Nghiên cứu hệ thống phanh ABS và xây dựng quy trình thử nghiệm hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Kết quả thí nghiệm khi phanh ôtô du lịch có trang bị ABS 18 Bảng 2.1 Trạng thái làm việc của mỗi cửa van và bơm dầu 51 Bảng 3.1 Vận tốc và quãng đường l

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của

TS.Dương Ngọc Khánh và TS.Lê Hồng Quân Đề tài được thực hiện tại Bộ môn

Ô tô và Xe chuyên dụng, Viện cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào

Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Văn Tới

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến

TS.Dương Ngọc Khánh và TS.Lê Hồng Quân, các thầy đã hướng dẫn tôi hết sức

tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi hoàn thành luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học và làm luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong thời gian tôi học và làm luận văn

Tác giả

Nguyễn Văn Tới

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH ABS 11

1.1 Cơ sở lý thuyết 11

1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh có trang bị ABS 14

1.3 Lý thuyết điều khiển của hệ thống phanh chống hãm cứng ABS 19

1.3.1 Yêu cầu của hệ thống phanh ABS 19

1.3.2 Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS 20

1.3.3 Đặc tính lý tưởng 22

1.3.4 Chu trình điều khiển của ABS 24

1.3.5 Tín hiệu điều khiển ABS 27

1.3.6 Quá trình điều khiển ABS 28

1.3.7 Các phương án bố trí hệ thống điều khiển của ABS 30

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ABS 36 2.1 Giới thiệu chung 36

2.2 Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực 38

2.2.1 Cảm biến tốc độ bánh xe 38

2.2.2 Cảm biến giảm tốc 39

2.2.3 Cảm biến gia tốc ngang 41

2.2.4 Hộp điều khiển điện tử ( ECU) 41

2.2.5 Bộ phận chấp hành thuỷ lực 45

2.3 Hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén 51

2.3.1 Các phương án dẫn động hệ thống phanh ABS khí nén 51

2.3.2 Sơ đồ hệ thống phanh ABS khí nén 58

2.3.3 Cấu tạo và hoạt động của các phần tử hệ thống ABS khí nén 59

CHƯƠNG 3: TIÊU CHUẨN ECE VỀ HỆ THỐNG PHANH 64

3.1 Cơ sở lý thuyết đánh giá hiệu quả phanh 64

3.1.1 Phương trình cân bằng lực phanh 64

3.1.2 Hiệu quả phanh và các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh 66

3.1.3 Tính ổn định hướng và các chỉ tiêu đánh giá tính ổn định hướng của ôtô khi phanh 69

3.1.4 Giản đồ phanh 72

3.2 Tiêu chuẩn ECE R13 về hiệu quả phanh 74

3.2.1 Các chế độ thử phanh 74

3.2.2 Tiêu chuẩn ECE R13 dùng cho kiểm tra phanh trên đường 76

3.2.3 Tiêu chuẩn ECE R13 dùng cho kiểm tra phanh trên bệ thử 82

3.3 Tiêu chuẩn ECE đối với các loại xe được lắp hệ thống chống hãm cứng ABS 83

3.3.1 Yêu cầu chung 83

3.3.2 Các yêu cầu đặc biệt liên quan đến xe cơ giới 85

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG PHANH 90 4.1 Tổng quan về thử nghiệm hệ thống phanh 90

4.1.1 Mục đích thử nghiệm 90

4.1.2 Điều kiện thử nghiệm 90

4.1.3 Các phương pháp thử nghiệm hệ thống phanh 91

4.2 Thử nghiệm phanh trên đường 92

4.2.1 Các điều kiện địa điểm thử 92

4.2.2 Các thiết bị dùng cho thí nghiệm phanh trên đường 94

4.2.3 Quy trình thử nghiệm 96

4.3 Thử nghiệm phanh trên bệ thử 103

4.3.1 Bệ thử phanh 104

4.3.2 Quy trình thử nghiệm 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự thay đổi hệ số bám dọc 𝜑x và hệ số bám ngang 𝜑y theo độ trượt

tương đối 𝜆 của bánh xe với mặt đường khi phanh 13 Hình 1.2 Quá trình phanh có và không có ABS trên đoạn đường cong 14 Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát của một hệ thống chống hãm cứng bánh xe 15 Hình 1.4 Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh 15 Hình 1.5 Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS 16 Hình 1.6 Sự thay đổi áp suất trong dẫn động (a) và gia tốc chậm dần của

Hình 1.7 Quá trình phanh điển hình trên mặt đường trơn không có ABS 19 Hình 1.8 Quá trình phanh điển hình của ôtô có trang bị ABS 19

Hình 1.10 Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe 22

Hình 1.12 Quá trình phanh cơ bản theo đặc tính trượt lý tưởng 23

Hình 1.14 Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS 25

Hình 1.18 Hiệu quả phanh và ổn định đối với các phương án ABS khác nhau 35 Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo một hệ thống ABS trên xe 36 Hình 2.2 Sơ đồ khối các cụm chức năng của ABS 37

Hình 2.4 Cảm biến tốc độ bánh xe loại điện từ 38

Hình 2.6 Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh xe loại nam châm quay 39

Hình 2.8 Các chế độ hoạt động của cảm biến giảm 40

Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện ABS của xe Toyota Celica 43 Hình 2.12 Điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi phanh 44

Hình 2.26 Trạng thái tăng áp của van điều chỉnh áp suất 60 Hình 2.27 Trạng thái giữ áp của van điều chỉnh áp suất khí nén 61 Hình 2.28 Trạng thái giảm áp của van điều chỉnh áp suất 61 Hình 2.29 Sơ đồ tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc góc bánh xe 63

Hình 3.2 Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh mà ôtô lệch đi một góc 69 Hình 3.3 Sơ đồ xác định độ lệch bên của ô tô khi phanh 71

Hình 4.1 Súng phun chất lỏng 95

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý bệ thử phanh ô tô loại con lăn 104

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Kết quả thí nghiệm khi phanh ôtô du lịch có trang bị ABS 18

Bảng 2.1 Trạng thái làm việc của mỗi cửa van và bơm dầu 51

Bảng 3.1 Vận tốc và quãng đường làm nóng cơ cấu phanh 75

Bảng 3.4 Điều kiện thử phanh cho loại xe M, N theo tiêu chuẩn ECE 77

Bảng 3.6 Quãng đường phanh và gia tốc chậm dần cực đại trung bình khi

Bảng 3.7 Tiêu chuẩn kiểm tra phanh trên bệ thử 82

Bảng 4.2 Quy trình thử nghiệm quãng đường phanh của hệ thống phanh chính 97 Bảng 4.3 Quy trình thử nghiệm thời gian phanh của hệ thống phanh chính 99 Bảng 4.4 Quy trình thử nghiệm gia tốc phanh của hệ thống phanh chính 100 Bảng 4.5 Quy trình thử nghiệm tính ổn định hướng chuyển động của hệ

Bảng 4.6 Thử nghiệm hệ thống phanh đỗ trên đường dốc 102 Bảng 4.7 Quy trình thử nghiệm hệ thống phanh đỗ trên đường bằng 102 Bảng 4.8 Quy trình thử nghiệm hiệu quả phanh trên băng thử 105

MỞ ĐẦU

l Lý do chọn đề tài

Trước yêu cầu đẩy nhanh nền công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì sự phát triển của cơ sở hạ tầng giao thông đi đôi với sự phát triển của các phương tiện giao thông Vận tốc của các phương tiện tham gia giao thông ngày càng lớn, nên yêu cầu về chất lượng và độ an toàn khi sử dụng của phương tiện ngày càng cao Để tránh những tai nạn xảy ra do chất lượng của phương tiện khi tham gia giao thông, ngoài vấn đề nâng cao chất lượng phanh ô tô thì việc xây dựng các quy trình thử nghiệm hệ thống phanh để xác định hiệu quả hệ thống phanh đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật là vấn đề cần được chú trọng phát triển

Trong quá trình sử dụng tổng thành hệ thống phanh của ô tô cần đặt ra các tiêu chuẩn, một trong những tiêu chuẩn đó có quy định N013, tiêu chuẩn E/ECE/324, E/ECE/TRANS/505 áp dụng cho các ôtô có và không trang bị hệ thống chống hãm cứng phanh ABS

Qua những phân tích trên cho thấy đề tài "Nghiên cứu hệ thống phanh ABS

và xây dựng quy trình thử nghiệm hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE" rất có

ý nghĩa khoa học và thực tiễn Vì vậy tôi đã quyết định chọn đề tài này làm luận văn tốt nghiệp

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu hệ thống phanh ABS và tiêu chuẩn châu Âu ECE R13 quy định hiệu quả hệ thống phanh

Sử dụng tiêu chuẩn ECE R13 để xây dựng quy trình thử nghiệm hệ thống phanh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực và khí nén

Tiêu chuẩn ECE R13 áp dụng cho hệ thống phanh ô tô

Quy trình thử nghiệm hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực và dẫn động khí nén cho ô tô

Tiêu chuẩn ECE R13

Quy trình thử nghiệm hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu kết cấu của hệ thống phanh ABS

Tìm hiểu quy định N013, tiêu chuẩn E/ECE/324, E/ECE/TRANS/505 áp dụng cho các loại ôtô có và không trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS

Xây dựng quy trình thử nghiệm hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE

5 Phương pháp nghiên cứu

Phân tích kết cấu hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực và khí nén

Phân tích các tiêu chuẩn châu Âu dùng cho hệ thống phanh kết hợp xây dựng quy trình thử nghiệm trên đường thử và trong phòng thí nghiệm thực tế

6 Cấu trúc luận văn

Mở đầu

Nội dung

- Chương l: Tổng quan hệ thống phanh ABS

- Chương 2: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS

- Chương 3: Tiêu chuẩn ECE về hệ thống phanh

- Chương 4: Xây dựng quy trình thử nghiệm hệ thống phanh

Kết luận và kiến nghị

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH ABS

1.1 Cơ sở lý thuyết

Trên ôtô có trang bị hệ thống phanh nhằm mục đích giảm vận tốc hoặc dừng hẳn xe khi cần thiết Lúc đó người lái giảm lượng nhiên liệu cung cấp vào động cơ, đồng thời đạp phanh để hãm xe lại Nhờ hệ thống phanh người lái có thể nâng cao vận tốc chuyển động trung bình của ô tô mà vẫn đảm bảo an toàn khi chuyển động

Do vận tốc chuyển động của xe ngày càng cao nên việc đi sâu nghiên cứu hoàn thiện sự làm việc của hệ thống phanh nhằm tăng tính hiệu quả khi phanh, đảm bảo

an toàn chuyển động của ô tô ngày càng cấp thiết Như ta đã biết, khi người lái xe tác dụng lực vào bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra mômen ma sát giữa má phanh với tang trống hay đĩa phanh và được gọi là mômen phanh nhằm hãm bánh

xe lại, lúc đó tại vị trí bánh xe tiếp xúc với mặt đường xuất hiện phản lực tiếp tuyến

Pp ngược chiều với chuyển động của xe Phản lực này được gọi là lực phanh và xác định theo biểu thức:[5]

Mp - Mômen phanh tác dụng lên bánh xe,

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

rb - Bán kính làm việc của bánh xe

Lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi lực bám của bánh xe với mặt đường Pφtức phụ thuộc vào điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường và phản lực pháp tuyến giữa bánh xe với mặt đường và được thể hiện qua biểu thức:

Ppmax = Pφ = Zb.φ (1.2) Trong đó:

Ppmax - Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường,

Pφ - Lực bám giữa bánh xe với mặt đường,

Zb - Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe

Ta đã biết trong hệ thống phanh dẫn động thuỷ lực có bộ điều hòa thì điều kiện phanh có hiệu quả và ổn định là:

Lực cản trong cơ cấu phanh < Lực cản giữa lốp và mặt đường

Trong qúa trình phanh ô tô, mômen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lên làm lực cản trong cơ cấu phanh tăng theo, đến một lúc nào đấy lực cản trong cơ cấu phanh sinh ra sẽ lớn hơn lực cản lốp sẽ dẫn đến sự trượt lê bánh xe Khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thì hệ số bám φ có giá trị thấp nhất Theo biểu thức (1.2) thì khi bánh xe

bị trượt lê hoàn toàn thì lực phanh sinh ra giữa bánh xe và mặt đường là nhỏ nhất, dẫn đến hiệu quả phanh thấp nhất Không những thế, nếu các bánh xe trước bị trượt

lê sẽ làm cho hệ số bám dọc φx giảm đồng thời làm cho hệ số bám ngang φy giảm khi đó mất bánh trước sẽ không có khả năng dẫn hướng vì thế đầu xe sẽ chuyển động theo lực quán tính hoặc độ nghiêng của mặt đường, còn nếu các bánh xe sau bị trượt lê thì xe sẽ bị trượt ngang theo về bên trái hoặc bên phải theo độ nghiêng của mặt đường và xe sẽ có xu hướng quay ngoắt vòng tròn khi lực quan tính đẩy trọng tâm về phía trước và tâm quay là bánh xe trước có hệ số bám lớn Nếu tất cả các bánh xe bị trượt lê thì xe sẽ mất hoàn toàn tính ổn định Khi đó xe sẽ bị văng theo lực quán tính hoặc do độ nghiêng của mặt đường

Hệ số bám này được xác định bằng thực nghiệm bánh xe đang chuyển động

bị hãm cứng hoàn toàn, nghĩa là bánh xe bị trượt lê 100%

Trên thực tế, hệ số bám của bánh xe ô tô với mặt đường ngoài việc phụ thuộc vào loại đường và tình trạng mặt đường mà cũng phụ thuộc khá nhiều bởi độ trượt của bánh xe tương đối với mặt đường trong qúa trình phanh

Trên hình (1.1) chỉ ra mối quan hệ giữa hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy của bánh xe với mặt đường theo độ trượt ngang tương đối ở giữa bánh xe

và mặt đường

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Hình 1.1 Sự thay đổi hệ số bám dọc 𝜑x và hệ số bám ngang 𝜑y theo độ trượt tương

đối 𝜆 của bánh xe với mặt đường khi phanh

Độ trượt tương đối ở của bánh xe với mặt đường được xác định theo biểu thức:

𝜆 =

v

r w

v b b

Trong đó: v - Vận tốc của ô tô

wb - Vận tốc góc của bánh xe khi phanh

rb - Bán kính làm việc của bánh xe

Từ hình 1.1 ta thấy rằng hệ số bám dọc có giá trị cực đại 𝜑xmax ở giá trị độ trượt tối ưu 𝜆o Thực nghiệm chứng tỏ thấy rằng giá trị 𝜆o thường nằm trong giới hạn 15 ÷ 20% Ở giá trị độ trượt tối ưu không những đảm bảo hệ số bám dọc có giá trị cực đại mà hệ số bám ngang cũng có giá trị khá cao Như vậy nếu giữ cho qúa trình phanh xảy ra ở độ trượt của bánh xe là λo thì sẽ đạt được lực phanh cực đại

Ppmax = 𝜑xmax.Zb nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất và đảm bảo tính ổn định và tính dẫn hướng khi phanh Giải pháp tiên tiến nhất hiện nay để đảm bảo mối quan

hệ trên khi phanh là hệ thống phanh có sự trợ giúp của hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS) Như vậy chức năng cơ bản của hệ thống phanh có trang bị ABS là giữ cho các bánh xe trong qúa trình phanh ở độ trượt thay đổi trong một giới hạn hẹp quanh giá trị λo, do đó đảm bảo hiệu quả phanh cao nhất đồng thời đảm bảo tính

ổn định hướng và tính dẫn hướng khi phanh đặc biệt ở tốc độ cao và đường có hệ số bám thấp Để giữ cho các bánh xe làm việc ở vùng độ trượt quanh giá trị ở trong

giới hạn hẹp và không dẫn tới hiện tượng hãm cứng bánh xe khi phanh thì phải điều chỉnh áp suất môi chất (dầu hoặc khí) dẫn đến các cơ cấu phanh vì vậy hệ thống ABS điều khiển chống bó cứng các bánh xe trên cơ sở điều khiển áp suất môi chất dẫn động đến các bánh xe, đó cũng chính là chức năng cơ bản của hệ thống ABS

Để giữ cho các bánh xe không bị hãm cứng hoàn toàn khi phanh ngặt, cần phải điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh sao cho độ trượt của bánh xe với mặt đường thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị tối ưu Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh có thể sử dụng các nguyên lý điều chỉnh khác như:

- Theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh

- Theo độ trượt cho trước

- Theo tỷ số vận tốc góc của bánh xe và gia tốc chậm dần của nó

Như vậy hệ thống chống hãm cứng bánh xe là một trong các hệ thống an toàn chủ động của một ôtô hiện đại Nó góp phần giảm thiểu các tai nạn nguy hiểm nhờ điều khiển quá trình phanh một cách tối ưu

Hình 1.2 Quá trình phanh có và không có ABS trên đoạn đường cong

1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh có trang bị ABS

Hệ thống chống hãm cứng bánh xe (ABS) thực chất là một bộ điều chỉnh lực phanh có mạch liên hệ ngược Sơ đồ khối điển hình của một ABS có dạng như trên hình 1.3 dưới đây, gồm:

- Bộ phận cảm biến 1, bộ phận điều khiển 2, bộ phận chấp hành hay cơ cấu thực hiện 3 và nguồn năng lượng 4

- Bộ phận cảm biến 1 có nhiệm vụ phản ánh sự thay đổi của các thông số được chọn để điều khiển (thường là tốc độ góc hay gia tốc chậm dần của bánh xe hoặc giá trị độ trượt) và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển 3 Bộ phận 2 sẽ xử lý tín hiệu

và truyền lệnh đến cơ cấu thực hiện 3 để tiến hành giảm hoặc tăng áp suất trong dẫn động phanh

- Chất lỏng được truyền từ xylanh chính (hay tổng van khí nén) 5 qua 3 đến các xylanh bánh xe (hay bầu phanh) 6 để ép guốc phanh và thực hiện quá trình phanh

Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát của một hệ thống chống hãm cứng bánh xe

1- Cảm biến tốc độ; 2- Bộ phận điều khiển; 3- Cơ cấu thực hiện; 4- Nguồn năng lượng; 5- Xylanh chính hoặc tổng van khí nén; 6- Xylanh bánh xe hoặc bầu phanh

Để hiểu được nguyên lý làm việc của hệ thống chống hãm cứng bánh xe, ta khảo sát quá trình phanh xe như trên hình 1.4

Hình 1.4 Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh

Nếu bỏ qua mômen cản lăn rất nhỏ và để đơn giản coi Zbx = const, thì phương trình cân bằng mô men tác dụng lên bánh xe đối với trục quay của nó khi phanh, có dạng:

0 )

d

d J M



Trong đó: Mp - Mô men phanh tạo nên bởi cơ cấu phanh

Mφ - Mô men bám của bánh xe với đường

Jb - Mô men quán tính của bánh xe

b - Tốc độ góc của bánh xe

Từ đó ta có gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh:

b p t

b b

J

M M d

Hình 1.5 Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS

Sự thay đổi Mp, Mφ, và εb theo độ trượt được thể hiện trên hình 1.5

- Đoạn O - 1 - 2 biểu diễn quá trình tăng Mp khi đạp phanh Hiệu (Mp - Mφ) tỷ

lệ với gia tốc chậm dần εb của bánh xe Hiệu trên tăng nhiều khi đường Mφ đi qua điểm cực đại Do đó sau thời điểm này, gia tốc εb bắt đầu tăng nhanh Sự tăng đột ngột của gia tốc εb chứng tỏ bánh xe sắp bị hãm cứng và được sử dụng làm tín hiệu vào thứ nhất để điều khiển làm giảm áp suất trong dòng dẫn động Do có độ chậm

tác dụng nhất định nào đó (phụ thuộc vào tính chất hệ thống), sự giảm áp suất thực

- Khi tốc độ góc bánh xe tăng lên, độ trƣợt giảm và bởi vậy φ và Mφ cũng tăng lên

- Tiếp theo, chu trình lặp lại Nhƣ vậy, trong quá trình điều khiển, bánh xe lúc thì tăng tốc lúc thì giảm tốc và buộc Mφ phải thay đổi theo chu trình kín 1 - 2 - 3 - 4

- 5 - 6 - 1, giữ cho độ trƣợt của bánh xe dao động trong giới hạn λ1 ÷ λ2 (hình 1.5), đảm bảo cho hệ số bám có giá trị gần với cực đại nhất

Trên hình 1.6 là đồ thị biểu diễn quá trình thay đổi áp suất trong dẫn động và gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh có ABS theo thời gian

Hình 1.6 Sự thay đổi áp suất trong dẫn động (a) và gia tốc chậm dần của bánh

xe (b) khi phanh có ABS Hình 1.6 a) cho thấy, quá trình phanh với ABS nói chung có 3 giai đoạn (3 pha): tăng áp suất (1 → 2), giảm áp suất (2 → 4) và duy trì (giữ) áp suất (4 → 5) ABS làm việc với 3 giai đoạn nhƣ vậy gọi là ABS 3 pha Một số ABS có thể không

có pha duy trì áp suất gọi là ABS 2 pha

Với các hệ thống chống hãm cứng bánh xe hiện nay, hệ số trượt thay đổi trong khoảng λ1 ÷ λ2 = (15 ÷ 30)% Tần số thay đổi áp suất trong dẫn động khí nén

khoảng (3 ÷ 8) Hz còn trong dẫn động thủy lực đến 20Hz

Để thấy rõ vai trò của ABS có thể tham khảo số liệu trong bảng 1.1 nhận được khi thử nghiệm xe du lịch (sách lý thuyết ô tô và máy kéo trang 295) trong hai trường hợp có và không có ABS và đồ thị quá trình phanh trên hình 1.7; 1.8

Bảng 1.1 Kết quả thí nghiệm khi phanh ôtô du lịch có trang bị ABS [5]

10,6 18,7

13,1 23,7

19,1 21,1 Đường bêtông khô

Đường bêtông ướt

27,77 27,77

41,1 62,5

50,0 100,0

17,8 37,5 (Mỗi bánh xe có một cảm biến và điều khiển riêng rẽ)

Từ kết quả thí nghiệm trên ta nhận thấy đường trơn và tốc độ xe càng lớn thì hiệu quả phanh của hệ thống có trang bị ABS lớn hơn nhiều so với hệ thống phanh không trang bị ABS

Hệ thống ABS làm tăng tính ổn định và tính dẫn hướng của ôtô khi phanh ở giá trị độ trượt của bánh xe so với mặt đường khoảng 15 - 25 % thì giá trị độ bám dọc xấp xỉ giá trị max cũng độ bám ngang cũng đạt giá trị khá cao Do đó vừa đảm bảo hiệu quả phanh tốt và vừa đảm bảo tính ổn định dẫn hướng khi phanh

Hình 1.7 Quá trình phanh điển hình trên mặt đường trơn không có ABS

Hình 1.8 Quá trình phanh điển hình của ôtô có trang bị ABS

1.3 Lý thuyết điều khiển của hệ thống phanh chống hãm cứng ABS

1.3.1 Yêu cầu của hệ thống phanh ABS

Một hệ thống ABS hoạt động tối ưu, đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng phanh của ô tô phải thoả mãn đồng thời các yêu cầu sau:

- ABS phải đáp ứng các yêu cầu về an toàn liên quan đến động lực học của

hệ thống phanh và chuyển động của ô tô

- Hệ thống phải làm việc ổn định và có khả năng thích ứng cao, điều khiển trong suốt dải tốc độ của xe và ở bất kỳ loại đường nào

- Hệ thống phải khai thác một cách tối ưu khả năng phanh của các bánh xe trên đường, do đó giữ tính ổn định điều khiển và giảm quãng đường phanh Điều này không phụ thuộc vào việc phanh đột ngột hay phanh từ từ của người lái xe

- Khi phanh trên đường có hệ số bám khác nhau (ví dụ hai bánh xe bên phải chạy trên đường tuyết và hai bánh bên trái chạy trên đường nhựa khô) thì mô men

xoay xe quanh trục đứng đi qua trọng tâm của xe là luôn luôn xảy ra không thể tránh khỏi, nhưng đối với sự hỗ trợ của hệ thống ABS, sẽ làm cho nó tăng rất chậm

để người lái xe có đủ thời gian bù trừ mô men này bằng cách điều chỉnh hệ thống lái một cách dễ dàng

- Phải duy trì độ ổn định và khả năng lái khi phanh trong lúc đang quay vòng

- Hệ thống phải có chế độ tự kiểm tra, chẩn đoán và an toàn Một mạch kiểm soát phải liên tục kiểm tra sự hoạt động của hệ thống một cách đầy đủ Nếu phát hiện một lỗi nào đó có thể làm hư hỏng quá trình làm việc của ABS thì hệ thống sẽ thông báo cho lái xe biết và khi đó hệ thống phanh sẽ làm việc như một hệ thống phanh thường

1.3.2 Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS

Mục tiêu của hệ thống ABS là giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị o ( = 10  30%, trên đồ thị đặc tính trượt), gọi là phạm vi điều khiển của hệ thống phanh ABS Khi đó kết quả phanh cao nhất (lực phanh đạt giá trị cực đại do có  xmax ) đồng thời tính ổn định của xe là tốt nhất ( y đạt giá trị cao), thoả mãn các yêu cầu cơ bản của hệ thống phanh là rút

ngắn quãng đường phanh, cải thiện tính ổn định hướng và khả năng điều khiển lái của xe trong khi phanh Thực tế giới hạn này có thể thay đổi trong phạm vi lớn, có thể bắt đầu sớm hơn hay kết thúc trễ hơn tùy theo điều kiện bám của bánh xe và mặt đường

Hình 1.9 Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS

Trên hình 1.9 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc x và độ trượt  ứng với các loại lốp khác nhau chạy trên các loại đường có hệ số bám khác nhau Phạm

vi điều khiển của hệ thống ABS ứng với từng điều kiện cụ thể là khác nhau Theo

đó, ta thấy đối với loại lốp bố tròn chạy trên đường bê tông khô (đường cong 1) thì

giá trị xmax đạt được ứng với độ trượt khoảng 10% so với loại lốp bố chéo chạy

trên đường nhựa ướt (đường 2) là 30% Độ trượt tối ưu 0 để đạt giá trị hệ số bám cực đại trong trường hợp trên là khác nhau Vì vậy, phạm vi điều khiển ABS của chúng cũng khác nhau, trường hợp lốp bố tròn chạy trên đường bê tông khô sẽ có quá trình điều khiển ABS xảy ra sớm hơn Tương tự là phạm vi điều khiển của hệ thống ABS đối với loại lốp bố tròn chạy trên đường tuyết và đường đóng băng

(đường 3 và 4)

Khi phanh trên đường vòng, xe chịu sự tác động của lực ngang nên các bánh

xe sẽ có một góc trượt  Đồ thị hình 1.10 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc

x và hệ số bám ngang y với độ trượt  ứng với góc trượt  = 20 và  = 100 Ta nhận thấy rằng khi góc trượt lớn thì tính ổn định của xe giảm đi rất nhiều Trong trường hợp này hệ thống ABS sẽ ưu tiên điều khiển tính ổn định của xe hơn là

quãng đường phanh Vì vậy ABS sẽ can thiệp sớm khi hệ số bám dọc x có giá trị rất nhỏ (x  0,35), trong khi hệ số bám ngang y đạt giá trị cực đại của nó là 0,8 Quá trình điều khiển này cũng được kéo dài hơn bình thường, nhờ vậy xe giữ được tính ổn định khi phanh trên đường vòng, mặc dù quãng đường phanh có thể dài hơn

so với khi chạy thẳng

Hình 1.10 Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe

1.3.3 Đặc tính lý tưởng

Hình 1.11 biểu diễn đường đặc tính lý tưởng khi phanh Trong vùng ổn định (a) hệ số bám dọc tăng tuyến tính và đạt giá trị cực đại xmax tại 0 Trong vùng không ổn định (b), hệ số bám dọc vẫn được duy trì với giá trị cực đại, nhờ vậy sẽ tận dụng được hết khả năng bám giữa bánh xe và mặt đường để được lực phanh tối

ưu Đây là cơ sở để thiết kế hoạt động của hệ thống ABS

a- Vùng ổn định ; b- Vùng chưa ổn định

Hình 1.11 Đặc tính trượt lý tưởng

Trên hình 1.12 thể hiện mối quan hệ giữa mô men phanh Mp (mô men phanh

do cơ cấu phanh tạo ra) và mô men bám của bánh xe MR (là mô men tác động ngược của mặt đường đối với bánh xe) với thời gian t (hình trên), cũng như sự giảm tốc của bánh xe ( -a) với thời gian t (hình dưới) Mô men phanh Mp tăng tuyến tính theo thời gian Mô men bám MR xuất hiện theo mô men phanh với thời gian trễ nhỏ

là T khi phanh trong vùng ổn định Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại xmax sau một thời gian xấp xỉ 130 ms Trong khi Mp tiếp tục tăng không ngừng, MR không thể tăng thêm được nữa và được giữ không đổi do hệ số bám đạt giá trị cực đại Sự chênh lệch Mp - MR là nhỏ trong trong giai đoạn (b) Sự thay đổi khoảng chênh lệch

mô men này dẫn đến ở giai đoạn ổn định thì sự giảm tốc của bánh xe khi phanh là chậm và có giá trị nhỏ, và nó giảm nhanh trong giai đoạn không ổn định Chính sự biến thiên khác nhau của gia tốc nói trên dẫn đến các kiểu ứng xử trái ngược nhau trong giai đoạn ổn định và không ổn định của đường đặc tính trượt ABS sử dụng các đặc tính trái ngược này để thực hiện quá trình điều khiển

(-a) gia tốc bánh xe; (-a max ) gia tốc lớn nhất của bánh xe khi phanh;

M p mô men phanh; M r mô men bám; M rmax mô men bám cực đại

Hình 1.12 Quá trình phanh cơ bản theo đặc tính trượt lý tưởng

1.3.4 Chu trình điều khiển của ABS

Quá trình điều khiển của hệ thống ABS được thực hiện theo một chu trình kín như hình 1.13 Các cụm của chu trình bao gồm:

- Tín hiệu vào là lực tác dụng lên bàn đạp phanh của người lái xe, thể hiện qua áp suất dầu tạo ra trong xy lanh phanh chính

- Tín hiệu điều khiển bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe và hộp điều khiển

(ECU) Tín hiệu tốc độ các bánh xe và các thơng số nhận được từ nĩ như gia tốc và

độ trượt liên tục được nhận biết và phản hồi về hộp điều khiển để xử lý kịp thời

- Tín hiệu tác động được thực hiện bởi bộ chấp hành, thay đổi áp suất dầu cấp đến các xy lanh làm việc ở các cơ cấu phanh bánh xe

- Đối tượng điều khiển: là lực phanh giữa bánh xe và mặt đường ABS hoạt động tạo ra mơ men phanh thích hợp ở các bánh xe để duy trì hệ số bám tối ưu giữa bánh xe với mặt đường, tận dụng khả năng bám cực đại để lực phanh là lớn nhất

Đối tượng điều khiển

Tín hiệu điều khiển

Tín hiệu đầu vào

Nhãn toỏ aỷnh hhửụỷng

Tín hiệu tác động

Nhân tố ảnh hưởng

1- Bộ chấp hành thuỷ lực; 2- Xy lanh phanh chính;3- Xy lanh làm việc;

4- Bộ điều khiển (ECU); 5- Cảm biến tốc độ bánh xe

Hình 1.13 Chu trình điều khiển kín của ABS

- Các nhân tố ảnh hưởng như: điều kiện mặt đường, tình trạng phanh, tải

trọng của xe, và tình trạng của lốp (áp suất, độ mòn,…)

Quá trình điều khiển của ABS được trình bày dưới dạng sơ đồ trạng thái không gian như hình 1.14 giải thích các chế độ hoạt động của một hệ thống ABS đơn giản

Khi phanh chậm, sự giảm tốc của xe thay đổi chậm và nhỏ thì hoạt động của

hệ thống phanh là bình thường, hệ thống ABS không can thiệp Khi phanh gấp hay phanh trên đường trơn, gia tốc chậm dần của bánh xe tăng nhanh, có hiện tượng bị hãm cứng ở các bánh xe, thì ABS sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển giảm áp suất phanh

để chống lại sự hãm cứng các bánh xe Sau đó áp suất phanh sẽ được điều khiển ở các chế độ giữ áp hoặc tăng áp/giảm áp, thực hiện chế độ tăng áp chậm hay tăng áp nhanh để duy trì độ trượt khi phanh nằm trong khoảng tối ưu Chu kỳ giảm áp - giữ

áp - tăng áp được điều khiển lặp lại phụ thuộc vào tình trạng trượt của bánh xe, kết quả là giữ cho tốc độ bánh xe có dạng như hình 1.16 và sau đó kết thúc trở về trạng thái bình thường Tuỳ vào điều kiện của bề mặt đường, số chu kỳ điều khiển sẽ dao động từ 4 10 lần trong vòng một giây ABS đạt được tốc độ điều khiển nhanh này nhờ những tín hiệu điện tử và khả năng đáp ứng, xử lý nhanh của các bộ vi xử lý trong ECU

Dừng tác động ABS Giảm áp chậm Giảm áp nhanh

Giữ hay tăng, giảm

áp

Giảm

áp

Phanh thường

Hình 1.14 Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS

Lưu đồ thuật toán chỉ sự hoạt động của hệ thống ABS theo một vòng lặp kín như sơ đồ hình 1.15 Sau khi kiểm tra và kích hoạt các giữ liệu của hệ thống, hệ thống vi xử lý bắt đầu điều khiển hoạt động của hệ thống theo một vòng lặp, tiến trình tính toán tốc độ bánh xe, tốc độ xe, kiểm tra tình trạng, khả năng đáp ứng của

bộ điều khiển và hệ thống, chọn chế độ làm việc có hay không có sự can thiệp của ABS Khi ABS hoạt động sẽ tiến hành phân tích diễn biến của quá trình phanh thông qua các tín hiệu vào, xác định cách ứng xử và tiến hành điều khiển các bộ phận chấp hành làm việc theo một chu trình vòng lặp kín

Hình 1.15 Vòng lặp hoạt động của ABS

1.3.5 Tín hiệu điều khiển ABS

Việc lựa chọn các tín hiệu điều khiển thích hợp là nhân tố chính trong việc quyết định tính hiệu quả của quá trình điều khiển ABS Trên tất cả các xe hiện nay đều sử dụng các cảm biến tốc độ bánh xe để tạo ra tín hiệu điều khiển chính và cơ bản nhất cho việc điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống ABS Sử dụng những tín hiệu này, hộp điều khiển ECU sẽ tính ra được tốc độ của mỗi bánh xe, sự giảm tốc và tăng tốc của nó, tính được tốc độ chuẩn của bánh xe, tốc độ xe và độ trượt khi phanh

Sự thay đổi gia tốc của bánh xe là một tín hiệu chính, đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình điều khiển của ABS ECU sẽ tính toán và xác định các giá trị giới hạn của sự giảm tốc (-a) và tăng tốc (+a) cho phép của xe để điều khiển các chế

độ hoạt động của các van điện trong bộ chấp hành Tốc độ chuẩn của bánh xe khi phanh (vRef) là một tốc độ tương ứng với tốc độ bánh xe dưới điều kiện phanh tối ưu

(có độ trượt tối ưu) Để xác định tốc độ chuẩn này, các cảm biến tốc độ bánh xe liên

tục gửi về ECU tín hiệu tốc độ của cả 4 bánh xe ECU chọn những giá trị chéo tức

là bánh trước phải và sau trái chẳng hạn và dựa vào đây tính tốc độ chuẩn Một trong hai bánh xe quay nhanh hơn được dùng để xác định tốc độ chuẩn của bánh xe trong từng giai đoạn của quá trình phanh

Độ trượt khi phanh là giá trị không thể đo được một cách trực tiếp nên sử dụng một tín hiệu tương tự được tính toán trong ECU, gọi là ngưỡng trượt 1 (đây

là một giá trị vận tốc) Tốc độ chuẩn của bánh xe được sử dụng làm cơ sở cho tín

hiệu này Ngưỡng trượt 1 là một tín hiệu quan trọng thứ hai trong quá trình điều khiển của hệ thống ABS Vận tốc thực tế của bánh xe khi phanh (vR) được so sánh với ngưỡng trượt 1 để hệ thống ABS quyết định các chế độ điều khiển tăng, giữ hay giảm áp suất dầu trong bộ phận chấp hành

Đối với các bánh xe bị động hay các bánh xe chủ động mà khi phanh có cắt

ly hợp thì chỉ cần tín hiệu gia tốc của bánh xe là đủ để điều khiển cho quá trình hoạt động của ABS Điều này tuân theo nguyên tắc ứng xử trái ngược nhau của hệ thống

phanh trong vùng ổn định và không ổn định của đường đặc tính trượt Trong vùng

ổn định thì sự giảm tốc của bánh xe là rất nhỏ, tức là nếu lái xe đạp phanh với lực càng tăng thì xe giảm tốc càng nhiều mà bánh xe không bị hãm cứng Tuy nhiên, ở vùng không ổn định thì chỉ cần tăng áp suất phanh thêm một ít cũng đủ làm cho các bánh xe bị hãm cứng tức thời, nghĩa là sự giảm tốc biến thiên rất nhanh Dựa trên sự biến thiên gia tốc này, ECU có thể xác định được mức độ hãm cứng của bánh xe và

có điều khiển thích hợp để duy trì độ trượt khi phanh nằm trong khoảng tối ưu

Đối với các bánh xe chủ động mà khi phanh không cắt ly hợp và cần số đặt ở

vị trí số 1 hay số 2, động cơ sẽ tác động lên các bánh xe chủ động và tăng một cách đáng kể mô men quán tính khối lượng ở các bánh xe Nói cách khác, các bánh xe sẽ phản ứng như thể là chúng nặng hơn rất nhiều Điều này dẫn đến gia tốc chậm dần bánh xe thường chưa đủ lớn để có thể coi như là một tín hiệu điều khiển đủ cho ECU có thể xác định được mức độ hãm cứng của bánh xe Như vậy việc điều khiển của ABS sẽ thiếu chính xác Vì vậy, cần thiết phải dùng một tín hiệu tương tự với

độ trượt phanh để làm tín hiệu điều khiển phụ và cần kết hợp tương thích tín hiệu này với tín hiệu gia tốc của bánh xe, đó chính là ngưỡng trượt 1 Trên một số xe có gắn thêm cảm biến giảm tốc đo trược tiếp sự giảm tốc của xe và cảm biến gia tốc ngang xác định tình trạng quay vòng của xe, thì các tín hiệu này được xem như các tín hiệu bổ sung cho tín hiệu gia tốc của bánh xe Mạch logic trong ECU tính toán

và xử lý tổ hợp dữ liệu này để đạt được quá trình điều khiển phanh tối ưu

1.3.6 Quá trình điều khiển ABS

Trên đồ thị hình 1.16 biểu diễn một quá trình điều khiển điển hình của hệ

thống ABS Đường v F biểu diễn tốc độ xe giảm dần khi phanh, đường v Re là tốc độ chuẩn của bánh xe, v R thể hiện tốc độ thực tế của bánh xe khi phanh, đường 1 là

ngưỡng trượt được xác định từ tốc độ chuẩn v Re Mục tiêu của ABS là điều khiển

sao cho trong quá trình phanh giá trị tốc độ thực tế của bánh xe v R càng sát với tốc

độ chuẩn v Re càng tốt (với v Re là tốc độ bánh xe khi phanh dưới điều kiện phanh tối ưu), tức nó phải nằm trên ngưỡng trượt 1

Trong giai đoạn đầu của quá trình phanh, áp suất dầu ở các xy lanh bánh xe tăng lên và sự giảm tốc của các bánh xe cũng tăng lên Giai đoạn này tương ứng với vùng ổn định (a) trong đường đặc tính trượt, lúc này tốc độ của bánh xe vR bằng tốc

độ chuẩn v Re

Ở cuối giai đoạn 1, sự giảm tốc của bánh xe bắt đầu thấp hơn ngưỡng đã chọn (-a) Lập tức các van điện trong bộ chấp hành ABS chuyển sang chế độ giữ áp suất Áp suất dầu trong các xy lanh phanh bánh xe chưa giảm ngay vì sự trễ trong quá trình điều khiển nên sự giảm tốc tiếp tục vượt qua ngưỡng (-a)

Ở cuối giai đoạn 2, tốc độ của bánh xe vR giảm xuống với ngưỡng 1 Van điện trong bộ phận chấp hành chuyển sang chế độ giảm áp, kết quả là áp suất phanh giảm cho đến khi bánh xe tăng tốc trở lại lên gần ngưỡng (-a)

v F - Tốc độ xe; v Ref - Tốc độ chuẩn bánh xe;

v R - Tốc độ thực tế bánh xe; 1 - Ngưỡng trượt

Hình 1.16 Quá trình điều khiển của ABS

Ở cuối giai đoạn 3, gia tốc của bánh xe vượt lên trên ngưỡng (-a) một lần nữa, van điện trong bộ chấp hành lại chuyển sang chế độ giữ áp với thời gian dài hơn Do đó thời điểm này, gia tốc của xe tăng lên và vượt qua ngưỡng (+a), áp suất phanh vẫn giữ không đổi

Ở cuối giai đoạn 4, gia tốc của xe vượt qua ngưỡng giới hạn (+a), lập tức hộp ECU điều khiển van điện chuyển sang chế độ tăng áp trong giai đoạn 5

Trong giai đoạn 6, áp suất phanh được giữ không đổi một lần nữa vì gia tốc bánh xe vẫn còn trên ngưỡng (+a) Ở cuối giai đoạn này gia tốc của bánh xe xuống dưới ngưỡng (+a), điều này cho thấy các bánh xe đã đi vào vùng ổn định của đường cong đặc tính trượt, tức đã nằm trên ngưỡng trượt 1

Áp suất phanh được tiếp tục tăng lên từng nấc một trong giai đoạn 7 để giảm tốc độ của xe cho đến khi gia tốc giảm dần của bánh xe xuống dưới ngưỡng (-a) ở cuối giai đoạn 7 Lúc này áp suất phanh giảm ngay tức thì mà không cần tín hiệu 1

điều khiển Các chu kỳ mới được tiếp tục điều khiển theo nguyên lý như trên cho đến khi kết thúc quá trình phanh

1.3.7 Các phương án bố trí hệ thống điều khiển của ABS

a) Phân loại các phương pháp điều khiển của ABS

ABS được điều khiển theo các phương pháp sau:

* Điều khiển theo ngưỡng trượt:

- Điều khiển theo ngưỡng trượt thấp: Ví dụ các bánh xe trái và phải chạy trên các phần đường có hệ số bám khác nhau ECU chọn thời điểm bắt đầu bị hãm cứng của bánh xe có khả năng bám thấp, để điều khiển áp suất phanh chung cho cả cầu

xe Lúc này, lực phanh ở các bánh xe là bằng nhau, bằng chính giá trị lực phanh cực đại của bánh xe có hệ số bám thấp Đối với bánh xe bên phần đường có hệ số bám cao vẫn còn nằm trong vùng ổn định của đường đặc tính trượt và lực phanh chưa đạt cực đại Vì vậy, cách này cho tính ổn định cao nhưng hiệu quả phanh thấp vì lực phanh nhỏ

- Điều khiển theo ngưỡng trượt cao: ECU chọn thời điểm bánh xe có khả năng bám cao bị hãm cứng để điều khiển chung cho cả cầu xe Trước đó, bánh xe ở phần đường có hệ số bám thấp đã bị hãm cứng khi phanh Cách này cho hiệu quả phanh cao vì tận dụng hết khả năng bám của các bánh xe nhưng tính ổn định kém

* Điều khiển độc lập hay phụ thuộc:

- Trong loại điều khiển độc lập, bánh xe nào đạt tới ngưỡng trượt, tức bắt đầu

có xu hướng bị bó cứng thì điều khiển riêng bánh đó

- Trong loại điều khiển phụ thuộc, ABS điều khiển áp suất phanh chung cho hai bánh xe trên một cầu hay cả xe theo một tín hiệu chung, có thể theo ngưỡng trượt thấp hay ngưỡng trượt cao

* Điều khiển theo kênh:

- Loại 1 kênh: Hai bánh sau được điều khiển chung (có ở ABS thế hệ đầu, chỉ trang bị ABS cho hai bánh sau vì dễ bị hãm cứng hơn hai bánh trước khi phanh)

- Loại 2 kênh: Một kênh điều khiển chung cho hai bánh xe trước, một kênh điều khiển chung cho hai bánh xe sau Hoặc một kênh điều khiển cho hai bánh chéo nhau

- Loại 3 kênh: Hai kênh điều khiển độc lập cho hai bánh trước, kênh còn lại điều khiển chung cho hai bánh sau

- Loại 4 kênh: Bốn kênh điều khiển riêng rẽ cho 4 bánh

Hiện nay loại ABS điều khiển theo 3 và 4 kênh được sử dụng rộng rãi Ưu và nhược điểm của từng loại được thể hiện qua các phương án bố trí sau

b) Các phương án bố trí hệ thống điều khiển của ABS

Việc bố trí sơ đồ điều khiển của ABS phải thoả mãn đồng thời hai yếu tố:

- Tận dụng được khả năng bám cực đại giữa bánh xe với mặt đường trong quá trình phanh, nhờ vậy làm tăng hiệu quả phanh, tức là làm giảm quãng đường phanh

- Duy trì khả năng bám ngang trong vùng có giá trị đủ lớn nhờ vậy làm tăng tính ổn định chuyển động và ổn định quay vòng của xe khi phanh

Từ những kết quả phân tích lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng đối với ABS thì hiệu quả phanh và ổn định khi phanh phụ thuộc chủ yếu vào việc lựa chọn

sơ đồ phân phối các mạch điều khiển và mức độ độc lập hay phụ thuộc của việc điều khiển lực phanh tại các bánh xe Sự thỏa mãn đồng thời hai chỉ tiêu hiệu quả phanh và tính ổn định phanh của xe là khá phức tạp, tuỳ theo phạm vi và điều kiện

sử dụng mà chọn các phương án điều khiển khác nhau Dưới đây trình bày 6

phương án bố trí hệ thống điều khiển của ABS tại các bánh xe (Hình 1.17) và những

phân tích theo quan điểm hiệu quả và ổn định khi phanh

* Phương án 1: ABS có 4 kênh với các bánh xe được điều khiển độc lập

ABS có 4 cảm biến bố trí ở bốn bánh xe và 4 van điều khiển độc lập, sử

dụng cho hệ thống phanh bố trí dạng mạch thường (một mạch dẫn động cho hai bánh xe cầu trước, một mạch dẫn động cho hai bánh xe cầu sau) Với phương án

này các bánh xe đều được tự động điều chỉnh lực phanh sao cho luôn nằm trong

a) Phương án 1 b) Phương án 2 c) Phương án 3

d) Phương án 4 e) Phương án 5 f) Phương án 6

Hình 1.17 Các phương án điều khiển của ABS

vùng có khả năng bám cực đại nên hiệu quả phanh là tốt nhất Tuy nhiên, khi phanh trên đường có hệ số bám trái và phải không đều thì mô men xoay xe sẽ rất lớn và khó có thể duy trì ổn định hướng bằng cách hiệu chỉnh vô lăng xe Ổn định xe khi quay vòng cũng giảm nhiều Vì vậy với phương án này cần phải bố trí thêm cảm biến gia tốc ngang để kịp thời hiệu chỉnh lực phanh ở các bánh xe để tăng cường tính ổn định chuyển động và ổn định quay vòng khi phanh

* Phương án 2: ABS có 4 kênh điều khiển và mạch phanh bố trí chéo

Sử dụng cho hệ thống phanh có dạng bố trí mạch chéo (một buồng của xy lanh phanh chính phân bố cho một bánh trước và một bánh sau chéo nhau) ABS

có 4 cảm biến bố trí ở các bánh xe và 4 van điều khiển Trong trường hợp này 2 bánh trước được điều khiển độc lập, 2 bánh sau được điều khiển chung theo ngưỡng trượt thấp, tức là bánh xe nào có khả năng bám thấp sẽ quyết định áp lực phanh chung cho cả cầu sau Phương án này sẽ loại bỏ được mô men quay vòng trên cầu sau, tính ổn định tăng nhưng hiệu quả phanh giảm bớt

* Phương án 3: ABS có 3 kênh điều khiển

Trong trường hợp này thì 2 bánh xe sau được điều khiển theo ngưỡng trượt thấp, còn ở cầu trước chủ động có thể có hai phương án sau:

- Đối với những xe có chiều dài cơ sở lớn và mô men quán tính đối với trục đứng đi qua trọng tâm xe cao - tức là có nhiều khả năng cản trở độ lệch hướng khi phanh, thì chỉ cần sử dụng một van điều khiển chung cho cầu trước và một cảm biến tốc độ đặt tại vi sai Lực phanh trên hai bánh xe cầu trước sẽ bằng nhau và được điều chỉnh theo ngưỡng trượt thấp Hệ thống như vậy cho tính ổn định phanh rất cao nhưng hiệu quả phanh lại thấp

- Đối với những xe có chiều dài cơ sở nhỏ và mô men quán tính thấp thì để tăng hiệu quả phanh mà vẫn đảm bảo tính ổn định, người ta để cho hai bánh trước điều khiển độc lập Tuy nhiên phải sử dụng bộ phận làm chậm sự gia tăng mô men xoay xe Hệ thống khi đó sử dụng 4 cảm biến tốc độ đặt tại 4 bánh xe

* Các phương án 4, 5, 6: Đều là loại có hai kênh điều khiển Trong đó:

- Phương án 4 tương tự như phương án 3 Tuy nhiên cầu trước chủ động được điều khiển theo phương thức chọn cao, tức là áp suất phanh được điều chỉnh theo ngưỡng của bánh xe bám tốt hơn Điều này tuy làm tăng hiệu quả phanh nhưng tính ổn định lại kém hơn do mô men xoay xe khá hơn

- Phương án 5 là trên mỗi cầu chỉ có một cảm biến đặt tại 2 bánh xe chéo nhau để điều khiển áp suất phanh chung cho cả cầu Cầu trước được điều khiển theo ngưỡng trượt cao, còn cầu sau được điều khiển theo ngưỡng trượt thấp

- Phương án 6 sử dụng cho loại mạch chéo Với hai cảm biến tốc độ đặt tại cầu sau, áp suất phanh trên các bánh xe chéo nhau sẽ bằng nhau Ngoài ra các bánh

xe cầu sau được điều khiển chung theo ngưỡng trượt thấp Hệ thống này tạo độ ổn định cao nhưng hiệu quả phanh sẽ thấp

Để minh hoạ cho sự ảnh hưởng của các phương án điều khiển tới hiệu quả

phanh (đặc trưng bằng quãng đường phanh S p ) và tính ổn định khi phanh (đặc trưng bằng độ lệch ngang của trọng tâm xe Y cũng như góc lệch hướng  của xe),

chúng ta tham khảo kết quả thực nghiệm đo đạc ở chế độ mặt đường có hệ số bám

trái và phải không đều

3 , 0

7 , 0

- Nếu độ trượt của cầu trước và cầu sau không như nhau trong quá trình

phanh (do kết quả của việc chọn ngưỡng trượt thấp hay cao trên mỗi cầu, hoặc do phân bố tải trọng trên cầu khi phanh) sẽ tạo ra sự trượt ngang không đồng đều trên

mỗi cầu Nếu cầu trước trượt ngang nhiều hơn sẽ làm tính quay vòng thiếu, ngược lại khi cầu sau trượt ngang nhiều hơn sẽ làm tăng tính quay vòng thừa

0,2 0,4 0,6 0,8

1 Điều khiển độc lập ở tất cả các bánh xe;

2 Các bánh xe cầu trước được điều khiển độc lập, các bánh xe cầu sau điều khiển phụ thuộc;

3 Không có ABS;

4 Các bánh xe cầu trước và cầu sau đều điều khiển phụ thuộc (theo từng cầu);

5 Điều khiển phụ thuộc ở tất cả các bánh xe trên các cầu

Hình 1.18 Hiệu quả phanh và ổn định đối với các phương án ABS khác nhau

Chương 2: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ABS

2.1 Giới thiệu chung

Hệ thống ABS được thiết kế dựa trên cấu tạo của một hệ thống phanh thường Ngoài các cụm bộ phận chính của một hệ thống phanh như cụm xy lanh chính, bầu trợ lực áp thấp, cơ cấu phanh bánh xe, các van điều hoà lực phanh, … để thực hiện chức năng chống hãm cứng bánh xe, thì hệ thống ABS cần trang bị thêm các bộ phận như cảm biến tốc độ bánh xe, hộp ECU, bộ chấp hành thuỷ lực, bộ phận chẩn đoán, báo lỗi, … Hình 2.1 giới thiệu sơ đồ cấu tạo một hệ thống ABS trên xe

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo một hệ thống ABS trên xe

Một hệ thống ABS nào cũng bao gồm 3 cụm bộ phận chính:

- Cụm tín hiệu vào bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến giảm tốc, công tắc báo phanh… có nhiệm vụ gửi tín hiệu tốc độ các bánh xe, tín hiệu phanh

về hộp ECU

- Hộp điều khiển trung tâm (ECU) có chức năng nhận và xử lý các tín hiệu vào, đưa tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thuỷ lực, điều khiển quá trình phanh chống hãm cứng

- Bộ phận chấp hành gồm các bộ điều khiển thuỷ lực, đèn báo ABS, bộ phận kiểm tra, chẩn đoán Bộ chấp hành thuỷ lực nhận tín hiệu điều khiển từ ECU và thực hiện quá trình phân phối áp suất dầu đến các cơ cấu phanh bánh xe

Hình 2.2 thể hiện sơ đồ khối các cụm chức năng của hệ thống ABS

*: Chỉ một vài loại xe mới có

Nguyên tắc điều khiển cơ bản của hệ thống ABS như hình sau:

- Các cảm biến tốc độ bánh xe nhận biết tốc độ góc của các bánh xe và gửi tín hiệu về ECU dưới dạng các xung điện áp xoay chiều

- ABS ECU theo dõi tình trạng các bánh xe bằng cách tính tốc độ xe và sự thay đổi tốc độ bánh xe, xác định mức độ trượt dựa trên tốc độ các bánh xe

- Khi phanh gấp hay phanh trên những đường ướt, trơn trượt có hệ số bám thấp, ECU điều khiển bộ chấp hành thuỷ lực cung cấp áp suất dầu tối ưu cho mỗi xy

BỘ PHẬN CHẤP HÀNH

Bộ chấp hành thuỷ lực Đèn báo ABS

Chế độ dự phòng

Hình 2.2 Sơ đồ khối các cụm chức năng của ABS

Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển của hệ thống ABS

lanh phanh bánh xe theo các chế độ tăng áp, giữ áp hay giảm áp để duy trì độ trượt nằm trong giới hạn tốt nhất, tránh bị hãm cứng bánh xe khi phanh

2.2 Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực

2.2.1 Cảm biến tốc độ bánh xe

Cảm biến tốc độ bánh xe dùng để đo vận tốc góc của bánh xe và gửi về ECU dưới dạng tín hiệu điện

Hình 2.4 Cảm biến tốc độ bánh xe loại điện từ

Tùy theo cách điều khiển khác nhau, các cảm biến tốc độ bánh xe thường được gắn ở mỗi bánh xe để đo riêng rẽ từng bánh hoặc được gắn ở vỏ bọc của cầu chủ động, đo tốc độ trung bình của hai bánh xe dựa vào tốc độ của bánh răng vành chậu Ở bánh xe, cảm biến tốc độ được gắn cố định trên các giá đỡ của các bánh xe, vành răng cảm biến được gắn trên đầu ngoài của bán trục, hay trên cụm moay ơ bánh xe, đối diện và cách cảm biến tốc độ một khe hở nhỏ, gọi là khe hở từ

Cảm biến tốc độ bánh xe có hai loại: cảm biến điện từ và cảm biến Hall Trong đó loại cảm biến điện từ được sử dụng phổ biến hơn

Cấu tạo của cảm biến điện từ bao gồm một nam châm vĩnh cửu, một cuộn dây quấn quanh lõi từ, hai đầu cuộn dây được nối với ECU (hình 2.4)

Khi bánh xe quay, vành răng quay theo, khe hở A giữa đầu lõi từ và vành răng thay đổi, từ thông biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động xoay chiều dạng hình sin có biên độ và tần số thay đổi tỉ lệ theo tốc độ góc của bánh

xe ( hình 2.5) Tín hiệu này liên tục được gửi về ECU Tuỳ theo cấu tạo của cảm biến, vành răng và khe hở giữa chúng, các xung điện áp tạo ra có thể nhỏ dưới 100mV ở tốc độ thấp, hoặc cao hơn 100V ở tốc độ cao

Khe hở không khí giữa lõi từ và đỉnh răng của vành răng cảm biến chỉ khoảng 1 mm và độ sai lệch phải nằm trong giới hạn cho phép Hệ thống ABS sẽ không làm việc tốt nếu khe hở nằm ở ngoài giá trị tiêu chuẩn

Ngoài loại cảm biến tốc độ có nam châm đứng yên như trên, có một loại khác là cảm biến loại nam châm quay, có cấu toạ như hình 2.6, vành răng được thay thế bằng một vòng nam châm có nhiều cực được sắp xếp xen kẽ nhau, nguyên lý làm việc cũng dựa trên hiện tượng biến thiên từ thông như trên và gửi xung điện xoay chiều đến ECU

Hình 2.6 Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh

xe loại nam châm quay

Trước

Đĩa xẻ rãnh LEDs

Transistor quang Đĩa xẻ rãnh Cảm biến giảm tốc

Trong quá trình giảm tốc

Hình 2.7 Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc

quá trình phanh Kết quả là, mức độ đáp ứng của ABS được cải thiện tốt hơn Nó thường được sử dụng nhiều trên xe 4WD bởi vì nếu một trong các bánh bị hãm cứng thì các bánh khác cũng có xu hướng bị hãm cứng theo, do tất cả các bánh được nối với hệ thống truyền lực nên có tốc độ ảnh hưởng lẫn nhau Cảm biến giảm tốc còn gọi là cảm biến “G”

Cấu tạo của cảm biến giảm tốc như hình 2.7, gồm có 2 cặp đèn LED (Light Emited Diod - đi ốt phát quang) và phototransistors (transistor quang), một đĩa xẻ rãnh và một mạch biến đổi tín hiệu Đặc điểm của đèn LED là phát sáng khi cấp điện và phototransistor là dẫn điện khi có ánh sáng chiếu vào Khi mức độ giảm tốc của xe thay đổi, đĩa xẻ rãnh lắc theo chiều dọc xe tương ứng với mức độ giảm tốc Các rãnh trên đĩa cắt hay cho ánh sáng từ đèn LED đến phototransistor, làm phototransistor đóng, mở, báo tín hiệu về ECU ECU nhận tín hiệu này để xác định chính xác tình trạng mặt đường và thực hiện các điều chỉnh thích hợp Tín hiệu này cũng được dùng để ECU điều khiển chế độ làm chậm sự tăng mô men xoay xe

Hình 2.8 Các chế độ hoạt động của cảm biến giảm tốc

Sử dụng hai cặp LED và phototransistors sẽ tạo ra sự đóng và mở các

phototransistor, chia mức độ giảm tốc thành 4 mức như hình 2.8