Chương 3 HỆ THỐNG PHANH CHỐNG HÃM CỨNG (ANTILOCK BRAKING SYSTEM - ABS)

Giới thiệu về hệ thống phanh Để giảm tốc độ của một xe đang chạy và dừng xe, cần thiết phải tạo ra một lực làm cho các bánh xe quay chậm lại.. Hình 1: Sơ đồ bố trí hệ thống phanh - Xi

Chương 3

HỆ THỐNG PHANH CHỐNG HÃM CỨNG

(ANTILOCK BRAKING SYSTEM - ABS)

1 Giới thiệu về hệ thống phanh

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

Hệ thống phanh chính được sử dụng khi xe đang chạy là hệ thống phanh chân Có loại phanh kiểu tang trống và phanh đĩa, thường được điều khiển bằng áp suất thuỷ lực Hệ thống phanh đỗ xe được sử dụng khi đã đỗ xe Hệ thống phanh đỗ xe tác động vào các phanh bánh sau qua các dây kéo để xe không dịch chuyển được

Một hệ thống phanh thông thường gồm có các bộ phận như hình vẽ

Hình 1: Sơ đồ bố trí hệ thống phanh

- Xi lanh phanh chính

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

ống phanh của hai hệ thống Sau đó áp suất thuỷ lực này tác động lên các càng phanh đĩa hoặc các xi lanh phanh của phanh kiểu tang trống Bình chứa dùng để loại trừ sự thay đổi lượng dầu phanh do nhiệt độ dầu thay đổi

Hình 2: Xi lanh chính

Bình chứa có một vách ngăn ở bên trong để chia bình thành phần phía trước và phía sau như thể hiện ở hình bên trái Thiết kế của bình chứa có hai phần để đảm bảo rằng nếu một mạch

có sự cố rò rỉ dầu, thì vẫn còn mạch kia để dừng xe Cảm biến mức dầu phát hiện mức dầu trong bình chứa thấp hơn mức tối thiểu và sau đó báo cho người lái bằng đèn cảnh báo của

hệ thống phanh Khi ta đạp lên bàn đạp phanh, xi lanh chính sẽ biến đổi lực đạp này thành

áp suất thuỷ lực Vận hành của bàn đạp dựa vào nguyên lý đòn bẩy, và biến đổi một lực nhỏ của bàn đạp thành một lực lớn tác động vào xi lanh chính

Theo định luật Pascal, lực thuỷ lực phát sinh trong xi lanh chính được truyền qua đường ống dẫn dầu phanh đến các xi lanh phanh riêng biệt Nó tác động lên các má phanh để tạo ra lực phanh Áp suất bên ngoài tác động lên dầu chứa trong không gian kín được truyền đi đồng đều về mọi phía Áp dụng nguyên lý này vào mạch thuỷ lực trong hệ thống phanh áp suất tạo ra trong xi lanh chính được truyền đều đến tất cả các xi lanh phanh

Khi đạp bàn đạp phanh, lực đạp được truyền qua cần đẩy vào xi lanh chính để đẩy piston trong xi lanh này Lực của áp suất thuỷ lực bên trong xi lanh chính được truyền qua các đường ống dầu phanh đến từng xi lanh phanh

1 Hoạt động bình thường

(1) Khi không tác động vào các phanh

Các cúppen của piston số 1 và số 2 được đặt giữa cửa vào và cửa bù tạo ra một đường đi giữa xi lanh chính và bình chứa Piston số 2 được lò xo hồi số 2 đẩy sang bên phải, nhưng

bu lông chặn không cho nó đi xa hơn nữa

Hình 3: Xi lanh chính khi chưa hoạt động

(2) Khi đạp bàn đạp phanh

Piston số 1 dịch chuyển sang bên trái và cúppen của piston này bịt kín cửa bù để chặn đường đi giữa xi lanh này và bình chứa Khi piston bị đẩy thêm, nó làm tăng áp suất thuỷ lực bên trong xi lanh chính áp suất này tác động vào các xi lanh phanh phía sau Vì áp suất này cũng đẩy piston số 2, nên piston số 2 cũng hoạt động giống hệt như piston số 1 và tác động vào các xi lanh phanh của bánh trước

Hình 4: Xi lanh chính khi đạp phanh

(3) Khi nhả bàn đạp phanh

Các piston bị đẩy trở về vị trí ban đầu của chúng do áp suất thuỷ lực và lực của các lò xo phản hồi Tuy nhiên do dầu phanh từ các xi lanh phanh không chảy về ngay, áp suất thuỷ lực bên trong xi lanh chính tạm thời giảm xuống (độ chân không phát triển) Do đó, dầu phanh ở bên trong bình chứa chảy vào xi lanh chính qua cửa vào, và nhiều lỗ ở đỉnh piston

và quanh chu vi của cúppen piston Sau khi piston đã trở về vị trí ban đầu của nó, dầu phanh dần dần chảy từ xi lanh phanh về xi lanh chính rồi chảy vào bình chứa qua các cửa bù Cửa

bù này còn khử các thay đổi về thể tích của dầu phanh có thể xảy ra ở bên trong xi lanh do nhiệt độ thay đổi Điều này tránh cho áp suất thuỷ lực tăng lên khi không sử dụng các phanh

Hình 5: Xi lanh chính khi nhả bàn đạp phanh

- Đường ống dẫn dầu phanh

Nếu đường ống dẫn dầu phanh bị nứt và dầu phanh rò rỉ ngoài, các phanh sẽ không làm việc được nữa Vì lý do này, hệ thống thuỷ lực của phanh được chia thành hai hệ thống đường dẫn dầu phanh Áp suất thuỷ lực truyền đến hai hệ thống này từ xi lanh chính được truyền đến các cành phanh đĩa hoặc các xi lanh phanh Sự bố trí đường ống dẫn dầu phanh ở các xe

FR khác ở các xe FF Ở các xe FR các đường ống dầu phanh được chia thành hệ thống bánh trước và hệ thống bánh sau, nhưng ở xe FF sử dụng đường ống chéo

Hình 6: Bố trí đường dẫn dầu phanh

Vì ở các xe FF, tải trọng tác động vào các bánh trước lớn nên lực phanh tác động vào các bánh trước lớn hơn các bánh sau Vì vậy, nếu sử dụng cùng các đường ống dầu phanh của

xe FR cho xe FF thì lực phanh sẽ quá yếu nếu hệ thống phanh bánh trước bị hỏng, do đó người ta dùng một hệ thống đường ống chéo cho bánh trước bên phải và bánh sau bên trái

và một hệ thống cho bánh trước bên trái và bánh sau bên phải để nếu một hệ thống bị hỏng, thì hệ thống kia vẫn duy trì được một lực phanh nhất định

- Bộ trợ lực phanh

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

Hình 7: Bộ trợ lực phanh

- Phanh đĩa

Phanh đĩa đẩy piston bằng áp suất thuỷ lực truyền qua đường dẫn dầu phanh từ xilanh chính làm cho các má phanh đĩa kẹp cả hai bên của rotor phanh đĩa và hãm các lốp dừng quay Do

đó, vì các rotor của phanh đĩa và các má phanh đĩa cọ vào nhau, phát sinh nhiệt do ma sát Tuy nhiên, vì rotor phanh đĩa và thân phanh để hở, nên nhiệt do ma sát sinh ra dễ bị tiêu tán

Hình 8: Phanh đĩa

- Phanh trống

Phanh trống làm lốp ngừng quay bằng áp suất thuỷ lực truyền từ xilanh chính đến xilanh phanh để ép guốc phanh vào trống phanh, trống này quay cùng với lốp Khi áp suất đến xilanh phanh của bánh xe không xuất hiện, lực của lò xo phản hồi đẩy guốc rời khỏi mặt trong của trống trở về vị trí ban đầu của nó Khi áp suất đến xilanh phanh của bánh xe không xuất hiện, lực của lò xo phản hồi đẩy guốc rời khỏi mặt trong của trống trở về vị trí ban đầu của nó

Hình 8: Phanh trống

Khi áp suất thuỷ lực tác động vào xilanh của bánh xe, các guốc phanh ở cả hai bên trống bị

ép vào mặt trong của trống bằng một lực tương ứng với áp suất thuỷ lực do piston tác động Như thể hiện ở hình bên trái, các lực nén khác nhau phát sinh ở các guốc bên phải và bên trái

Lực ma sát làm cho guốc ở bên trái miết vào trống theo chiều quay, ngược lại guốc ở bên phải phải chịu lực đẩy của trống quay làm giảm lực nén.Tác động làm tăng lực ma sát miết vào trống được gọi là chức năng tự cấp năng lượng, và guốc nhận chức năng đó gọi là guốc dẫn, và guốc không nhận được chức năng này được gọi là guốc kéo

Hình 9: Guốc dẫn và guốc kéo

2 Hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS)

Để tránh cho các lốp không bị bó cứng và làm mất khả năng quay vô lăng trong khi phanh khẩn cấp, nên lặp lại động tác đạp và nhả bàn đạp phanh nhiều lần Tuy nhiên, không có thời gian để thực hiện việc này trong khi phanh khẩn cấp Hệ thống ABS dùng một máy tính để xác định tình trạng quay của 4 bánh xe trong khi phanh và có thể tự động đạp và nhả phanh

Sự khác nhau về tỷ lệ giữa tốc độ của xe và tốc độ của các bánh xe được gọi là “hệ số trượt” Khi sự chênh lệch giữa tốc độ của xe và tốc độ của các bánh xe trở nên quá lớn, sự quay trượt sẽ xảy ra giữa các lốp và mặt đường Điều này cũng tạo nên ma sát và cuối cùng

có thể tác động như một lực phanh và làm chậm tốc độ của xe

Mối quan hệ giữa lực phanh và hệ số trượt có thể hiểu rõ hơn qua đồ thị ở bên trái Lực phanh không tỷ lệ với hệ số trượt, và đạt được cực đại khi hệ số trượt nằm trong khoảng 10

- 30% Vượt quá 30%, lực phanh sẽ giảm dần Do đó, để duy trì mức tối đa của lực phanh, cần phải duy trì hệ số trượt trong giới hạn 10 - 30% ở mọi thời điểm

Ngoài ra, cũng cần phải giữ lực quay vòng ở mức cao để duy trì sự ổn định về hướng Để thực hiện điều này, người ta thiết kế hệ thống ABS để tăng hiệu suất phanh tối đa bằng cách

sử dụng hệ số trượt là 10 - 30% bất kể các điều kiện của mặt đường, đồng thời giữ lực quay vòng càng cao càng tốt để duy trì sự ổn định về hướng

Hình 10: Lực phanh và hệ số trượt

Dựa vào tín hiệu của các cảm biến tốc độ, ECU ABS cảm nhận tốc độ quay của các bánh xe cũng như tốc độ của xe

Hình 12: Sơ đồ bố trí ABS

Trong khi phanh, mặc dù tốc độ quay của các bánh xe giảm xuống, mức giảm tốc sẽ thay đổi tuỳ theo cả tốc độ của xe trong khi phanh và các tình trạng của mặt đường, như mặt đường nhựa khô, ướt hoặc có băng

Nói khác đi, ECU đánh giá mức trượt giữa các bánh xe và mặt đường từ sự thay đổi tốc độ quay của bánh xe trong khi phanh và điều khiển các van điện từ của bộ chấp hành của phanh theo 3 chế độ: giảm áp suất, giữ áp suất và tăng áp suất để điều khiển tối ưu tốc độ của các bánh xe

Hình 13: Sơ đồ điều khiển ABS

ECU liên tục nhận được các tín hiệu tốc độ của bánh xe từ 4 cảm biến tốc độ, và ước tính tốc độ của xe bằng cách tính toán tốc độ và sự giảm tốc của mỗi bánh xe Khi đạp bàn đạp phanh, áp suất thuỷ lực trong mỗi xilanh ở bánh xe bắt đầu tăng lên, và tốc độ của bánh xe bắt đầu giảm xuống Nếu bất kỳ bánh xe nào dường như sắp bị bó cứng, ECU sẽ giảm áp suất thuỷ lực trong xilanh của bánh xe đó

Khoảng A

ECU ABS đặt các van điện từ vào chế độ giảm áp suất theo mức giảm tốc của các bánh xe, như vậy sẽ giảm áp suất thuỷ lực trong xilanh của bánh xe Sau khi áp suất hạ xuống, ECU chuyển các van điện từ sang chế độ “giữ” để theo dõi sự thay đổi tốc độ của bánh xe Nếu ECU cho rằng cần tiếp tục giảm áp suất thuỷ lực, nó sẽ lại giảm áp suất này

Khoảng B

Khi áp suất thuỷ lực bên trong xilanh của bánh xe giảm (khoảng A), áp suất thuỷ lực tác động vào bánh xe này giảm xuống Điều này làm cho bánh xe sắp bị khoá chặt sẽ tăng tốc

độ Tuy nhiên, nếu áp suất thuỷ lực giảm xuống, lực phanh tác động vào bánh xe này sẽ trở nên quá thấp Để tránh điều này, ECU đặt các van điện từ lần lượt vào chế độ “tăng áp suất”

và chế độ “giữ” để bánh xe sắp bị khoá sẽ hồi phục tốc độ

Khoảng C

Khi áp suất thuỷ lực trong xilanh của bánh xe được ECU tăng lên dần dần (khoảng B), bánh

xe lại có xu hướng bị khoá Do đó, ECU lại chuyển các van điện từ về chế độ “giảm áp suất” để giảm áp suất bên trong xilanh của bánh xe này

Khoảng D

Vì áp suất thuỷ lực trong xilanh của bánh xe này lại giảm (khoảng C), ECU lại bắt đầu tăng

áp suất như trong khoảng B

Hình 14: Chu trình điều khiển ABS

ECU ABS điều khiển các van điện từ và các môtơ bơm theo trình tự để kiểm tra hệ thống điện của ABS Chức năng này hoạt động mỗi khi bật khoá điện sang vị trí ON và xe đang chạy ở tốc độ lớn hơn 6 km/h, với đèn phanh tắt OFF Nó chỉ hoạt động một lần sau mỗi khi khoá điện bật ON

Hình 15: Chức năng kiểm tra ban đầu

Bộ chấp hành của phanh

Bộ chấp hành của phanh gồm có van điện từ giữ áp suất, van điện từ giảm áp suất, bơm, môtơ và bình chứa Khi bộ chấp hành nhận được tín hiệu từ ECU ABS, van điện từ đóng hoặc ngắt và áp suất thuỷ lực của xilanh ở bánh xe tăng lên, giảm xuống hoặc được giữ để tối ưu hoá mức trượt cho mỗi bánh xe Ngoài ra, mạch thuỷ lực còn thay đổi để đáp ứng yêu cầu của mỗi loại điều khiển

Mạch thuỷ lực trong ABS của các xe FF được chia thành hệ thống của bánh trước bên phải

và bánh sau bên trái và hệ thống của bánh trước bên trái và bánh sau bên phải như thể hiện

ở sơ đồ Sau đây chỉ trình bày hoạt động của một hệ thống trong các hệ thống này, vì các hệ thống khác cũng hoạt động như vậy

Mạch thuỷ lực trong ABS của các xe FF được chia thành hệ thống của bánh trước bên phải

và bánh sau bên trái và hệ thống của bánh trước bên trái và bánh sau bên phải như thể hiện

ở sơ đồ Sau đây chỉ trình bày hoạt động của một hệ thống trong các hệ thống này, vì các hệ thống khác cũng hoạt động như vậy

Phanh bình thường (khi hệ thống không hoạt động)

Trong khi phanh bình thường, tín hiệu điều khiển từ ECU ABS không được đưa vào Vì vậy các van điện từ giữ và giảm ngắt, cửa (a) ở bên van điện từ giữ áp suất mở, còn cửa (b) ở phía van điện từ giảm áp suất đóng Khi đạp bàn đạp phanh, dầu từ xilanh chính chảy qua cửa (a) ở phía van điện từ giữ và được truyền trực tiếp tới xilanh ở bánh xe Lúc này hoạt động của van một chiều (2) ngăn cản dầu phanh truyền đến phía bơm

Hình 16: ABS phanh bình thường

Chế độ giảm áp suất

Tín hiệu điều khiển từ ECU ABS đóng mạch các van điện từ giữ và giảm áp suất bằng cách đóng cửa (a) ở phía van điện từ giữ áp suất, và mở cửa (b) ở phía van điện từ giảm áp suất Việc này làm cho dầu phanh chảy qua cửa (b) đến bình chứa để giảm áp suất thuỷ lực trong xilanh ở bánh xe Lúc đó, cửa (e) đóng lại do dầu chảy xuống bình chứa Bơm tiếp tục chạy trong khi ABS đang hoạt động, vì vậy dầu phanh chảy vào bình chứa được bơm hút trở về xilanh chính

Hình 17: ABS giảm áp suất

Chế độ giữ

Tín hiệu điều khiển từ ECU ABS đóng mạch van điện tử giữ áp suất và ngắt van điện từ giảm áp suất bằng cách đóng kín cửa (a) và cửa (b) Điều này ngắt áp suất thuỷ lực ở cả hai phía xilanh chính và bình chứa để giữ áp suất thuỷ lực của xilanh ở bánh xe không đổi

Hình 18: ABS giữ áp suất

Chế độ tăng áp suất

Tín hiệu điều khiển từ ECU ABS ngắt các van điện từ giữ và giảm áp suất bằng cách mở cửa (a) ở phía van điện từ giữ áp suất và đóng cửa (b) ở phía van điện từ giảm áp giống như trong khi phanh bình thường Điều này làm cho áp suất thuỷ lực từ xilanh chính tác động vào xilanh ở bánh xe, làm cho áp suất thuỷ lực của xilanh ở bánh xe tăng lên

Hình 19: ABS tăng áp suất