Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS) kết nối máy tính phục vụ đào tạo

Chất lượng của một hệ thống phanh trên ôtô được đánh giá thông qua tính hiệu quả phanh thể hiện qua các chỉ tiêu như quãng đường phanh, gia tốc chậm dần, thời gian phanh và lực phanh, đồ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHẬN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG KHOA SAU ĐẠI HỌC

Khánh Hòa - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các kết quả, số liệu nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng được ai công

bố trong bất kì công trình nào

Tác giả

Ngô Phạm Hồng Phước

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận văn này

Trước hết tôi xin kính gửi đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ nhiệm Khoa Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Giao thông và Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang sự kính trọng, sự tự hào được học tập và nghiên cứu tại trường trong những năm qua

Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được giành cho thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhận

- Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Nam Việt đã tận tình hướng dẫn, động viên để tôi hoàn thành luận văn

Xin cám ơn: Thầy PGS TS Trần Gia Thái - Trưởng khoa Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang và các thầy cô phản biện đã cho tôi những lời khuyên quý báu để công trình nghiên cứu được hoàn thành có chất lượng

Đặc biệt xin được ghi nhớ tình cảm, sự giúp đỡ của: Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng nghề Thanh niên dân tộc Tây Nguyên, quí thầy cô giáo trong Khoa Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Giao thông - Trường Đại học Nha Trang, gia đình và bạn bè thân thiết luôn luôn chia sẻ cùng tôi trong quá trình nghiên cứu

Học viên

Ngô Phạm Hồng Phước

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 SƠ LƯỢC VỀ MÔ HÌNH ABS Ở NƯỚC TA 4

1.2 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY 4

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 7

1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 7

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7

1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 7

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 QUÁ TRÌNH PHANH ÔTÔ 9

2.1.1 Chức năng của hệ thống phanh ôtô 9

2.1.2 Quá trình phanh ôtô 9

2.2 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHANH 10

2.2.1 Trọng lực (G) 11

2.2.2 Lực cản dốc (Pi) 11

2.2.3 Phản lực vuông góc (Z) 11

2.2.4 Lực cản lăn (Pf) 12

2.2.5 Lực cản không khí (Pω) 13

2.2.6 Lực quán tính (Pj) 13

2.2.7 Lực kéo Remorque (Pm) 14

2.2.8 Lực và moment tác dụng lên bánh xe khi phanh 14

2.3 ĐIỀU KIỆN ĐẢM BẢO PHANH TỐI ƯU 15

2.4 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH PHANH 17

2.4.1 Gia tốc chậm dần khi phanh 17

2.4.2 Thời gian phanh (tp) 18

2.4.3 Quãng đường phanh 19

2.4.4 Lực phanh riêng 20

2.5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ABS 20

2.5.1 Hệ số bám 20

2.5.2 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 22

2.5.2.1 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 22

2.5.2.2 Đặc tính trượt khi phanh 24

2.5.3 Mục tiêu của ABS 26

2.5.4 Hiệu quả của ABS 28

2.5.4.1 Lợi về tính hiệu quả phanh 28

2.5.4.2 Lợi về tính ổn định phanh 30

2.5.5 Quá trình điều khiển của ABS 31

2.5.5.1 Yêu cầu của ABS 31

2.5.5.2 Phạm vi điều khiển của ABS 32

2.5.5.3 Đặc tính trượt lý tưởng 34

2.5.5.4 Chu trình điều khiển của ABS 36

2.5.5.5 Tín hiệu điều khiển ABS 39

2.5.5.6 Quá trình điều khiển của ABS 40

2.5.5.7 Các phương pháp điều khiển của ABS 42

2.5.5.8 Các phương án bố trí điều khiển ABS 43

2.6 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ABS 46

2.6.1 Giới thiệu chung 46

2.6.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết của ABS 48

2.6.2.1 Cảm biến tốc độ bánh xe 48

2.6.2.2 Cảm biến giảm tốc 49

2.6.2.3 Cảm biến gia tốc ngang 51

2.6.2.4 Hộp điều khiển hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS ECU) 52

2.6.2.5 Bộ chấp hành thủy lực 55

2.6.3 Các chức năng kiểm tra, chẩn đoán và an toàn 61

2.6.3.1 Điều khiển các rơ le 61

2.6.3.2 Chức năng kiểm tra ban đầu và kiểm tra các cảm biến 62

2.6.3.3.Chức năng chẩn đoán 62

2.6.3.4 Chức năng an toàn 62

Chương 3 - NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH PHANH CHỐNG HÃM CỨNG (ABS) KẾT NỐI MÁY TÍNH 63

3.1 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ 63

3.2 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU ĐỐI VỚI MÔ HÌNH 63

3.2.1 Mục đích 64

3.2.2 Yêu cầu 64

3.3 THIẾT KẾ CÁC BÀI THỰC HÀNH TRÊN MÔ HÌNH 64

3.3.1 Bài thực hành số 1: 64

3.3.1.1 Chuẩn bị 64

3.3.1.2 Trình tự thực hiện 65

3.3.2 Bài thực hành số 2: 66

3.3.2.1 Chuẩn bị 66

3.3.2.2 Trình tự thực hiện 67

3.3.3 Bài thực hành số 3: 70

3.3.3.1 Chuẩn bị 70

3.3.3.2 Trình tự thực hiện 70

3.4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ABS 74

3.4.1 Phương án thiết kế 74

3.4.2 Thiết kế, chế tạo mô hình 75

3.4.2.1 Dự trù thiết bị, vật tư của mô hình 75

3.4.2.2 Thiết kế, chế tạo mô hình 77

3.4.2.3 Chọn vật liệu gia công 78

3.4.2.4 Một số hình ảnh mô hình thực tế trong quá trình gia công 81

3.5 THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH PHẦN MỀM KẾT NỐI MÁY TÍNH 82

3.5.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng LABVIEW 82

3.5.1.1 Giới thiệu chung 82

3.5.1.2 VI (Vitual Instrument) - Thiết bị ảo 83

3.5.1.3 Front Panel và Block Diagram 83

3.5.2 Giới thiệu một số vi điều khiển 85

3.5.2.1 Vi điều khiển ATmega16 85

3.5.2.2 Vi điều khiển ATmega8: 87

3.5.3 Thiết kế, chế tạo mạch giao tiếp máy tính 90

3.5.3.1 Thiết kế sơ đồ khối 90

3.5.3.2 Thiết kế, chế tạo mạch Salve 90

3.5.3.3 Thiết kế, chế tạo mạch trung tâm 93

3.5.3.4 Lưu đồ thuật toán 97

3.5.3.5 Phần mềm giao tiếp trên máy tính 98

3.6 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 100

3.6.1 Một số hình ảnh thực tế của mô hình sau khi chế tạo 100

3.6.2 Hướng dẫn sử dụng 101

3.6.2.1 Điện áp sử dụng cho mô hình: 101

3.6.2.2 Vận hành mô hình: 101

3.6.3 Một số kết quả tính toán và thực nghiệm trên mô hình 103

3.6.3.1 Tính áp suất cực đại dòng chất lỏng trên mô hình 103

3.6.3.2 Thực nghiệm 1: 106

3.6.3.3 Thực nghiệm 2: 108

3.6.3.4 Kết luận 109

Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 110

4.1 KẾT LUẬN 110

4.2 ĐỀ XUẤT 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ABS : Anti- lock Braking System (Hệ thống phanh chống hãm cứng)

ABS ECU : Anti- lock Braking System Electronic Contol Unit (Hộp điều khiển điện

tử hệ thống phanh chống hãm cứng)

ADC : Analog to Digital Converter (Bộ chuyển đổi tương tự sang số)

ALU Arithmetic Logic Unit (Bộ xử lý logic toán học)

AVR : Tên riêng của một loại vi điều khiển

BITE : Buiit In Test Equipment (Chu trình kiểm tra)

CISC : Complex Instruction Set Computer (Máy tính dùng tập lệnh phức) EEFROM : Electrically Erasable Programmable Read- Only Memory (Bộ nhớ có thể

đọc ghi xóa bằng điện)

LABVIEW : Virtual Instrument Engineering Workbench (Phần mềm lập trình đồ họa)

LED : Light Emited Diod (Diod phát quang )

OP- AMP Operational Amplifier (Bộ khuếch đại)

PWM : Pulse Width Modulator (Bộ điều chế xung)

RISC : Reduced Instruction Set Computer (máy tính dùng tập lệnh rút gọn) RTC : Read - Time Clock (bộ đếm thời gian thực)

SPI : Serial Peripheral Interface (Chuẩn truyền đồng bộ nối tiếp)

SRAM : Static Random Access Memory (Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh) USART : Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter

(Bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ)

VI : Vitual Instrument (Thiết bị ảo)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh hiệu quả phanh của ABS với hệ thống phanh thường 29

Bảng 2.2 Các chế độ hoạt động của bộ chấp hành van 2 vị trí 61

Bảng 3.1 Bảng mã chẩn đoán hư hỏng của ABS 68

Bảng 3.2 Các hư hỏng thường gặp của ABS 73

Bảng 3.3 Thứ tự các Pan của mô hình 102

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn moment và lực phanh khi ABS không hoạt động 5

Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn moment và lực phanh khi ABS hoạt động 5

Hình 1.3 Mô hình ABS do công ty Tân phát chế tạo 6

Hình 2.1 Lực và moment tác dụng lên ôtô khi phanh 1

Hình 2.2 Phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe 12

Hình 2.3 Lực và moment tác dụng lên bánh xe khi phanh 14

Hình 2.4 Lực tác dụng lên ôtô khi phanh 15

Hình 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám 22

Hình 2.6 Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết 23

Hình 2.7 Đặc tính trượt khi phanh 24

Hình 2.8 Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhau 24

Hình 2.9 Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS 27

Hình 2.10 Sự thay đổi tốc độ góc, tốc độ ôtô và độ trượt theo thời gian khi phanh có ABS 28

Hình 2.11 Sự lệch hướng của ôtô khi phanh 30

Hình 2.12 Phạm vi điều khiển của ABS 33

Hình 2.13 Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe 34

Hình 2.14 Đặc tính trượt lý tưởng 35

Hình 2.15 Quá trình phanh cơ bản theo đặc tính trượt lý tưởng 35

Hình 2.16 Chu trình điều khiển kín của ABS 36

Hình 2.17 Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS 37

Hình 2.18 Vòng lặp hoạt động của ABS 38

Hình 2.19 Quá trình điều khiển của ABS 41

Hình 2.20 Các phương án điều khiển của ABS 44

Hình 2.21 Hiệu quả phanh và ổn định đối với các phương án ABS khác nhau 45

Hình 2.22 Sơ đồ cấu tạo một ABS trên xe 46

Hình 2.23 Sơ đồ điều khiển của ABS 47

Hình 2.24 Cảm biến tốc độ bánh xe loại điện từ 48

Hình 2.25 Tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe 49

Hình 2.26 Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh xe loại nam châm quay 49

Hình 2.27 Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc 50

Hình 2.28 Các chế độ hoạt động của cảm biến giảm tốc 51

Hình 2.29 Cảm biến gia tốc ngang 52

Hình 2.30 Các chức năng điều khiển của ECU 53

Hình 2.31 Sơ đồ mạch điện ABS (xe Toyota) 54

Hình 2.32 Điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi phanh 55

Hình 2.33 Bộ chấp hành ABS 56

Hình 2.34 Sơ đồ bộ chấp hành thủy lực 57

Hình 2.35 Chế độ phanh bình thường (ABS không hoạt động) 57

Hình 2.36 Chế độ giảm áp 58

Hình 2.37 Chế độ giữ áp 59

Hình 2.38 Chế độ tăng áp 60

Hình 2.39 Sơ đồ bộ chấp hành thủy lực loại 8 van điện 2 vị trí 60

Hình 2.40 Sơ đồ điều khiển các rơ le van điện và mô tơ bơm 61

Hình 2.41 Đèn báo ABS 62

Hình 3.1 Mã chẩn đoán ABS hoạt động bình thường 67

Hình 3.2 Mã chẩn đoán 11 và 23 68

Hình 3.3 Cụm dẫn động đĩa và cơ cấu phanh bánh xe 77

Hình 3.4 Bản vẽ lắp mô hình ABS 79

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thiết bị trên mô hình ABS 80

Hình 3.6 Mô hình thực tế nhìn từ phía trước 81

Hình 3.7 Mô hình thực tế nhìn từ bên phải 81

Hình 3.8 Front Panel và Block Diagram 83

Hình 3.9 Vị trí Icon và Connector 84

Hình 3.10 Sơ đồ chân ATmega16 86

Hình 3.11 Sơ đồ chân ATmega8 89

Hình 3.12 Thiết kế sơ đồ khối mạch giao tiếp máy tính 90

Hình 3.13 Mạch chỉnh dạng xung tín hiệu đầu vào 91

Hình 3.14 Mạch vi điều khiển Slave 92

Hình 3.15 Sơ đồ mạch in vi mạch điều khiển Slave 92

Hình 3.16 Sơ đồ mạch Slave thực tế (mặt trên và dưới) 93

Hình 3.17 Mạch vi điều khiển trung tâm 93

Hình 3.18 Sơ đồ mạch chuyển đổi chuẩn giao tiếp 94

Hình 3.19 Sơ đồ mạch LCD 94

Hình 3.20 Sơ đồ mạch điều khiển rơ le và đọc code 95

Hình 3.21 Sơ đồ mạch nguồn ổn áp xung 95

Hình 3.22 Sơ đồ mạch in mạch nguồn ổn áp 96

Hình 3.23 Sơ đồ mạch nguồn ổn áp mặt trên 96

Hình 3.24 Sơ đồ mạch nguồn ổn áp mặt dưới 96

Hình 3.25 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển Slave 97

Hình 3.26 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển Master 97

Hình 3.27 Giao diện trạng thái hoạt động ABS 98

Hình 3.28 Giao diện đồ thị quá trình hoạt động của ABS 99

Hình 3.29 Mô hình ABS sau khi chế tạo 100

Hình 3.30 Sơ đồ hệ thống phanh 103

Hình 3.31 Cấu tạo cụm phanh đĩa 103

Hình 3.32 Sơ đồ tính toán bộ trợ lực chân không 105

Hình 3.33 Kết quả thực nghiệm 1 107

Hình 3.34 Kết quả thực nghiệm 2 108

LỜI MỞ ĐẦU

An toàn giao thông là vấn đề quan tâm lớn của mọi người và xã hội khi lượng

xe lưu thông trên đường ngày càng nhiều Hệ thống phanh chống hãm cứng với chức năng chống hãm cứng bánh xe khi phanh, làm tăng hiệu suất phanh, đảm bảo tính ổn định chuyển động của xe đang đem lại những hiệu quả thiết thực và là xu hướng đang phát triển mạnh

Thực tiễn ở nước ta hiện nay, do đặc thù nền kinh tế mới phát triển và mở cửa,

số lượng ôtô đang tăng nhanh và đa dạng, phong phú về chủng loại Đồng thời đang hình thành một nền công nghiệp sản xuất ôtô còn non trẻ với nhiều tiềm năng to lớn, đang đòi hỏi chúng ta phải nỗ lực hòa nhập và tiếp cận, tiếp thu các quy trình công nghệ, kỹ thuật cao để vận dụng và khai thác có hiệu quả

Hệ thống phanh (Brake System) là cơ cấu an toàn chủ động của ôtô, dùng để giảm

tốc độ hay dừng và đỗ ôtô trong những trường hợp cần thiết Nó là một trong những cụm

tổng thành chính và đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển ôtô trên đường Chất lượng của một hệ thống phanh trên ôtô được đánh giá thông qua tính hiệu quả phanh (thể hiện qua các chỉ tiêu như quãng đường phanh, gia tốc chậm dần, thời gian phanh

và lực phanh), đồng thời đảm bảo tính ổn định chuyển động của ôtô khi phanh Đây là vấn đề luôn được quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học, các chuyên gia kỹ thuật trong ngành công nghệ ôtô

Một vấn đề lớn và cũng là bài toán quan trọng cần phải giải quyết đối với hoạt động của hệ thống phanh, đó là khi ôtô phanh gấp hay phanh trên các loại đường có hệ

số bám (ϕ) thấp như đường trơn, đường đóng băng, tuyết thì dễ xảy ra hiện tượng sớm

bị hãm cứng bánh xe, tức là hiện tượng bánh xe bị trượt lết trên đường khi phanh Khi

đó quãng đường phanh sẽ kéo dài hơn (hiệu quả phanh thấp đi), dẫn đến tình trạng mất tính ổn định hướng và khả năng điều khiển của ôtô Khi các bánh xe trước sớm bị bó cứng làm cho xe không thể chuyển hướng theo sự điều khiển được; Khi các bánh sau

bị bó cứng, do sự khác nhau về hệ số bám giữa bánh trái và bánh phải với mặt đường nên làm cho đuôi xe bị lạng, xe bị trượt ngang Trong trường hợp xe phanh khi đang quay vòng, hiện tượng trượt ngang của các bánh xe dễ dẫn đến các hiện tượng quay vòng thiếu hay quay vòng thừa làm mất tính ổn định khi xe quay vòng

Để giải quyết bài toán về vấn đề hiệu quả và tính ổn định khi phanh, phần lớn các ôtô hiện nay đều được trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh, gọi là

hệ thống “Anti - lock Braking System” và thường được viết và gọi tắt là ABS Hệ thống hoạt động chống hiện tượng bị hãm cứng của bánh xe bằng cách điều khiển thay đổi áp suất dầu tác dụng lên các cơ cấu phanh ở các bánh xe để ngăn không cho nó bị hãm cứng khi phanh trên đường trơn hay khi phanh gấp, đảm bảo tính hiệu quả và tính

ổn định của ôtô trong quá trình phanh

Ngày nay, ABS giữ một vai trò quan trọng không thể thiếu trong các hệ thống phanh hiện đại và trở thành tiêu chuẩn bắt buộc đối với phần lớn các nước sản xuất ôtô trên thế giới Ở thị trường Việt Nam, ngoài một phần lớn các xe ôtô nhập cũ đã qua sử dụng, một số loại xe ôtô được lắp ráp trong nước cũng đã trang bị hệ thống này Tại cuộc hội thảo khoa học “Quản lý - Kỹ thuật trong công tác đăng kiểm phương tiện cơ giới đường bộ - Nha Trang - 2000”, các nhà quản lý, nhà khoa học và chuyên gia đầu ngành cũng đã đề xuất đến vấn đề ban hành các tiêu chuẩn quy định về việc sử dụng ôtô có trang bị ABS với các mốc thời gian cụ thể

Để sử dụng và khai thác có hiệu quả tất cả các tính năng ưu việt của ABS nói riêng

và của ôtô nói chung, việc nghiên cứu và nắm vững hệ thống này là cần thiết Nội dung về

hệ thống này đã được một số trường đại học, cao đẳng chuyên ngành, các trường dạy nghề đưa vào giảng dạy trong nhiều năm qua nhưng nhìn chung hiệu quả chưa cao vì có những khó khăn chung như: tài liệu tham khảo chưa nhiều, còn tản mạn và thiếu tính hệ thống; các mô hình, thiết bị để phục vụ cho công tác giảng dạy thực hành vẫn còn rất ít, thiếu tính đồng bộ, chưa hoạt động hoàn thiện, chỉ đơn thuần là một mô hình cấu tạo Vì vậy nội dung truyền đạt cho sinh viên về hệ thống này vẫn còn đơn điệu, nghiêng về cấu tạo và hoạt động đơn giản của hệ thống, thiếu tính sinh động và thực tiễn

Với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy, học tập và nghiên cứu đối

với học sinh, sinh viên Bản thân học viên chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô

hình hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS) kết nối máy tính phục vụ đào tạo”

Cấu trúc của Luận văn gồm 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Chương 3: Kết quả nghiên cứu

- Chương 4: Kết luận và Đề xuất

Mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu, tuy nhiên đây là lần đầu độc lập thực hiện một công trình mang tính tổng hợp và nghiên cứu khoa học, với kiến thức bản thân còn hạn chế nên khó tránh khỏi những sai sót

Rất mong được quý Thầy, Cô và đồng nghiệp góp ý chân thành để luận văn được hoàn thiện hơn

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 SƠ LƯỢC VỀ MÔ HÌNH ABS Ở NƯỚC TA

Nhờ sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ABS và đưa vào ứng dụng có hiệu quả, ngày càng cải tiến và tối

ưu hóa quá trình điều khiển của hệ thống Theo đó, nội dung chương trình và công nghệ chế tạo mô hình để phục vụ cho công tác giảng dạy cũng được làm rất tốt Những kết cấu mới, hệ thống mới được đưa ra sử dụng bên ngoài cũng đều được đưa lên mô hình để giảng dạy

Các mô hình ABS thường được chế tạo dựa trên các chi tiết thật của ôtô và có các dạng: mô hình các cụm chi tiết rời, mô hình cắt các chi tiết, mô hình cấu tạo của hệ thống và mô hình làm việc Các mô hình làm việc của ABS do các công ty chuyên sản xuất thiết bị dạy học ở các nước sản xuất được thiết kế trên sa bàn và bố trí đầy đủ như một hệ thống thật trên xe, có thể xem như một hệ thống phanh trên xe thu nhỏ lại Giá thành của các mô hình như vậy là rất cao

Trong thời gian qua, việc giảng dạy về ABS ở nước ta còn gặp nhiều khó khăn, cả

về tài liệu lẫn thiết bị Nhiều trường đưa nội dung này vào giảng dạy nhưng vẫn còn đơn giản, nhìn chung mức đầu tư chưa xứng tầm với nhu cầu phát triển hiện nay

Đặc biệt, về mảng thiết bị và mô hình dạy học về ABS, do giá thành của các thiết bị ngoại nhập quá cao, nhiều trường khó có thể trang bị Việc nghiên cứu và chế tạo các mô hình dạy học ở trong nước vẫn còn ở mức quy mô nhỏ, phần lớn là do nhu cầu cấp thiết của công tác giảng dạy, nên tự thiết kế và thi công Một số công ty sản xuất đồ dùng dạy học ở nước ta cũng đã nghiên cứu, chế tạo nhiều thiết bị, mô hình dạy học, nhưng về ABS gần như rất ít và đơn giản, phần lớn là chỉ dùng để dạy cấu tạo

và giới thiệu nguyên lý hoạt động cơ bản, thiếu một số chức năng cần thiết để học tập

và nghiên cứu trên mô hình, như không quan sát được các chế độ hoạt động của hệ thống, không đo kiểm được một số thông số cơ bản, …

1.2 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY

- Năm 2004, tại trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã có

luận văn thạc sĩ về ABS của Huỳnh Phước Sơn về đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình

hoạt động của ABS và biên soạn tài liệu giảng dạy”

Tuy nhiên đề tài này chỉ dừng lại ở phần mô hình đơn thuần và chỉ thể hiện hoạt động ABS loại van điện ba vị trí của một bánh xe, không có phần kết nối máy tính nên chưa thể hiện được hoạt động của một số bộ phận của hệ thống phanh chống hãm cứng Kết quả của đề tài này (xem hình 1.1, 1.2) chỉ khảo sát moment và lực phanh trên mô hình và một số bài tập đơn giản trên mô hình chưa đáp ứng được thực tế phát triển của ngành công nghiệp ô tô và giảng dạy hiện nay

Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn moment và lực phanh khi ABS không hoạt động [12]

Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn moment và lực phanh khi ABS hoạt động[12]

- Hiện nay một số công ty thiết bị trường học mà điển hình là công ty thiết bị dạy nghề Tân Phát hàng đầu về thiết bị dạy nghề ô tô đã có sản xuất mô hình ABS được chế tạo trên bốn bánh xe và sử dụng bốn mô tơ kéo riêng biệt nhưng cũng chỉ là

mô hình đơn thuần, không có phần kết nối máy tính (xem hình 1.3) hoặc các mô hình

ABS một bánh xe có kết nối máy tính nhưng được lập trình trên các phần mềm đơn giản chỉ thể hiện dưới dạng sóng hình sin, không thể hiện được các giai đoạn hoạt động của ABS như cơ sở lý thuyết ABS

Hình 1.3 Mô hình ABS do công ty Tân phát chế tạo

Như vậy, với các thiết bị và mô hình đã có, chưa thể đáp ứng được nhu cầu giảng dạy hiện nay

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS) kết nối máy tính thể hiện được các chế độ hoạt động của các bộ phận ABS phù hợp với tình hình giảng dạy hiện nay

Mô hình được chế tạo với các thiết bị thật của ôtô hiện nay sử dụng phổ biến và mô phỏng bằng phần mềm LabWiew là phù hợp và không trùng lắp với các công trình đã nghiên cứu trước đây

Tính mới của đề tài là chế tạo mạch kết nối máy tính và mô phỏng hoạt động của các bộ phận, chi tiết tương ứng với cơ sở lý thuyết, giúp người học nắm vững các kiến thức về ABS

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Trong khuôn khổ một đề tài tốt nghiệp cao học, đề tài nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình ABS kết nối máy tính phục vụ đào tạo với mục tiêu:

- Biên soạn các bài giảng thực hành về ABS phục vụ cho công tác giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành cơ khí ôtô trong các trường đại học, cao đẳng, các lớp chuyên đề về ôtô

- Thiết kế và chế tạo một mô hình ABS trên cơ sở các thiết bị của một ôtô thật

và lập trình phần mềm kết nối máy tính phục vụ cho công tác giảng dạy thực hành, từ

đó có thể tiến hành các thực nghiệm về hoạt động của hệ thống và có những nhận xét, đánh giá và giải thích, giúp củng cố các kiến thức lý thuyết cơ bản Tiến tới nghiên cứu chế tạo một số bộ phận đơn giản thay thế cho phụ tùng nhập khẩu

1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Mô hình ABS với phụ tùng của ôtô Toyota Camry, Lexus sản xuất năm 2002 - 2006

Bộ kết nối với máy tính và mô phỏng bằng phần mềm LABVIEW

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trong điều kiện hạn chế về kinh phí và thời gian nên đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi một mô hình phục vụ thực hành trên ABS loại van điện 2 vị trí sử dụng phổ biến hiện nay

Mô phỏng một số hoạt động như:

- Diễn biến quá trình hoạt động của cảm biến tốc độ bánh xe

- Hoạt động của van điều khiển áp suất dầu phanh (solenoid) bộ chấp hành

- Trạng thái hoạt động của đèn báo lỗi

- Tạo pan và đọc mã lỗi ABS

1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Việc nghiên cứu, khảo sát hoạt động của ABS trên xe thật là khó khăn vì hệ thống có cấu tạo phức tạp, đồng thời về điều kiện nghiên cứu và kinh phí đối với sinh viên và học viên là có hạn và thực tế tại trường Cao đẳng nghề Thanh niên Dân tộc Tây Nguyên hơn 70% là người dân tộc thiểu số nên trình độ tiếp thu của học sinh, sinh viên hạn chế Một số công ty sản xuất đồ dùng dạy học ở nước ta cũng đã nghiên cứu chế tạo nhiều thiết bị, mô hình dạy học về ABS, phần lớn là chỉ dùng để dạy về cấu tạo

và giới thiệu về nguyên lý hoạt động cơ bản của cả hệ thống, phần mềm tạo lỗi Các

mô hình này thiếu một số chức năng cần thiết để phục vụ cho việc học tập và nghiên

cứu trên mô hình như: không quan sát được các chế độ hoạt động của một số bộ phận, chi tiết

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS) kết nối máy tính phục vụ đào tạo dưới hình thức thu gọn một hệ thống ABS

thật trên xe thành một mô hình dạng đơn giản, hoạt động tốt và được kết nối với máy

vi tính để quan sát được diễn biến quá trình hoạt động của cảm biến tốc độ bánh xe, hoạt động của van điều khiển áp suất dầu phanh (solenoid) của bộ chấp hành, trạng thái hoạt động của đèn báo lỗi, tạo lỗi và đọc mã lỗi ABS, phù hợp với yêu cầu học tập

và nghiên cứu chế độ hoạt động của từng bộ phận, chi tiết tiến tới chế tạo các chi tiết thay thế cho hệ thống

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 QUÁ TRÌNH PHANH ÔTÔ

2.1.1 Chức năng của hệ thống phanh ôtô

Hệ thống phanh của ôtô có những chức năng sau đây:

- Giảm vận tốc của ôtô đến một trị số xác định hoặc đến khi dừng hẳn

- Duy trì vận tốc của ôtô ở một trị số xác định trong trường hợp ôtô chuyển động xuống dốc

- Đảm bảo ôtô không chuyển động khi đang đứng trên đường dốc hoặc khi không có mặt của người lái

2.1.2 Quá trình phanh ôtô

Khi ôtô đang chuyển động, nếu người lái cắt nguồn động lực đến các bánh xe chủ động, vận tốc của ôtô sẽ giảm dần và dừng hẳn sau một thời gian nhất định do động năng của ôtô tiêu hao dần cho các loại lực cản chuyển động như lực cản lăn (Pf), lực cản của không khí (Pω), lực ma sát (Pms) trong các bộ phận chuyển động của ôtô Tuy nhiên, các loại lực cản tự nhiên nói trên sẽ không đủ lớn khi muốn giảm nhanh vận tốc của ôtô hoặc duy trì vận tốc của ôtô khi đang chạy xuống dốc Bởi vậy, ôtô phải được trang bị hệ thống phanh để tạo ra một loại lực cản nhân tạo là lực phanh (Pp)

- trong những trường hợp cần thiết Quá trình tạo ra và duy trì lực phanh được gọi là quá trình phanh Căn cứ vào mục đích phanh, có thể phân biệt các quá trình phanh:

- Phanh chậm dần: còn gọi là hãm ôtô, được sử dụng để dừng xe ở một vị trí đã định hoặc giảm từ từ vận tốc của xe Trong quá trình phanh chậm dần, động năng của xe được tiêu hao bởi cả 2 loại lực cản: lực cản tự nhiên (Pf, Pω,

Pms) và lực cản nhân tạo (Pp) [8]

Quá trình phanh chậm dần có thể được thực hiện nhờ hệ thống phanh chính hoặc hệ thống phanh hãm chuyên dụng Hệ thống phanh hãm chuyên dụng thường được trang bị cho các loại xe tải cỡ lớn để hãm ôtô khi chuyển động xuống dốc trên đoạn đường dốc dài nhằm tránh sử dụng hệ thống phanh chính và đảm bảo hệ thống phanh chính luôn trong tình trạng kỹ thuật tốt, sẵn sàng cho sử dụng trong những trường hợp phanh khẩn cấp Trên các loại ôtô tải trọng nhỏ và trung bình, thông thường hệ thống phanh chính đảm nhiệm luôn chức năng của hệ thống phanh hãm Ngoài ra, người điều khiển còn có thể sử dụng động cơ và hộp số như một hệ thống

phanh phụ Phương pháp phanh ôtô bằng động cơ được thực hiện khi không cắt ly hợp, lực phanh được hình thành trên các bánh xe là do moment phanh của động cơ, moment ma sát trong hệ thống truyền lực và ở các bánh xe sinh ra Phương pháp này thường được sử dụng khi cần giảm từ từ vận tốc của ôtô hoặc sử dụng khi ôtô

di chuyển động xuống dốc dài với vận tốc vừa phải [8]

- Phanh khẩn cấp: là quá trình phanh khi lái xe phát hiện tình huống phải phanh để dừng xe trong thời gian ngắn nhất có thể Khi phanh khẩn cấp, động năng của xe bị tiêu hao chủ yếu bởi lực cản nhân tạo (khoảng 90 %), còn phần động năng

bị tiêu hao bởi lực cản của đường và của không khí là rất nhỏ

- Phanh tại chỗ: được sử dụng để ngăn ngừa sự chuyển động của xe khi xe đang đứng tại chỗ

Hệ thống phanh không chỉ đảm bảo tính an toàn khi vận hành mà còn cho phép nâng cao vận tốc trung bình của ôtô, qua đó nâng cao hiệu quả khai thác Xu hướng chung là vận tốc của ôtô ngày càng được nâng cao, bởi vậy việc nghiên cứu hoàn thiện

hệ thống phanh ôtô luôn là một yêu cầu cần thiết

Hệ thống phanh của ôtô cần đáp ứng các yêu cầu sau đây:

- Đảm bảo đạt được tính năng phanh cao

- Lực cần thiết tác dụng lên cơ cấu điều khiển phanh (bàn đạp phanh) không quá lớn để việc điều khiển nhẹ nhàng (đảm bảo tỷ lệ thuận giữa lực tác dụng lên cơ cấu điều khiển phanh và lực phanh trên bánh xe)

- Thời gian phản ứng của hệ thống phanh ngắn

- Hoạt động tin cậy trong thời gian dài [8]

2.2 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHANH

Các lực và moment tác dụng lên ôtô trong quá trình phanh thể hiện trên hình 2.1

2.2.1 Trọng lực (G)

Lực hút của trái đất tác dụng lên khối lượng của xe Trọng lực có phương vuông góc với mặt đất, có chiều thẳng đứng, điểm đặt tại trọng tâm của xe và được xác định theo biểu thức.[8]

bánh xe tiếp xúc với nhau ở vô số điểm và tạo nên vùng tiếp xúc Tại mỗi điểm tiếp xúc trên bánh xe sẽ có một phản lực thành phần tác dụng từ mặt đường Tổng của tất

cả các lực thành phần đó được gọi là phản lực tổng hợp từ mặt đường hay gọi tắt là phản lực của mặt đường Phản lực của mặt đường có điểm đặt tại tâm vùng tiếp xúc

Để tiện trong nghiên cứu, người ta thường phân tích phản lực của mặt đường thành 3 thành phần: Z, X và Y [8]

- Phản lực vuông góc (Z): là thành phần có phương vuông góc với mặt đường

Trong đó: Z1 - Lực đỡ các bánh xe trước, Z2 - Lực đỡ các bánh xe sau

- Phản lực tiếp tuyến (X): thành phần tác dụng trong mặt phẳng song song với mặt đường và có phương cùng phương chuyển động của ôtô

- Phản lực ngang (Y): thành phần tác dụng trong mặt phẳng song song với mặt đường và theo phương ngang

Hình 2.2 Phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe [8]

G b1 - Trọng lực phân bố trên trục trước; G b2 - Trọng lực phân bố trên trục sau;

Gϕ - Trọng lượng bám của xe; Gϕ1 - Trọng lượng

2.2.4 Lực cản lăn (P f )

Lực xuất hiện do ma sát giữa bánh xe với mặt đường và do biến dạng của bánh xe với mặt đường có phương song song với mặt đường, được xác định theo công thức: [1]

Pf = Pf1 + Pf2 (2.4)

Các lực cản lăn Pf1, Pf2 ở bánh xe trước và sau có giá trị:

Pf1 = f1.Z1

Pf2 = f2.Z2Trong đó: f1, f2 là hệ số cản lăn tương ứng ở các bánh xe trước và bánh sau nếu coi f1= f2 = f ta có: [1]

Pf = f.G cosα = Pi.cosα (2.5) Khi ôtô chuyển động trên đường nằm ngang: Pf = f.G

2.2.5 Lực cản không khí (P ω)

Khi ôtô chuyển động làm thay đổi áp suất không khí trên bề mặt của nó làm xuất hiện dòng xoáy khi ở phần sau của ôtô và gây ra ma sát giữa không khí với bề mặt của chúng và sinh ra lực cản của không khí, có chiều ngược hoặc cùng chiều chuyển động của xe tùy thuộc vào vận tốc của gió và của xe có phương song song với

mặt đường có điểm đặt tại tâm diện tích tiếp xúc và được xác định theo công thức: [1]

Pω= KFvo2 (2.6) Trong đó:

K - hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào dạng ôtô và chất lượng bề mặt của nó, phụ thuộc vào mật độ không khí, Ns2/m4;

F - diện tích cản chính diện của ôtô, nghĩa là diện tích hình chiếu của ôtô trên mặt phẳng vuông góc với trục dọc của chúng, m2;

vo - tốc độ tương đối giữa ôtô và không khí, m/s

2.2.6 Lực quán tính (P j)

Xuất hiện do sự thay đổi vận tốc của ôtô lực quán tính gồm các thành phần sau: Lực quán tính do gia tốc của các khối lượng chuyển động tịnh tiến (Pj’) và các khối lượng chuyển động quay (Pj’’) có chiều cùng chiều hay ngược chiều tùy thuộc vào chiều chuyển động gia tốc của xe có phương song song với mặt đường điểm đặt

tại tâm của ôtô và được xác định theo công thức: [1]

Q - là trọng lượng toàn bộ remorque;

n - Số lượng remorque được kéo;

ψ: là hệ số cản tổng cộng của đường

2.2.8 Lực và moment tác dụng lên bánh xe khi phanh

Hình 2.3 Lực và moment tác dụng lên bánh xe khi phanh [1]

Khi phanh, ở bánh xe xuất hiện các lực và moment sau:

Pφ - lực bám giữa bánh xe với mặt đường

Gb - tải trọng tác dụng lên bánh xe

Zb - phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe

Cơ cấu phanh sinh ra một moment ma sát gọi là moment phanhM p nhằm hãm bánh xe lại; khi đó bánh xe chuyển động với gia tốc chậm dần, do đó trên bánh xe sẽ

có moment quán tính M jb tác dụng, moment này cùng với chiều chuyển động của bánh

xe Ngoài ra còn có moment cản lăn Mf tác dụng, moment này ngược với chiều chuyển động và có tác dụng hãm bánh xe lại Tuy nhiên, thực nghiệm chứng tỏ rằng moment cản lăn trong trường hợp này có giá trị rất bé so với moment phanh, vì thế có thể bỏ qua Xem như chỉ có moment phanh dùng để cản lại moment quán tính Lúc đó ở bánh

xe xuất hiện phản lực tiếp tuyến P p ngược với chiều chuyển động (hình 2.3) Phản lực tiếp tuyến này được gọi là lực phanh và xác định theo biểu thức: [1]

p p r

M

Trong đó:

Mp - moment phanh tác dụng lên bánh xe;

Pp - lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường

b

r - là bán kính tính toán của bánh xe

Lực phanh P p có giá trị bằng Pξ nhưng ngược chiều (bỏ qua lực cản lăn P f) Lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường [1]

Ppmax = Pφ = Zb.φ (2.10)

2.3 ĐIỀU KIỆN ĐẢM BẢO PHANH TỐI ƯU

Để xét điều kiện đảm bảo phanh tối ưu (phanh có hiệu quả nhất) ta xét trường

hợp ôtô không kéo remorque chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang

Hình 2.4 Lực tác dụng lên ôtô khi phanh [1]

Khi phanh sẽ có những lực sau tác dụng lên ôtô: trọng lượng G, lực cản lăn Pf1

và Pf2, phản lực Z1, Z2, lực phanh Pp1, Pp2, lực cản không khí Pω, lực quán tính Pj sinh

ra do khi phanh sẽ có gia tốc chậm dần

Lực phanh Pp1, Pp2 đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường và ngược với chiều chuyển động của ôtô, lực quán tính Pj đặt tại trọng tâm và cùng chiều chuyển động của ôtô Lực quán tính khi phanh được xác định theo biểu thức: [1]

Trong đó: jp - gia tốc chậm dần khi phanh

Khi phanh lực cản không khí Pω, lực cản lăn Pf1 và Pf2 không đáng kể, có thể bỏ qua Sự bỏ qua này chỉ gây sai số khoảng 1,5 - 2%

Bằng cách lập các phương trình cân bằng moment của các lực tác dụng lên ôtô đối với các điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, ta có thể xác định các phản lực Z1 và Z2 như sau: [1]

a, b, hg - tọa độ trọng tâm của ôtô;

L - chiều dài cơ sở của ôtô

Thay giá trị Pj vào biểu thức (1.12a) và (1.12b) ta được:

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

ϕϕ

Thay các giá trị của biểu thức (2.12a) và (2.12b) vào (2.15)

1 2

Thay giá trị Pjmax vào (2.16) ta có:

1 2

2.4 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH PHANH 2.4.1 Gia tốc chậm dần khi phanh

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

Pj = Pp + Pf + Pω + Pp + Pη ± Pi (2.19) Trong đó:

Pj - lực quán tính sinh ra khi phanh ôtô;

Pp - lực phanh sinh ra ở các bánh xe ôtô;

Pf - lực cản lăn;

Pω - lực cản không khí;

Pη - lực để thắng các tiêu hao cho ma sát cơ khí (ma sát ổ bi, …);

Pi - lực cản dốc Khi phanh trên đường nằm ngang thì Pi = 0

Để thuận tiện khi phân tích các yếu tố ảnh hưởng và các biện pháp nâng cao tính năng phanh, chúng ta xét trường hợp phanh như sau:

Thực nghiệm chứng tỏ rằng các lực Pf, Pω, Pη cản lại chuyển động của ôtô có giá trị rất nhỏ so với lực phanh Pp Lực phanh chiếm 98% của tổng các lực có xu hướng cản sự chuyển động của ôtô Vì thế có thể bỏ qua các lực Pf, Pω, Pη và khi phanh trên đường nằm ngang (Pi = 0) ta có phương trình: [1]

g

Trong đó: δi- - hệ số tính đến ảnh hưởng các trọng khối quay của ôtô

Từ biểu thức (2.21) có thể xác định gia tốc chậm dần cực đại khi phanh: [1]

2.4.2 Thời gian phanh (t p )

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

i

dv j dt G

ϕδ

Muốn xác định thời gian phanh nhỏ nhất cần tích phân dt trong giới hạn từ thời điểm

ứng với vận tốc phanh ban đầu v1 tới thời điểm ứng với vận tốc v2 ở cuối quá trình phanh:

p

i G

v

ϕ

Trong đó: v1 - vận tốc của xe tại thời điểm bắt đầu phanh,

v2 - vận tốc của xe tại thời điểm kết thúc phanh

Công thức (2.23) cho thấy: thời gian phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc bắt đầu phanh của ôtô, phụ thuộc vào hệ số δi và hệ số bám φ giữa bánh xe với mặt đường Để thời gian phanh nhỏ nhất cần phải giảm δi, vì vậy người lái xe cần phải cắt ly hợp khi phanh

- Thời gian phản ứng của lái xe (t0): khoảng thời gian tính từ thời điểm lái xe quyết định phanh đến thời điểm chạm đến cơ cấu điều khiển phanh

Thời gian phản ứng (t0) phụ thuộc vào khả năng và kỹ năng của lái xe và thường nằm trong khoảng (0,4 ÷ 1,0) giây

- Thời gian phản ứng của hệ thống phanh (t1): khoảng thời gian tính từ thời điểm cơ cấu điều khiển phanh bắt đầu được tác động đến thời điểm xuất hiện gia tốc phanh t1 phụ thuộc vào kiểu dẫn động phanh và tình trạng kỹ thuật của nó

t1 = (0,2 ÷ 0,4) giây - dẫn động phanh thuỷ lực

xe giảm xuống bằng không trước thời điểm lực phanh được loại bỏ thì thời điểm cuối

để tính thời gian phanh là thời điểm xe bắt đầu dừng hẳn [1]

2.4.3 Quãng đường phanh

Quãng đường phanh (Sp) là đoạn đường mà ôtô đi qua tính từ thời điểm bắt đầu phanh đến thời điểm kết thúc phanh Đây là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng phanh của ôtô Để xác định quãng đường phanh nhỏ nhất, có thể sử dụng bằng biểu thức (2.23) bằng cách nhân hai vế với dS (dSp - vi phân của quãng đường) ta có: [1]

ϕδ

Hay là:

i p

M P r

Trong đó:

Pp - lực phanh ôtô;

Mp - moment phanh của các cơ cấu phanh;

rb - bán kính làm việc trung bình của bánh xe

Lực phanh riêng P là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lượng toàn

bộ G của ôtô, nghĩa là:

p P P G

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

max max

p P P

Trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh thì chỉ tiêu quãng đường phanh là đặc trưng nhất và có ý nghĩa quan trọng nhất, vì quãng đường phanh cho phép người lái hình dung được vị trí ôtô dừng trước một chướng ngại vật mà họ phải xử lý để khỏi xảy

ra tai nạn khi người lái phanh xe ở tốc độ ban đầu nào đấy

Cần chú ý rằng bốn chỉ tiêu trên đều có giá trị như nhau, nghĩa là khi đánh giá chất lượng phanh chỉ cần đánh giá một trong bốn chỉ tiêu trên [1]

2.5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ABS

2.5.1 Hệ số bám

Bánh xe là phần tử đàn hồi kết nối giữa ôtô và mặt đường Nhờ có sự bám giữa bánh

xe với mặt đường mới có sự truyền động các moment kéo, moment phanh được tạo ra từ động cơ hay cơ cấu phanh đến mặt đường, giúp cho xe chuyển động hay dừng lại

Sự bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bằng hệ số bám φ Về cơ

bản, có thể xem hệ số bám φ tương tự như hệ số ma sát giữa hai vật thể cơ học Tuy

nhiên do mối quan hệ truyền động giữa bánh xe và mặt đường là vấn đề rất phức tạp,

vừa có tính chất của một ly hợp ma sát, vừa theo nguyên lý ăn khớp giữa bánh răng -

thanh răng, vì ở đây còn có sự mấu bám của bề mặt gai lốp vào mặt đường

Hệ số bám φ giữa bánh xe và mặt đường được chia thành hai thành phần: hệ số

bám trong mặt phẳng dọc, tức là trong mặt phẳng chuyển động của ôtô được gọi là hệ

số bám dọc φx Ngoài ra còn hệ số bám trong mặt phẳng ngang vuông góc với mặt

phẳng dọc và được gọi là hệ số bám ngang φy [5]

Hệ số bám dọc φx được hiểu là tỷ số của lực phanh cực đạiP pmaxtrên tải trọng Gb

tác dụng lên bánh xe và được xác định theo biểu thức: [1]

b

p x G

G

Ymax

=

trong đó: Y max là lực ngang cực đại tác dụng lên bánh xe

Thực nghiệm chứng tỏ rằng hệ số bám φ phụ thuộc bởi nhiều yếu tố như: loại

mặt đường và tình trạng mặt đường, kết cấu và nguyên liệu lốp, áp suất không khí ở

trong lốp, tải trọng tác dụng lên bánh xe, tốc độ chuyển động của xe, điều kiện nhiệt

độ làm việc, độ trượt giữa bánh xe với mặt đường Do đó, trong quá trình chuyển động

của xe, giá trị của hệ số bám φ thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố nêu trên.[5]

Hình 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám [5]

1 Đường khô; 2 Đường ướt

(a) Áp suất trong lốp; (b) Tải trọng thẳng đứng trên bánh xe;

(c) Tốc độ chuyển động của xe; (d) Độ trượt giữa bánh xe và mặt đường

Hình 2.5 trình bày sự thay đổi hệ số bám dọc φx theo áp suất trong lốp, theo tải trọng thẳng đứng, theo tốc độ chuyển động của ôtô và theo độ trượt giữa bánh xe với mặt đường Hệ số bám ngang φy cũng có tính chất tương tự như vậy Từ hình 2.5a, thấy rằng khi tăng áp suất p trong lốp thì hệ số bám lúc đầu tăng lên, nhưng sau đó lại giảm xuống Giá trị hệ số bám cực đại sẽ tương ứng với áp suất qui định của nhà chế tạo Khi tăng tải trọng thẳng đứng lên bánh xe thì hệ số bám sẽ giảm đi một ít và đồ thị

có dạng tuyến tính, khi tăng tốc độ chuyển động thì hệ số bám giảm từ từ theo dạng đường cong Khi đường ướt thì ảnh hưởng của áp suất trong lốp, của tải trọng và tốc

độ chuyển động đến hệ số bám càng lớn (đường số 2 ở các hình 2.5a, b, c) [1, 5]

Đặc biệt là độ trượt λ giữa bánh xe và mặt đường ảnh hưởng rất nhiều đến hệ số bám Khi tăng độ trượt (trượt lết hay trượt quay) của bánh xe thì hệ số bám lúc đầu tăng lên nhanh chóng và đạt giá trị cực đại trong khoảng độ trượt 10 ÷ 30% Nếu độ

trượt tiếp tục tăng thì hệ số bám giảm, khi độ trượt λ=100% (nghĩa là lốp bị trượt lết

hoàn toàn đối với bánh xe khi phanh) thì hệ số bám dọc φx giảm 20 ÷ 30% so với hệ số bám cực đại Khi đường ướt còn có thể giảm nhiều hơn nữa, đến 50 ÷ 60% [1, 5]

2.5.2 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh

2.5.2.1 Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh

Moment phanh do cơ cấu phanh của bánh xe sinh ra, nhưng mặt đường là nơi tiếp nhận thông qua điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường Nên lực phanh lớn

nhất bị giới hạn bởi khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường, mà đặc trưng là hệ số bám φx, theo mối quan hệ sau:

Z - phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe

Từ đây ta thấy khi phanh gấp lực phanh lớn hay khi phanh trên các loại đường có hệ

số bám φ thấp như đường trơn thì phần lực phanh dư vượt quá giới hạn, do mặt đường không có khả năng tiếp nhận sẽ làm bánh xe sớm bị hãm cứng và trượt lết trên đường Cũng theo biểu thức 2.31, ta thấy rằng hệ số bám φ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường Duy trì hệ số bám cao trong quá trình phanh để đạt giá trị lực phanh cực đại là mục tiêu cần quan tâm đối với hệ thống phanh [5]

Hình 2.6 giải thích hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh:

Hình 2.6 Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết [5]

Khi vận tốc thực tế của bánh xe lớn hơn vận tốc lý thuyết của nó sẽ dẫn đến hiện tượng trượt của bánh xe khi phanh với một vận tốc trượt vλ:

vλ = v - v0

Để tính đến ảnh hưởng của sự trượt khi phanh, người ta đưa ra khái niệm

độ trượt khi phanh:

v v v

vλ

Ở trạng thái trượt lết hoàn toàn, tức khi phanh bánh xe bị hãm cứng thì:

ω0 = 0, v0 = 0, r → ∞1 , λ = - 1 Dấu (-) chỉ độ trượt khi phanh Thực tế, người ta tính độ trượt tương đối:

% 100

Khi λ = 100%, bánh xe bị hãm cứng và trượt lết hoàn toàn trên mặt đường

2.5.2.2 Đặc tính trượt khi phanh

Đặc tính trượt là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số bám φ và độ trượt dọc (λ) Trong quá trình phanh, hệ số bám φ thay đổi theo độ trượt λ, thực nghiệm đã

mô tả sự phụ thuộc này thông qua đường đặc tính trượt có dạng như hình 2.7

Hình 2.7 Đặc tính trượt khi phanh [5]

Hình 2.8 Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhau [5]

Hình 2.8 chỉ ra các đường đặc tính trượt, thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc ϕx và hệ số bám ngang ϕy theo độ trượt tương đối λ của bánh xe ứng với các loại đường khác nhau và có thể rút ra một số nhận xét như sau:

- Các hệ số bám dọc ϕx và hệ số bám ngang ϕy đều thay đổi theo độ trượt λ Lúc đầu, khi tăng độ trượt λ thì hệ số bám dọc ϕx tăng lên nhanh chóng và đạt giá trị cực đại trong khoảng độ trượt λ =10 ÷ 30% Nếu độ trượt tiếp tục tăng thì ϕx giảm, khi độ trượt λ = 100% (bánh xe bị trượt lết hoàn toàn khi phanh) thì hệ số bám dọc ϕx giảm

20 ÷ 30% so với hệ số bám cực đại Khi đường ướt còn có thể giảm nhiều hơn nữa, đến 50 ÷ 60% Đối với hệ số bám ngang ϕy, sẽ giảm nhanh khi độ trượt tăng, ở trạng thái trượt lết hoàn toàn thì ϕy giảm xuống gần bằng không

- Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại ϕxmax ở giá trị độ trượt tối ưu λ0 Thực nghiệm chứng tỏ rằng ứng với các loại đường khác nhau thì giá trị λ0 thường nằm chung trong giới hạn từ 10 ÷30 % Ở giá trị độ trượt tối ưu λ0, không những đảm bảo hệ số bám dọc ϕx

có giá trị cực đại mà hệ số bám ngang ϕy cũng có giá trị khá cao

- Vùng a gọi là vùng ổn định, ứng với khi mới bắt đầu phanh, vùng b là vùng không ổn định của đường đặc tính trượt Ở hệ thống phanh thường, khi độ trượt tăng đến giới hạn bị hãm cứng λ = 100% (vùng b), do thực tế sử dụng ϕx < ϕxmax nên chưa tận dụng hết khả năng bám (khả năng tiếp nhận phản lực tiếp tuyến Pϕ= Z b ϕ)

- Ở hệ thống phanh thường, khi phanh đến giới hạn bị hãm cứng λ = 100% thì

hệ số bám ngang ϕy giảm xuống gần bằng không, thậm chí đối với loại đường có hệ

số bám dọc cao như đường bê tông khô, nên khả năng bám ngang không còn nữa, chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng cũng đủ làm cho xe bị trượt ngang, không tốt về phương diện ổn định khi phanh

Trên đây là các nhược điểm cơ bản của hệ thống phanh thường (phanh hãm cứng) vì nó chưa phát huy hết khả năng bám để nâng cao hiệu quả phanh và đảm bảo tính ổn định của xe khi phanh

Như vậy nếu giữ cho quá trình phanh xảy ra ở độ trượt của bánh xe là λ0 thì sẽ

đạt được lực phanh cực đại P pmax = ϕxmax G b, nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất và đảm bảo độ ổn định tốt khi phanh nhờ ϕy ở giá trị cao Một hệ thống phanh chống

hãm cứng (ABS) được thiết kế để thực hiện mục tiêu này [5]

2.5.3 Mục tiêu của ABS

Mục tiêu của ABS là giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị λo để tận dụng được hết khả năng bám, khi đó hiệu quả phanh cao nhất (lực phanh đạt cực đại do giá trị ϕxmax) đồng thời tính ổn định và tính dẫn hướng của xe là tốt nhất (ϕy đạt giá trị cao), thỏa mãn các yêu cầu cơ bản của

hệ thống phanh là rút ngắn quãng đường phanh, cải thiện tính ổn định và khả năng dẫn hướng của xe trong khi phanh.[5]

Để giữ cho các bánh xe không bị hãm cứng và bảo đảm hiệu quả phanh cao, ABS điều khiển áp suất trong dẫn động phanh sao cho độ trượt của bánh xe với mặt đường thay đổi quanh giá trị λo trong giới hạn hẹp

Một ABS được thiết kế trên cơ sở một hệ thống phanh thường và có trang bị các cụm bộ phận chính như sau:

- Cụm tín hiệu vào: có nhiệm vụ nhận biết tình trạng của các bánh xe khi phanh Tùy theo sự lựa chọn nguyên lý điều chỉnh có thể dùng các cảm biến đo vận tốc góc của các bánh xe, cảm biến áp suất trong dẫn động phanh, cảm biến giảm tốc của ôtô và các cảm biến khác

- Bộ điều khiển điện tử (ABS ECU): nhận và xử lý các thông tin từ cụm tín hiệu vào để điều khiển bộ chấp hành thủy lực cung cấp áp suất dầu đã được tính toán tối ưu cho mỗi xy lanh phanh bánh xe

- Cụm van điều khiển trong bộ chấp hành thủy lực hoạt động theo lệnh từ bộ điều khiển làm tăng, giảm hay giữ nguyên áp suất dầu khi cần để đảm bảo hệ số trượt dao động trong khoảng tốt nhất (10 - 30%), tránh hãm cứng bánh xe

Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe hiện nay thường sử dụng nguyên lý điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh Hoạt động của hệ thống phanh chống hãm cứng theo nguyên lý này như sau:

Khi tác động lên bàn đạp phanh thì áp suất dẫn động tăng lên, nghĩa là moment phanh M p tăng lên làm tăng giá trị của gia tốc chậm dần của bánh xe và làm tăng độ trượt của nó Sau khi vượt qua điểm cực đại trên đường cong ϕx = f( )λ thì gia tốc chậm dần của bánh xe bắt đầu tăng đột ngột Điều này báo hiệu bánh xe có xu hướng

bị hãm cứng Giai đoạn này của quá trình phanh có ABS sẽ ứng với với các đường

cong 0 - 1 trên hình 2.9a, 2.9b, 2.9c Giai đoạn này được gọi là pha I (pha tăng áp suất trong dẫn động phanh).[1, 5]

Bộ điều khiển của ABS lúc này sẽ ghi lại gia tốc tại thời điểm 1 đạt giá trị tới hạn (đoạn C1 trên hình c) và ra lệnh cho bộ chấp hành thủy lực phải giảm áp suất trong dẫn động phanh Sự giảm áp suất được bắt đầu với độ chậm trễ nhất định do đặc tính của hệ thống Quá trình diễn tiến từ điểm 1 đến điểm 2 được gọi là pha II (pha giảm áp suất trong dẫn động phanh) Gia tốc của bánh xe lúc này giảm dần và tại điểm 2 gia tốc tiến dần đến giá trị 0 Giá trị gia tốc lúc này tương ứng với đoạn C2 trên hình c Sau khi đạt giá trị này, bộ điều khiển ra lệnh cho bộ chấp hành ổn định áp suất trong dẫn động Lúc này bánh xe sẽ tăng tốc trong chuyển động tương đối và vận tốc của bánh xe tiến gần đến vận tốc của ôtô, nghĩa là độ trượt sẽ giảm và như vậy hệ số bám dọc tăng lên (đoạn 2 - 3) Giai đoạn này gọi là pha III (pha giữ áp suất ổn định).[1,5]

Vì moment trong thời gian này được giữ cố định cho nên gia tốc chậm dần (gia tốc âm) cực đại của bánh xe trong chuyển động tương đối sẽ phát sinh tương ứng với lúc hệ số bám dọc ϕx đạt giá trị cực đại Gia tốc âm cực đại này được chọn làm thời điểm phát lệnh và tương ứng với đoạn C3 trên hình 2.9c Lúc này bộ điều khiển ghi lại giá trị gia tốc này và ra lệnh cho bộ chấp hành tăng áp suất dẫn động phanh

Như vậy, sau điểm 3 lại bắt đầu pha I của chu kỳ làm việc tiếp theo của ABS

Từ lập luận trên thấy rằng ABS điều khiển moment phanh thay đổi theo chu kỳ khép kín 1 - 2 - 3 - 1 (hình 2.9 a), lúc đó bánh xe làm việc ở vùng có hệ số bám dọc cực đại (ϕxmax) và hệ số bám ngang (ϕy) cũng có giá trị cao Trong trường hợp bánh xe bị hãm cứng thì các thông số sẽ diễn biến theo đường nét đứt trên hình 2.9 a.[1,5]

Hình 2.9 Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS [1]

a) Sự thay đổi moment phanh M p ; b) Áp suất dẫn động phanh; c) Gia tốc bánh xe