Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, luận án chọn đề tài: ―Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy‖ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Xe máy sử dụng trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN SỸ AN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ

TRƯỢT LẾT CHO XE MÁY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN SỸ AN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ

TRƯỢT LẾT CHO XE MÁY

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Hồ Hữu Hải

2 PGS TS Lưu Văn Tuấn

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Công trình đượcthực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nộidưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hồ Hữu Hải và PGS.TS Lưu Văn Tuấn Các số liệu vàkết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bốtrong bất kì công trình nào khác

Hà nội, ngày … tháng … năm 2018

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Người cam đoan

Người hướng dẫn

khoa học 1

Người hướng dẫn khoa học 2

PGS.TS Hồ Hữu Hải PGS.TS Lưu Văn Tuấn Nguyễn Sỹ An

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân,tôi đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều nhà khoa học và tậpthể nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Hồ Hữu Hải, PGS.TS Lưu VănTuấn – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, là những người đã tận tình hướng dẫn,định hướng, đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoànthành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo ở Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện

Cơ khí động lực, Bộ môn Tự động hóa – Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em đồng nghiệp trong Khoa Cơ Điện, lãnhđạo trường Đại học Công nghiệp Dệt may Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ về thờigian và vật chất để tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em nghiên cứu sinh, học viên cao học vàsinh viên các khóa thuộc bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện Cơ khí động lực –Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hết lòng hỗ trợ, động viên tôi trong suốt thờigian tôi thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn tới đại gia đình, bạn bè đãthực sự động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường Đại họcBách Khoa Hà Nội

Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Sỹ An

MỤC LỤC MỞ

ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Sự cần thiết phải hạn chế trượt lết cho bánh xe khi phanh

4 1.2 Tình hình nghiên cứu hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh 7

1.2.1 Nghiên cứu về hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh (ABS) trên thế giới 7 1.2.2 Nghiên cứu về hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh trong nước 19

1.3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 21

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 22

1.5 Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ TRƯỢT LẾT 24

2.1 Cơ sở lý thuyết hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh 24

2.1.1 Hệ số bám của bánh xe với mặt đường khi phanh 24

2.1.2 Phương pháp điều khiển hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh

28 2.1.3 Quá trình điều khiển hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh theo gia tốc góc 30

2.2 Cấu hình hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy 32

2.2.1 Hệ thống phanh xe máy 32

2.2.2 Đề xuất cấu hình hệ thống phanh hạn chế trượt lết

33 2.3 Đề xuất cơ cấu điều áp 35

2.3.1 Cấu tạo cơ cấu điều áp 36

2.3.2 Nguyên lý làm việc cơ cấu điều áp 37

2.3.3 Tính toán mô phỏng cơ cấu điều áp 38

2.4 Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh xe máy có hệ thống hạn chế trượt lết 42

2.4.1 Mô hình xy lanh – pít tông phanh chính 42

2.4.2 Mô hình xy lanh – pít tông công tác 43

2.5 Mô hình mô phỏng động lực học của quá trình phanh xe 45

2.5.1 Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh 45

2.5.2 Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh (bánh xe trước) 46

2.5.3 Mô hình mô phỏng lốp xe 47

2.5.4 Mô hình mô phỏng quá trình phanh trên đường thẳng

48 2.5.5 Kết quả mô phỏng bằng mô hình đã xây dựng 50

2.6 Mô phỏng xác định thông số cơ cấu điều áp 52

2.6.1 Mô phỏng xác định lực nam châm điện 52

2.6.2 Tính nam châm điện cơ cấu điều áp 55

2.7 Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống có cơ cấu điều

áp 58

2.8 Kết luận chương 2 60

ii

-CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN (ECU)

62

3.1 Nghiên cứu chọn thuật toán điều khiển

62 3.2 Xác định ngưỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống 66

3.2.1 Mô phỏng điều khiển theo độ trượt bánh xe

67 3.2.2 Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe 72

3.3 Thiết kế chế tạo ECU 79

3.3.1 Cấu trúc hệ thống phanh hạn chế trượt lết và bộ điều khiển

79 3.3.2 Thiết kế khối cấp nguồn 80

3.3.3 Giới thiệu cảm biến đo vận tốc góc bánh xe 81

3.3.4 Khối xử lý tín hiệu cảm biến vận tốc góc 84

3.3.5 Khối xử lý tín hiệu từ công tắc bàn đạp phanh 84

3.3.6 Khối công suất điều khiển cơ cấu điều áp hệ thống phanh hạn chế trượt lết

85 3.3.7 Khối điều khiển 87

3.3.8 Kiểm tra bộ điều khiển 88

3.4 Kết luận chương 3 90

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 91

4.1 Bố trí hệ thống trên xe 91

4.1.1 Sơ đồ bố trí hệ thống trên xe máy 91

4.1.2 Bố trí hệ thống phanh hạn chế trượt lết trên xe máy thực

91 4.2 Thực nghiệm 93

4.2.1 Mục đích thực nghiệm 93

4.2.2 Thiết bị đo ghi dữ liệu dùng trong thực nghiệm 93

4.2.3 Phương án thực nghiệm 97

4.2.4 Kết quả thực nghiệm hệ thống phanh hạn chế trượt lết

98 4.3 Kết luận chương 4 103

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1

iii

-DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục ký hiệu

a,b m Khoảng cách từ trọng tâm xe máy đến bánh trước, bánh sau

hg m Chiều cao trọng tâm so với mặt đường

Fx, Fy, Fz N Lực tương tác giữa lốp và mặt đường theo các phươngx, y, z

Fnc N Lực nam châm điện một chiều

Fd N Lực dầu tác dộng lên đỉnh pít tông cơ cấu điều áp

klx N/m Độ cứng lò xo cơ cấu điều áp

l0 m Độ nén ban đầu của lò xo cơ cấu điều áp

Ft, Fs N Lực tác dụng lên má phanh bánh xe trước, bánh xe sau

Mpt, Mps Nm Mô men phanh bánh xe trước, bánh xe sau

p1, pxl N/m2 Áp suất dầu trong xy lanh chính, xy lanh công tác

 N.s/m Độ nhớt động học của dầu

m1, m2, mt kg Khối lượng pít tông xy lanh chính, xy lanh cơ cấu điều áp suất, xy lanh công tác

mtong kg Khối lượng toàn bộ xe

Q1, Q2, Q3 m3/s Lưu lượng trước, sau cơ cơ cấu điều áp, hồi vào khoang b

r bx m Bánh kính lăn bánh xe

dp m Đường kính con trượt van điều áp

J bx kgm2 Mô men quán tính bánh xe

g m/s2 Gia tốc trọng trường

W1,W2 vòng Số vòng dây của cuộn dây 1, cuộn dây 2

0 henry/cm Hệ số từ dẫn qua kẽ hở không khí

 m W / cm 2

.0 C Hệ số tỏa nhiệt cuộn dây

 mm2/m Điện trở suất của dây đồng

lcp m Chiều dài trung bình lõi

G henry Từ dẫn qua kẽ hở không khí

VDC Vehile Dynamic Control Kiểm soát động lực xe

ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử

EBD Electronic BrakeDistribution Hệ thống phân bố lực phanh điện tửTCS Traction control system Hệ thống điều khiển lực kéo

ESP Electronic Stability Program Chương trình điều khiển ổn định điện tửVSC Vehicle Stability Control Hệ thống điều khiển ổn định ô tô

iv

5

-DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thông số xe nghiên cứu 21

Bảng 2.1 Hệ số theo công thức Burckhardt của một số loại đường[52] 47

Bảng 2.2 Các thông số đầu vào mô phỏng 50

Bảng 2.3 Các thông số tính nam châm 55

Bảng 2.4 Các thông số nam châm điện một chiều 57

Bảng 3.1 Miền biến thiên ngưỡng giá trị gia tốc góc 72

Bảng 3.2 Tổng hợp các phương án mô phỏng 75

Bảng 3.3 Ma trận trung bình diện tích so sánh 75

Bảng 3.4 Ngưỡng gia tốc góc điều khiển 76

Bảng 4.1 Thông số cảm biến do áp suất M5256-C3079E-050BG của hãng Sensys 94

Bảng 4.2 Thông số cảm biến ADXL335 của Analog Device 95

Bảng 4.3 Giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống phanh hạn chế trượt lết phù hợp với giá trị đo trong thực nghiệm 98

Bảng 4.4 Phương án thực nghiệm khi không điều khiển 98

Bảng 4.5 Phương án thực nghiệm khi có điều khiển 100

- 6

-DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt [7], [21], [54] 5Hình 1.2 Trường hợp 1 trong nghiên cứu của Takefumi Sato, Tenri và Japan 10Hình 1.3 Trường hợp 2 trong nghiên cứu của Takefumi Sato, Tenri và Japan 11Hình 1.4 Nghiên cứu của Pickenhahn Josef, Barr Stephen P J., Beuerle Christoph, Glasmacher Klaus, Weidele Alois và Fischer Martin 12Hình 1.5 Hệ thống được đề xuất bởi Chen Po-Hsi, Hwu Long-Cherng và Juang

Puu-An 13Hình 1.6 Mô hình bộ điều khiển trong nghiên cứu 14Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống của Chun-Kuei HUANG, Ming-Chang SHIH năm 2010 15Hình 1.8 Sơ đồ thuật toán các khối trong hệ thống 16Hình 1.9 Hệ thống được đề xuất bởi Takenouchi Kazuya, Nakayama Masanobu, 17Hình 1.10 Hệ thống được đề xuất bởi Eckert Alfred, Olejnik Peter và Reviol Ralf18Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo ABS trên xe máy 19Hình 2.1 Sơ đồ xác định hệ số A,B,C,D [21] 26Hình 2.2 Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của một số loại đường [24], [40] 27Hình 2.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt cho trước 28

Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc giới hạn 29

- 7

-Hình 2.5 Sự thay đổi của mô men phanhM b (a), áp suất dẫn động phanh (p) và gia

tốc góc (  ) của bánh xe khi phanh có ABS [8], [25] 31

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thố ng phanh 33

Hình 2.7 Sơ đồ ng u y ê n lý h ệ th ố ng pha n h h ạ n chế tr ư ợt lết cho xe m á y 34

Hình 2.8 X y lanh chí n h 34

Hình 2.9 X y lanh công tác 34

Hình 2.10 Sơ đ ồ q uá t r ình nghiên cứ u thiết k ế , chế tạo và t hử ngh i ệ m cơ cấu đi ề u áp 36

Hình 2.11 Cấu t ạ o cơ cấu điều á p 36

Hình 2.12 Cơ cấu điều áp ở chế độ phanh bình thường (chế độ tăng áp) 37

Hình 2.13 Cơ cấu điều áp ở chế độ xảy ra trượt lết bánh xe (chế độ giảm áp) 37

Hình 2.14 L ự c tác dụ n g lên con tr ượ t van đ i ề u áp 38

Hình 2.15 Tiết di ệ n c ử a I 39

Hình 2.16 Mô hình mô phỏng cơ cấu điều áp 41

Hình 2.17 Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh 42

Hình 2.18 X y la n h -pít tông phanh chính 42

Hình 2.19 Mô hình mô phỏng xy lanh phanh chính 43

Hình 2.20 X y la n h -pít tông cơ c ấ u phanh 43

Hình 2.21 Mô hình mô phỏng xy lanh công tác 44

Hình 2.22 Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh

45 Hình 2.23 L ự c tác dụ n g lên bánh xe khi p ha n h 45

Hình 2.24 Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh 46

Hình 2.25 L ự c tác dụ n g lên bánh xe khô n g p h anh 46

Hình 2.26 Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh 47

Hình 2.27 Mô hình mô phỏng lốp xe 48

Hình 2.28 L ự c tác dụ n g lên xe m á y 48

Hình 2.29 Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của xe khi phanh 49

Hình 2.30 Mô hình mô phỏng phanh xe máy 50

Hình 2.31 Kết quả mô phỏng trên đường max  0,3

51 Hình 2.32 Kết quả mô phỏng trên đường max  0,5

51 Hình 2.33 Kết quả mô phỏng trên đường max  0,7

52 Hình 2.34 Lò xo h ồi vị cơ cấu đi ề u áp 53

Hình 2.35 Q u y l u ậ t tác dụng l ự c 53

Hình 2.36 Đồ thị vận tốc góc bánh xe 54

Hình 2.37 Đồ thị độ trượt bánh xe 54

Hình 2.38 Bố trí c u ộn d â y c ủa n a m ch â m đ i ện 55

Hình 2.39 Chiều dài t r ung bình l õi n a m c h â m đ i ện 57

Hình 2.40 Áp su ấ t d ầu trong hệ t h ống k h i ph a nh bình th ườ ng 59

Hình 2.41 Q u y l u ậ t bi ế n thiên của á p suất d ầu trong cơ c ấ u phanh sau khi đ i ều khiển ở t ầ n số 2,0 Hz( b ên trái) và 6 , 0 Hz ( b ê n p h ải) 59

Hình 2.42 Giá trị áp s u ất cao n h ất v à thấp n h ấ t đạt đ ư ợc tr o ng cơ c ấ u phanh sau theo tần số c ủ a xu n g đ i ều khiển 60

Hình 3.1 Phạm vi điều khiển [3] 63

Hình 3.2 Ng u y ên lý x á c đ ịnh pha điều kh i ển á p suất theo gia tốc góc 64

Hình 3.3 L ư u đồ th u ậ t toán điều k hiển ph a nh t heo gia t ốc góc bá n h x e

65 Hình 3.4 Ng u y ên lý x á c đ ịnh pha điều kh i ển t heo độ tr ư ợt 67

Hình 3.5 L ư u đồ th u ậ t toán điều k hiển th e o đ ộ tr ư ợ t

67 Hình 3.6 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển theo độ trượt trong Matlab/Stateflow 68 Hình 3.7 Mô hình mô phỏng điều khiển phanh xe theo độ trượt 68

Hình 3.8 Đồ thị đ ộ trư ợt của bá n h xe khi ph a nh trên đ ư ờng  max  0 , 5

69 Hình 3.9 Đồ thị v ậ n tố c góc bánh xe khi p han h trên đư ờng  max  0,5 69

Hình 3.10 Đồ thị áp su ất phanh trê n đư ờng  max  0,5

70 Hình 3.11 Đồ thị gia t ốc góc của b ánh xe k hi phanh trên đư ờng  max  0,5

70 Hình 3.12 Biến thiên giá trị gia tốc góc theo tín hiệu điều khiển trên đường max  0,5

71 Hình 3.13 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển theo gia tốc góc trong Matlab/Stateflow 72

Hình 3.14 Mô hình mô phỏng phanh xe điều khiển theo gia tốc góc 73

Hình 3.15 Vận tốc góc bánh xe trong quá trình điều khiển 74

Hình 3.16 Đồ thị quan hệ diện tích so sánh với ngưỡng điều khiển 76

Hình 3.17 Đồ thị độ trượt của các bánh xe khi phanh trên đường max  0,5 77

Hình 3.18 Đồ thị vận tốc góc của các bánh xe khi phanh trên đường max  0,5

77 Hình 3.19 Đồ thị áp suất phanh trên đường max  0,5

78 Hình 3.20 Đồ thị gia tốc góc bánh xe khi phanh trên đường max  0,5

78 Hình 3.21 Cấu trúc mạch điều khiển hệ thống phanh hạn chế trượt lết

80 Hình 3.22 Cấu trúc bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh hạn chế trượt lết

80 Hình 3.23 Mạch nguyên lý của khối cấp nguồn 81

Hình 3.24 Cấu t ạ o c ủa c ả m biế n 81

Hình 3.25 Sơ đ ồ c ả m biến 81

Hình 3.26 Đặc đi ể m t í n hiệu l à m v i ệc của cả m biế n 82

Hình 3.27 Kích thước vành răng tiêu chuẩn 83

Hình 3.28 Ảnh h ưở ng của vật liệu tới khả nă n g phát hiện của c ả m b i ến 83

Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến vận tốc bánh xe 84

Hình 3.30 Sơ đồ xử lý tín hiệu từ công tắc bàn đạp phanh 85

Hình 3.31 Sơ đồ tính các thông số để transistor bão hòa

86 Hình 3.32 Khối công suất điều khiển cơ cấu điều áp của bánh xe 87

Hình 3.33 Bộ điều khiển điện tử hệ thống phanh hạn chế trượt lết

88 Hình 3.34 Thử nghiệm bộ điều khiển trong phòng thí nghiệm 89

Hình 3.35 Thử nghiệm bộ điều khiển trên đường thử khô và ướt 89

Hình 3.36 Đồ thị vận tốc góc của bánh xe sau khi phanh gấp ở vận tốc 30 km/h 89

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí hệ thống trên xe máy 91

Hình 4.2 Bố trí hệ thống trên xe máy 92

Hình 4.3 Module đo vận tốc góc bánh xe 93

Hình 4.4 Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu vận tốc góc bánh xe 94

Hình 4.5 Module đo áp suất 95

Hình 4.6 Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu áp suất phanh 95

Hình 4.7 Module đo gia tốc phanh 96

Hình 4.8 Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu gia tốc phanh 96

Hình 4.9 Thiết bị đo 96

Hình 4.10 Sơ đồ đấu nối thiết bị đo và bộ điều khiển với nguồn 97

Hình 4.11 Sơ đồ các bước thực nghiệm 97

Hình 4.12 Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh không điều khiển 99

Hình 4.13 Đồ thị áp suất phanh khi không điều khiển 99

Hình 4.14 Đồ thị gia tốc phanh khi không điều khiển 100

Hình 4.15 Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh có điều khiển 101

Hình 4.16 Đồ thị áp suất phanh khi có điều khiển 101

Hình 4.17 Đồ thị gia tốc phanh khi có điều khiển 102

- 1

-MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Ở Việt Nam hiện nay, xe máy là phương tiện giao thông chủ yếu Số lượng vàtốc độ tăng xe máy rất lớn, số liệu ước tính đến hết năm 2016 Việt Nam có gần 45triệu xe máy và năm 2017 có 3,2 triệu chiếc xe máy được bán ra Trong số cácphương tiện tham gia giao thông trên đường bộ ở Việt Nam thì số lượng xe máyđang áp đảo các phương tiện khác Người đi xe máy hầu như chỉ trang bị duy nhất

là mũ bảo hiểm Khi xảy ra va chạm, người ngồi trên xe máy có mức độ chấnthương cao hơn hẳn ô tô Vì thế việc đảm bảo an toàn cho người sử dụngphương tiện xe máy ở Việt Nam là rất cấp thiết

Trên xe máy được trang bị hệ thống phanh, khi phanh sẽ làm giảm vận tốc xe.Tuy nhiên, nếu phanh đến mức làm trượt lết bánh xe thì phát sinh yếu tố gây mất

an toàn khác Khi bánh xe bị trượt dọc, hệ số bám ngang suy giảm rất nhanh, khitrượt lết hoàn toàn, giá trị hệ số bám ngang rất nhỏ Khi đó nếu có lực ngang tácdụng vào xe thì xe sẽ quay ngang, dẫn đến đổ xe và khi đó tai nạn sẽ rất nghiêmtrọng

Khi phanh, có lực quán tính, nếu trọng tâm xe bị lệch khỏi đường tiếp xúcgiữa bánh xe và mặt đường sẽ xuất hiện mô men quán tính làm quay xe Nếu bịtrượt lết, lực ngang còn rất nhỏ và khả năng làm quay xe gây ngã là rất cao Vì thếviệc trang bị cho phanh xe máy hệ thống hạn chế trượt lết khi phanh là rất cầnthiết

Trên ô tô hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh ABS đã được sử dụngrộng rãi Trên xe máy ABS cũng được một số hãng sản xuất xe máy lớn nghiên cứu

và ứng dụng thành công Tuy nhiên hệ thống ABS của các hãng trên thường chỉtrang bị cho các xe có phân khối lớn và có giá thành rất cao Mặt khác các tài liệu,kết quả nghiên cứu là tư liệu riêng của các hãng, không được công bố hoặc có công

bố chỉ mang tính chất hướng dẫn sử dụng Trong tương lai trên thế giới ít có khảnăng có công trình nghiên cứu về ABS phục vụ cho các loại xe máy phổ biến ở ViệtNam vì trên thế giới vào thời điểm hiện tại ít tập trung phát triển về phương tiệnxe

máy

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, luận án chọn đề tài: ―Nghiên cứu hệ

thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy‖

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Xe máy sử dụng trong nước chủ yếu là các xe có tốc độ thấp và chưa đượctrang bị hệ thống phanh ABS Muốn trang bị hệ thống phanh ABS phải mua nguyên

bộ của các hãng và không phải xe máy nào cũng được thiết kế chờ sẵn để có thể lắp

- 2

-được Do đó, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lựa chọn các phương án bố trí lắpđặt hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy nhằm mục đích từng bước cảithiện hiệu quả và nâng cao tính ổn định chuyển động của xe máy trong quá trìnhphanh

Luận án đã giải quyết được các vấn đề: Đề xuất được nguyên lý hệ thống điềuchỉnh áp suất phanh nhằm hạn chế trượt lết bánh xe; Xây dựng mô hình môphỏng

- 3

-hệ thống phanh thủy lực trên xe máy, mô phỏng chuyển động của xe máy khiphanh, đề xuất bộ điều khiển cũng như một thuật toán điều khiển hệ thống theogia tốc góc bánh xe; Thông qua mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính,luận án sơ bộ xác định được ngưỡng giá trị gia tốc góc của bánh xe để điều khiểnchuyển đổi giữa các pha tăng áp, giảm áp trong chu trình hoạt động của hệ thống;Nghiên cứu thiết kế chế tạo được thiết bị thu thập tín hiệu từ 3 cảm biến để đo 3thông số trong quá trình phanh; Nghiên cứu thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh giá trịngưỡng gia tốc góc điều khiển và nhận xét hiệu quả hoạt động của hệ thống phanhhạn chế trượt lết bánh xe Đây là các vấn đề có tính khoa học, là cơ sở cho cácnghiên cứu hoàn thiện tiếp theo để ứng dụng trên xe máy

Nội dung và bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận

án được trình bày trong bốn chương và phụ lục:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: Trình bày cơ sở điều khiểnlực phanh, tnh hình phát triển và tổng hợp kết quả nghiên cứu về hệ thống ABS xemáy trên thế giới và trong nước; qua đó xác định mục tiêu, nội dung, phươngpháp và phạm vi nghiên cứu của luận án cần thực hiện

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNGPHANH HẠN CHẾ TRƯỢT LẾT: Trình bày nghiên cứu cấu tạo chung về hệ thốngphanh xe máy từ đó đề xuất hệ thống phanh điều chỉnh áp suất nhằm hạn chếtrượt lết bánh xe trong quá trình phanh trên xe máy, mô phỏng chuyển động của xemáy trong quá trình phanh; mô phỏng hoạt động của hệ thống phanh có điềuchỉnh áp suất phanh trên xe nghiên cứu Thiết kế chế tạo và thực nghiệm nghiêncứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển và đánh giá hoạt động của hệ thống

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN: Trình bày nghiêncứu thiết kế chế tạo bộ điều khiển, đề xuất phương pháp và thuật toán điều khiển

hệ thống phanh hạn chế trượt lết trên xe máy, nghiên cứu xác định giá trị sơ bộngưỡng điều khiển hệ thống theo gia tốc góc làm cơ sở để xác định ngưỡng trongthực nghiệm

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: Trình bày nghiên cứu thựcnghiệm hệ thống phanh hạn chế trượt lết, bố trí hệ thống phanh hạn chế trượt lếtlắp lên xe máy, lựa chọn thiết kế thiết bị đo lường các kết quả thực nghiệm, trên

cơ sở kết quả thử nghiệm nhận xét sơ bộ hiệu quả hoạt động của hệ thống phanhhạn chế trượt lết trên xe nghiên cứu

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: Tóm tắt kết quả nghiên cứu của luận án, đềxuất hướng phát triển của các công trình nghiên cứu tiếp theo để từng bước hoànthiện hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy

Các kết quả nghiên cứu mới của luận án

Luận án đạt được các kết quả nghiên cứu mới sau:

- 4

Đề xuất, thiết kế chế tạo được cơ cấu điều áp có thể điều chỉnh được

áp suất phanh trong hệ thống phanh dẫn động thủy lực trên xe máy;

- Xây dựng được mô hình mô phỏng hệ thống phanh có điều chỉnh ápsuất phanh nhằm hạn chế trượt lết bánh xe trên xe máy và mô hình môphỏng động lực học quá trình phanh xe máy trên đường thẳng;

- Xác định được khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanhhạn chế trượt lết đã đề xuất trên xe nghiên cứu;

- Đề xuất phương pháp hiệu chỉnh và xác định được giá trị ngưỡng gia tốcgóc bánh xe bằng mô phỏng lý thuyết để điều khiển chuyển pha làm việccủa cơ cấu điều áp trong quá trình hệ thống hoạt động

- Thiết kế chế tạo, bố trí lắp đặt được các thiết bị cho thực nghiệm vàthực nghiệm lấy được số liệu đánh giá hoạt động của hệ thống phanhhạn chế trượt lết trên xe máy

- 5

-CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Các xe máy phổ biến ở Việt Nam có phân khối nhỏ, chạy ở vận tốc thấp vàchưa được trang bị hệ thống chống bó cứng ABS hoặc là một hệ thống tương tự.Hiện nay đường xá ở Việt Nam nhiều nơi vẫn còn lạc hậu, chất lượng thấp, mặtđường xấu, hệ số bám thấp và không ổn định nên dễ xảy ra tnh trạng trượt lếtkhi phanh ngay cả ở vận tốc thấp Vì vậy cần có một hệ thống phanh hạn chếtrượt lết bánh xe khi phanh cho xe máy ở Việt Nam Từ trước đến nay chưa cócông trình khoa học trong nước nào nghiên cứu hệ thống tương tự cho xe máyphân khối nhỏ ở Việt Nam

Luận án nghiên cứu đề xuất hệ thống phanh có khả năng điều chỉnh áp suấtphanh từ đó kiểm soát được hiện tượng trượt lết giữa bánh xe và mặt đườngkhi phanh, tăng tính ổn định chuyển động và nhờ đó nâng cao tính an toàn khi vậnhành cho xe máy

1.1 Sự cần thiết phải hạn chế trượt lết cho bánh xe khi phanh

Hệ thống chống trượt lết bánh xe khi phanh (tương tự ABS) là một hệ thốngvòng kín giúp giảm khóa bánh xe trong quá trình phanh, giúp cải thiện sự ổn định

và kiểm soát điều khiển xe trong quá trình phanh ABS mặc dù đã được trang bị rấtsớm trên ô tô trong nhiều năm nay tuy nhiên trên xe máy ít phổ biến hơn Theomột báo cáo số 327 về hiệu quả của hệ thống phanh chống bó cứng xe máy củaTrung tâm nghiên cứu tai nạn của Đại học Monash - Úc (MUARC) [66] chỉ ra rằnghiệu quả của ABS trong việc giảm rủi ro va chạm cho xe máy cao hơn so với ô tô.Trong báo cáo này cũng chỉ ra lợi ích của việc lắp ABS cho xe máy ở cả Châu Âu vàcác quốc gia khác

Một khảo sát của Bosch [67] chỉ ra rằng hiệu quả của ABS xe máy là nhấtquán trên toàn thế giới - các nghiên cứu được tham khảo trong khảo sát baogồm: nghiên cứu của Thụy Điển chứng minh rằng trang bị ABS mang lại khả nănggiảm va chạm ở châu Âu lên tới 39% cho tất cả các vụ tai nạn xe máy; Viện Bảohiểm An toàn Đường cao tốc ở Mỹ đã ước tính độc lập hiệu quả 37% và mộtnghiên cứu riêng biệt của Bosch đã tìm thấy hiệu quả giảm 33% trong việc giảmthiểu tai nạn ở Ấn Độ Một nghiên cứu khác của Đức kết luận rằng trong 93% các

vụ tai nạn xe máy, ABS sẽ tránh hoặc giảm mức độ nghiêm trọng của vụ tai nạn[68] Ở Úc, khả năng giảm thiểu tử vong và thương tích nhờ ABS xe máy là rất đángkể: hàng năm giúp giảm 1.128 vụ tai nạn thương tích nhỏ (33%) và giảm 1.083thương tật nghiêm trọng hàng năm và 74 trường hợp tử vong (39%) Từ các kếtquả này có thể thấy được sự cần thiết, lợi ích cũng như vai trò của một hệ thốnghạn chế trượt bánh xe tương tự ABS trang bị cho xe máy

- 6 Trong quá trình phanh xe, khả năng truyền lực dọc và lực ngang quyết địnhhiệu quả phanh cũng như khả năng ổn định chuyển động của xe Khả năng truyền

7

-lực dọc lớn tức -lực phanh lớn và hiệu quả phanh sẽ cao Khả năng truyền -lực nganglớn sẽ làm giảm nguy cơ quay xe nghĩa là khả năng ổn định chuyển động của xecao Khả năng truyền lực dọc và ngang phụ thuộc vào hệ số bám giữa bánh xe vàmặt đường theo cả hai phương dọc và ngang

Lực dọc (trong trường hợp phanh là lực phanh) cực đại:

Fxmax = FzφxTương tự lực ngang cực đại:

Fymax = Fzφy

Mà hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy phụ thuộc độ trượt dọc củabánh xe cả khi truyền lực kéo (trượt quay) lẫn khi truyền lực phanh (trượt lết)

Hình 1.1 Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt [7], [21], [54]

Hình 1.1 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc φ x và hệ số bám ngang φ y với độ trượt dọc s của bánh xe khi phanh.

Từ trên đồ thị cho thấy hệ số bám dọc φ x có giá trị cao nhất khi hệ số trượt

s nằm trong khoảng 15% - 25% Khi hệ số trượt s = 1 (trượt lết hoàn toàn) giá trị

φx chỉ còn khoảng xấp xỉ 0,6φ xmax Đối với hệ số bám ngang φ y khi độ trượt s tăng

lên, φy suy giảm nhanh và khi hệ số trượt s = 1 giá trị φ y không đáng kể

Có thể chia quá trình phanh theo độ trượt dọc thành 3 vùng như hình vẽ có thể

- 8

-thấy:

- Ở vùng I: Lực phanh tăng dần từ 0, hệ số trượt cũng tăng dần từ 0, hệ số bám

ngang φ y từ giá trị cực đại bắt đầu suy giảm nhưng mức độ suy giảm chậm Vùngnày bánh xe có khả năng truyền hết lực dọc (lực phanh) có trên bánh xe Lúc nàygia tốc phanh của xe phụ thuộc vào lực phanh và xe có khả năng ổn định cao

- Vùng II: Vùng này có hệ số bám dọc φ x cao nhất tức khả năng truyền lực

phanh tốt, còn hệ số bám ngang φ y có suy giảm nhưng vẫn còn cao và xe vẫn có khảnăng ổn định

- Vùng III: Vùng này giá trị hệ số bám dọc φ x đã vượt qua giá trị cực đại và

suy giảm, khi hệ số trượt trượt s = 1 (trượt lết hoàn toàn) giá trị φ x chỉ còn khoảngxấp xỉ 0,6φxmax và do vậy khả năng truyền lực dọc giảm tức nếu phanh thì hiệu quả

phanh giảm Còn hệ số bám ngang φy giảm nhanh và và khi hệ số trượt s = 1 giá trị

φ y không đáng kể Vùng này khả năng truyền lực ngang suy giảm nghiêm trọng vàrất dễ xảy ra mất ổn định xe, xe dễ bị quay ngang và ngã, rất nguy hiểm

Như vậy có thể thấy rằng, khi phanh xe, vùng II là vùng bánh xe có khả năngtruyền lực dọc cao nhất đồng thời khả năng truyền lực ngang tương đối cao.Nếu bánh xe hoạt động trong vùng này thì hiệu quả phanh cao và khả năng ổnđịnh chuyển động của xe cũng cao

Từ các phân tích trên, luận án hướng tới việc nghiên cứu điều chỉnh áp suấtphanh từ đó điều chỉnh lực phanh sao cho bánh xe phanh hoạt động trong vùng II.Nghiên cứu một hệ thống phanh thường quan tâm tới hai chỉ tiêu là hiệu quảphanh (quãng đường phanh, gia tốc phanh) và khả năng lái xe khi phanh (ổn địnhchuyển động khi phanh) Các nghiên cứu đều cho thấy các trường hợp có ABS đềukhông xảy ra mất kiểm soát hướng chuyển động khi phanh như khi không trang bịABS hoặc ABS không hoạt động Nói cách khác là ABS giúp ổn định chuyển độngcủa xe khi phanh

Về hiệu quả phanh, có nghiên cứu cho thấy khi có ABS hiệu quả phanh đượccải thiện, nhưng mức độ cải thiện không nhiều và không phải tất cả các trường hợpphanh Trong công trình ―Nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén‖ của tác giả

Hồ Hữu Hùng, đa phần các trường hợp phanh có ABS giúp cải thiện quãng đươngphanh nhưng trên đường có độ trơn ướt và ở vận tốc 30km/h quãng đườngphanh khi có ABS dài hơn khi không có ABS [3]

Tuy nhiên, theo tài liệu báo cáo nghiên cứu của RAVC (Úc) [30], ABS có thể cảithiện hiệu quả phanh hoặc ít cải thiện hiệu quả phanh thậm chí làm hiệu quảphanh xấu đi trong các điều kiện phanh khác nhau về điều kiện mặt đường và vậntốc ban đầu của xe khi phanh Trong báo cáo này đề dẫn ra nghiên cứu củaForkenbrock (1998-1999), trên 9 xe được trang bị ABS với 17 kịch bản thựcnghiệm phanh xe khác nhau cho thấy ABS ít giảm quãng đường phanh trên đườngkhô, giảm đáng kể khi phanh trên đường trơn ướt và tăng 27% quãng đường phanhtrên đường sỏi Nghiên cứu của Mashek (2002), trên 6 xe có trang bị ABS cũng chothấy rằng ABS giảm gia tốc phanh khi phanh trung bình ở vận tốc nhỏ hơn 35 km/h

và tăng gia tốc phanh trung bình khi phanh xe ở vận tốc lớn hơn 35 km/h so với xekhông được trang bị ABS Tương tự kết quả nghiên cứu của Mashek, Strickland vàDagg (1998) nghiên cứu thử nghiệm trên đường nhựa khô với hệ số bám khác nhau(0,61-0,87) cũng cho thấy ở vận tốc nhỏ hơn 50 km/h gia tốc phanh trung bìnhgiảm xuống còn 82% so với trường hợp không được trang bị ABS; với vận tốc phanhban đầu lớn hơn 50 km/h thì hiệu quả phanh (gia tốc phanh trung bình) tănglên khi được trang bị ABS Tài liệu trên cũng dẫn nghiên cứu của Macnabb(1998), khảo sát hiệu quả phanh của 7 xe trên đường sỏi cho thấy rằng quãngđường phanh của xe khi có ABS tăng lên 60% so với khi ABS không hoạt động; gia

tốc phanh trung bình của xe có ABS hoạt động đạt khoảng (0,37g đến 0,52g)nhỏ hơn khi ABS

không hoạt động khoảng (0,59g đến 0,66g) ( với g là gia tốc trọng trường) Tuynhiên, tất cả các nghiên cứu này đều cho thấy các trường hợp có ABS đều khôngxảy ra mất kiểm soát hướng chuyển động khi phanh như khi không trang bị ABShoặc ABS không hoạt động.

Như vậy, có thể thấy ý nghĩa lớn nhất của hệ thống phanh ABS là khả năngđiều khiển xe khi phanh (ổn dịnh chuyển động khi phanh) trên ô tô Xe máy có thểcoi là một trường hợp đặc biệt của ô tô, do vậy khi đề xuất hệ thống phanh hạnchế trượt lết cho xe máy cần đảm bảo mục tiêu chống trượt dọc nhằm hạn chếtrượt ngang từ đó giúp ổn định chuyển động khi phanh Để tìm ra phương hướngcho việc nghiên cứu đề xuất một hệ thống có khả năng hạn chế trượt lết và ổnđịnh chuyển động khi phanh, luận án đi tm hiểu về tnh hình nghiên cứu các hệthống tương tự trên thế giới và Việt Nam trong mục tiếp theo

1.2 Tình hình nghiên cứu hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh

1.2.1 Nghiên cứu về hạn chế trượt lết bánh xe khi phanh (ABS) trên

thế giới

1.2.1.1 Nghiên cứu ABS trên ô tô

Mối quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của bánh xe (hình 1.1) đã đượccác nhà khoa học phát hiện khá sớm (từ những năm 1950 của thế kỷ trước) Việcnghiên cứu chống trượt cho bánh xe khi phanh đã được các nhà khoa học quan tâm

từ lâu Tuy nhiên cho đến đầu những năm 1970 khi công nghệ phát triển, đặc biệt

là trong ngành điện tử và tin học, hệ thống hạn chế trượt lết bánh xe (chống bócứng bánh xe) khi phanh ABS mới bắt đầu được sử dụng Thời gian này hệ thống chỉđược ứng dụng này trên ô tô vì một lý do rất đơn giản là hệ thống rất đắt tiền.Sau ABS các hệ thống tích cực khác trên ô tô cũng lần lượt ra đời như TCS,EBD, ESP… cùng với sự phát triển của cảm biến và cơ cấp chấp hành ABS bắtđầu được trang bị cho ô tô năm 1978 và dần phổ biến trên nhiều loại xe ô tô[40], [56] Đến năm 1989 ABS bắt đầu được kết hợp với TCS và đến khoảng giữathập niên 90 ABS được kết hợp với EBD &BAS [55] Năm 1995 hệ thống ổn địnhcân bằng điện tử ESP sự ra đời và sau đó nó kết hợp với ABS, ASR, TCS,EBD&BAS… ABS trang bị trên ô tô ra đời nhằm chống bó cứng bánh xe tức làgiảm sự trượt lết bánh xe tăng hiệu quả phanh, duy trì khả năng bám ngang, ổnđịnh hướng chuyển động của ô tô khi phanh [40]

Cho đến thời điểm hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ABS trên

ô tô được công bố Các công trình nghiên cứu gần đây tập trung chủ yếu nghiên cứu

về hệ thống điều khiển ABS trên xe Các hệ thống điều khiển theo dõi tín hiệu giatốc chậm dần và độ trượt dọc của bánh xe trong quá trình phanh [25], [52], [56]

Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển ABS theo độ trượt dọc củabánh xe khá hoàn thiện Tuy nhiên do độ trượt dọc là một đại lượng khó đo đạc và

xác định chính xác hơn nữa độ trượt dọc tối ưu thường thay đổi ở những loại đườngkhác nhau do vậy việc điều khiển gặp khó khăn [27], [48], [49] Vì thế các nghiêncứu về hệ thống ABS điều khiển theo độ trượt của bánh xe đều dừng lại trên

mô hình lý thuyết hoặc mô hình mô phỏng, chưa có những ứng dụng và phát triểntrong thực tế Nhưng các nghiên cứu này đã giúp giải thích cơ chế và minhchứng tính đúng đắn của việc cần thiết phải phát triển kỹ thuật ABS trong điềukhiển quá trình phanh ô tô

Các công trình nghiên cứu về hệ thống ABS theo gia tốc góc chậm dần củabánh xe khi phanh đã chứng minh được những ưu điểm là duy trì được độ trượt củabánh xe gần miền tối ưu từ đó ổn định được độ bám đường trong quá trìnhphanh Tuy nhiên để xác định được ngưỡng gia tốc góc bánh xe để hệ thống điềukhiển làm việc là một việc hết sức khó khăn, phải sử dụng thống kê, mô phỏng, đođạc và hiệu chỉnh phức tạp trong thuật toán điều khiển [24], [40], [41], [46]

Một số công trình điển hình điều khiển ABS theo độ trượt bánh xe và theo giatốc góc bánh xe:

- Nghiên cứu ―Cosimulation of Parameter based vehicle dynamics and an ABScontrol system‖ của Rengaraj, Chandrasekaran, Adgar, Adam, Cox, Chris S vàCrolla, David A năm 2006 [53], đã nghiên cứu sử dụng kết hợp xây dựng mô hìnhtrên Matlab-Simulink và mô phỏng trên môi trường SimCar, thử nghiệm, đánh giátrên mô hình mô phỏng Tuy nhiên, nghiên cứu này vẫn chưa đưa ra một phương án

cụ thể trong điều khiển ABS

- Nghiên cứu ―Sliding Mode Measurement Feedback Control for AntilockBraking Systems‖ của Cem Unsal và Pushkin Kachroo, năm 1999 [27], đã mô tảmột hệ thống điều khiển dựa trên hệ phi tuyến để điều khiển ổn định chuyển độngcủa xe theo phương dọc Nghiên cứu đưa ra thuật toán điều khiển dựa trên môhình điều khiển trượt và đưa ra nhân tố phi tuyến gây nhiễu cho quá trình điềukhiển, dụng bộ lọc Kalman để loại bỏ các thành phần nhiễu Đề tài là sử dụng

bộ điều khiển theo độ trượt của xe tuy nhiên nghiên cứu của đề tài vẫn chỉ dừng ở

lý thuyết

- Nghiên cứu ―Using the sliding-mode PWM method in an anti-lock brakingsystem‖ của Ming-Chin Wu và Ming-Chang Shih công bố năm 2001 [48], nghiêncứu kết hợp điều khiển độ rộng xung PWM và điều khiển trượt để tạo nên bộđiều khiển gần như liên tục cho hệ thống phanh ABS Các nghiên cứu chỉ dừng lạitrên băng thử với trạng thái đường khô và ướt để đánh giá kết quả

- Nghiên cứu ―Robust Fuzzy Sliding Mode Control for Antilock BrakingSystem‖ của M Oudghiri, M Chadli, A El Hajjaji công bố năm 2007 [49], đã đềxuất phát triển phương pháp điều khiển theo kiểu trượt và logic mờ để điềuchỉnh lực phanh Phương pháp logic mờ trong nghiên cứu này được sử dụng đểđánh giá các thông số đầu vào chưa biết của ECU - ABS Tác giả Hyeongcheol

Lee và Masayoshi Tomizuka (Đại học California, Mỹ) trong tác phẩm ―AdaptiveTraction Control‖ từ năm 1995 [36] đã ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi

để nghiên

cứu chống trượt bánh xe Mark A Morton trong công trình ―Traction Control Studyfor a Scaled Automated Robotic Car‖ thực hiện năm 2004, [25] đã nghiên cứu cácchế độ điều khiển hạn chế trượt lết của bánh xe.

- Nghiên cứu về thuật toán điều khiển, tác giả Kou và Yeh [41] đã xây dựngthuật toán điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi phanh theo bốn pha với tínhiệu điều khiển là gia tốc góc của các bánh xe khi phanh Thuật toán điều khiển nàykhác với thuật toán điều khiển trước đó chỉ gồm ba pha do được bổ sung thêm phagiữ áp thấp, tạo thành bộ điều khiển bốn pha gồm: pha tăng áp, pha giữ áp cao,pha giữ áp thấp và pha giảm áp Các ngưỡng gia tốc góc bánh xe được xác địnhnhằm bảo đảm hiệu quả làm việc của hệ thống với tất cả các điều kiện đường,giúp sinh ra lực phanh lớn trong khi vẫn bảo đảm tính dẫn hướng

- Tác giả Mark Denny đã nghiên cứu động lực học hệ thống phanh chống hãmcứng bánh xe [46] với hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường là hàm phi tuyến, phụthuộc chủ yếu vào vận tốc xe và vận tốc quay của bánh xe bằng mô hình lý thuyết ¼

xe Tác giả đưa ra phương pháp ước lượng gia tốc góc bánh xe và quan hệ giữa sựbiến đổi gia tốc góc chậm dần của bánh xe với sự thay đổi độ trượt Từ đó xây dựngphương pháp để xác định hai ngưỡng gia tốc chậm dần (ngưỡng thấp và ngưỡngcao), từ đó tính toán giá trị mô men phanh tương ứng nhằm điều khiển hệthống ABS nhằm duy trì độ trượt gần với giá trị tối ưu Mặc dù nghiên cứu sử dụngthuật toán tương đối đơn giản để ước lượng gia tốc góc của bánh xe khi phanhthông qua mối tương tác động học dạng phi tuyến giữa lốp xe và mặt đường nhưngnghiên cứu mới chỉ xác định trên mô hình lý thuyết ¼ xe nên chưa phản ánh hếtđược các tương tác của ô tô trong quá trình phanh

Có thể thấy các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển ABS trên ô tôtương đối hoàn thiện tuy nhiên các nghiên cứu thường được thực hiện trên các môhình mô phỏng trên máy tính và các kết quả được công bố sơ lược và nhiều nộidung khoa học và các số liệu nghiên cứu không được công bố Các tài liệu nghiêncứu của các hãng chỉ công bố mang tính hướng dẫn sử dụng hoặc là giới thiệu chứcnăng còn nội dung nghiên cứu cụ thể thì khó có thể tiếp cận được do bảo mật về bíquyết công nghệ của các hãng

1.2.1.2 Nghiên cứu về ABS trên xe máy

Hệ thống chống bó cứng phanh ABS lần đầu tiên được dùng trên xe máy củaBMW là K100 vào năm 1988 Honda đã tiếp nối công nghệ này vào năm 1992 trên

xe máy ST110 Suzuki cũng gắn ABS trên chiếc xe GSF1200SA vào năm 2007 vàHarkey Davidson đã sử dụng ABS cho xe cảnh sát vào năm 2008 Gần đây ABS đãđược dùng trên xe máy CBR 1000RR của Honda và Apache RTR ABS (180cc và

250 cc) Tất cả các ABS của các hãng trên đều sử dụng chung nguyên lý giống vớiABS của ô tô tức là có các cảm biến vận tốc, van điện từ, bơm thuỷ lực và bộ điềukhiển nên có giá thành rất cao và chỉ được trang bị cho các xe có phân khối lớn.

Các nghiên cứu về hệ thống ABS hoặc một hệ thống có tính năng tương tựnhư ABS cho xe máy được tập trung chủ yếu nghiên cứu đề xuất cơ cấu chấp hành

và phương pháp điều khiển cho xe máy Bắt đầu từ năm 1978 khi ABS ra đời đượctrang bị thành công trên ô tô đã có một số nghiên cứu để trang bị các hệ thốngtương tự cho xe máy Tuy nhiên do đặc thù các phương tiện có điều kiện hoạt độngcũng như không gian bố trí khác nhau nên không thể đưa nguyên hệ thống ABS của

ô tô lên xe máy Một số nghiên cứu đã đề xuất hệ thống chống bó cứng cho xe máybằng cách đề xuất cơ cấu chấp hành hoạt động theo nguyên lý khác với ABS trên ô

tô [59], [51], [28], [39], [58] Một số nghiên cứu đưa ra phương pháp điều khiểnbằng cách xác định hệ số bám của bánh xe với mặt đường bằng phương pháp

đo góc nghiêng thân xe sử dụng nguồn phát sóng siêu âm [37], điều khiển bằnglogic mờ [28], điều khiển theo PID [58] Một số công trình nghiên cứu điển hìnhtrên xe máy:

- Nghiên cứu đề xuất của Takefumi Sato, Tenri và Japan công bố năm 1978[59] đưa ra hệ thống kiểm soát chống bó cứng cho bánh trước xe gắn máy Các tácgiả đề xuất hệ thống kiểm soát áp suất dầu phanh, trong đó dầu phanh đượcchứa trong xy lanh bánh xe được hồi lại cho một bình chứa dầu liên kết với xy lanhtổng khi hệ thống phát hiện bánh xe bị bó cứng hoặc sắp xảy ra bó cứng Để dầuphanh hồi lại bình chứa các tác giả đề xuất sử dụng van điện từ thông qua tiếpnhận phản hồi khi phát hiện bánh xe bị bó cứng hoặc sắp xảy ra bó cứng bánh xevan sẽ làm việc (mở) cho dầu phanh hồi lại từ xy lanh bánh xe về xy lanh tổngthông qua van điện từ và một cơ cấu điều áp Nghiên cứu này đã đề xuất 2 trườnghợp:

Trường hợp 1 hệ thống có sơ đồ nguyên lý như trên hình 1.2

Hình 1.2 Trường hợp 1 trong nghiên cứu của Takefumi Sato, Tenri và Japan

Từ Hình 1.2 có thể thấy hệ thống hoạt động khi tay phanh 14 được tác độnglàm piston 10 dịch chuyển sang trái, dầu từ xylanh 12 được đưa xuống xylanh bánh

xe qua van bi 32, cửa 34 và khoang 28 Khi hệ thống phát hiện ra hiện tượng bó

cứng bánh xe hoặc bó cứng bánh xe sắp xảy ra (nghiên cứu không đề cập đếnnguyên tắc xác định bó cứng bánh xe mà chỉ nói xác định bằng phương tiện phùhợp) thì van 18 làm việc (làm ngăn cách đường không khí 36 và 38) tạo ra sự chênh

áp suất giữa khoang 20 và 22 do nguồn chân không nối với đường ống 40 (nghiêncứu không đề cập đến nguồn chân không), sự chênh áp giữa khoang 20 và 22 (ápsuất khoang 20 lớn hơn khoang 22) làm màng ngăn 24 (màng đàn hồi) dịch chuyểnxuống dưới ép lò xo 26 Làm piston van 30 dịch chuyển xuống dưới van bi 32 dịchchuyển đóng cửa 34 ngăn dầu từ xylanh chính xuống xylanh bánh xe, đồng thờilàm khoang 28 tăng thể tích dẫn đến làm giảm áp suất tại xylanh bánh xe 16 Khihết hiện tượng khóa bánh xe van 18 không làm việc (đường khí 36 và 38 thôngnhau) làm áp suất trong 2 khoang 20 và 22 cân bằng, màng ngăn 24 dịch chuyểnlên trên nhờ lực lo xo 26 làm piston 30 dịch chuyển lên trên (về vị trí ban đầu) làmgiảm thể tích khoang 28 làm tăng áp cho xylanh bánh xe 16 đồng thời đẩy van bi

mở cửa 34 cho dầu từ xylanh chính tiếp tục cấp xuống xylanh bánh xe 16

Với hệ thống được đề xuất như trường hợp 1, hệ thống cần phải có kết cấu cómàng chắn, khoang 20 và 22 nên kích thước sẽ lớn khó trang bị trên xe máy Hệthống phải có một nguồn chân không phù hợp để tạo độ chênh áp Hệ thốngkhông đề cập đến phương pháp xác định khóa bánh xe mà chỉ nói sử dụng cácphương tiện phù hợp

Trường hợp thứ 2: hệ thống được đề xuất có sơ đồ nguyên lý như trên hình1.3

Hình 1.3 Trường hợp 2 trong nghiên cứu của Takefumi Sato, Tenri và Japan

Từ hình 1.3 có thể thấy hệ thống hoạt động sử dụng van điện từ 50 gồmpiston van 58, cuộn dây 56 xylanh 52 có 2 cửa van 54 và 62, lò xo 60 Trong điềukiện làm việc bình thường (không xảy ra khóa cứng bánh xe) van điện từ 50 khônglàm việc, piston 58 được lò xo 60 ép xuống đóng kín cửa van 62, khi người lái bópphanh thì piston 10 dịch chuyển làm dầu phanh từ xylanh chính qua cửa van 54qua đường ống 66 cấp xuống xylanh bánh xe 16 Khi xảy ra hiện tượng khóa bánh

xe hoặc sắp khóa bánh xe thì van điện từ 50 làm việc tức là cuộn dây 56 đượccấp điện kéo piston 58 lên trên đóng kín cửa van 54 ngăn dầu phanh từ xylanh 12

tiếp tục xuống bánh xe Đồng thời mở cửa van 62 để dầu phanh từ xylanh bánh xe

16 qua cửa van

62 hồi về bình chứa dầu gắn trên xylanh phanh chính làm giảm áp suất Khi bánh xe

ko bị khóa cứng van 50 không làm việc thì do lực lo xo 60 van đóng cửa 62 và mởcửa 54 để dầu phanh tiếp tục được cấp cho xylanh bánh xe từ xylanh 12

Với hệ thống được đề xuất như trường hợp 2, hệ thống làm việc chỉ có phagiảm áp khi bánh xe xảy ra hiện tượng bó cứng mà không có pha tăng áp từ đó làmgiảm hiệu quả phanh

- Nghiên cứu đề xuất của Pickenhahn Josef, Barr Stephen P J., BeuerleChristoph, Glasmacher Klaus, Weidele Alois và Fischer Martin công bố năm 1991[37] và công bố năm 1993 [38] đã đưa ra phương pháp chống bó cứng bánh xe vàxác định hệ số bám của bánh xe với mặt đường Các tác giả đề xuất phương pháp đocác thành phần phản lực của bánh xe với mặt đường thông qua đo góc nghiêngthân xe làm cơ sở xác định ngưỡng điều khiển chống bó cứng Xác định hệ số bámcủa bánh xe với mặt đường bằng phương pháp đo góc nghiêng thân xe làm căn cứđiều chỉnh ngưỡng chống bó cứng cho phù hợp với hệ số bám

Hình 1.4 Nghiên cứu của Pickenhahn Josef, Barr Stephen P J., Beuerle Christoph,

Glasmacher Klaus, Weidele Alois và Fischer Martin

Nghiên cứu đã đề xuất sử dụng nguồn phát sóng siêu âm tại vị trí T như trênhình vẽ phát ra 2 tín hiệu S1 và S2 xuống mặt đường rồi phản hồi lại được thu bởi 2nguồn thu đặt tại vị trí R1 và R2 gắn trên 2 đầu trục bánh xe Trên hình mô tảtrường hợp bánh xe nghiêng 1 góc λ với phương thẳng đứng V (phương của xe biểuthị bằng đường M) Khi này xe nghiêng nên thời gian sóng siêu âm đi từ nguồn Txuống đất rồi về bộ thu R1 và R2 sẽ có sự chênh lệch 1 khoảng thời gian Δt, tín hiệunày được đưa về máy tính xử lý tính ra góc nghiêng λ tương ứng

Nghiên cứu đã đưa ra phương pháp xác định ngưỡng hoạt động ABS dựa trên

đo thời gian từ lúc phát đến lúc thu sóng siêu âm sẽ xảy ra các sai lệch do ảnh củamôi trường như mưa, bụi bẩn, đất bùn Cách xác định ngưỡng theo nghiên cứuchính xác khi không xảy ra trượt còn khi bánh xe trượt sẽ gây ra sai số lớn Ngoài racòn vấn đề năng lượng cho nguồn phát cũng như phương án bố trí nguồn phát

để không bị chặn gây ra ảnh hưởng nhiễu nên không phù hợp với thực tế trang bịcho xe máy

- Nghiên cứu của Chen Po-Hsi, Hwu Long-Cherng và Juang Puu-An công bốnăm 2004 [51] đã đưa ra hệ thống phanh thủy lực chống bó cứng cho xe gắn máy.Trong nghiên cứu này hệ thống được bố trí trên đường dầu phanh nối giữa các bánh

xe và xy lanh chính tương ứng Hệ thống bao gồm hai dòng thủy lực tương ứng chohai bánh xe, một bộ điều khiển điện tử kiểm soát đa số các vùng điều khiển đượcthiết lập Phanh bánh trước và bánh sau cung cấp hai tín hiệu phanh riêng rẽhoặc đồng thời kiểm soát lực phanh tương ứng của các bánh xe phía trước và phíasau

Hình 1.5 Hệ thống được đề xuất bởi Chen Po-Hsi, Hwu Long-Cherng và Juang Puu-An

Hệ thống mô tả như hình 1.5 khi người lái tác động vào tay phanh 11 làm tayphanh dịch chuyển sang trái dầu phanh từ khoang 10 qua cửa 12 đi xuống quaống

21 qua van điện từ 23 (van điện từ thường mở) qua ống 22 xuống xylanh bánh xe,van 1 chiều 24 đảm bảo áp suất dầu phanh trong ống 22 và xylanh bánh xe, ngănkhông cho đầu phanh hồi về khoang 10 Khi xảy ra hiện tượng áp suất phanh trong

hệ thống tăng cao quá mức tối ưu thì van điện từ thường đóng 32 mở để dầuchảy về thùng 34, đồng thời bật bơm dầu 31 hoạt động để chuyển hướng bơmdầu về đường dầu chính qua khoang 12, lúc này van điện từ 4 (cơ cấu chấp hành)

về vị trí mở để dầu chảy bớt về thùng dầu 3 Khi áp suất giảm thì van 32 đóng, van

4 đóng lại, van 23 mở ra để tiếp tục mở ra để cấp dầu cho xy lanh phanh xe bằngbơm 31 làm áp suất trong xylanh bánh xe tăng lên, quá trình tiếp tục lặp lại chođến khi kết thúc quá trình phanh

Bộ điều khiển động cơ dẫn động bơm 31 và điều khiểu đóng mở các van điện

từ 4, 23, 32 lấy tính hiệu từ các cảm biến 51 và 52 qua bộ tính toán trượt 53, sau

đó cho qua bộ phận so sánh tỷ lệ trượt 54 làm cơ sở đưa ra tín hiệu điều khiển cho

bộ điền khiển bánh xe trước 55 và sau 56 (hình 1.6)

Hình 1.6 Mô hình bộ điều khiển trong nghiên cứu của Chen Po-Hsi, Hwu Long-Cherng và Juang Puu-An

Nghiên cứu đã thu được kết quả thử nghiệm trên xe máy dung tích xylanh 150

cc với hệ thống phanh thủy lực ABS trên 2 loại bề mặt là đường nhựa (hệ số bám0,81) và đường đá cẩm thạch (hệ số bám 0,41) Kết quả thu được là một tỷ lệ phanh(Z) được định nghĩa là 0,56/t, trong đó t là thời gian cần thiết để làm giảm tốc xegắn máy từ 40 km/h đến 20 km/h Trong đó Zm ứng với trường hợp phanh không

có ABS, Zmax ứng với trường hợp phanh có ABS

Tỉ lệ phanh Zm Zmax Zmax/Zm Zm Zmax Zmax/Zm

- Nghiên cứu của Hamm Ma r kus công bố năm 2007 [47] đã đưa ra hệ thốngphanh tích hợp có chống bó cứng phanh cho xe gắn máy Trong nghiên cứu hệthống phanh tích hợp có chống bó cứng phanh và bao gồm bộ chấp hành phanh,

hệ thống phanh bánh xe phía trước và hệ thống phanh bánh xe phía sau độclập, hệ thống có thể tùy chọn ngừng hoạt động phanh cho từng bánh xe Hệ thốngphanh tích hợp này cho phép người sử dụng hoặc không sử dụng ABS cho bánh