Nghiên cứu động lực học quá trình phanh trên xe ôtô có trang bị hệ thống ABS

Tuy nhiên khi phanh khẩn cấp lực phanh hay mômen phanh trên các bánh xe có thể vượt quá lực bám của bánh xe với mặt đường, trong các trường hợp này, bánh xe sẽ bị trượt lê.. Mục tiêu ngh

A B C D F

Bé gon d÷

liÖu

Card A/D E

Davis bus

F: TÝn hiÖu vËn tèc ngang

1 MỞ ĐẦU

1.1.Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Hiện nay ôtô máy kéo và các xe chuyên dụng được sử dụng trong hầu hết các ngành kinh tế Quốc dân, để tăng năng suất lao động, xu hướng chung của thế giới là vận tốc chuyển động trung bình của xe Khi tăng vận tốc làm việc kéo theo hàng loạt vấn đề kỹ thuật cần giải quyết trong đó hệ thống phanh là một trong các hệ thống quan trọng nhất để bảo đảm an toàn chuyển động cho người và cho máy

Hệ thống phanh trên ôtô máy kéo đã được nhiều nhà khoa học, các hãng sản xuất quan tâm và đầu tư nhiều công sức và tài chính đề hoàn thiện

cả về kết cấu cũng như nguyên lý làm việc

Hiện nay hầu hết ôtô máy kéo hiện đại đã trang bị hệ thống phanh dẫn động thủy lực hoặc dẫn động khí nén thay thế cho hệ thống phanh dẫn động bằng cơ học Các hệ thống phanh dầu hay phanh khí nén đã tạo ra các lực phanh khá lớn mặc dù lực tác động của người lái lên bàn đạp phanh không lớn Tuy nhiên khi phanh khẩn cấp lực phanh hay mômen phanh trên các bánh

xe có thể vượt quá lực bám của bánh xe với mặt đường, trong các trường hợp này, bánh xe sẽ bị trượt lê Hiện tượng trượt lê của bánh xe khi phanh không chỉ làm tăng quãng đường phanh, mà nếu diễn ra ở bánh hướng dẫn sẽ làm mất khả năng điều khiển, tính năng chuyển động ổn định về hướng của xe khi phanh bị giảm và có thể dẫn đến xoay thân xe và lật đổ xe Để khắc phục hiện tượng bó cứng bánh xe khi phanh cũng như hiện tượng trượt quay của bánh

xe khi khởi hành và tăng tốc, trên hầu hết ôtô chế tạo những năm gần đây đều trang bị bộ phận trống bó cứng bánh xe khi phanh hay còn tắt là ABS làm việc tích hợp với bộ phận trống trượt quay bánh xe chủ động khi khởi hành và tăng tốc gọi tắt là ASR Đây là hệ thống mới do đó đặc tính động lực học ô tô trong quá trình phanh còn chưa được nghiên cứu đầy đủ cũng như đánh giá

ảnh hưởng của các thống số sử dụng đến chất lượng quá trình phanh của các

hệ thống phanh này

Được sự phân công của khoa Cơ Điện, Bộ môn Động lực và sự giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Ngọc Quế – Bộ môn Ôtô Máy kéo – Khoa Cơ điện – Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội, chúng tôi đã lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu động lực học quá trình phanh trên xe ôtô có trang bị hệ thống ABS”

1.2 Mục tiêu, phương pháp và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

- Mô phỏng đông lực học quá trình phanh ôtô trên đường thẳng với hệ

số bám như nhau giữa các bánh khi có sự tác động của hệ thống ABS

- Phân tích đánh giá so sánh một số chỉ tiêu quan trọng của quá trình phanh với sự tác động của hệ thống ABS

- Đưa ra một số khuyến cáo để sử dụng hệ thống phanh hiệu quả, góp phần nâng cao an toàn giao thông

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu

- Áp dụng các phương pháp lý thuyết về cơ học, toán học để xây dựng

mô hình nghiên cứu động lực học của xe khi phanh

- Sử dụng phương pháp mô phỏng số và phần mềm Matlab -Simulink để

mô phỏng tính chất động lực học của xe khi phanh

- Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành đo một số thông số thực nghiệm để đưa vào phần mềm xử lý dữ liệu để đánh giá phân tích kết quả

1.2.3 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

- Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học của xe ô tô khi phanh

- Thí nghiệm đo một số thông số cơ bản số, vòng quay các bánh xe, vận tốc chuyển động thực tế của xe, quá trình phanh trên xe INNOVA

- Khảo sát phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến các chỉ tiêu cơ bản đánh giá hiệu quả phanh ở một số vận tốc phanh khác nhau

1.3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đề tài chọn đối tượng nghiên cứu là xe ôtô INNOVA của hãng TOYOTA sản xuất Các thông số cơ bản của xe được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật của xe INNOVA

3 Kích thước - Trọng lượng

Động cơ

Phanh - Lốp

2 TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH PHANH XE Ô TÔ

2.1 Nhiệm vụ và yêu cầu hệ thống phanh trên ô tô

2.1.1 Nhiêm vụ quá trình phanh

Quá trình phanh ô tô là quá trình tạo ra lực cản chuyển động, làm giảm vận tốc đến giá trị mong muốn hoặc đến khi ô tô dừng hẳn Hoặc giúp ô tô có thể đúng yên trên dốc Nói chung trên ô tô máy kéo cũng như nhiều thiết bị máy móc khác khác người ta thường sử dụng lực ma sát sinh ra ở cơ cấu phanh Trên ô tô lực ma sát sẽ tạo ra mô men cản chuyển động quay các bánh xe

Xét theo góc độ biến đổi năng lượng, quá trình phanh là quá trình biến đổi động năng chuyển động của ô tô thành nhiệt năng sinh ra tại các bề mặt

ma sát như giữa má phanh với các đĩa ma sát, với trống phanh hay tại bề mặt

ma tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường, giữa các phần tử vật liệu chế tạo bánh

xe Chính vì vậy, để hệ thống phanh hoạt động hiệu quả nó phải thoả mãn một loạt các yêu cầu riêng

2.1.2 Các yêu cầu đối với hệ thống phanh

- Khả năng tích nhiệt của hệ thống phanh Đấy là khả năng hệ thống

phanh có thể biến đổi động năng chuyển động của ô tô thành nhiệt năng và thải vào môi trường xung quanh Như vậy, để hệ thống phanh hiệu quả thì quá trình nhiệt phải đảm bảo nhiệt tực là nhiệt độ bề mặt ma sát luôn trong điều kiện tốt, muốn vậy thì quá trình tản nhiệt phải thuận lợi Các chi tiết ma sát phải có khả năng dẫn nhiệt cao, vật liệu chế tạo má phanh phải có cơ lý tính

ổn định ở nhiệt độ cao

- Yêu cầu về thời gian chậm tác dụng: Một thực tế là khi phanh thì bao

giờ cũng có quá trình trễ một khoảng thời gian khi người lái bắt đầu tác dụng vào cơ cấu điều khiển đến khi bắt đầu xuất hiện lực phanh Sự trễ thời gian tác động xẩy ra với mọi hệ thống dẫn động cơ học, thuỷ lực, khí nén, điện Tuy nhiên, với mỗi nguyên lý thì thời gian trễ là khác nhau Nguyên nhân trễ

do khe hở giữa các mối ghép cơ khí, sự thiếu dầu trong dường ống và nguyên

nhân cơ bản do biến dạng dàn hồi và quá trình quán tính Thời gian trễ tác dụng lớn sẽ làm giảm an toàn quá trình phanh Vì vậy, trong thiết kế chế tạo

- Yêu cầu về lực bám trong quá trình phanh Đây là yêu cầu tận dụng

khẳ năng bám của ô tô với mặt đường lực phanh lớn nhất khi có trị số dạt lực bám Pp= Pϕ Nếu lực phanh lớn hơn lực bám thi xe sẽ bị trượt lê

- Yêu cầu về ổn định của ô tô khi phanh và khả năng điều khiển của ô

tô Để đảm được yêu cầu này lực phanh phải đều giữa hai bánh xe chủ động

và các bánh xe không được bó cứng Yêu cầu này rất quan trọng vì khi tham gia giao thông xe thường vận hành với vận tốc lớn, khi cần phanh gấp nếu xẩy

ra mất điều khiển sẽ gây mất an toàn giao thông gây nguy hiềm tính mạng, các công trình ven đường và phương tiện khác cùng tham gia giao thông

- Yêu cầu về nhả phanh Yêu cầu này đòi hỏi quá trình phanh ô tô phải

kết thúc ngay khi người lái rời chân khỏi bàn đạp phanh Nếu quá trình này không đáp ứng tốt thì các chi tiết truyền động cũng như hệ thống phanh phải chịu tải trọng rất lớn và có thể dẫn đến các hư hỏng

2.2 Sự biến đổi hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường trong quá trình phanh 2.2.1 Vai trò hệ số bám trong quá trình phanh ô tô [4,10]

Như phần trên đã trình bầy, trong quá trình ô tô để có hiệu quả cần phải tạo ra một lực phanh (lực cản) lớn nhất giữa bánh xe với mặt đường

Ta biết rằng, khi bánh xe lăn

không trượt trên mặt đường thì lực

với bán kính động học tại khu vực tiếp xúc, tại vùng tiếp xúc vận tốc dài nhỏ hơn tại các vị trí khác Vận tốc dài của các điểm trên mặt ngoài của lốp sẽ giảm dần khi đi vào vùng tiếp xúc và tăng dần khi ra khỏi vung tiếp xúc.

Như vậy, trong vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường luôn có sự biến thiên vận tốc.sự biến dạng theo phương tiếp tuyến trên mặt ngoài của lốp gây ra hiện tượng trượt đàn hồi của bánh xe trong quá trình lăn Mức độ trượt

xe tăng lên khi tải trọng theo phương tiếp tuyến hay mô men phanh tăng lên

và đến giá tri nào đó sẽ xẩy ra hiện tượng trượt lê Khi đó bánh xe sẽ bị bó cứng

Tính chất ma sát trong vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường rất phức tạp, nó phụ thuộc vào trạng thái đôi bề mặt tiếp xúc và trạng thái lăn của bánh xe Nếu trạng thái tiếp xúc giữa mặt đường và bánh xe là khô thi ta có

ma sát khô, khi mặt đường ướt ta có ma sát uớt và trong trường hợp này hệ số

ma sát giảm đi đáng kể Khi bánh xe bị bó cứng trên mặt đường cơ chế tác động qua lại giữa bánh xe và mặt đường có sự thay đổi về bản chất, lúc này

ma sát tiếp xúc hoàn toàn là ma sát trượt thuần tuý

Thực nghiệm cho thấy hệ số ma sát trượt nhỏ hơn hệ số ma sát nghỉ khá nhiều và càng nhỏ hơn nhiều so với hệ số bám Điều này suất phát từ đường cong biến dạng của vật liệu Qua đó cho phép giải thích hiện tượng thực tế sau: Với cùng một loại đường và khả năng tạo ra lực phanh như nhau tình trạng lốp xe như nhau thì ở các xe trong quá trình phanh mà các bánh xe không bị trượt lê quãng đường phanh nhỏ hơn so với các xe trong quá trình phanh mà các bánh xe bị trượt lê hoàn toàn Quãng đường phanh nhỏ còn được giả thích: Khi bánh xe lăn một phần động năng tiêu hao cho biến dạng lốp và tiêu hao do sự chuyển động của dòng khí nén bên trong lốp Khi bánh

xe còn chuyển động quay thì trong các gối đỡ trong hệ thống tồn tại mô men

ma sát Còn nếu bánh xe bị trượt lê thì phần năng lượng chủ yếu làm mài mòn lốp ở vùng tiếp xúc, điều này làm giảm tuổi thọ lốp

2.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường.

Các công trình nghiên cứa của các tác giả [ 5,11,10] đã chỉ ra rằng trị số

cụ thể của hệ số bám phụ thuộc vào rất nhân tố khác nhau và để thuận tiện nghiên cứa người ta chia các nhân tố ra làm hai nhóm chính

Nhóm 1: Các nhân tố mà mức độ ảnh hưởng tới hệ số bám ít thay đổi

trong quá trình phanh Có thể xếp các nhân tố sau thuộc loại này: Loại đường, trạng thái mặt đường, kết cấu và tình trạng lốp, ảnh hưởng của các nhân tố này đã được nghiên cữu kỹ bằng thực nghiêm Các kết quả nghiên cứu thường được công bố dưới dạng bảng hoặc đồ thị

Nhóm 2: Là nhóm bao gồm các nhân tố mà mức độ ảnh hưởng của nó

tới hệ số bám biến đổi trong quá trình phanh Các nhân tố này bao gồm: Vận tốc chuyển động của xe sự phân bố lại tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong quá trình phanh, độ trượt của bánh xe trong quá trình phanh

Trong hai đồ thị dưới đây ta sẽ thấy được sự phụ thuộc của hệ số bám vào áp suất lốp và độ nhám của mặt đường

Như đã nêu ở trên hệ số bám φ phụ thuộc chính vào loại đường và tình trạng mặt đường, sự phụ thuộc này thể hiện qua hệ số bám trung bình như sau:

Bảng 2.1 Hệ số bám trên các loại đường [4]

Loại đường và trạng thái mặt đường φtb

Đường bê tông nhựa và đường bê tông đá dăm

- Mặt đường khô

- Mặt đường ướt

0.7- 0.80.4- 0.3Đường đá dăm

- Mặt đường khô

- Mặt đường ướt

0.6- 0.70.3- 0.5Đường đất

- Mặt đường khô

- Mặt đường ướt

0.5- 0.60.2- 0.4

2.2.3 Sự biến đổi của hệ số bám dọc φ x theo vận tốc chuyển động

80

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của hệ số bám vào vận tốc

vận tốc V, Tuy nhiên, để có thể thấy rõ hơn ta căn cứ vào các số liệu của giáo

sư Potlich E.G và giáo sư Ilarionop B.A khi tiến hành thực nghiệm nghiên

-Đường bê tông

Hình 2.6 Quan hệ giữa độ trượt δ và hệ số bám φ

Trong một số trường hợp nghiên cứu, để đơn giản quá trình tính toán ta thường bỏ qua sự thay đổi hệ số bám vào độ trượt Tuy nhiên, trong thực tế độ trượt thay đổi thì hệ số bám thay đổi rất lớn Bản chất vật lý của hiện tượng rất phức tạp nó liên quan đến quá trình biến dạng của vật liệu lốp xe, biến dạng nền đường Người ta thường xác định mối quan hệ này bằng thực nghiệm

Ngoài ra, để thuận lợi trong nghiên cứu tính chất động lực học khi

trên mặt đường khi phanh tương tự như quá trình ma sát giữa hai vật thể, vì

d e

).

b a

có mối quan hệ giải tích như sau: ϕ= (−0.5961+7.0001δ).e− 5 δ +0.0961

2.3 Hệ thống điều khiển phanh bằng điện tử (ABS)

2.3.1 Nhiệm vụ và ý nghĩa của ABS

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS):

1- Ống nối đến xylanh phanh chính; 2-Bơm trả về; 3-Buồng tích áp; 4-Van điện từ (Senoide); 5-Máy tính; 6-Cảm biến tốc độ; 7-Mâm phanh; 8-Trục bánh xe; 9-Má phanh;

10-Đĩa phanh; 11-Rãnh tản nhiệt.

Hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén và thủy lực hiện nay đã đáp ứng các yêu cầu của hệ thống phanh trong trường hợp phanh bình thường, tuy nhiên khi các lái xe cần dừng ôtô khẩn cấp, các bánh xe có thể bị bó cứng vì lực phanh quá lớn do đạp phanh đột ngột Khi đó quãng đường phanh cũng như thời gian phanh đều tăng lên, ôtô bị trượt lết trên đường, khả năng điều khiển về lái có thể bị mất hoặc hiệu quả thấp dẫn đến các tai nạn không lường

trước được Hệ thống ABS được phát minh và ứng dụng đầu tiên trên các bánh xe của các phương tiện bay vào những năm 1970, về sau vào những năm

1980 hệ thống này đã ứng dụng cả trên các phương tiện tự hành Nguyên tắc hoạt động của nó được thể hiện trên hình 2.7

Khi một bánh xe nào đó bị phanh cứng, áp lực trong xylanh phanh bánh

xe đó phải được giảm đi Việc giảm lực phanh ở các hệ thống phanh thông thường được tiến hành nhờ giảm áp suất trong các xylanh phanh bánh xe hay đóng bớt đường dẫn khí nén đến các buồng phanh bánh tức thời nhờ điều khiển tổng van Để thực hiện việc đó người lái xe có thể tiến hành "nhồi" bàn đạp phanh trong khi phanh, tuy nhiên việc "nhồi" bàn đạp phanh như vậy chỉ thực hiện được đối với những lái xe kinh nghiệm và cũng chỉ thực hiện được 1÷2 lần/giây Khi đó lực phanh có thể giảm nhưng lại giảm ở tất cả các bánh

xe được phanh, cả ở bánh bị bó cứng cũng như bánh chưa bị bó cứng Vì vậy chất lượng phanh không tốt và đặc biệt là người lái vẫn không kiểm soát được tình trạng bó cứng bánh xe khi phanh Chỉ có điều khiển điện tử quá trình phanh, hiện tượng bó cứng bánh xe khi phanh, cũng như điều khiển lực phanh tối ưu mới

có thể thực hiện được

Theo sơ đồ trên hình 2.5 ta thấy, khi có hiện tượng bó cứng bánh xe khi phanh, các cảm biến (sensor) tốc độ 6 sẽ báo tín hiệu dạng xung điện từ về thiết bị điều khiển trung tâm (ECU), Máy tính sẽ xử lý số liệu và đưa ra các tín hiệu đến các thiết bị chấp hành Trong các bộ chấp hành một van điện từ được kích hoạt sẽ mở thông xylanh phanh bánh xe đến bộ tích áp để làm giảm

áp suất phanh trong xylanh phanh, dẫn đến giảm lực phanh, đồng thời một môtơ cũng được kích hoạt để vận hành bơm dầu hút và đẩy dầu trở về đường đẩy của hệ thống phanh

Nhờ tác động rất nhanh của máy tính, tần số đóng mở van điện từ có thể đạt được từ 15÷30 lần /giây, do đó áp lực phanh trong xylanh phanh hay lực phanh trên các bánh xe được phanh luôn có giá trị tối ưu, gần với giá trị lực phanh làm bó cứng bánh xe Việc điều khiển diễn ra hoàn toàn tự động,

không phụ thuộc vào ý định của người lái Hệ thống có thể điều khiển từng bánh xe riêng biệt bằng kênh điều khiển 4x4 hoặc điều khiển từng cặp hai bánh xe chéo nhau hoặc cùng trên một cầu 4x2, 2x4… tùy theo các phương

án lựa chọn Để tản nhiệt nhanh cho đĩa phanh, trên vành phía ngoài của đĩa phanh người ta tiện các rãnh làm tăng diện tích tiếp xúc với không khí, hai mặt bên của đĩa được gia công và mài phẳng để tiếp xúc với hai má phanh, các má phanh thường làm bằng vật liệu bán kim loại (hợp chất gốm-kim loại)

để tăng hệ số ma sát và khi mòn thì chỉ thay má phanh, mà không cần thay đĩa phanh

Phía bên trong giá bắt má phanh có lắp xylanh phanh bánh xe, xylanh này bị che khuất trên hình vẽ, xylanh được nối với ống dầu tới van điện từ của

bộ phận chống bó cứng bánh xe ABS Tùy theo từng hãng sản xuất và từng đời xe mà máy tính có những chức năng riêng, cũng như phướng án lắp ABS khác nhau, tuy nhiên nguyên tắc hoạt động của chúng là giống nhau

2.3.2 Các bộ phận chính trong hệ thống ABS

Hầu hết các hệ thống ABS đang dùng hiện nay trên ôtô phần lớn được

chế tạo bởi ba nhà chế tạo là: Bosch, ITT Teves và Kelsey-Hayes Hệ thống

ABS do các hãng khác nhau có khác nhau về cấu tạo cụ thể cũng như về số lượng các kênh điều khiển, tuy nhiên về nguyên tắc một hệ thống ABS đều gồm các bộ phận chính sau:

Xylanh chính và bộ trợ lực thủy lực; Môdun điều khiển điện tử; Bộ

cảm biến tốc độ bánh xe; Van solenoid (van điện từ); Bơm và bộ tích áp cùng

hệ thống ống dẫn Xylanh phanh chính và bộ trợ lực thủy lực có cấu tạo tương

tự như các hệ thống phanh với dẫn động bằng thủy lực thông thường

Bộ cảm biến tốc độ bánh xe là bộ phận cảm ứng điện từ được lắp

trong các bánh xe, chúng liên kết với môdun điều khiển trung tâm bằng dây dẫn, và trong quá trình xe chạy luôn gửi tín hiệu điện áp đến ECU

Khối điều khiển điện tử là máy tính nhỏ (microcomputer) nó chứa hai

bộ vi xử lý đồng nhất với những chương trình lập sẵn Mỗi bộ vi xử lý sẽ thực

hiện các chức năng đa dạng, nó kiểm tra liên tục sự hoạt động của hệ thống,

xử lý dữ liệu nhập vào, so sánh với các dự liệu trong bộ vi xử lý khác để đưa

ra các tín hiệu đến các bộ phận chấp hành một cách chính xác và tức thời

Van Solenoid là một van điện từ gồm một cuộn dây, được kích hoạt nhờ

máy tính điều khiển trung tâm, khi van hoạt động làm một con trượt dịch chuyển, con trượt có ba vị trí: Cung cấp dầu đến xylanh phanh bánh xe, giữ nguyên áp suất trong xylanh phanh bánh và giảm áp suất trong xylanh bằng cách nối thông xylanh phanh bánh xe với bộ tích áp

Bơm trả về dùng để bơm dầu từ buồng tích áp trở ngược lại đường đẩy

cho hệ thống, để tiếp tục cung cấp dầu vào xylanh phanh bánh, bơm được kích hoạt khi nhận được tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm Bộ tích áp là một buồng kín trong đó có màng và lò xo, khi van điện từ nối thông xylanh phanh bánh xe với bộ tích áp, dầu từ xylanh phanh truyền đến bộ tích áp để giảm áp suất trong xylanh phanh bánh, sau đó dầu từ bộ tích áp lại được bơm, bơm trở

về đường đẩy của hệ thống phanh

2.3.3 Nguyên tắc làm việc của ABS

Ở trạng thái không phanh, người lái không tác động vào bàn đạp phanh, van điện từ chưa được kích hoạt, con trượt do van điện từ dưới tác dụng của

lò xo đẩy xuống vị trí thấp nhất, tương ứng với vị trí rãnh ngang trên con trượt trùng với đường dầu nạp vào xylanh phanh bánh xe (hình 2.8a) Khi đó, nếu phải phanh xe, người lái đạp lên bàn đạp phanh, đầu tiên hệ thống làm việc như một hệ thống phanh dẫn động bằng thủy lực bình thường, dầu có áp suất

do xylanh chính tạo ra, theo hệ thống ống dẫn đến van điện từ, rồi theo rãnh phân phối của van lúc này đang trùng với rãnh dầu dẫn đến xylanh phanh bánh xe, làm bộ phận phanh bánh xe hoạt động, thực hiện phanh bánh xe lại Khi tốc độ góc của bánh xe được phanh giảm đến một giá trị nhất định, lực phanh tăng đến lực phanh tối ưu, ngay sau đó máy tính kích hoạt van điện từ hút con trượt lên vị trí như hình 2.8 Con trượt ngăn xylanh phanh bánh xe

khỏi hệ thống đường dầu chung, giữ nguyên áp suất trong xylanh phanh bánh

xe, lực phanh cố định Vận tốc góc của xe vẫn tiếp tục giảm nhanh

Khi tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe gửi thông tin về tốc độ góc của bánh xe được phanh gần bó cứng, máy tính kích hoạt van điện từ làm nối thông xylanh phanh bánh xe với buồng tích áp, áp suất trong xylanh phanh bánh xe giảm xuống cùng với sự giảm áp suất của dầu phanh trong xylanh phanh bánh, lực phanh và tốc độ góc của bánh xe lại tăng lên (hình 2.8c) Khi tốc độ góc của bánh xe tăng tới giá trị đã lập trình trong bộ xử lý trung tâm, máy tính lại kích hoạt van điện từ nối thông đường cấp dầu đến xylanh phanh bánh xe, dầu từ đường đẩy của tổng phanh lại được dẫn đến xylanh phanh bánh xe làm tăng áp suất trong xylanh phanh bánh, lực phanh lại tăng lên và vận tốc bánh xe lại giảm đi (hình 2.8d)

Quá trình cứ lặp lại liên tục nhiều lần trong một giây, cho đến khi hiện tượng bó cứng bánh xe không còn nữa Trong suốt thời gian phanh, người lái

xe không cần điều khiển gì khi đạp phanh, mà hiệu quả phanh vẫn đạt tốt nhất Trong quá trình phanh, môtơ được kích hoạt từ bộ điều khiển trung tâm,

nó hoạt động và thông qua bánh lệch tâm truyền động cho bơm trả về hút dầu thoát ra từ xylanh phanh bánh và bộ tích áp để hồi lại cho mạch dầu cung cấp

từ xylanh phanh chính, vì vậy áp lực của dầu do người lái đạp lên bàn đạp phanh luôn được duy trì cố định

Khi dừng tác động lên bàn đạp phanh, công tắc phanh gửi tín hiệu đến

bộ điều khiển trung tâm, cuộn dây của van điện từ không được kích hoạt, con trượt dịch chuyển về vị trí ban đầu, dầu trong xylanh phanh bánh hồi về xylanh phanh chính, quá trình phanh kết thúc

Mỗi khi xe làm việc tức là bộ đánh lửa làm việc hoặc khóa điện đặt ở vị trí ON, khi đó bộ vi xử lý luôn gửi các tín hiệu điện áp đến các bộ phận trong

hệ thống như solenoid, bơm dầu phản hồi v.v Khi không phanh, các tín hiệu điện áp này nhỏ để không làm cho các cơ cấu đó hoạt động, bất cứ có sự bất thường nào trong hệ thống, bộ vi xử lý sẽ so sánh với dữ liệu của chúng trong

bộ nhớ chỉ đọc, và máy tính sẽ vô hiệu hoá chế độ chống bó cứng bánh xe, chuyển hệ thống phanh với điều khiển ABS sang chế độ làm việc bình thường như hệ thống phanh không có ABS và đèn báo lỗi được bật sáng

Các tiêu chuẩn chất lượng điều chỉnh

Các hệ thống ABS cần thực hiện các tiêu chuẩn chất lượng như sau:

Hình 2.8 Các trạng thái điều chỉnh áp suất dầu phanh:

c) Thời điểm ABS mở thông xylanh phanh bánh xe với bộ tích áp; d) ABS lại nối

thông rãnh đẩy tới xylanh phanh bánh xe

• Giữ khả năng lái nhờ chuẩn bị đủ lực dẫn bên ở các bánh trước

mặt đường

hệ thống di động

2.4 Cấu tạo hệ thống chống bó cứng bánh xe(ABS) trên xe INNOVA.

Hình 2.9 Sơ đồ cấu tạo hệ thống ABS trên xe INNOVA

Cấu tạo cơ bản hệ thống phanh ABS trên xe INNOVA đời 2006 về nguyên lý chung không có gi khác về căn bản so với các dòng xe khác Hai bánh trước được trạng bị phanh đĩa, hai bánh sau phanh trống, điều khiển ABS bốn kênh độc lập 4x4 Các cảm biến tốc độ quay theo nguyên lý cảm ứng điện từ không tiếp xúc được lắp cả bốn bánh Trong đường dầu thuỷ lực

có các van chuyển mạnh đóng mở điều khiển điện sau Van chuyển mạnh trợ lực phanh đuợc điều khiện điện từ Van giữ có nhiệm vụ tăng và duy trì áp suất phanh Khi bắt đầu phanh van ở trạng thái mở mở dầu đi đến xylanh phanh ép các đĩa các ma sát Khi van đóng lại áp lực dầu sẽ được duy trì Van giảm áp van có hai cửa ra một của nối với đường dầu áp suất cao của xylanh

ép, một đường về thùng Như vậy, khác với một số hệ thống dùng van chuyển mạnh 3 trạng thái ba đầu mối có nhiệm vụ vừa tăng áp, duy trì áp xuất, giảm

áp, hệ thống ABS trên xe INNOVA sử dụng van chuyển mạch hai vị trí được điều khiển đóng mở độc lập và không có bầu tích áp Ngoài tra, trong đường dầu chính có cảm biến áp suất luôn giám sát áp lực dầu và gửi thông tin về ECU để điều khiển bơm

2.5 Cân bằng năng lượng trong quá trình phanh.

Trong quá trình phanh mô men ma sát của cơ cấu phanh sinh ra nhằm cản trở chuyển động quay quán tính của bánh xe Trên quan điểm năng lượng

thì đó là qúa trình biến động năng của ô tô thành nhiệt năng của cơ cấu phanh Phần nhiệt năng này sẽ phân tán vào môi trường xung quanh Nếu nhiệt độ trên bề mặt và trong lòng các cặp ma sát vượt qua giá trị chó phép thì tính chất qua trình ma sát sẽ thay đổi điều này làm thay đổi chất lương hệ thống phanh Chính vì vậy việc nghiên cứu chế độ làm việc, sự cân bằng năng lượng của cơ cấu phanh có một ý nghĩa quan trọng, nó giúp thiết kế những hệ thống phanh làm việc ổn định trong mọi điều kiện.

Phương trình cân bằng năng lượng trong quá trình phanh ô tô có dạng [11]:

ΣΑ = AP+A’

Af: công của lực cản lăn của bánh xe

Aϕ: công của lực ma sát trượt

A’

P: công các lực ma sát nội

Nếu ta phanh không ngắt ly hợp

Công các lực trên được tính theo công thức sau:

λ: độ trượt của bánh xe

Ta có: ∆Π= 0

Hơn nữa công của các lực khác rất nhỏ so với công của lực phanh vì vậy có thể coi :

Ta có công AP trên các bánh xe bị phanh: AP =ΣMP.αi =PP.SP(1-λ)

tốc giảm từ V1 đến V2

Từ phương trình 2.14 cho ta thấy công sinh ra phải có giá trị bằng với

3 g 2

V G T

V: vận tốc lúc bắt đầu phanh

phải chịu và được xác định theo công thức sau:

ϕ

++

′+

=

=δ

AA

A

f P P

P P

(2.10)Phần trên là phanh bằng cơ năng, chúng ta biết rằng cơ năng đó phải được biến đổi thành nhiệt năng phương trình cân bằng cơ nhiệt năng khi đó

có dạng:

dT: sự biến đổi năng lượng của ô tô

Biến đổi phương trình nêu trên ta có:

dt T K F dT C G dS

P P. P t . h t. f. m .

Kf: hệ số trao đổi nhiệt giữa bề mặt trống phanh và môi trường

dS K

f = 0

(2.13)

đó 2.22 được viết dưới dạng:

dS T K F dT C G sS

P P P h t h

427

1

0+

=

(2.14)Nếu quá trình phanh gấp vận tốc cuối V2 = 0 ta thay vào 2.20 và 2.24 ta có:

h t

P

P dS G C dT

P

t

a

.

10800

=

(2.15)Dùng các phương trình 2.10; 2.11; 2.12; 2.213 ta có thể tính được công suất hay nhiệt năng cần phải chịu của toàn bộ hệ thống phanh nói chung hay trên từng cơ cấu nói riêng

2.6 Hiệu quả quá trình phanh ô tô

2.6.1 Phân bố khối lượng trong quá trình phanh

Xét phân bố khối lượng tĩnh khi máy kéo đứng yên hoặc chuyển động

Tuy nhiên trong quá trình phanh ô tô chuyển động có gia tốc giảm dần Gia tốc phanh jp làm suất hiện lực quán tính Pj Lực này gây ra sự phân bố lại trọng lượng trên các cầu Trọng lượng trên cầu trước tăng lên và cầu sau sẽ

giảm đi điều này cần đựơc chú ý để phân bố lực phanh sao cho hiệu quả phanh là cao nhất.

2.6.2.Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh

Để đánh giá hiệu quả phanh người ta thường căn cứ vào một số chỉ tiêu

cơ bản sau:

p p

M

P

(2.17)

có jmax=g.ϕ Theo công thưc trên gia tốc phanh luôn nhỏ hơn g

- Quãng đường phanh ngắn nhất: là quãng đường tổng cộng khi phanh

ô tô có hiệu quả kể từ lúc người lái tác dụng lên bàn đạp phanh cho tới khi ô tô dừng hẳn, ta có thể xác định theo công thức sau:

ϕ

ϕϕ

6,3.2

7,17

.634,1.6,3

1 1

2 1 min

g

t v

t t

v

(2.18)

t1: thời gian phanh chậm tác dụng

t’

1: thời gian phanh

Mà ta biết rằng gia tốc phanh cũng có thể xác định theo công thức sau:

theo t và v coi v2=0 ta có: tmin =v/g.ϕ đó chính là thời gian phanh nhỏ nhất cần

2.7 Ổn định ô tô khi phanh

Mặc dù phanh ô tô trên đường bằng, khi xe đang chạy thẳng, người lái không đánh bánh lái, nhưng thực tế quĩ đạo chuyển động của trọng tâm ô tô vẫn là một đường cong Khi xây dựng mô hình bài toán chúng ta đã giả thiết rằng ô tô không chịu tác động của một lực nào khác ngoài lực phanh Vì vậy,

ta chỉ xét nguyên nhân do mất cân bằng lực phanh giữa các bánh xe (do hệ số bám hoặc phản lực pháp tuyến trên các bánh xe khác nhau)

2.7.1 Các nguyên nhân ngây mất cân bằng lực phanh

Sự mất cân bằng lực phanh trên ô tô do nhiều yếu tố ngây lên cụ thể như: tình trạng kỹ thuật của phanh, tình trạng mặt đường, độ mòn của lốp xe, phân bố trọng lượng trên các bánh

- Do lực bám không đều giữa các bánh xe Bình thường các bánh xe cố

độ mòn lốp khác nhau, áp suất hơi cũng khác nhau và có thể chạy trên hai vết

các bánh xe Như ta đã biết, để quá trình phanh có hiệu quả PPmax ≈ Pϕ Do đó các lực phanh cũng khác nhau

Do ảnh hưởng của các nhân tố như hệ số ma sát, chủng loại vật liệu má phanh v v… mà lực phanh tại các bánh khác nhau

- Thời gian trậm tác dụng của các cơ cấu phanh ở mỗi bánh xe khác nhau cũng ngây ra sự chênh lệch lực phanh khác nhau giữa các bánh xe

Do ảnh hưởng của các thông số kết cấu của xe: khi phanh xe xuất hiện

mô men xoay thân xe, mô men này làm xe chuyển động theo một quĩ đạo cong, đồng thời xuất hiện lực ly tâm Lực ly tâm này làm tải trọng tác dụng lên các bánh xe bị phân phối lại

- Trong thực tế có rất nhiều nguyên nhân khác ngây mất cân bằng lực phanh dẫn đến mất ổn định trong quá trình phanh, như phân bố tải trọng trên các bánh khác nhau, sự cố hỏng hệ thống phanh, áp suất lốp các bánh khác nhau

2.7.2 Các chỉ tiêu đánh giá về ổn định

Để đánh giá ổn định khi phanh người ta dùng 1 trong hai chỉ tiêu sau đây:

Góc xoay thân xe β là góc xoay của trục đối xứng dọc của xe, được xác định tại thời điểm cuối cùng quá trình phanh so với hướng chuyển động ban đầu Trị số mô men làm quay thân xe sử dụng toàn bộ lực bám trên các cầu:

t s tr ph

s

4

_

=

(2.20)Trong đó: ϕph,ϕtr:hệ số bám của bánh xe bên phải và bên trái

Gs,Gt: trọng lượng xe trên các cầu sau và trước

BS,BT: chiều rộng cầu trước và cầu sau

T z

tr ph T S z

tr ph S z

q

B j G

B j

G j

M

4

4

.

′

− +

và ta tính dược góc xoay thân xe cuối quá trình phanh là: β=ε.t2/2

Hành lang phanh: là dải đường có bề rộng qui định mà ô tô vượt ra

ngoài trong quá trình phanh Dựa vào góc quay của thân xe và kích thước của

ô tô ta có hành lang an toàn như sau:

)cos(

.2)sin(

.2

≥

(2.22)

Sy: độ lêch ngang của trọng tâm ô tô

La: chiều dài khuôn khổ ô tôB: chiều rộng khuôn khổ ô tô

β: Góc xoay thân xe so với phương chuyển động trước khi phanh

Để nâng cao an toàn chô ô tô ta có thể sử dụng công thức tính gần đúng:

3 ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHANH

3.1 Các giả thiết

Quá trình phanh ô tô trên mỗi loại địa hình là một quá trình diễn ra hết sức phức tạp, trong đó môi đại lượng biến đổi không ngừng và phụ thuộc lẫn nhau Vì vậy việc đưa ra một mô hình toán hoàn chỉnh để xét đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phanh gặp rất nhiều khó khăn Mặt khác phanh ô tô chỉ là một hệ thống hoàn chỉnh gồm ba yếu tố: Con người - thiết bị

- môi trường, mà yếu tố 1 và 3 không phải là yếu tố lúc nào cũng có thể miêu

tả bằng phương trình toán học Để nghiên cứu quá trình phanh người ta có thể chia ra làm nhiều phương án, giải từng trường hợp cụ thể thậm chí cho từng loại đường cụ thể Không ngoài mục đích nhằm đơn giản bài toán tuy nhiên vẫn giữ được tính tổng quát của nó trước khi trình bày mô hình toán học đề nghị chấp nhận một số giả thiết sau:

của các ngoại lực khác đến quá trình phanh coi như không đáng kể

trình phanh diễn ra khi đã cắt ly hợp

3.1 Mô hình cơ học

Trong nghiên cứu động lực học ô tô máy kéo trường hợp tổng quát ta

có mô hình không gian với 6 bậc tự do Như vậy, ta có thể thiết lập được sáu

phương trình cân bằng lực và mô men và giải các phương trình cân bằng trên

ta có được các thông số động học, hình học theo thời gian Tuy nhiên, để kết quả khảo sát đảm bảo độ chính xác trên mô hình cần phản ánh chính xác đầy

đủ các yêu tố tác động lên ô tô Trong thực tế việc nghiên cứu động lực học của ô tô rất da dạng, tuỳ theo mục đích người ta đưa ra các mô hình đơn giản hơn với một số yếu tố tác động và các thông số nghiên cứu cụ thể, điều này mang lại hai lợi ích sau: Thứ nhất mô hinh đơn giản hơn, do đó ít phương trình toán học hơn, việc giải các phương trình này thuận lợi Thứ hai với việc đưa vào ít thông số hơn, khi khảo sát mối quan hê tương tác giữa các thông số đầu vào, đầu ra thuận lợi và chính xác hơn Để xây dưng mô hình toán khảo sát động học quá trình phanh, ta có sơ đồ không gian các lực tác dụng trong quá trình phanh như sau:

Để khảo sát quá trình động lực học của ô tô ta gắn các hệ trục toạ độ như sau:

- Hệ trục toạ độ OXOYOZO là hệ toạ độ cố định đặt trên mặt đường, trục

- Hệ trục toạ độ OXYZ là hệ toạ độ di động được đặt tại trọng tâm ô tô

Hình 3.3 Sơ đồ lực tác dụng trên ô tô khi phanh trên mặt phặng thẳng đứng

3.2 Tính toán giá trị các thành phần lực và mô men

Các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình phanh chủ yếu là từ mặt đường Các lực này tính phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố cả về giá trị, phương chiều, điểm đặt, để tính chính xác giá tri các lực gặp rất nhiều khó khăn Ở đây ta tính các lực này với các yếu tố ảnh hưởng cơ bản nhất và sử dụng các kết quả nghiên cứu thực nghiêm cho công tác tính toán

−

0

0

g j T

g j S

h P b G L Z

h P a G L Z

=

g

J h a L

G Z

g

J h b L

G Z

g S

g T

(3.2)

3.2.2 Xác định lực phanh trên bánh xe

Do điều kiện địa hình không đồng nhất và trạng thái làm việc của các chi tiết trong hệ thống, lực phanh trên mỗi bánh xe luôn có giá trị biến đổi và khác nhau Vì vậy, các lực phanh trên các bánh xe trong công thức (3.13) có thể xác định theo công thức sau:

.

R

M P

b

pi

pi=

(3.3)Trong đó: i = 1,2,3,4;

b

pmi pi

(3.15)t: khoảng cách thời gian từ lúc bắt đầu phanh cho tới khi lực phanh đạt giá trị cực đại

- Ở giai đoạn t > t1 lực phanh đạt tới giá trị cực đại, giá trị này có thể là

3.2.3 Xác định phản lực ngang trên các bánh xe.

Hình 3.4 Sơ đồ phân bố lực trên một bánh xe

Khi bánh xe không bị bó cứng, dưới tác dụng của mômen quay thân xe

sẽ xuất hiện các ngoại lực ngang tác dụng từ mặt đường lên lốp, các lực này

có tác dụng chống lại sự quay thân xe Dưới tác dụng của lực bên lốp xe bị biến dạng và lăn lệch đi một góc Sự phụ thuộc của lực bên vào góc lăn lệch

2

i

pi yo

i yo

mi

Z

P K

=

δ

(3.16)

theo [11] Khi đó:

trường hợp cụ thể

Lực bám ngang của bánh xe với mặt đường đạt giá trị cực đại khi xe đứng yên, giảm dần khi theo độ trượt của lốp, khi bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn trị số lực này là nhỏ nhất.

Để tính giá trị này có thể sử dụng sơ đồ phân bố lực của một bánh xe trên hình 3.6 Dưới tác dụng của mômen xoay thân xe vận tốc chuyển động

lực R của đường có xu hướng cản trở chuyển động luôn cùng phương nhưng ngược chiều so với hướng vận tốc V

` Mặt khác, ta biết rằng trong mọi trường hợp khi xe lăn trên mặt đường lực bám tổng hợp có thể xác định: Ri=Zi.ϕ (3.7)Phân tích lực bám này ra làm hai thành phần ta có:

Xi=Zi.ϕ Cosδ

Như vậy, để xác định lực ngang tại mỗi bánh xe ta chia làm hai trường hợp Khi bánh xe lăn không trượt (Công thức 3.17) và khi bánh xe bị trượt (công thức 3.19) Còn phản lực chung của đường tác dụng lên bánh xe theo phương ngang xác định như sau:

Gi: trọng lượng trên các bánh xe.

3.2.5 Lực quán tính`

Trong mô hình khảo sát ta coi ô tô chuyển động trên đường nằm ngang không có độ dốc, qũi đạo trọng tâm ô tô là đường cong phẳng, do đó, lực quán tính bao gồm hai thành phần theo phương dọc và ngang Khi ô tô chuyển động có các phần trọng luợng chuyển động tịnh tiến, có thành phần trọng lượng vừa tham gia chuyển động tịnh tiến vừa tham gia chuyển động quay Khi tính toán ta cần quy đổi các phần chuyển động quay về chuyển động tịnh tiến Thông thường khi xét chuyển động của cả xe ô tô ta bỏ qua các thành phần chuyển động quay

Trong đó: Jp: gia tốc trậm dần khi phanh xe (m/s2);

3.2.6 Lực cản không khí.

Khi ô tô chuyển động với vận tốc cao lực cản không khí tác dụng lên xe tương đối lớn Lực cản không khí phụ thuộc vào vận tốc chuyển động, hình dáng khí động học, diện tích chắn gió, vận tốc và hướng gió tự nhiên Lực cản khí động được đựợc nghiên cứu kỹ trong nhiều lĩnh vực

Trong đó: k : hệ số cản không khí phụ thuộc vào hình dáng khí động học

V: vận tốc chuyển động của ô tôF: diện tích cản chính diện của ô tô

3.2.7 Tính mômen xoay thân xe

Khi phanh ô tô trên thực tế lực phanh trên các bánh ở hai bên khác nhau, điều này làm suất hiện mômen lực làm xoay thân xe Mômen xoay thân

xe được xác định như sau:

) (

2 ) (

2 P P B P P

B

t 4 3 s

Trong đó: Bs: là bề rộng của cầu chủ động ô tô

P

P

Khi xe có xu hướng bị xoay, trên lốp xe xuất hiện các phản lực theo

thân xe Khi đó ta có mô men cản xoay :

PP(2

Bs)

PP

Với a, b là thông số xác định toạ độ trọng tâm của ô tô

Ngoài ra, ngày nay với sự phất triển mạnh mẽ của các phần mềm máy tính thì việc tính toán các giá trị mô men quán tính của vật thể, kết cấu phức tạp bằng lý thuyết có thể thực hiện được với độ chính xác cao.Trong tính toán thiết kế chế tạo máy ta có thể dùng các phần mềm như Solid Word, AutoCad

để tính mô men quán tính theo các trục.Trong đề tài chúng tối dùng phần mềm AutoCad để xác định mô men quán tính của các bánh xe.Kết quả trình bầy ở phụ lục

3.3 Xác định các quan hệ động học trong mô hình phẳng tổng quát

)

( α  + ε  α + ε

v

) sin(