình trạng bị bó cứng
Hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD) phân bổ tải trọng hợp lý lên các bánh xe khi phanh trên đường thẳng Tải trọng tập trung vào cầu trước, áp suất tác dụng lên bánh sau không bằng nhau Tuy nhiên, EBD điều chỉnh áp suất hợp lý, đảm bảo lực phanh cân bằng Ban đầu, áp suất phanh dao động nhưng EBD kiểm soát ổn định sau đó, duy trì lực phanh hiệu quả.
4.1.4 Đồ thị quãng đường phanh
Hình 4.35 Đồ thị quãng đường phanh trên đường hai hệ số bám
Từ đồ thị có thể thấy quãng đường phanh giảm dần tương ứng với các bộ điều khiển NOABS, ONOFF, PID và EBD là hệ thống có quãng đường phanh ngắn nhất với 42,8 m
Hình 4.36 Phóng lớn đồ thị quãng đường phanh trên đường hai hệ số bám
Với trường hợp đường thẳng có hai hệ số bám khác nhau, xe có trang bị hệ thống EBD vẫn đạt được hiệu quả tốt nhất nhất ứng với quãng đường phanh và thời gian phanh là ngắn nhất Tuy vậy vẫn chưa thấy rõ sự khác biệt của hệ thống này vì nhìn chung so với xe điều khiển bằng PID thì sự chênh lệch là không quá lớn Bảng 4.2 Bảng đánh giá kết quả phanh trên đường hai hệ số bám
Trên đoạn đường cong
Hình 4.37 Đồ thị vận tốc của xe trên đoạn đường cong
77 Hình 4.38 Đồ thị vận tốc của các bánh xe LF – RF – LR – RR trên đoạn đường cong
- Xe không có ABS (NOABS): khi xe bắt đầu vào cua và đạp phanh, các bánh xe lập tức bị bó cứng và vận tốc giảm mạnh về 0 Sự suy giảm của 2 bánh sau chậm hơn 2 bánh trước là vì sự phân bố áp suất phanh từ xy lanh chính đến xy lanh con các bánh sau ít hơn các bánh trước
Hệ thống phanh sử dụng bộ điều khiển Bang-Bang (ONOFF) với mômen phanh sau nhỏ hơn và áp suất phanh bằng một nửa so với phanh trước, tạo ra sự chênh lệch biên độ vận tốc bánh trước và sau Tuy nhiên, hệ thống vẫn ổn định và đáp ứng yêu cầu giảm tốc êm ái khi vào cua mà không xảy ra bó cứng Đồ thị của bánh sau phải (RR) có thời điểm bị biến dạng do tải trọng tập trung nhiều hơn, dẫn đến yêu cầu mômen phanh lớn hơn Tuy nhiên, do cấu tạo hệ thống và áp suất phanh thấp nên lực phanh không đủ gây bó cứng bánh xe, khiến bộ điều khiển ONOFF liên tục gửi tín hiệu "1" và vô tình giữ cho bánh xe tiếp tục quay.
78 bánh xe đó được điều khiển ổn định Sau khi thoát khỏi giai đoạn này, vận tốc đã giảm đáng kể và phản lực tác dụng lên các bánh xe thay đổi khiến xe thoát khỏi tình trạng chênh lệch tải trọng, ngay lúc này với áp suất phanh ban đầu cũng có thể khiến bánh xe bị bó cứng và bộ điều khiển ONOFF hoạt động trở lại như bình thường
- Xe sử dụng bộ điều khiển PID (PID): không có quá nhiều biến động ở bộ điều khiển này, PID là bộ điều khiển có tính ổn định cao, nhờ vào các sai số hiện tại, sai số tương lai và sai số quá khứ nên hệ thống luôn được kiểm soát trong phạm vi an toàn, vận tốc các bánh xe được điều chỉnh giảm đều tương tự đồ thị vận tốc xe
- Xe có thêm hệ thống phân phối lực phanh (EBD): nhờ vào sự phân phối lực phanh đến các bánh xe nên vận tốc ở 4 bánh xe giảm một cách đồng đều và tương đối giống nhau, điều đó khiến vận tốc xe cũng giảm một cách ổn định và nhanh chóng
Hình 4.39 Đồ thị độ trượt của các bánh xe LF – RF – LR – RR trên đoạn đường cong
- Xe không có ABS (NOABS): khi phanh các bánh xe lập tức bị bó cứng, độ trượt tăng vọt lên 1 trong suốt quá trình phanh
- Xe sử dụng bộ điều khiển Bang-Bang (ONOFF): độ trượt của 2 bánh xe trước có biên độ lớn hơn do có sự chênh lệch mômen phanh giữa các cặp bánh xe Ở 2 bánh sau biên độ được kiểm soát ổn định xung quanh độ trượt mong muốn là 0.2 Hiện tượng xảy ra ở bánh sau bên phải (RR) đã được giải thích trên đồ thị vận tốc
- Xe sử dụng bộ điều khiển PID (PID): vì xe chạy ở tốc độ cao rồi đạp phanh và ôm cua nên tải trọng lên các bánh xe đột ngột thay đổi khiến cho độ trượt của bộ điều khiển PID có hiện tượng vọt lố quá giá trị mong muốn Nhưng sự vọt lố này không ảnh hưởng quá nhiều đến hiệu quả phanh nên vẫn có thể chấp nhận được
Bảng 4.3 Độ vọt lố trên đoạn đường cong
- Xe có thêm hệ thống phân phối lực phanh (EBD): khắc phục được tình trạng vọt lố không đáng có ở bộ điều khiển PID, độ trượt được kiểm soát ổn định tuy không đạt giá trị mong muốn nhưng mang lại hiệu quả phanh là tương đối tốt
4.2.3 Đồ thị áp suất phanh
Hình 4.40 Đồ thị áp suất phanh của các bánh xe LF – RF – LR – RR trên đoạn đường cong
- Xe không có ABS (NOABS): tại thời điểm bắt đầu đạp phanh, áp suất tối đa được truyền tới 4 bánh xe (15 MPa cho 2 bánh trước và 7,5 Mpa cho 2 bánh sau) làm cho bánh xe bị bó cứng dẫn đến tình trạng trượt lết
Xe sử dụng bộ điều khiển Bang-Bang (ONOFF) giúp điều chỉnh áp suất phanh để tránh bó cứng bánh xe Mômen phanh và áp suất phanh được thiết kế sao cho bánh trước hoạt động với tần số và biên độ lớn hơn bánh sau Đồ thị vận tốc cho thấy áp suất bất thường tại bánh sau (RR).
- Xe sử dụng bộ điều khiển PID (PID): áp suất phanh được điều khiển ổn định dựa trên độ trượt của các bánh xe và do sự chênh lệch tải trọng khi vào cua nên có sự dao động nhẹ trong giai đoạn này Tương tự như bộ điều khiển ONOFF, mômen phanh và áp suất phanh bị giới hạn điều đó khiến cho bánh sau bên phải (RR) mặc dù đã gửi tín hiệu để phanh với toàn bộ áp suất phanh (7.5 MPa) ở giai đoạn đầu nhưng vẫn không đủ để khiến cho bánh xe trở nên bó cứng cho đến khi tải trọng lên chính nó giảm xuống đáng kể
- Xe có thêm hệ thống phân phối lực phanh (EBD): nếu ở trường hợp đường thẳng, sự góp mặt của EBD là không đáng kể thì ở trường hợp đường cong này EBD tạo ra các đồ thị hoàn toàn khác bằng chính các lực phanh khác nhau lên từng bánh xe khác nhau dựa trên sự phân bố của tại trọng Điều này giúp cho hiệu quả phanh được tối ưu nhất
4.2.4 Đồ thị quãng đường phanh
Hình 4.41 Đồ thị quãng đường phanh trên đoạn đường cong
Từ hình 4.12 ta thấy quãng đường phanh của xe có EBD là ngắn nhất, sau đó là xe sử dụng bộ điều khiển PID rồi đến xe sử dụng bộ điều khiển ONOFF, cuối cùng là xe không có hệ thống ABS (NOABS) với quãng đường phanh dài nhất
82 Hình 4.42 Phóng lớn đồ thị quãng đường phanh trên đoạn đường cong
Thấy rõ hiệu quả phanh của xe có trang bị hệ thống EBD trong trường hợp phanh và ôm cua trên đoạn đường cong, EBD ngoài giúp cho phanh đạt được quãng đường và thời gian phanh ngắn nhất còn kiểm soát được sự ổn định của xe
Bảng 4.4 Bảng đánh giá kết quả phanh trên đoạn đường cong
Né vật cản kết hợp phanh và đánh lái
Hình 4.43 Đồ thị vận tốc của xe trên đoạn đường có vật cản
Hình 4.44 Đồ thị vận tốc của các bánh xe LF – RF – LR – RR trên đoạn đường có vật cản
- Xe không có ABS (NOABS): khi xe tiến tới đủ gần để phát hiện vật cản, tài xế lập tức đánh lái và phanh, các bánh xe liền bị bó cứng và vận tốc giảm mạnh
84 về 0 Do đó nỗ lực đánh lái không đem lại kết quả dẫn đến xe bị mất kiểm soát
Sự suy giảm của 2 bánh sau chậm hơn 2 bánh trước là vì áp suất phanh từ xy lanh chính đến xy lanh 2 bánh sau chỉ bằng 50% các bánh trước
- Xe sử dụng bộ điều khiển Bang-Bang (ONOFF): tương tự như trường hợp đường cong, có thể thấy ở đồ thị bánh sau bên trái (LR) cũng có một giai đoạn bị biến dạng so với các bánh khác, hiện tượng này xảy ra và kéo dài trong khoảng từ 5,5s cho đến 6,5s, trong giai đoạn này tải trọng tác dụng lên các bánh bên trái (LF, LR) tăng vọt lên do xe đang trả lái về bên phải, tải trọng dồn về trái làm cho lực bám bánh sau bên trái (LR) tăng lên khiến nó lớn hơn lực phanh, lúc này bộ điều khiển gửi tín hiệu “1” cho bộ chấp hành nhưng vì hệ thống được thiết kế với áp suất phanh đến các bánh sau ít cộng với mômen cơ cấu phanh nhỏ nên lực phanh sinh ra bởi áp suất phanh đấy sẽ không đủ để làm cho bánh xe bị bó cứng, dẫn đến vận tốc được giảm đều cho tới khi tải trọng của bánh này giảm xuống đến mức có thể bị bó cứng thì hệ thống sẽ hoạt động như bình thường
- Xe sử dụng bộ điều khiển PID (PID): với sự điều chỉnh áp suất dựa trên các sai số thì vận tốc sẽ được kiểm soát và giảm đều một cách ổn định
Xe được trang bị thêm hệ thống phân phối lực phanh EBD, giúp cải thiện hiệu quả phanh trên các bề mặt đường khác nhau Trên biểu đồ vận tốc, sự khác biệt giữa tốc độ của các bánh xe với EBD và hệ thống điều khiển PID không rõ ràng, nhưng EBD vẫn góp phần cải thiện hiệu suất phanh, mang lại sự ổn định và an toàn hơn cho người lái.
Hình 4.45 Đồ thị độ trượt của các bánh xe LF – RF – LR – RR trên đoạn đường có vật cản
- Xe không có ABS (NOABS): khi tài xế bắt đầu đạp phanh, độ trượt tăng vọt lên 1 chứng tỏ 4 bánh đều bị bó cứng
- Xe sử dụng bộ điều khiển Bang-Bang (ONOFF): độ trượt của 2 bánh xe trước có biên độ lớn hơn do có sự chênh lệch mômen phanh giữa các cặp bánh xe Ở 2 bánh sau biên độ được kiểm soát ổn định xung quanh độ trượt mong muốn là 0.2 Hiện tượng xảy ra ở bánh sau bên trái (LR) đã được giải thích trên đồ thị vận tốc Và trái ngược với các bánh bên trái thì tải trọng tại các bánh bên phải có xu hướng giảm, ở bánh sau phải (RR) tải trọng tác dụng lên bánh xe là nhỏ nhất dẫn đến lực bám giảm mạnh và khiến các bánh xe bên trái dễ bị bó cứng hơn, do đó tần số điều khiển độ trượt của bánh bên phải (RR) trong giai đoạn này dày đặc hơn
- Xe sử dụng bộ điều khiển PID (PID): sự thay đổi đột ngột của tải trọng khiến cho độ trượt của bộ điều khiển PID có hiện tượng vọt lố quá giá trị mong muốn Tuy vậy hệ thống vẫn đáp ứng tốt cho nên sự vọt lố này có thể chấp nhận được
86 Bảng 4.5 Độ vọt lố trên đoạn đường có vật cản
- Xe có thêm hệ thống phân phối lực phanh (EBD): khắc phục được tình trạng vọt lố không đáng có ở bộ điều khiển PID, độ trượt được kiểm soát ổn định tuy không đạt giá trị mong muốn nhưng mang lại hiệu quả phanh là tương đối tốt
4.3.3 Đồ thị áp suất phanh
Hình 4.46 Đồ thị áp suất phanh của các bánh xe LF – RF – LR – RR trên đoạn đường có vật cản Không có quá nhiều sự khác biệt ở đồ thị áp suất phanh so với trường hợp đường cong, tuy vậy ở cả 3 bộ điều khiển đều có một điểm chung liên quan đến sự phân bố của tải trọng Chia quá trình phanh thành 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1 từ 5,5s đến 6,5s: giai đoạn này xe đang đạp phanh và đánh lái sang phải, tải trọng sẽ phân bố nhiều ở các bánh bên trái, lực bám các bánh bên trái tăng vì vậy áp suất phanh có xu hướng tăng, bên cạnh đó mômen phanh và áp suất phanh thiết kế ở các bánh sau nhỏ nên áp suất phanh của bánh sau trái (LR) tăng mạnh hơn, sự tăng mạnh này không khiến cho lực phanh lớn hơn
Các bánh xe bên phải chịu lực bám ít hơn so với các bánh bên trái khi vào cua, điều này dẫn đến nguy cơ bó cứng bánh xe bên phải Do đó, áp suất phanh ở bánh phải được giảm để ngăn chặn hiện tượng bó cứng, đảm bảo độ bám đường và hiệu quả phanh tốt hơn.
- Giai đoạn 2 từ 6,5s đến 7,5s: lúc này tài xế lại đánh lái sang trái để ổn định xe về vị trí tâm đường Tải trọng dồn vào các bánh bên phải, chính vì thế áp suất phanh ở các bánh phải lúc này tăng lên đồng thời ở các bánh trái có xu hướng giảm xuống Ở bộ điều khiển PID áp suất sẽ được điều chỉnh bởi sự thay đổi của độ trượt, EBD được bổ sung điều này khiến áp suất phanh đến các bánh xe được tính toán và phân bố một cách hợp lý hơn
4.3.4 Đồ thị quãng đường phanh
Hình 4.47 Phóng lớn đồ thị quãng đường phanh trên đường có vật cản
Từ hình ảnh phóng to, sự chênh lệch về khoảng cách phanh giữa PID và EBD là không đáng kể, khác biệt nằm ở tính ổn định của xe trong lúc đánh lái
88 Hình 4.48 Phóng lớn đồ thị quãng đường phanh trên đoạn đường có vật cản
Bảng 4.6 Bảng đánh giá kết quả phanh trên đoạn đường có vật cản
Kết luận
- Hiểu được cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh trên xe ô tô
- Nắm được tình hình nghiên cứu về hai hệ thống ABS, EBD ở trong và ngoài nước
- Trình bày được cơ sở lý thuyết cũng như cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ABS và EBD
- Học được cách sử dụng và ứng dụng của phần mềm Simulink/Carsim trong việc mô phỏng hoạt động của ABS và EBD
- Tìm kiếm và đọc hiểu các tài liệu chính thống liên quan nhằm hiểu rõ ABS, EBD cũng như tìm được cơ sở lý thuyết và nguyên lý cốt lõi của các thuật toán mô phỏng
- Tìm, tính toán và thiết lập thành công các thông số về kích thước cũng như khả năng vận hành của xe Honda Accord 2023 trên Carsim
- Xây dựng được các bộ điều khiển Bang-Bang, PID nhằm điều khiển ABS và EBD trên Simulink
- Thực hiện liên kết các hệ thống đã xây dựng từ Simulink sang Carsim để vận hành Cuối cùng tiến hành mô phỏng hoạt động của hệ thống trong các tình huống khác nhau Từ đó rút ra nhận xét, đánh giá các thuật toán thông qua video mô phỏng và các biểu đồ liên quan
Trong trường hợp xe có ABS và EBD, gia tốc chậm dần khi phanh, thời gian phanh và quãng đường phanh giảm đáng kể Vì thế hiệu quả phanh và tính ổn định của xe tăng lên, đảm bảo an toàn cho người lái xe và hành khách trong tình huống
90 phanh gấp cũng như đánh lái né vật cản Các bộ điều khiển Bang-Bang, PID đáp ứng tốt chức năng được đề ra và cho ra hiệu quả phanh tốt được thể hiện trên biểu đồ.
Kiến nghị
- Tiếp tục phát triển và hoàn thiện hệ thống bằng các thuật toán điều khiển ABS trên Simulink như: Logic mờ (Fuzzy Logic), PIDFuzzy hoặc thậm chí có thể sử dụng cấu trúc Neural Network để quá trình điều khiển đạt tối ưu nhất
- Tìm hiểu thêm về thông số cũng như phương thức vận hành của xe Honda Accord 2023 để việc mô phỏng trở nên chính xác sát với thực tế hơn
- Thực hiện thêm các trường hợp mô phỏng hoạt động của ABS và EBD, cụ thể là các điều kiện đường xá và thời tiết khác nhau
