Đồ án tốt nghiệp hệ thống ổn định VSC

Hệ thống này khi phát hiện được sự lái đột ngột, sự trượt ngang trên các mặt đườngtrơn và sau đó tạo ra sự điều khiển tối ưu của phanh ở mỗi bánh xe và công suất củađộng cơ để giảm độ tr

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT ỔN ĐỊNH ĐIỆN TỬ VSC

Vehicle Stability Control

4.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VSC

4.1.1 Giới thiệu hệ thống VSC

Hệ thống VSC được lắp lần đầu tiên

trên xe Lexus LS 400 vào năm 1998

Sau đó được lắp trên các dòng xe

sedan Lexus ES, GS năm 2000

4.1.2 Thế nào là VSC?

Bạn đã bao giờ cầm lái và gặp các tình huống sau đây chưa?

Xe vào khúc quanh với tốc độ cao và mặt đường trơn trượt

Xe chạy với tốc độ cao và tránh xe khác đang lao thẳng tới mình

Tránh một xe khác đang băng ngang qua đường

Điều gì sẽ xảy ra chắc hẳn là suy nghĩ “tai nạn” đã nằm trong đầu bạn rồi?

Nhưng đối với những xe có trang bị hệ thống VSC thì bạn hoàn toàn yên tâm, vì hệthống VSC hoạt động hoàn toàn tự động theo từng trạng thái của xe mà không cần sựcan thiệp của người lái

4.1.3 Lịch sử và khuynh hướng phát triển của hệ thống ổn định trên ôtô

Năm 1971: Hệ thống phanh chống bó cứng ABS

(Anti-lock brake system)

Năm 1989: Hệ thống chống trượt khi tăng tốc TRC.

(Traction control)

Năm 1998: Hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp BAS

(Brake asisst system)

Năm 1998: Hệ thống kiểm soát ổn định điện tử VSC

(Vehicle stability control)

Hệ thống kiểm soát ổn định kết hợp với hệ thống lái VDIM

(Vehicle dynamics intergrated management)

4.1.4 Tổng quan về VSC

Các khảo sát về tai nạn cho thấy khoảng

25% trên tổng số các vụ tai nạn ô tô gây chấn

thương nghiêm trọng đều xảy ra do lái xe mất

khả năng điều khiển bởi sự trượt ngang của các

bánh xe

Các thao tác của người lái khi xe vận hành

trên đường trơn ướt hoặc khi bất ngờ xuất hiện

các tình huống nguy hiểm có thể khiến các

bánh xe vượt quá giới hạn bám ngang cho phép

Lúc này, xe sẽ ở trạng thái quay vòng thiếu

hoặc quay vòng thừa

Trạng thái quay vòng thiếu Trạng thái quay vòng thừa

Hình 4.2: Các trạng thái trượt ngang

Trong khi ABS và TRC chủ yếu được s dụng đ làm ổn đ nh hoạt động của phanh,ử dụng để làm ổn định hoạt động của phanh, ể làm ổn định hoạt động của phanh, ịnh hoạt động của phanh,của bàn đạp ga trong khi phanh và tăng t c, thì h th ng VSC đảm bảo sự ổn định việcốc, thì hệ thống VSC đảm bảo sự ổn định việc ệ thống VSC đảm bảo sự ổn định việc ốc, thì hệ thống VSC đảm bảo sự ổn định việclái và hướng lái của xe.

Hệ thống này khi phát hiện được sự lái đột ngột, sự trượt ngang trên các mặt đườngtrơn và sau đó tạo ra sự điều khiển tối ưu của phanh ở mỗi bánh xe và công suất củađộng cơ để giảm độ trượt của bánh trước và độ trượt của bánh sau

Phương pháp điều khiển phanh (kiểm soát các bánh xe) đối với các bánh khác nhautuỳ thuộc vào từng kiểu xe

4.1.5 Phương pháp xác định trạng thái vận hành của xe

- Xác định tốc độ và quỹ đạo quay vòng theo mong muốn của người lái.

Việc này được thực hiện nhờ khả năng tính toán của VSC- ECU căn cứ trên tín hiệu phát ra từ các cảm biến tốc độ bánh xe và cảm biến góc xoay vô lăng

- Xác định tốc độ và quỹ đạo quay vòng thực tế của xe

Dựa vào tín hiệu phát ra từ cảm biến giảm tốc, cảm biến độ lệch của xe, mà VSC ECU có thể biết chính xác tốc độ và quỹ đạo của xe

Khi tốc độ quay vòng thực tế của xe nhỏ hơn

giá trị tốc độ quay vòng mà người lái mong

muốn, ECU xác định xe đang có xu hướng quay

trượt bánh trước

Xu hướng quay trượt bánh trước

Khi gia tốc ngang và góc trượt của ô tô cùng

đồng thời có giá trị lớn, ECU xác định xe có xu

hướng quay trượt bánh sau

Xu hướng quay trượt bánh sau

Hình 4.3: Các xu hướng quay trượt của xe 4.1.6 Sự can thiệp của hệ thống VSC trong các tình huống trượt ngang của xeÏ

a/ Quay vòng thiếu

Giả sử ECU xác định các bánh xe ở cầu

trước có biểu hiện trượt ngang khi ô tô đang

quay vòng sang phải

Tuỳ theo mức độ trượt, ECU sẽ điều khiển

giảm công suất động cơ bằng cách đóng bướm

ga phụ đồng thời tác động phanh ở 2 bánh trước

và bánh sau bên phải của ô tô nhằm kiềm chế

sự trượt của xe

b/ Quay vòng thừa

Nếu ô tô có biểu hiện xảy ra sự trượt ở các

bánh sau khi đang quay vòng sang phải, ECU

điều khiển tác động lực phanh ở bánh trước

phía ngoài góc cua, tạo ra moment chống lại

chống lại xu hướng quay vòng thừa

Ở một vài trường hợp, ECU cũng điều khiển

tác động lực phanh cả bánh sau ở bên ngoài

nếu cần thiết

Hình 4.4: Các tình huống quay vòng của xe

4.1.7 Ưu điểm của hệ thống VSC

Luôn theo dõi tình trạng vận hành của xe từ lúc xe bắt đầu khởi động

VSC phản ứng cực nhanh vì hệ thống can thiệp hoàn toàn bằng điện tử

Điều khiển tối ưu của phanh ở mỗi bánh xe

Nâng cao hiệu quả phanh trong các tình huống khẩn cấp

Cải thiện tối đa độ ổn định ngang của xe

4.2 CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG VSC

4.2.1 Các bộ phận của VSC

Hệ thống VSC có 3 phần chính :

Mơtơ bướm ga

VSC-ECU

Chuơng báo VSC Đèn báo VSC Đèn báo quay trượt

Bộ chấp hành phanh ECU động cơ Giao tiếp theo thứ tự

Sơ đồ hệ thống

BEAN CAN

- Các chi tiết tương tác với người lái như : đèn và còi cảnh báo VSC nhằm nhắc nhởngười lái rằng xe đang trong trạng thái nguy hiểm, công tắc điều khiển bật tắt hệthống VSC

- Nhóm các chi tiết điện tử nhằm ghi nhận và xử lý thông tin về trạng thái hoạtđộng của xe, bao gồm : các cảm biến và ECU điều khiển

- Bộ phận chấp hành gồm cụm thuỷ lực với các van điện từ điều chỉnh áp suất dầuphanh, các cơ cấu phanh bánh xe và bướm ga phụ

Hình 4.5: Các bộ phận của VSC 4.2.2 ECU điều khiển trượt

Những hệ thống mới trên ôtô hiện đại. 45

Hình 4.6: Sơ đồ khối của hệ thống VSC

Hệ thống VSC dùng các van điệntừ để điều khiển áp suất thuỷ lực dobơm tạo ra và tác động vào xylanh ởmỗi bánh xe theo 3 chế độ: giảm áp

suất, giữ áp suất và tăng áp suất

Do đđó hạn chế được xu hướngquay trượt của bánh xe trước hoặcbánh xe sau

Hình 4.7: Biểu đồ điều khiển của ECU

4.2.3 Bộ chấp hành phanh

Hình 4.8: Cụm thủy lực của VSC

a/ Hoạt động của VSC

VSC điều khiển áp suất thuỷ lực phanh bằng cách điều chỉnh mức truyền áp suất thuỷ

lực do bơm trong bộ chấp hành phanh tạo ra, đến mỗi xylanh của bánh xe để khống chếsự quay trượt của bánh trước hay bánh sau

Lúc đo,ù ở các kiểu xe có chức năng nạp trước thì van điện từ nạp trước hoạt động đểcùng tác động tới áp suất từ xylanh chính

Hình 4.9: Hoạt động của mạch dầu

b/ Điều khiển để khử sự quay trượt của bánh trước

Khi xe quay vòng sang phải, việc khống chế để khử sự quay trượt của bánh trước làtác động vào các phanh của bánh trước bên phải, bên trái và phanh của bánh sau bêntrong của xe

Phương pháp điều khiển phanh (các bánh xe được điều khiển) đối với các bánh xekhác nhau thay đổi theo từng kiểu xe.

Hình 4.10: Hoạt động của mạch dầu khi xe bi trượt bánh trước

c/ Điều khiển để khử sự quay trượt của bánh sau

Khi xe quay vòng sang phải, việc khống chế để khử sự quay trượt của bánh sau là tácđộng vào phanh của bánh trước bên trái của xe

Ở một vài trường hợp, ECU cũng điều khiển tác động lực phanh cả bánh sau ở bênngoài nếu cần thiết.

Phương pháp điều khiển phanh (các bánh xe được điều khiển) đối với các bánh xekhác nhau thay đổi theo từng kiểu xe

Hình 4.11: Hoạt động của mạch dầu khi xe bi

trượt bánh sau

Cảm biến tốc độ bánh xe bao gồm: một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây và lõi từ

Vị trí lắp cảm biến tốc độ hay rôto cảm biến cũng như số lượng răng của rôto cảmbiến thay đổi theo từng kiểu xe

Vành ngoài của rôto có các răng nên khi

rôto quay sẽ sinh ra một điện áp xoay chiều có

tần số tỷ lệ với tốc độ quay của rôto

Chính điện áp này báo cho VSC-ECU biết tốc

độ của bánh xe

Cảm biến tốc độ sẽ hoạt động không tốt nêu

khe hở A năm ngoài giá trị cho phép

Hình 4.12: Các hình ảnh về cảm biến tốc độ

bánh xe của hệ thống VSC

4.2.5 Cảm biến giảm tốc

Cảm biến giảm tốc cho phép VSC-ECU đo trực tiếp sự giảm tốc của xe trong quátrình phanh

Cảm biến giảm tốc gồm có: 2 cặp đèn LED và phototransistor, một đĩa xẻ rãnh vàmột mạch biến đổi tín hiệu

Khi tốc độ của xe thay đổi, đĩa xẻ rãnh sẽ lắc

theo chiều dọc của xe tương ứng với mức giảm

tốc độ Các rãnh trên đĩa sẽ cắt ánh sáng từ đèn

LED đến phototransistor và làm phototransistor

đóng mở tổ hợp các phototransistor này sẽ tắt

bật, chia thành các mức độ và gửi về VSC-ECU

dưới dạng tín hiệu

Hình 4.13: Cảm biến giảm tốc của hệ thống VSC

Ở một vài kiểu xe cảm biến giảm tốc được đặt theo phương ngang đê đo gia tốc ngangdùng để xác định xem có phải xe đang quay vòng

hay không

Ngoài ra cảm biến kiểu bán dẫn cũng được

dùng để đo sự giảm tốc vì nó có thể đo được cả

gia tốc dọc và gia tốc ngang

4.2.6 Cảm biến góc xoay vô lăng

Bộ cảm biến góc xoay vô lăng gồm có: một đĩa có rãnh, một máy vi tính và 3 bộ ngắtquang học (SS1, SS2, SS3).

Các tín hiệu do bộ ngắt quang học SS1, SS2 và SS3 phát hiện được máy vi tính biếnđổi thành các tín hiệu chuỗi để đưa vào ECU

ECU sẽ phát hiện được một vị trí trung gian

của vô lăng, chiều quay hoặc góc xoay của vô

lăng bằng sự tổ hợp của các tín hiệu này

Nếu qui ước thời gian dòng điện chạy qua là

đóng, và thời gian dòng điện không chạy qua là

ngắt thì ta có các tín hiệu như hình vẽ

Hình 4.14: Cảm biến góc xoay vô lăng của hệ thống VSC

Hình 4.15: Bộ ngắt quang học của cảm biến

góc xoay vô lăng 4.2.7 Cảm biến độ lệch của xe

Cảm biến độ lệch của xe được lắp ở mặt cắt ngang bên phải của dầm ngang trongkhoang hành lý.

Cảm biến độ lệch của xe sử dụng một con quay kiểu rung có hình âm thoa

Mỗi cái cộng hưởng gồm có một phần ung và

một phần phát hiện được dịch chuyển 90 độ để

hình thành một bộ phận

Một miếng gốm áp điện được lắp vào cả phần

điện áp khi có một ngoại lực tác động làm biến

dạng miếng gốm này

Để phát hiện độ lệch hướng người ta đặt điện áp xoay chiều vào phần rung, điện ápnày làm cho cảm biến rung

Hình 4.16:

Hoạt động

thống VSC

hướng được nhận biết từ phần phát hiện theomức lệch và hướng lệch của miếng gốm áp điện, do tác động của lực coriolis được tạo raquanh cái cộng hưởng

(1) (2) (3) (4)

(5)

(1) Đèn báo của hệ thống phanh

(2) Đèn báo của hệ thống ABS

4.2.8 Đồng hồ táp lô

Hình 4.18: Đèn chỉ báo của các hệ thống trên xe 4.2.9 Bộ trợ lực phanh

Trong khi bộ trợ lực phanh loại thông dụng dùng độ chân không của động cơ để tạo ramột áp suất thuỷ lực lớn, thì bộ trợ lực phanh thuỷ lực dùng một bơm có môtơ để tạo ramột áp suất thuỷ lực lớn nhằm giảm lực đạp phanh cần thiết

Bộ trợ lực phanh gồm có: xylanh chính, bộ chấp hành phanh, bình chứa, bơm, môtơbơm và bộ tích năng Để kiểm tra mức dầu trong bình chứa ta phải gạt khoá điện về vị tríOFF và xả áp suất trong hệ thống cung cấp lực

a/ Sơ đồ mạch thuỷ lực

Hình 4.19: Sơ đồ mạch thủy lực trong bộ trợ lực của hệ thống VSC

b/ Cấu tạo của bộ trợ lực phanh

Hình 4.19: Cấu tạo của xylanh chính và bộ trợ lực phanh

Xylanh chính và bộ trợ lực phanh gồm có: phần của bộ trợ lực phanh, phần củaxylanh chính và phần của bộ điều chỉnh, chúng được đặt đồng trục để đạt được một kếtcấu đơn giản và gọn nhẹ

Phần của bộ trợ lực phanh gồm có: một cần điều khiển, pittông lực và buồng của

bộ trợ lực

Phần của xylanh chính gồm có: một pittông của xylanh chính, lò xo phản hồi và

van trung tâm

Phần của bộ điều khiển gồm có: một pittông của bộ điều khiển, lò xo phản hồi,

van trượt kiểu pittông, cần phản lực và đĩa phản lực bằng cao su

c/ Chế độ tăng áp suất ( áp suất thấp)

Hình 4.20: Hoạt động của xylanh chính khi VSC tăng áp (áp suất thấp)

(1) Lực điều khiển của bàn đạp được truyền như sau: từ cần điều khiển đến pittông lực

sau đó đến pittông của xylanh chính

(2) Chế độ đặt tải ở lò xo phản hồi của xylanh chính lớn hơn chế độ đặt tải ở lò xo

phản hồi của pittông bộ điều tiết, nên pittông của bộ điều tiết bị đẩy trước khi dầu ởxylanh chính bị nén

(3) Van trượt kiểu pittông sẽ đóng cửa A (giữa bầu chứa và buồng tăng lực) và mở cửa

B (giữa bầu chứa và bộ tích) Sau đó dầu phanh tăng áp được đưa vào buồng tăngáp để tạo ra lực hỗ trợ cho lực nhấn bàn đạp phanh

(4) Lúc này, lực hỗ trợ thắng lực lò xo phản hồi của xylanh chính Lực này sẽ nén dầu

trong xylanh chính và tăng áp suất tác động vào các phanh trước Đồng thời, áp suấttrong buồng trợ lực được làm tăng áp và tác động vào các phanh sau

Trong giai đoạn đầu hoạt động của phanh, áp suất của bộ trợ lực tác động lên đĩacao su một phản lực nhỏ

Do đó lực phản hồi về bên phải không tác động vào van trượt qua cần phản lực d/ Chế độ tăng áp suất (áp suất cao)

Hình 4.21: Hoạt động của xylanh chính khi VSC tăng áp (áp suất cao)

Ngược với khi áp suất thấp, khi áp suất cao, áp suất của bộ trợ lực tác động vào đĩacao su phản lực tăng lên Do đó đĩa cao su phản lực bị biến dạng và tạo ra lực phản hồivề bên phải tác động lên van trượt qua cần phản lực

Do vậy sẽ có một phản lực rất lớn được truyền đến bàn đạp phanh Và một cơ chế trợlực biến đổi được thực hiện, trong đó tỷ số lực khi áp suất cao thấp hơn khi áp suất thấp

e/ Chế độ giữ áp suất

Hình 4.22: Hoạt động của xylanh chính khi VSC giữ áp

Trong trạng thái này, lực tác động qua bàn đạp phanh và áp suất của xylanh chínhcân bằng với nhau

Nói khác đi, các lực của pittông bộ điều khiển tác động vào phanh trước và sau, cáclực do áp suất của xylanh chính tạo ra và áp suất của bộ điều chỉnh trở nên cân bằng.Điều này làm cho van trượt đóng cả cửa B từ buồng trợ lực đến bộ tích và cửa A đến bầuchứa Do dó phanh ở trạng thái giữ

f/ Chế độ giảm áp suất

Hình 4.23: Hoạt động của xylanh chính khi VSC giảm áp

Khi áp suất tác động lên bàn đạp phanh dịu đi, áp suất của xylanh chính giảm xuống.Sau đó, lực phản hồi (về bên phải) của pittông bộ điều tiết trở nên tương đối lớn, làmcho pittông điều tiết co lại và van trượt cũng thu lại Do đó, của A giữa bình chứa vàbuồng bộ trợ lực mở ra

Trong trạng thái này, áp suất của bộ trợ lực giảm xuống tạo nên sự cân bằng tươngứng với lực mới tác động qua bàn đạp phanh

Qúa trình trên được lặp đi lặp lại để giảm áp suất của xylanh chính theo lực tác độngqua bàn đạp phanh

g/ Khi không được cấp áp

Hình 4.24: Hoạt động của xylanh chính khi không được cấp áp

Khi có sự cố về nguồn cung cấp điện Nếu áp suất của bộ tích bị ảnh hưởng bởi bấtkỳ sự cố nào, buồng của bộ trợ lực sẽ không được cấp áp suất thủy lực Vì vậy không thểtạo ra trợ lực nào cho lực tác động qua bàn đạp phanh và không thể tăng áp suất cho cácphanh sau

Tuy nhiên, áp suất đến các phanh trước tăng lên ở pittông của xylanh chính theo lựctác động lên bàn đạp phanh

4.3 KIỂM TRA VÀ CHUẨN ĐOÁN

4.3.1 Chức năng kiểm tra ban đầu

Nhằm đảm bảo hệ thống VSC làm việc an toàn và hiệu quả, mỗi khi bật công tắc vàcho xe chạy với tốc độ xấp xỉ 6 km/h hoặc hơn thì VSC-ECU sẽ thực hiện chức năngkiểm tra ban đầu

Việc kiểm tra được thực hiện theo thứ tự từ chức năng của các van điện từ và cácmôtơ bơm trong bộ chấp hành phanh cho đến các cảm biến

Chức năng kiểm tra ban đầu chỉ được thực hiện một lần sau mỗi khi bật công tắcmáy

4.3.2 Chức năng chẩn đoán

Nếu ECU điều khiển trượt phát hiện một sự cố trong các hệ thống ABS, EBD, BA,TRC vàVSC thì tương ứng với từng sự cố được phát hiện đèn sẽ chỉ báo hoặc sáng lên đểbáo cho người lái về sự cố này

Đồng thời các DTC ( mã chẩn đoán hư hỏng) được lưu vào trong bộ nhớ

Ta căn cứ vào bảng chỉ dẫn dưới đây để biết được các hư hỏng liên quan khi các đènbáo sáng lên

Hệ thống này còn có chức năng kiểm tra tín hiệu của các cảm biến

Ngoài ra hệ thống còn có khả năng tự chẩn đoán và ghi nhận mã lỗi vào bộ nhớ củaECU tương tự như các hệ thống ABS, EBD, TRC, BA trước đây nhờ đó việc phát hiệnhỏng hóc cũng có thể được thực hiện dễ dàng

Ta có thể đọc các DTC bằng 2 cách:

- Nối máy chẩn đoán vơí DLC3 để nối thông trực tiếp với ECU

- Nối tắt giữa chân TC và CG của giắc DLC3

Và đọc số liệu trên máy hay quan sát các kiểu nháy của đèn báo