Xây dựng mô hình tính toán cơ cấu chấp hành trong hệ thống phanh khí nén trang bị ABS

Qua thực tế trên, đề tài: “Xây dựng mô hình tính toán cơ cấu chấp hành trong hệ thống phanh khí nén trang bị ABS” sẽ góp phần đáng kể trong quá trình tính toán dẫn động điều khiển hệ thố

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC CÁC BẢNG

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ 1

1.1 Nhiệm vụ vai trò của hệ thống phanh trên ô tô .1

1.2 Tính năng phanh ô tô .3

1.2.1 Yêu cầu về hiệu quả phanh 3

1.2.2 Tính ổn định hướng ô tô khi phanh 6

1.3 Biện pháp tạo hiệu quả phanh cao nhất .8

1.4 Một số nghiên cứu về ABS khí nén trong và ngoài nước .14

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN TRANG BỊ ABS 17

2.1 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén ABS .17

2.2 Các cụm chi tiết trong hệ thống phanh ABS khí nén 18

CHƯƠNG III XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG LỰC HỌC PHANH KHÍ NÉN ABS 30

3.1 Mục tiêu .30

3.2 Động lực học phanh ABS 30

3.3 Xác định mô men phanh do cơ cấu phanh sinh ra .33

3.4 Xây dựng phương trình tính toán điểm nút đối với hệ thống phanh xe ¼ trang bị ABS .38

CHƯƠNG IV KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH VAN ABS VÀ MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHANH 41

I THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH VAN ABS 41

4.1 Mục đích thí nghiệm .41

4.2 Xây dựng sơ đồ thí nghiệm 41

4.3 Thiết kế mạch đo 45

4.4 Các thí nghiệm, kết quả, nhận xét 51

II MÔ PHỎNG SỐ TRÊN PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 55

4.5 Mô phỏng hệ thống phanh khí nén có van ABS trên máy tính .57

4.6 Mô phỏng khối động lực học xe 60

4.7 Các kết quả mô phỏng, phân tích và so sánh các chỉ tiêu chất lƣợng của hệ thống phanh ABS .64

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 72

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Những nội dung trình bày trong luận văn này do chính tôi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Hữu Nam cùng với sự giúp đỡ của các bạn bè, đồng nghiệp Nội dung của luận văn hoàn toàn phù hợp với Đề tài đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trong luận văn

là trung thực

Tác giả luận văn

Trịnh văn Tuấn

k Chỉ số đoạn nhiệt của không khí, k=1,4

/ m

N

K s m

ABS Antilock Braking System

ECU Electronic Control Unit

ADC Analog Digital Converter

S/M Sensor/Module

GND Ground

ASM Assembly

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1.4 Đường đặc tính bộ điều hòa lực phanh hai thông số 10 1.5 Đồ thị hệ số trượt theo hệ số bám dọc và ngang 12

2.1 Sơ đồ dẫn động phanh khí nén 2 dòng có trang bị ABS 17

2.3 Cấu tạo và hoạt động của cảm biến vận tốc bánh xe 19 2.4 Tín hiệu điện áp tại cảm biến tốc độ bánh xe 20 2.5 Khối điều khiển ECU của ABS với các tín hiệu đầu vào và ra 21

2.11 Đồ thị diễn biến quá trình làm việc hệ thống phanh ABS 28

3.3 Biểu đồ phân bố áp suất trên má phanh theo qui luật hình sin 35

4.2 Sơ đồ cấu tạo của bộ chấp hành van ABS 43

4.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ thu thập dữ liệu 48

4.10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển tín hiệu van ABS 50

4.12 Đồ thị xác định mối liên hệ giữa áp suất và giá trị adc thu về 52 4.13 Diễn biến quá trình giảm áp từ 5 atm tới 3 atm 53 4.14 Diễn biến quá trình tăng áp từ 3 atm tới 5 atm 54

4.15 Sơ đồ mô phỏng sự biến đổi lưu lượng và áp suất của khí nén vào

4.18 Modul mô phỏng sự biến đổi lưu lượng và áp suất của khí nén qua van 59

4.19 Sơ đồ mô phỏng sự biến đổi lưu lượng và áp suất của khí nén vào bầu

4.22 Sơ đồ tín hiệu vào/ra của khối mô hình lốp 61

4.26 Đồ thị quang đường phanh ứng vơi vận tốc 40km/h, hê số bám =0,8 64 4.27 Đồ thị quãng đường phanh ứng với vận tốc 80km/h, hê số bám =0,8 64 4.28 Đồ thị áp suất ứng với V= 40 km/h và hệ số bám 0,8 65

4.29 Đồ thị liên hệ giữa hệ số trượt và vận tốc góc ứng với V= 40 km/h và

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1

Bảng biểu diễn các trạng thái pha, trạng thái van, trạng thái nối

4.1 Thông số kích thước của bộ chấp hành van ABS 43 4.2 Bảng kết quả thí nghiệm pha giảm áp van ABS 54 4.3 Bảng kết quả thí nghiệm pha tăng áp van ABS 55

LỜI NÓI ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển, hàng năm hàng triệu ô tô trên thế giới được sản xuất đưa vào hoạt động Điều đó dẫn tới mật độ xe trên đường ngày càng cao Số lượng xe càng nhiều, tốc độ xe càng lớn thì vấn đề an toàn trong vận tải ô tô cần được đặc biệt quan tâm, cần nhận thức rõ vị trí, tầm quan trọng của hệ thống phanh ô tô trong việc nâng cao tính kinh tế và an toàn chuyển động

Trước đây trên ô tô tải sử dụng hệ thống phanh khí nén bằng cơ khí đơn giản, hiệu quả phanh chưa cao Hiện nay, các xe thế hệ mới đã sử dụng hệ thống phanh với những tính năng, chỉ tiêu kỹ thuật cao nhằm đáp ứng các qui định ngày càng khắt khe đảm bảo an toàn cho người, hàng hoá vận chuyển và phương tiện tham gia giao thông Trên các xe ô tô hiện đại thường dùng hệ thống phanh khí nén trang bị ABS sử dụng thay thế cho hệ thống phanh khí nén nhằm tăng mức độ an toàn hiệu quả cho xe

Cho đến nay, ở nước ta cũng đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu tính toán hệ thống phanh khí nén ABS, nhưng cũng còn nhiều mặt hạn chế và chưa có các nghiên cứu đầy đủ về quá trình động học của dẫn động phanh khí nén ABS cũng như khảo sát, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của dẫn động phanh khí nén, đặc biệt là cơ cấu chấp hành

Qua thực tế trên, đề tài: “Xây dựng mô hình tính toán cơ cấu chấp hành trong hệ thống phanh khí nén trang bị ABS” sẽ góp phần đáng kể trong quá trình tính toán dẫn động điều khiển hệ thống phanh khí nén ABS Mục đích nghiên cứu chính của đề tài là nghiên cứu quá trình động lực học dẫn động phanh khí nén trong các chế độ làm việc của cơ cấu chấp hành, để làm căn cứ cho việc xác định đặc tính hệ thống phanh khi trang bị thêm ABS, lựa chọn các phần tử trong hệ thống dẫn động phanh đảm bảo yêu

cầu về an toàn trong vận hành

Trong toàn bộ quá trình thực hiện luận văn của mình, tôi đã gặp rất nhiều những khó khăn vướng mắc, với sự cố gắng học hỏi, đặc biệt có sự giúp đỡ tận tình của Thầy

giáo hướng dẫn, và các bạn đồng nghiệp Đến nay, tôi đã hoàn tất các nội dung yêu cầu của đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hữu Nam cùng các thầy trong Viện Cơ Khí Động Lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tận tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành đề tài của mình

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2015

Trịnh Văn Tuấn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ

1.1 Nhiệm vụ vai trò của hệ thống phanh trên ô tô

Hệ thống phanh là một hệ thống an toàn trên ô tô, có vai trò quan trọng trong quá trình vận hành và lưu thông trên đường, đảm bảo an toàn cho chuyển động của ô tô

và tính mạng con người Trên xe người ta bố trí hệ thống phanh nhằm mục đích giảm tốc độ cho đến khi xe dừng hẳn hay dừng xe khi cần thiết, hoặc giảm đến một vận tốc nhất định nào đó tùy theo yêu cầu của người lái Bên cạnh đó hệ thống phanh còn giữ cho ô tô ở trạng thái đứng yên không dịch chuyển khi đỗ xe và tăng khả năng ổn định của xe Nhờ có hệ thống phanh mà người lái có thể nâng cao được vận tốc trung bình của ô tô Để đáp ứng các nhiệm vụ đặt ra của hệ thống phanh, thì yêu cầu hệ thống phanh trên xe phải đảm bảo phanh nhanh chóng, dừng xe trong bất kỳ tình huống nào Khi phanh xe đột ngột xe phải dừng sau quãng đường ngắn nhất và phanh có hiệu quả phanh, phân bố mô men phanh tới các bánh xe phù hợp với trọng lượng bám ở mọi chế độ (tải trọng, tốc độ,…) Ngoài các yêu cầu trên hệ thông phanh còn phải có các yêu cầu như chiếm ít không gian, trọng lượng nhỏ, độ bền cao Trên các ô tô tải cỡ lớn và trung bình hệ thống phanh thường dùng là dẫn động phanh khí nén và dẫn động phanh bán thủy lực-khí nén Hệ thống phanh khí nén có nhiều ưu việt hơn so với hệ thống phanh thủy lực như giá thành và năng suất hoạt động Hệ thống phanh trên các xe tải và cỡ lớn thường tạo ra lực phanh lớn Để dẫn động cơ cấu phanh người ta sử dụng năng lượng khí nén, lực của người lái chỉ để mở tổng van phanh làm giảm sức người lái rất nhiều, tuy nhiên trên hệ thống phanh khí vẫn tồn tại nhược điểm là độ trễ của hệ thống

do tính nén được của môi chất Khác với hệ thống phanh khí, hệ thống phanh dầu không có tính chất trễ của chất lỏng tuy nhiên hệ thống chỉ sinh ra lực phanh nhỏ, phù hợp với các dòng xe du lịch và xe cỡ nhỏ Hiện nay do khoa học kỹ thuật phát triển nên

có rất nhiều dòng xe phát triển ứng với nhiều hệ thống phanh khác nhau, tuy nhiên các

hệ thống đó đều được phát triển từ hệ thống phanh cơ bản như trên hình 1.1

và dẫn động van phân phối (4), lúc đó khí nén sẽ từ bình chứa (3) qua van phân phối tới bầu phanh thực hiện quá trình phanh

Hệ thống phanh trên ô tô ngày nay bao gồm cơ cấu phanh, dẫn động phanh và cơ cấu điều khiển Cơ cấu phanh được bố trí cùng bánh xe là một bộ phận trực tiếp tạo ra

mô men phanh, lực cản trong quá trình phanh khi ô tô chuyển động Trước kia, cơ sở khoa học còn hạn chế nên hệ thống phanh chủ yếu là phanh khí nén một dòng, hệ thống phanh một dòng hạn chế cả về tính năng phanh cũng như về chất lượng phanh Ngày nay nền khoa học phát triển, hầu hết trên các xe hiện đại đều trang bị hệ thống phanh

hai dòng và có thêm cơ cấu van ABS đi kèm để tăng khả năng tốc độ, ổn định trên đường

1.2 Tính năng phanh ô tô

Khi phanh ô tô không dừng lại ngay tại vị trí lúc bắt đầu phanh mà sẽ dừng cách

vị trí bắt đầu phanh một khoảng cách nào đấy Không những thế ô tô còn có thể bị lệch khỏi hướng chuyển động trước lúc bắt đầu phanh Vì vậy để đánh giá chất lượng phanh cần đánh giá qua 2 yêu cầu:

 Yêu cầu về hiệu quả phanh

 Yêu cầu về chất tính ổn định khi phanh

1.2.1 Yêu cầu về hiệu quả phanh

Yêu cầu về hiệu quả phanh là yêu cầu khả năng xe khi phanh có quãng đường phanh ngắn nhất, giảm tốc phanh nhanh nhất và thời gian phanh ngắn nhất Đây là yêu cầu đối với hệ thống phanh theo phương dọc, thể hiện khả năng sinh lực phanh thích hợp tạo ra mô men phanh cần thiết để hãm bánh xe Hiệu quả phanh phụ thuộc vào lực phanh Fx sinh ra tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường Nếu lực phanh sinh ra lớn hơn lực bám giữa bánh xe và mặt đường thì mặt đường sẽ không tiếp nhận hết lực phanh, gây ra tổn hao năng lượng dẫn tới hiện tượng bị hãm cứng bánh xe dẫn tới trượt lết Do vậy lực phanh phải không được lớn hơn lực bám thì phanh sẽ đạt hiệu quả tốt Xét theo phương dọc thì lực phanh cũng không được lớn hơn lực bám dọc Giá trị của lực bám dọc được tính theo công thức:

FX  XZ  XG (1.1) Trong công thức (1.1), F X là giá trị lực bám dọc, Z là phản lực pháp tuyến từ mặt đường lên bánh xe, X là hệ số bám trong mặt phẳng dọc, G là trọng lượng của xe

Từ công thức (1.1), để đạt hiệu quả phanh cao nhất thì hệ số bám dọc phải lớn nhất hoặc lực phanh phải được điều khiển liên tục theo trọng lượng bám của các bánh

xe tương ứng, muốn vậy thì cơ cấu phanh phải được bố trí trên tất cả bốn bánh xe

Để đánh giá thực tế hiệu quả phanh của xe người ta thông qua các chỉ tiêu đảm bảo yêu cầu về hiệu quả phanh như quãng đường phanh, gia tốc chậm dần khi phanh, thời gian phanh và lực phanh

Quãng đường phanh (S p ):

Quãng đường phanh là đoạn đường mà xe ô tô tiếp tục di chuyển tính từ thời điểm bắt đầu đạp phanh đến khi xe dừng hẳn Đây là chỉ tiêu mà người điều khiển xe thường quan tâm nhất và có thể nhận biết được một cách trực quan điều đó giúp người điều khiển xử lý tốt các tình huống khi phanh xe ô tô trên đường

Khi phanh quãng đường nhỏ nhất của ô tô được tính theo biểu thức sau:

v1: là vận tốc ô tô lúc bắt đầu quá trình phanh

v2: là vận tốc ô tô lúc kết thúc quá trình phanh

j: là hệ số tính đến ảnh hưởng của các trọng khối quay của ô tô

Từ biểu thức (1.2) nhận thấy rằng quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào

vận tốc chuyển động của ô tô lúc bắt đầu đạp phanh v1 (theo hàm bậc hai), phụ thuộc vào hệ số bám  và hệ số tính đến ảnh hưởng của các trọng khối quay của ô tô j

Để giảm quãng đường phanh cần giảm hệ số j, cho nên quãng đường phanh sẽ giảm khi cắt ly hợp rồi mới phanh Từ công thức (1.2) thấy rằng vận tốc bắt đầu phanh càng cao thì quãng đường phanh càng lớn vì quãng đường phanh phụ thuộc vào bình phương vận tốc v

Gia tốc chậm dần khi phanh (J p ):

Gia tốc chậm dần khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh ô tô

Biểu thức xác định gia tốc chậm dần cực đại khi phanh là:

Jp max: là gia tốc chậm dần cực đại

i : là hệ số tính đến ảnh hưởng các khối lượng các chi tiết chuyển động của ô tô khi phanh

 : là hệ số bám giữa lốp và mặt đường

g : là gia tốc trọng trường

Để xác định gia tốc chậm dần khi phanh, các thông số đo ít hơn và cần những dụng cụ đo đơn giản hơn Từ công thức (1.3) ta nhận thấy Jpmax phụ thuộc vào hệ số bám  giữa lốp và mặt đường Vì vậy nếu biết hệ số bám  thì có thể tính được gia tốc chậm dần khi phanh

Thời gian phanh ( tp ):

Thời gian phanh được xác định theo biểu thức sau:

đường gây mất an toàn, quá trình lắp đặt phức tạp mất rất nhiều thời gian nên hiện nay rất ít sử dụng

này được dùng thuận lợi nhất khi thử phanh trên bệ

1.2.2 Tính ổn định hướng ô tô khi phanh

Trong quá trình phanh thì trục dọc của ô tô có thể bị xoay đi một góc nào đó so với quỹ đạo chuyển động trước khi phanh Nguyên nhân là do tổng các lực phanh sinh

ra ở các bánh xe bên phải khác với tổng lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên trái và tạo thành mô men quay vòng Mq quanh trục thẳng đứng Z đi qua trọng tâm A của ô tô (hình 1.2)

Ổn định hướng khi phanh là chỉ tiêu đánh giá khả năng ô tô bị lệch quỹ đạo chuyển động cuối quá trình phanh so với quỹ đạo trước khi phanh

Các thành phần lực bên phải: là Pph1 của trục trước và Pph2 của trục sau Còn ở các bánh xe bên trái: có Ptr1 của trục trước và Ptr2 của trục sau

Tổng các lực phanh ở các bánh xe bên phải là:

Pph = Pph1 + Pph2Tổng các lực phanh ở các bánh xe bên trái là:

Ptr = Ptr1 + Ptr2

Hình 1.2 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh

Trong trường hợp tổng lực phanh bên phải Pph lớn hơn tổng lực phanh bên trái

Ptr , thì ô tô sẽ quay theo chiều mũi tên như trên hình vẽ quanh trọng tâm của ô tô

Mô men quay vòng Mq được xác định theo biểu thức:

Phương trình chuyển động của ô tô đối với trọng tâm của xe có thể viết như sau:

b R a R M

M t I

Từ biểu thức (1.7) cho thấy góc lệch  tỉ lệ thuận với mô men quay thân xe Mq ,

với bình phương thời gian t và tỷ lệ nghịch với mô men quán tính I z của ô tô quanh trục

Z đi qua trọng tâm A của nó

Theo tiêu chuẩn 22-TCN-224-2001 của Bộ GTVT Việt Nam năm 2001 quy định góc lệch tối đa cho phép max ≤ 80

so với phương chuyển động ban đầu và không lệch khỏi hành lang phanh 3,5 m (hình 1.2)

Hình 1.3 Sơ đồ hành lang phanh ô tô

Với các hệ thống phanh truyền thống, do lực truyền tới các bánh xe là như nhau vì vậy mà khả năng đảm bảo hiệu quả phanh và ổn định phanh thường không đạt được khi phanh gấp trên đường trơn, trượt dẫn đến hiện tượng bó cứng bánh xe và trượt lết

1.3 Biện pháp tạo hiệu quả phanh cao nhất

Theo [1] muốn đảm bảo phanh có hiệu quả nhất thì lực phanh sinh ra ở các bánh

xe trước Pp1 và ở các bánh xe sau Pp2 phải tuân theo biểu thức (1.9)

1

2

Nếu coi bán kính bánh xe trước rb1 và bán kính bánh xe sau rb2 bằng nhau trong quá trình phanh, ta có thể viết quan hệ giữa mô men phanh ở bánh trước và bánh sau như sau:

.1

Mp1: mô men phanh cần sinh ra ở bánh xe trước

Mp2: mô men phanh cần sinh ra ở bánh xe sau

Như vậy muốn đảm bảo hiệu quả phanh tốt nhất thì mô men phanh sinh ra ở các bánh xe cầu sau và mô men phanh sinh ra các bánh xe cầu trước phải tuân theo biểu thức (1.11)

Từ biểu thức (1.9) ta thấy trong điều kiện sử dụng của ô tô thì trọng tâm luôn thay đổi do chất tải khác nhau và hệ số bám luôn thay đổi trên các loại mặt đường khác nhau, do vậy tỉ số lực phanh Pp1 và Pp2 luôn thay đổi theo Để thỏa mãn biểu thức (1.9) phải thay đổi mô men sinh ra ở cơ cấu phanh trước và phanh sau bằng cách thay đổi áp suất tới bầu phanh Đối với các xe truyền thống để giải quyết vấn đề trên thì lắp thêm

bộ điều hòa lực phanh

Hình 1.4 Đường đặc tính bộ điều hòa lực phanh hai thông số 1’.đường đặc tính lý tưởng của bộ điều hòa ứng lúc đầy tải; 2’.đường đặc tính lý tưởng của bộ điều hòa ứng không tải; P đ.ch ,P’ đ.ch áp suất bắt đầu điều chỉnh của bộ điều hòa

lực phanh với lúc đầy tải và lúc không tải

Tại điểm OC là bộ điều hòa lực phanh chưa làm việc ứng với xe không tải (p1=p2), còn đoạn thẳng CD là đoạn thẳng mà bộ điều hòa làm việc và là đường đặc tính của bộ điều hòa làm việc thực tế Như vậy ta thấy đường gấp khúc OCD nằm sát với đường cong lý tưởng và nằm dưới đường cong lý tưởng cho nên áp suất p2 ở dẫn động phanh sau luôn nhỏ hơn áp suất yêu cầu, do đó bánh xe sau sẽ không bị bó cứng, hiệu quả phanh sẽ cao và đảm bảo tính ổn định của xe Nguyên lý bộ điều hòa lực phanh lúc đầy tải cũng tương tự Hệ thống phanh được trang bị bộ điều hòa lực phanh

có khả năng hạn chế được khả năng trượt lết của các bánh xe cầu sau, tuy nhiên, bằng thực nghiệm đã chứng minh được, tính năng của bộ điều hòa chỉ phát huy trong điều kiện chuyển động của xe trên một số loại đường nhất định Trong trường hợp xe chuyển động trên các loại đường có hệ số bám thấp hiện tượng trượt lết vẫn xảy ra, đặc biệt khi phanh ở tốc độ cao

Khi mô men phanh tác dụng lên bánh xe sẽ sinh ra phản lực tác dụng từ mặt đường trở lại bánh xe gọi là lực phanh Để đạt được hiệu quả phanh cao và tính ổn định

phanh thì lực phanh sinh ra không được lớn hơn lực bám của bánh xe với mặt đường Hơn nữa, mô men phanh luôn thay đổi làm cho lốp làm từ vật liệu cao su có tính đàn hồi bị biến dạng, bán kính làm việc của lốp thay đổi gây ra sự trượt tại bánh xe và mặt đường Để đánh giá mức độ trượt thì ta sử dụng khái niệm độ trượt tương đối Công thức xác định hệ số trượt được tính như sau:

100%

v r v



(1.12)Trong đó v là vận tốc của tâm bánh xe; ω là vận tốc quay của bánh xe; r là bán kính làm việc của bánh xe

Bằng thực nghiệm các nhà khoa học đã xây dựng được đồ thị trượt thể hiện mối quan hệ giữa các hệ số bám dọc và hệ số bám ngang đối với độ trượt tương đối của bánh xe khi phanh (hình 1.5)

Từ hình 1.5 ta thấy các hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy đều thay đổi theo độ trượt Ban đầu khi tăng độ trượtthì hệ số bám dọc φx tăng lên nhanh và đạt giá trị cực đại trong khoảng từ 17% đến 30 % Nếu độ trượt tiếp tục tăng thì hệ số bám dọc giảm, khi độ trượt tăng tới 100% ( lốp xe bị trượt lết hoàn toàn khi phanh) thì hệ số bám dọc giảm khoảng 20% đến 30% so với hệ số bám cực đại, trong trường hợp xe chạy trên đường có hệ số bám thấp thì hệ số trượt dọc có thể giảm đi nữa Đối với hệ

số bám ngang φy sẽ giảm nhanh khi độ trượt tăng, khi độ trượt tăng tới 100% (lốp xe bị trượt lết hoàn toàn) thì hệ số bám ngang sẽ giảm xuống gần bằng không

Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại φxmax ở độ trượt tối ưu0 Bằng thực nghiệm

đã chứng tỏ rằng ứng với các loại đường khác nhau thì giá trị độ trượt thường nằm trong giới hạn từ 17% đến 30% Ở giá trị độ trượt tối ưu 0 này không những đảm bảo

hệ số bám dọc φx có giá trị cao mà hệ số bám ngang cũng có giá trị lớn, giúp cho lực bám dọc và lực bám ngang φy của bánh xe duy trì ở mức lớn nhất làm tăng tính hiệu quả và tính ổn định của ô tô khi phanh

Hình 1.5 Đồ thị hệ số trượt theo hệ số bám dọc và ngang

Qua phân tích ở trên ta thấy lực phanh ở hệ thống phanh thông thường lớn nhưng không thể thay đổi theo tải trọng và hệ số bám khi phanh cho nên lực phanh lớn hơn lực bám khi phanh gấp, dẫn đến các bánh xe bị trượt lết làm giảm hiệu quả phanh

và mất ổn định của xe Để ngăn ngừa hiện tượng trượt lết tại các bánh xe khi phanh trên ô tô hệ thống phanh ABS ra đời Đây là hệ thống phanh điều khiển điện tử cho phép tự động điều khiển áp suất trong dẫn động phanh các bánh xe ứng với độ trượt của bánh xe trong quá trình phanh nằm trong độ trượt tối ưu, đạt lực phanh cực đại

PPmax = φxmax.Gb Nhờ tính năng điều khiển này, trong quá trình phanh mà xe vừa có hiệu quả phanh cao, vừa ổn định hướng và điều khiển tốt

Trong hình 1.6, biểu diễn sơ đồ hệ thống phanh khí nén trang bị ABS, sự khác biệt giữa hệ thống phanh khí trang bị ABS trên so với hệ thống phanh thông thường có thêm hệ thống điều khiển điện tử bao gồm các cảm biến bánh xe, bộ điều khiển ECU

và bộ chấp hành van ABS

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống phanh ABS

Hiện tại hệ thống phanh khí nén có rất nhiều cách phân loại, sau đây là cách phân loại hệ thống phanh theo số cảm biến và module :

- 4S/4M: Hệ thống phanh có 4 cảm biến và 4 van ABS

- 6S/4M: Hệ thống phanh có 6 cảm biến và 4 van ABS

- 6S/6M: Hệ thống phanh có 6 cảm biến và 6 van ABS

Trong ba cấu hình van ABS trên thì cấu hình 6S/6M đạt chất lượng phanh tốt hơn

vì cấu hình này có 6 cảm biến đặt tại 6 bánh xe tương ứng, 6 van ABS hoạt động điều khiển 6 bánh xe độc lập Nhờ vậy mà sẽ duy trì được độ trượt tối ưu, đảm bảo hiệu quả phanh cao nhất

Hệ thống phanh trang bị ABS giúp điều chỉnh áp suất trong bầu phanh tăng, giảm, giữ áp, tạo lực phanh thích hợp từ đó khống chế được độ trượt bánh xe trong khoảng điều chỉnh Tuy nhiên trong van ABS do có sự chuyển trạng thái giữa các pha làm việc với nhau cho nên làm tăng độ trễ điều chỉnh áp suất, ảnh hưởng tới thời gian tác động

trong hệ thống Hệ thống phanh ABS khí nén có ưu điểm hơn so với hệ thống phanh thủy lực là sinh ra được lực phanh lớn, làm giảm sức của người điều khiển Đối với hệ thống phanh thủy lực, tuy không có độ chậm tác dụng của hệ thống nhưng lại sinh ra lực phanh nhỏ, không đủ đáp ứng phanh trên xe tải

1.4 Một số nghiên cứu về ABS khí nén trong và ngoài nước

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về lĩnh vực ABS khí nén Sau đây là một số nghiên cứu nổi bật liên quan đến ABS trên hệ thống phanh khí nén: Nghiên cứu

“Development of a heavy truck vehicle using trucksim and model based design of ABS and ESC and controllers in simulink’’ của Shreesha Yogish Rao được công bố năm

2013 đã xây dựng được mô hình hệ thống van ABS khí nén trên phần mềm Trucksim Ngoài ra nghiên cứu còn xây dựng trên mô hình thực tế để khảo sát so sánh với kết quả thu được và đưa ra các công thức, kết quả thực tế ứng dụng vào kỹ thuật

Bài báo “Hardware-in-the-Loop Simulation of Pneumatic Antilock Braking System Basedon Modelica’’ của Zhang Hongchang, Zhang Yunqing, and Chen Liping thuộc Center for Computer-Aided Design Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, China, được công bố trên tạp chí International Journal of CAD/CAM, năm 2010 Trong bài báo tác giả đã xây dựng mô hình động lực học ½ xe, đưa ra thuật toán điều khiển ABS và ứng dụng được phương pháp “hardware in loop” vào trong mô hình Trong kết quả, tác giả đã làm thí nghiệm với cả 2 trường hợp có ABS và không có ABS và tính toán, mô tả độ trượt của bánh xe trong 2 loại đường khác nhau có hệ số bám 0,8 và 0,3 và kết quả giá trị độ trượt được điều khiển trong độ trượt 0,1 và 0,25

Một số công trình nghiên cứu liên quan đến hệ thống phanh khí nén trang bị ABS trong nước

Đề tài thạc sĩ năm 2013 “Nghiên cứu khảo sát một số thông số làm việc của hệ thống phanh khí nén trên mô hình’’ của tác giả Trần Văn Quyết Tác giả đã mô phỏng

và đánh giá ảnh hưởng các thông số đầu vào của các phần tử trong hệ thống phanh khí

nén, trong luận văn, tác giả cũng nêu lên sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động, các bước chế tạo của van ABS Tuy nhiên trong luận văn, tác giả chỉ đưa ra các bước chế tạo bộ chấp hành và dừng lại ở việc tính toán mô phỏng trên lý thuyết

Đề tài thạc sĩ năm 2013 “ Mô phỏng bộ điều khiển phanh ABS khí nén” của tác giả Nguyễn Trung Kiên Trong đề tài, tác giả đã xây dựng mô hình tính toán bộ chấp hành van ABS khí nén và đã khảo sát đặc tính của xe có trang bị bộ chấp hành trên với các loại đường khác nhau Tuy nhiên đề tài mới chỉ dừng lại ở việc mô phỏng chưa làm thực nghiệm để kiểm chứng lại đặc tính của van

Đối với hệ thống phanh khí nén trang bị ABS trong nước vẫn còn là mới, các tài liệu chủ yếu là tiếng Anh, chưa có sách hướng dẫn cụ thể cho người sửa chữa, gây khó khăn trong quá trình làm việc Xuất phát từ yêu cầu trên tôi đã chọn đề tài luận văn như sau:

“ Xây dựng mô hình tính toán cơ cấu chấp hành trong hệ thống phanh khí nén trang bị ABS ’’

Để thực hiện nhiệm vụ trên luận văn đã giải quyết các vấn đề sau :

- Nghiên cứu nhiệm vụ và các yêu cầu đối với hệ thống phanh khí nén;

- Sơ đồ và nguyên lý hoạt động hệ thống phanh khí nén trang bị ABS;

- Tính toán khảo sát đặc tính của cơ cấu chấp hành trong hệ thống phanh ABS khí nén

- Mô phỏng tính toán cơ cấu chấp hành, các trạng thái làm việc của hệ thống phanh ABS khí nén trên phần mềm matlab simulink

Nội dung của luận văn gồm 4 chương:

Chương 1 Trong chương 1 luận văn nêu nhiệm vụ, chất lượng, hiệu quả phanh, các yêu cầu chung với hệ thống phanh khí nén, phân tích những mặt hạn chế

mà hệ thống phanh thường không đáp ứng được Từ cơ sở đó dẫn đến chọn hệ thống phanh khí trang bị ABS

Chương 2 Nêu lên nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh khí nén, từ đó phân tích cấu tạo của các phân tử trong hệ thống như ECU, cảm biến tốc độ bánh xe và

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

PHANH KHÍ NÉN TRANG BỊ ABS

2.1 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén ABS

Hình 2.1 Sơ đồ dẫn động phanh khí nén 2 dòng có trang bị ABS

1 Tổng van phanh ; 2 bình khí nén ; 3 bộ chấp hành van ABS 4 bầu phanh; 5

cảm biến 6 các bánh xe trên ô tô; 7 là bộ điều khiển ECU

Trên hình (2.1) tín hiệu từ các cảm biến đo tốc độ (5) đặt tại các bánh xe gửi tín hiệu về bộ điều khiển ECU (7) để tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển sự hoạt động

bộ chấp hành van ABS (3) Bộ chấp hành của hệ thống phanh ABS là hệ thống van khí nén điện từ, đặt tại ví trí trước các bầu phanh làm nhiệm vụ đóng mở đường khí từ bình khí tới các bầu phanh (4) nhằm điều chỉnh áp suất tới các bầu phanh tương ứng Khi van ABS hoạt động thì ECU sẽ cấp điện cho hai van điện từ làm nhiệm vụ đóng và mở hai màng van tương ứng Trong quá trình đóng mở van do có hành trình cơ khí đóng ngắt của các màng dẫn tới ảnh hưởng dòng khí vào bầu phanh Hơn nữa khi ECU cấp tín hiệu điều khiển van điện từ , do độ trễ của từ trường nên các van điện từ không hoạt động ngay lập tức dẫn tới độ trễ đóng mở các van

2.2 Các cụm chi tiết trong hệ thống phanh ABS khí nén

Hệ thống phanh ABS là hệ thống phanh kết hợp giữa cơ khí và điện tử, ngoài các

cơ cấu cơ khí giống như trong hệ thống phanh khí nén thông thường thì hệ thống phanh trang bị ABS còn có cụm chi tiết sau:

Hình 2.2 Cảm biến lắp trên moay ơ bánh xe

Cấu tạo của cảm biến (hình 2.3) gồm một cuộn dây quấn cách điện trên lõi sắt từ Nam châm có nhiệm vụ tạo ra từ trường thay đổi

Hình 2.3 Cấu tạo và hoạt động của cảm biến vận tốc bánh xe

Nguyên lý đo tốc độ góc của bánh xe :

Khi 1 vấu răng trên vành răng chạy qua khe hở giữa lõi, cuộn dây làm thay đổi từ trở cuộn mạch, tạo ra 1 xung Vậy vành răng có Z vấu răng, thì vành răng phải có N lần đếm xung khi quay hết 1 vòng bánh xe Tần số đếm xung (f) của vành răng là N/Z (lần) Mà ta đã biết vận tốc góc bánh xe ω= 2π.f (rad/s) Kết hợp 2 biểu thức trên ta có công thức tính vận tốc góc bánh xe: .2

lệ theo tốc độ góc bánh xe (hình 2.3) Tín hiệu này luôn gửi về ECU, tùy theo cấu tạo cảm biến, vành răng và khe hở để tạo ra các xung điện áp Tín hiệu điện áp đầu ra đƣợc thể hiện trên hình 2.4

Hinh 2.4 Tín hiệu điện áp ra tại cảm biến tốc độ bánh xe

ECU được xem như bộ phận trung tâm của hệ thống phanh ABS, hoạt động theo cơ chế tự động điều chỉnh với độ chính xác cao Khi có tín hiệu từ cảm biến bánh

xe gửi về, ECU sẽ xử lý các tín hiệu đó, tính toán khả năng xảy ra độ trượt bánh xe và tiến hành so sánh với các giá trị ngưỡng đã thiết lập sẵn trong bộ nhớ ECU, sau đó sẽ quyết định khi nào thì gửi tín hiệu điều khiển xuống van ABS để thực hiện các pha tăng, giữ, giảm áp trong bầu phanh nhằm duy trì độ trượt tối ưu cho bánh xe Các tín hiệu vào ra của bộ vi xử lý được biểu diễn hình 2.5

- Cảm biến tốc độ: bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe, có nhiệm vụ gửi tín hiệu tốc độ của bánh xe về ECU, tại đây ECU sẽ xử lý tín hiệu đó và dùng để điều khiển van ABS

- Công tắc phanh: bình thường thì tín hiệu cảm biến tốc độ vẫn gửi về ECU và ECU vẫn chưa hoạt động ( chưa đạp phanh), chỉ khi nào công tắc đèn phanh cấp tín hiệu (đã đạp phanh) thì ECU sẽ tính toán và xử lý các tín hiệu từ cảm biến tốc độ gửi

về

Hình 2.5 Khối điều khiển ECU của ABS với các tín hiệu đầu vào và ra

- Đèn cảnh báo ABS: Đèn cảnh báo ABS sáng khi động cơ đã hoạt động Khi

có sự cố xảy ra với hệ thống phanh ABS trong quá trình hoạt động, đèn cảnh báo ABS báo cho người vận hành biết để điều khiển lực phanh phù hợp

Khi khóa khởi động bật, hệ thống ABS sẽ kiểm tra khoảng 20 giây, nếu có lỗi thì đèn cảnh báo ABS sẽ sáng báo cho người điều khiển biết xử lý

2.3 Các pha hoạt động van ABS

Kết cấu van ở trạng thái ban đầu được vẽ hình 2.6

Khoang cung cấp A được nối trực tiếp với nguồn cung cấp khí; Khoang phân phối B được nối với bầu phanh và khoang xả C nối thông với khí quyển

Van nạp (1) luôn hoạt động 2 chiều, khi van (1) được kích hoạt thì mở lỗ thông (4) nối thông khoang cung cấp A và khoang E, cả 2 khoang này được nối thông với khí quyển Còn khi van (1) không bị kích hoạt thì nó làm cho lỗ thông (4) đóng, lỗ thông (5) mở làm nối thông khoang D với qua khoang C qua lỗ thông (3)

Van xả (2) cũng hoạt động 2 chiều, khi van (2) không đƣợc kích hoạt làm mở lỗ thông (6) và đóng lỗ thông (7), cho phép khoang A nối thông với khoang G Khi van (2) đƣợc kích hoạt thì mở lỗ thông (7) và đóng lỗ thông (6), khi đó nối thông khoang điều khiển màng xả G và khoang xả khí C;

Ở trạng thái ban đầu, khoang A và khoang điều khiển D nối thông với nhau qua

lỗ thông (3) Trong khi đó van màng (8) luôn ở trạng thái trung gian giữa khoang D và

2 khoang A và B; van màng (9) luôn nằm ở trạng thái trung gian giữa 2 khoang F và G;

Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo van ABS A-Khoang cung cấp; B- Khoang phân phối; C- Khoang xả; D-Khoang điều khiển van nạp; G-Khoang điều khiển van xả; 1-Van điện từ nạp; 2-Van điện từ xả; 8-Van màng

(nạp); 9-Van màng (xả);

Pha tăng áp khi ABS chƣa hoạt động

Khi bắt đầu đạp phanh, hệ số trƣợt của bánh xe bắt đầu tăng, áp suất trong bầu phanh cũng đang tăng dần Diễn biến quá trình đƣợc thể hiện hình 2.7

Do lỗ thông (4) đóng và lỗ thông (5) mở, cho phép khoang điều khiển D sẽ nối thông với khí trời qua lỗ thông (3) và (5) Do sự chênh áp giữa khoang phân phối A lớn hơn khoang D nên van màng (8) sẽ bị đẩy lên mặt trên của van ép sát vào khoang D làm nối thông khoang A và khoang B, kết quả khí nén chảy từ bình khí nén tới bầu phanh

Hình 2.7 Pha tăng áp khi van ABS chưa hoạt động

Lỗ thông (6) mở, lỗ thông (7) đóng làm nối thông khoang A với khoang G tạo nên áp suất tại khoang G lớn hơn áp suất tại khoang B, ép màng (9) lên mặt trên của màng, ngăn không cho khí thoát ra từ khoang B tới khí quyển Trong pha này, ABS chƣa hoạt động, áp suất vẫn đi vào bầu phanh qua khoang B và không thoát ra ngoài qua khoang C, tạo nên sự tăng áp trong bầu phanh

Pha giảm áp

Khi áp suất trong bầu phanh tăng nhanh dẫn tới mô men phanh sinh ra lớn, làm cho độ trượt của bánh xe không nằm trong giá trị cần điều chỉnh Lúc này cần giảm áp suất phanh để điều giảm lực phanh nhỏ đi, tăng hệ số bám lên Diễn biến hoạt động của pha giảm áp được thể hiện hình 2.8

Hình 2.8 Pha giảm áp của van ABS

Khi có dòng điện tới cuộn dây của van nạp (1) thì mở lỗ thông (4) và đóng lỗ thông (5), cho phép khí nén từ khoang A đi qua lỗ thông (3) tới khoang D tạo sự chênh

áp giữa khoang D lớn hơn khoang khoang B làm cho màng (8) đóng lại, ngăn lưu thông giữa khoang A và B Kết quả không cho khí nén từ bình khí đi tới bầu phanh nữa

Đồng thời, cuộn dây van (2) cũng có dòng điện đi tới làm đóng lỗ thông (6) và

mở lỗ thông (7), khoang G nối thông với khoang C cho nên khí trong khoang G thoát

ra ngoài khí quyển, đồng thời do sự chênh áp khoang B và khoang G nên đóng van màng (9), khí nén từ trong bầu phanh qua lỗ (10) thoát ra ngoài khí quyển Kết quả

làm áp suất trong bầu phanh giảm, lực phanh giảm do đó làm cho độ trƣợt bánh xe duy trì trong ngƣỡng cần điều chỉnh

Pha giữ áp

Quá trình pha giữ áp đƣợc thể hiện hình (2.9)

Hình 2.9 Pha giữ áp của van ABS

ECU sẽ không gửi tín hiệu điều khiển tới van nạp (1) Trạng thái hoạt động của van giữ áp giống nhƣ hoạt động pha giảm áp tức là không cấp khí tới bầu phanh

ECU chỉ cấp tín hiệu điều khiển tới van xả (2), thực hiện đóng van (7) mở van (6), nối thông khoang A và khoang G làm cho áp suất tại khoang G tăng lên nhanh chóng và lớn hơn áp suất tại khoang B Chính sự chênh áp đó ép sát màng (9) lên bề mặt khoang B, ngăn không cho khí nén thoát ra ngoài từ khoang B Kết quả áp suất trong bầu phanh đƣợc giữ không đổi thực hiện quá trình giữ áp

Pha giữ áp van ABS duy trì hoạt động cho đến tận khi áp suất trong bầu phanh giảm, độ trƣợt bánh xe nằm ngoài giá trị độ trƣợt cần điều chỉnh ECU sẽ tính toán tín hiệu từ cảm biến tốc độ gửi về và quyết định thời điểm để gửi tín hiệu điều khiển

xuống van ABS thực hiện quá trình tăng áp trở lại Sơ đồ pha tăng áp đƣợc thể hiện hình 2.10

Hình 2.10 Pha tăng áp khi van ABS hoạt động

ECU cấp tín hiệu điều khiển tới van (1) làm lỗ thông (4) đóng và lỗ thông (5)

mở, cho phép khoang điều khiển D sẽ nối thông với khí trời qua lỗ thông (3) và (5) Do

sự chênh áp giữa khoang phân phối B lớn hơn khoang D nên van màng (8) sẽ bị đẩy lên mặt trên của van ép sát vào khoang D làm nối thông khoang A và khoang B, kết quả khí nén chảy từ bình khí nén tới bầu phanh

Đồng thời, ECU cấp tín hiệu điều khiển tới van (2) làm lỗ thông (6) mở đóng lỗ thông (7), nối thông khoang A với khoang G tạo nên áp suất tại khoang G lớn hơn áp suất tại khoang B, ép màng (9) lên mặt trên của màng, ngăn không cho khí thoát ra từ khoang B tới khí quyển Trong pha này, ABS chƣa hoạt động, áp suất vẫn đi vào bầu phanh qua khoang B và không thoát ra ngoài qua khoang C, tạo nên sự tăng áp trong bầu phanh

Quá trình diễn biến của các pha tăng, giữ, giảm áp cứ lặp đi lặp lại để điều khiển

độ trƣợt bánh xe nằm trong độ trƣợt mong muốn cho đến tận khi xe dừng lại

Bảng 2.1 Bảng biểu diễn các trạng thái pha, trạng thái van, trạng thái nối thông, ngắt

của các khoang trong van ABS

Trạng thái

các pha

Trạng thái các van điện từ 1 và

2

Trạng thái các van 8 và 9

Trạng thái nối thông các khoang trong van ABS

Trạng thái ngắt các khoang trong van ABS Van 1 Van 2 van 8 van 9

Giữ áp Bật Tắt Đóng Đóng A nối thông G B#G

độ của bánh xe trong quá trình phanh ABS

Hình 2.11.Đồ thị diễn biến quá trình làm việc hệ thống phanh ABS

Nhận xét: Trong chương 2, luận văn trình bày sơ đồ hệ thống phanh khí nén trang bị ABS, so sánh với hệ thống phanh khí nén thông thường có thêm các phần tử như van ABS, cảm biến và bộ điều khiển ECU Như vậy thì giá thành sản phẩm của hệ

thống phanh sẽ tăng, tuy nhiên nhờ có hệ thống phanh ABS mà đã giảm đi rất nhiều tai nạn, nâng cao tính năng vận hành của xe

Trong quá trình phanh, cảm biến tốc độ luôn gửi tín hiệu về ECU để tính toán xác định độ trƣợt trong quá trình phanh và phát tín hiệu thực hiện các quá trình tăng, giữ, giảm áp để thay đổi lực phanh, tạo hiệu quả phanh cao nhất

Có 2 loại trễ gây nên trong hệ thống đó là trễ về cơ khí và trễ về điện từ Khi van chuyển trạng thái pha hoạt động, do thời gian áp suất khí cần điền đầy khoang chứa để tạo áp suất chênh lệch tạo sự nâng van hay hạ của van màng đã tạo ra thời gian trễ trong quá trình phanh

Trong hệ thống phanh ABS khí nén, van ABS đặt sát bầu phanh, trong quá trình phanh (tăng, giữ, giảm áp) do có chiều dài giữa van ABS và bầu phanh ngắn vì vậy ít

bị cản giữa các phần tử trong hệ thống dẫn tới giảm thời gian trễ trong khi phanh