Cïng víi sù ph¸t triÓn nh vò b•o cña khoa häc kÜ thuËt nãi chung vµ kü thuËt ®iÖn ®iÖn tö, tù ®éng hãa nãi riªng chÊt lîng xe « t« ®• cã nh÷ng tiÕn bé ®¸ng kÓ. ChÝnh kü thuËt nµy ®• lµm thay ®æi h¼n néi dung truyÒn thèng cña « t«, kh«ng chØ ®¬n thuÇn lµ nh÷ng côm kÕt cÊu c¬ khÝ mµ lµ nh÷ng modul ®iÖn tö tinh x¶o vµ v× vËy ngµy nay khã cã thÓ ph©n biÖt r¹ch rßi mét c¬ cÊu lµ c¬ khÝ hay ®iÖn tö mµ thay vµo ®ã lµ c¸c c¬ cÊu, hÖ thèng c¬ ®iÖn tö. Cã thÓ nãi hÇu hÕt c¸c thiÕt bÞ ®iÖn ®iÖn tö trªn xe hiÖn nay ®Òu lµ c¸c hÖ thèng c¬ ®iÖn tö thùc hiÖn c¸c chøc n¨ng vÒ ®iÒu khiÓn ®o lêng vµ kiÓm tra. Møc ®é tù ®éng hãa vµ m¸y tÝnh hãa ngµy cµng cao.
Trang 1Mục lục
Lời nói đầu 2
Chơng 1 Tổng quan về hệ thống ABS 3
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống ABS 3
1.2 Hệ thống ABS 3
1.2.1 Nguyên lý hoạt động của ABS 3
1.2.2 Sơ đồ hệ thống phanh có ABS 4
1.2.3 Quá trình điều khiển của ABS 7
1.2.4 Các phơng án bố trí hệ thống điều khiển của ABS 8
Chơng 2 Các phần tử của hệ thống ABS 11
2.1 ECU điều khiển 11
2.1.1 Điều chỉnh tốc độ bánh xe 11
2.2.2 Kiểm tra ban đầu 12
2.2.3 Chẩn đoán 12
2.2 Bộ chấp hành của hệ thống ABS 12
2.2.1 Khi phanh bình thờng (hệ thống ABS không hoạt động) 14
2.2.2 Khi phanh khẩn cấp (ABS hoạt động) 14
2.3 Cảm biến tốc độ bánh xe 16
2.4 Cảm biến gia tốc 17
2.5 Cảm biến gia tốc ngang 18
2.6 Đồng hồ táp lô 18
Chơng 3: Kết luận 20
Tài liệu tham khảo 22
Trang 2Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển nh vũ bão của khoa học kĩ thuật nói chung và kỹ thuật
điện - điện tử, tự động hóa nói riêng chất lợng xe ô tô đã có những tiến bộ đáng kể.Chính kỹ thuật này đã làm thay đổi hẳn nội dung truyền thống của ô tô, không chỉ đơnthuần là những cụm kết cấu cơ khí mà là những modul điện tử tinh xảo và vì vậy ngàynay khó có thể phân biệt rạch ròi một cơ cấu là cơ khí hay điện tử mà thay vào đó làcác cơ cấu, hệ thống cơ điện tử Có thể nói hầu hết các thiết bị điện - điện tử trên xehiện nay đều là các hệ thống cơ điện tử thực hiện các chức năng về điều khiển đo lờng
và kiểm tra Mức độ tự động hóa và máy tính hóa ngày càng cao
Hệ thống phanh là một trong những hệ thống cơ bản và quan trọng của xe ô tônói chung Hệ thống phanh nhằm mục đích giảm vận tốc hoặc dừng xe hẳn khi cầnthiết Lúc đó, ngời lái giảm lợng nhiên liệu cung cấp vào động cơ, đồng thời phanh đểhãm xe lại Nhờ có hệ thống phanh mà ngòi lái có thể nâng cao vận tốc chuyển độngtrung bình của ô tô và bảo đảm an toàn khi chuyển động Tuy nhiên, khi phanh mạnh
và đột ngột các bánh xe bị bó cứng và trợt lết, điều này sẽ làm cho xe mất ổn địnhchuyển động Nếu các bánh xe trớc bị bó cứng thì lái xe không thể lái, điều khiển đợc
xe Nếu các bánh sau bị bó cứng, do lực cản ma sát giữa các bánh là khác nhau nêncác lực ngang ở các bánh này cũng khác nhau vì vậy xe bị “lắc đuôi” Còn nếu cácbánh xe bị bó hoàn toàn xe xe bị mất điều khiển hoàn toàn, điều này đặc biệt nguyhiểm khi xe chuyển động với vận tốc cao hay chuyển động trên đờng cong Nh vậy,việc chống hãm cứng bánh xe khi phanh là cần thiết để đảm bảo an toàn cho xe trongmọi trờng hợp Đây chính là nguyên nhân ra đời của hệ thống chống hãm cứng bánh
xe Anti-lock Braking System hay Antiblockiersystem (ABS)
Với sự cố gắng của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo T.S Đào HoaViệt tôi thực hiện tiểu luận “Hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS” Mặc dù đã cốgắng trình bày nhng do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm nên bài viết không thểtránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy giáo và các bạn cho ý kiến đóng góp
Trang 3Chơng 1 Tổng quan về hệ thống ABS 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống ABS
Hệ thống ABS đợc sử dụng đầu tiên trên các máy bay thơng mại vào năm 1949,chống hiện tợng trợt ra khỏi đờng băng khi máy bay hạ cánh Nhng do công nghệ củanhững năm đó còn hạn chế vì vậy kết cấu hệ thống ABS còn cồng kềnh, hoạt độngkhông tin cậy, quá trình làm việc cha linh hoạt trong các tình huống
Năm 1969, công nghệ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch (microchip) ra
đời, hệ thống ABS lần đầu tiên đợc lắp trên ô tô Công ty Toyota sử dụng lần đầu tiênvào năm 1971, đây là hệ thống ABS 1 kênh điều khiển đồng thời 2 bánh sau Năm
1980 kỹ thuật điều khiển điện tử, vi xử lý (digital microprocessors / microcontrollers)thay cho các hệ thống điều khiển tơng tự (analog) đơn giản trớc đó
Trong giai đoạn đầu, hệ thống ABS chỉ đợc lắp trên các xe du lịch cao cấp, đắttiền, theo yêu cầu của thị trờng, dần dần hệ thống này đợc đa vào sử dụng rộng rãihơn Đến nay, ABS đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc đối với đối với các loại xe du lịch
và các xe hoạt động ở những vùng đờng băng tuyết dễ trơn trợt Mặt khác, hiện nay hệthống ABS không chỉ thiết kế trên các hệ thống phanh dẫn động thuỷ lực mà còn ứngdụng rộng rãi trên hệ thống phanh dẫn động khí nén của các xe tải và xe khách cỡ lớn.Nhằm nâng cao tính ổn định và an toàn của xe khi hoạt động, hệ thống ABS còn đợcthiết kế kết hợp với nhiều hệ thống khác:
- Hệ thống kiểm soát lực kéo Traction Regulator Control (TRS) hay AcceleraionSlip Regulator (ASR)
- Hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử Electronic Brakeforce Distribution(EBD) và hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp Brake Assit System (BAS)
- Hệ thống làm tăng lực phanh ở các bánh xe Brake Assist System (BAS), đểquãng đờng phanh ngắn nhất trong trờng hợp phanh gấp
Ngày nay, với sự hỗ trợ của kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động, các phần mềmtính toán, lập trình mạnh nh Matlab – Simulink, Matlab - Stateflow cho phép nghiêncứu và ứng dụng các phơng pháp điều khiển mới trong hệ thống ABS nh điều khiển
mờ, điều khiển thông minh, tối u hoá quá trình điều khiển ABS
1.2 Hệ thống ABS
1.2.1 Nguyên lý hoạt động của ABS
Nguyên lý hoạt động của ABS là điều khiển áp suất dầu trong cơ cấu chấp hành
hệ thống phanh giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trợt thay đổi trong giớihạn hẹp quanh giá trị λ0 để tận dụng đợc hết khả năng bám, khi đó hiệu quả phanh sẽcao nhất, đồng thời tính ổn định và tính dẫn hớng là tốt nhất
Trang 41.2.2 Sơ đồ hệ thống phanh có ABS
a Sơ đồ trạng thái đơn giản của 1 kênh ABS
Có nhiều phơng án điều khiển mô men phanh của cơ cấu phanh, phổ biến là loại
đợc trình bày dới dạng sơ đồ trạng thái không gian hình 1.1, giải thích các chế độ hoạt
động của một khối ABS đơn giản:
Hình 1.1 : Sơ đồ trạng thái biểu diễn hoạt động của ABS
Khi phanh nhẹ, gia tốc góc của bánh xe thay đổi nhỏ thì hoạt động của hệ thốngphanh là bình thờng (Normal braking), ABS không làm việc
Khi phanh gấp hay phanh trên đờng trơn, gia tốc góc chậm dần của bánh xetăng nhanh, có hiện tợng các bánh xe bị hãm cứng, thì ABS đa ra tín hiệu điều khiểngiảm áp suất phanh để chống lại sự hãm cứng các bánh xe Sau đó áp suất phanh đợc
điều khiển ở các chế độ giữ áp hoặc tăng áp/ giảm áp (Hold or build/decay), thực hiệnchế độ tăng áp chậm hay tăng áp nhanh (Slow build or fast build) để duy trì độ trợt tối
u Chu kỳ giảm áp – giữ áp – tăng áp đợc điều khiển lặp lại phụ thuộc vào tình trạngtrợt của các bánh xe với mặt đờng sau đó kết thúc chế độ phanh với ABS đợc kích hoạt(End antilock) trở về trạng thái phanh bình thờng Tuỳ thuộc vào điều kiện bề mặt đ-ờng và kết cấu, khả năng đáp ứng, xử lý nhanh của bộ vi xử lý trong ECU của ABS sốchu kỳ điều khiển thờng thay đổi trong khoảng 4 – 10 lần /giây b Sơ đồ hệ thống
Một hệ thống phanh có ABS cũng đợc thiết kế trên cơ sở một hệ thống phanhthờng và có thêm các cụm, bộ phận chính (hình 1.2)
KTCĐ phanh với ABS đ ợc K.hoạt
Tăng áp nhanh
Tăng áp chậm
Giữ hay tăng, giảm
áp suất
Giảm
áp suất
Phanh th ờng
Trang 5Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống ABS
- Cụm tín hiệu vào: có nhiệm vụ nhận biết tình trạng của bánh xe khi phanh.Tuỳ theo sự lựa chọn nguyên lý điều chỉnh có thể có các cảm biến đo vận tốc góc củabánh xe, áp suất dầu trong dẫn động phanh, gia tốc của ô tô và các cảm biến khác
- Bộ điều khiển (ECU): nhận biết và xử lý các thông tin từ các tín hiệu vào để
điều khiển bộ chấp hành thuỷ lực cung cấp hay ngừng cung cấp dầu đến xy lanh côngtác hay xả bớt dầu từ xy lanh công tác đến thùng chứa dầu hồi
- Cụm van điều khiển trong bộ chấp hành thuỷ lực hoạt động theo lệnh từ ECUlàm tăng, giảm hay giữ nguyên áp suất dầu khi cần để duy trì giá trị hệ số trợt trongkhoảng tốt nhất (10 ữ 30 %), tránh hiện tợng bánh xe bị hãm cứng
Hình 1.3 trình bày đồ thị chỉ sự thay đổi một số thông số của quá trình phanh vàgia tốc chuyển động của bánh xe khi có ABS
Trang 6Hình 1.3: Sự thay đổi thông số mômen phanh ( M p ) áp suất dẫn động phanh (p
và gia tốc (a) của bánh xe khi phanh có ABS.
Khi tác dụng một lực lên bàn đạp phanh thì áp suất dẫn động tăng lên, nghĩa làmômem phanh M p tăng lên làm giá trị của gia tốc chậm dần của bánh xe tăng lên vàlàm tăng độ trợt của nó Sau khi trợt qua điểm cực đại trên đờng cong ϕx = f (x) thì giatốc chậm dần của bánh xe bắt đầu tăng đột ngột Điều này báo hiệu bánh xe có xu h-ớng bị hãm cứng Giai đoạn này ứng với các đờng cong 0 –1 trên hình vẽ 1.3 a,b,cgọi là pha I (pha bắt đầu phanh hay pha tăng áp) trong dẫn động phanh
Bộ điều khiển của hệ thống ABS lúc này sẽ ghi lại gia tốc tại thời điểm 1 đạt giátrị tới hạn (đoạn C1 trên hình vẽ 1.3.c) và ra lệnh cho bộ chấp hành thuỷ lực phải giảm
áp suất trong dẫn động phanh Sự giảm áp suất đợc bắt đầu với độ trễ nhất định do đặctính của hệ thống Quá trình tiến từ điểm 1 đến điểm 2 đợc gọi là pha II (pha giảm ápsuất trong dẫn động phanh) Gia tốc của bánh xe lúc này giảm dần và tại điểm 2 giatốc tiến dần đến giá trị 0 Giá trị gia tốc lúc này tơng ứng với đoạn C2 trên hình1.3.c.Sau khi đạt giá trị này, bộ điều khiển ra lệnh cho bộ chấp hành ổn định áp suất trongdẫn động Lúc này bánh xe tăng tốc trong chuyển động tơng đối và vận tốc của bánh
Trang 7xe tiến gần đến vận tốc của ô tô, nghĩa là độ trợt sẽ giảm và nh vậy hệ số bám dọc tănglên (đoạn 2-3) Giai đoạn này gọi là pha III (pha giữ áp suất ổn định).
Bởi vì mômen phanh M ptrong thời gian này đợc giữ cố định cho nên gia tốcchậm dần cực đại của bánh xe trong chuyển động tơng đối sẽ phát sinh tơng ứng vớilúc hệ số bám dọc ϕx đạt giá trị cực đại Gia tốc chậm dần cực đại lúc này đợc chọnlàm thời điểm phát lệnh và tơng ứng với đoạn C3 trên hình 1.3.c Lúc này bộ điềukhiển ghi lại giá trị gia tốc này và ra lệnh cho bộ chấp hành tăng áp suất dẫn độngphanh
Nh vậy, sau thời điểm 3 lại bắt đầu pha I chu kỳ làm việc tiếp theo của hệ thốngABS Từ lập luận trên thấy rằng hệ thống ABS điều khiển mômen phanh thay đổi theochu kỳ khép kín 1-2-3-1 (hình 1.3.a), lúc đó bánh xe làm việc ở vùng có hệ số bámdọc cực đại ϕxmax hệ số bám ngag ϕy cũng có giá trị cao Trong trờng hợp bánh xe bịhãm cứng thì các thông số sẽ diễn biến theo đờng nét đứt trên hình 1.3.a
Trên hình 1.4 trình bày sự thay đổi tốc độ góc ωb của bánh xe, tốc độ ô tô (v) và
độ trợt bánh xe theo thời gian khi phanh trên xe có trang bị ABS
Hình 1.4: Sự thay đổi tốc độ góc (ωx ) của bánh xe, tốc độ ô tô (v) và
độ trợt (λ) theo thời gian (t) khi phanh có ABS.
1.2.3 Quá trình điều khiển của ABS
Một hệ thống ABS làm việc tối u, đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lợng phanhcủa ô tô phải thoả nãm đồng thời các yêu cầu :
- Đáp ứng đợc yêu cầu về an toàn liên quan đến động lực học phanh và chuyển
động của ô tô Hệ thống phải làm việc ổn định và có khả năng thích ứng cao, điềukhiển tốt trong suốt dải tốc độ của xe và ở bất kỳ loại đờng nào;
Trang 8- Hệ thống phải khai thác một cách tối u khả năng phanh của các bánh xe trên
đờng, do đó giữ tính ổn định hớng và khả năng lái khi phanh trong lúc đang quay vòng
và giảm quãng đờng phanh
- Hệ thống phải có chế độ tự kiểm tra, chẩn đoán và an toàn Nếu phát hiện mộtlỗi nào đó có thể làm h hỏng sự làm việc của ABS thì hệ thống sẽ thông báo, khi đó
hệ thống phanh sẽ làm việc nh một hệ thống phanh bình thờng
Nh đã đề cập ở trên, mục tiêu của hệ thống ABS là giữ cho quá trình phanh có
độ trợt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị λ0( λ = 10 ữ 30 %) Khi đó hiệu quảphanh cao nhất, lực phanh đạt giá trị cực đại do giá trị ϕxmax, đồng thời tính ổn địnhcủa xe là tốt nhất (ϕy đạt giá trị cao)
1.2.4 Các phơng án bố trí hệ thống điều khiển của ABS
Dựa trên phơng pháp điều khiển: theo ngỡng trợt, độc lập hay phụ thuộc, theokênh; để có các phơng án bố trí hệ thống điều khiển của ABS, nhng phơng án nàocũng phải thoả mãn:
- Tận dụng đợc khả năng bám cực đại giữa bánh xe với mặt đờng trong quátrình phanh, làm hiệu quả phanh tăng tức là giảm quãng đờng phanh
- Duy trì khả năng bám ngang trong vùng có giá trị đủ lớn, nhờ vậy làm tăngtính ổn định chuyển động và ổn định quay vòng của xe khi phanh
Hình 1.5, trình bày 6 phơng án bố trí hệ thống điều khiển của ABS tại các bánh
xe :
a Phơng án 1: ABS có 4 kênh với các bánh xe đợc điều khiển độc lập, có 4
cảm biến bố trí ở 4 bánh xe và 4 van điều khiển độc lập, sử dụng hệ thống phanh bố trídạng mạch thờng
b Phơng án 2 ABS có 4 kênh điều khiển và mạch phanh bố trí chéo, có 4 cảm
biến bố trí ở các bánh xe và 4 van điều khiển Trờng hợp 2 bánh trớc đợc điều khiển
độc lập, hai bánh sau đợc điều khiển chung theo ngỡng trợt thấp
Trang 9a Phơng án1 b Phơng án 2 c Phơng án 3
d Phơng án 4 e Phơng án 5 f Phơng án 6
Hình 1.5: Các phơng án bố trí điều khiển ABS.
c Phơng án 3 ABS có 3 kênh điều khiển, trong trờng hợp này 2 bánh xe sau
đ-ợc điều khiển độc lập theo ngỡng trợt thấp, còn ở cầu trớc chủ động có thể bố trí theokiểu: Lực phanh 2 bánh xe cầu trớc bằng nhau và đợc điều chỉnh theo ngỡng trợt thấphay sử dụng 4 cảm biến tốc độ đặt tại 4 bánh xe
d Phơng án 4 Tơng tự phơng án 3, cầu chủ động đợc điều khiển theo mode
chọn cao, tức là áp suất phanh đợc điều chỉnh theo ngỡng trợt của bánh xe bám tốthơn Điều này làm tăng tính ổn định nhng hiệu quả phanh kém do mômen xoay xe khálớn
e Phơng án 5 Trên mỗi cầu xe chỉ đặt một cảm biến tại 2 bánh xe chéo nhau
để điều khiển áp suất phanh chung cho cả cầu xe Cầu trớc đợc điều khiển theo ngỡngtrợt cao, còn cầu sau điều khiển theo ngỡng trợt thấp
g Phơng án 6 Sử dụng cho 2 mạch chéo với 2 cảm biến tốc độ đặt tại cầu sau,
áp suất phanh trên bánh xe chéo nhau sẽ bằng nhau Ngoài ra các bánh xe cầu sau đợc
điều khiển chung theo ngỡng trợt thấp Hệ thống này tạo sự ổn định cao nhng hiệu quảquả phanh thấp
Hình vẽ 1.6 minh hoạ cho mối liên hệ giữa hiệu quả phanh và sự ổn định hớngcủa các phơng án bố trí điều khiển ABS
Hình 1.6: Hiệu quả phanh và ổn định đối với các phơng án bố trí ABS.
1/ Điều khiển độc lập ở tất cả các bánh xe;
Trang 102/ Các bánh xe cầu trớc đợc điều khiển độc lập, các bánh xe cầu sau
điều khiển phụ thuộc; 3/ Không có ABS;
4/ Các bánh xe cầu trớc, cầu sau điều khiển phụ thuộc (theo từng cầu);
5/ Điều khiển phụ thuộc ở tất cả các cầu
Trang 11Chơng 2 Các phần tử của hệ thống ABS
Ngoài các cụm bộ phận chính của hệ thống phanh thì ABS gồm 3 cụm chính:cụm tín hiệu vào, ECU điều khiển, bộ phận chấp hành
2.1 ECU điều khiển
ECU điều khiển là tổng hợp các vi xử lý, đợc chia làm 4 cụm : phần xử lý tínhiệu; phần lôgic; bộ phận an toàn; bộ phận chẩn đoán và lu giữ mã lỗi Có các chứcnăng chính:
2.1.1 Điều chỉnh tốc độ bánh xe
ECU liên tục nhận đợc tín hiệu từ cảm biến tốc độ và tính toán tốc độ, gia tốcgóc của mỗi bánh xe
- Khoảng A: Khi đạp bàn đạp phanh, áp suất dầu trong xi lanh công tác tăng lên
và tốc độ của bánh xe bắt đầu giảm xuống Nếu bánh xe nào sắp bị bó cứng, ECU điềukhiển các van điện từ ở chế độ “giảm áp”, nh vậy dầu xi lanh xy lanh công tác đợc xả
về thùng chứa dẫu hồi, áp suất dầu giảm xuống Sau khi áp suất dầu giảm, ECU điềukhiển các van điện từ chuyển sang chế độ “giữ áp” và theo dõi sự thay đổi tốc độ củabánh xe
Hình 2.1: Điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi phanh.
- Khoảng B: Khi áp suất dầu trong xi lanh công tác giảm, làm cho bánh xe sắp
bị phanh tăng tốc độ, lúc này ECU điều khiển các van điện từ sang chế độ “tăng áp”
đến một giá trị nhất định lại chuyển chế độ “giữ áp” bánh xe bị phanh tốc độ của nólại giảm xuống
- Khoảng C: Khi ECU điều khiển van điện từ làm áp suất dầu trong xi lanh côngtác tăng lên dần dần (khoảngB), bánh xe lại có xu hớng bị hãm cứng, ECU lại chuyểncác van điện từ về chế độ “giảm áp suất”
Gia tốc bánh xe