Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển phanh ABS cho mô tô

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHAN VĂN BÌNH C C R L T NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHANH ABS CHO MÔ TÔ DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHAN VĂN BÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHANH ABS CHO MÔ TÔ C C R L T DU CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM QUỐC THÁI Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Mọi kết nghiên cứu ý tưởng tác giả khác có trích dẫn đầy đủ Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Luận văn chưa bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ toàn quốc nước chưa công bố phương tiện thông tin Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Tác giả luận văn ký ghi rõ họ tên C C DU R L T Phan Văn Bình NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHANH ABS CHO MƠ TƠ Học viên: Phan Văn Bình Chun ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 85.20.11.6 Khóa: K36 Trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển phanh ABS cho mô tô nhằm nâng cao tính an tồn Sử dụng Arduino làm điều khiển trung tâm để nhận tín hiệu mơ tơ từ cảm biến tốc độ bánh xe, tính tốn xử lý tín hiệu điều khiển cấu chấp hành hoạt động Trong trƣờng hợp phanh gấp với lực phanh lớn làm cho bánh xe bị bó cứng mơ tơ có khả bị trƣợt lê đƣờng, ổn định gây ngã xe Lúc ABS hoạt động thông qua chấp hành thủy lực điều khiển van điện từ đóng mở nhƣ mơ tơ bơm hoạt động để làm giảm tăng áp suất thủy lực hệ thống phanh cách liên tục nhằm khơng cho bánh xe bị bó cứng Qua tăng đƣợc hiệu phanh độ ổn định cho mô tô trƣờng hợp phanh gấp đoạn đƣờng trơn ƣớt Vấn đề làm tăng giảm áp suất thủy lực hệ thống phanh để tránh bánh xe bị bó cứng đƣợc kết hợp với điện tử nên khả điều khiển nhanh với độ xác cao Nghiên cứu góp phần làm sở để thiết kế, chế tạo hệ thống phanh ABS trang bị cho dịng mơ tơ với cấu phanh trƣớc đĩa – cấu phanh sau guốc Việt Nam Từ khóa: mơ tơ, Arduino, ABS, trƣợt lê bánh xe, phanh gấp ABSTRACT RESEARCH AND DESIGN OF CREATING ABS BRAKE CONTROL SYSTEM FOR MOTORCYCLE Abstract: Researching on the designing and manufacturing of ABS brake control system for motorcycles is improving safety features Using Arduino as the central controller is to receive motorbike signals from wheel speed sensors, to calculate for processing signals and to control actuators In the case of emergency braking with high braking force, the wheels will be locked and the motorcycle may be slipped on the road, which causes the motorcycle to fall by the instability At this time, the ABS will operate through hydraulic actuators that control the solenoid valve to open and close as well as control the pump motor to operate, which reduces and increases the hydraulic pressure in the brakes continuously so that the wheel can not be locked Thereby it will increase braking efficiency and stability of the motorcycle in the case of emergency braking, especially on slippery wet roads The problem of increasing or decreasing hydraulic pressure in the braking system to avoid the locked wheel is combined with electronics, so the ability of the control is very quickly with high accuracy This research contributes to the basis for designing and manufacturing ABS brakes for motor vehicles with front disc brakes - rear brake mechanism in Vietnam Keywords: motorcycles, Arduino, ABS, roller skates, emergency braking C C DU R L T MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i TÓM TẮT Error! Bookmark not defined MỤC LỤC ii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ iv DANH SÁCH CÁC BẢNG vi DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài III Phạm vi đối tƣợng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu .2 Đối tƣợng nghiên cứu IV Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 1- NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử phát triển phanh ABS 1.2 Công nghệ mô tô 1.3 Tổng quan hệ thống phanh ABS 1.3.1 Sơ đồ cấu tạo 1.3.2 Nguyên lý làm việc C C R L T DU Chƣơng 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Cơ sở lý thuyết phanh 10 2.1.1 Lực phanh sinh bánh xe .10 2.1.2 Các ch tiêu đánh giá chất lƣợng trình phanh 11 2.1.3 Cơ sở lý thuyết chống hãm cứng bánh xe phanh gấp 15 2.2 Kết cấu hệ thống phanh ABS 19 2.2.1 Cảm biến tốc độ bánh xe 19 2.2.2 Bộ chấp hành thủy lực 20 2.2.2.3 Nguyên lý hoạt động: 21 2.2.3 Bộ điều khiển ABS-ECU 21 2.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống phanh ABS mô tô 23 2.3.1 Sơ đồ cấu tạo .23 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 24 Chƣơng 3- TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ TH NG PHANH ABS 27 3.1 Tính tốn hệ thống phanh 27 3.1.1 Giới thiệu mô tô Husky 150cc 27 3.1.2 Tính tốn thiết kế hệ thống phanh ABS cho mô tô Husky 150cc 28 3.1.2.1 Xác định momen phanh yêu cầu 28 3.1.2.2 Xác định momen phanh cấu phanh sinh 31 a Đối với cấu phanh trƣớc 31 b Đối với cấu phanh sau 33 c Momen phanh mà cấu phanh sinh 35 3.1.2.3 Lực tác dụng lên tay phanh 35 3.1.2.4 Tính tốn ch tiêu phanh 36 a Gia tốc chậm dần phanh 37 b Thời gian phanh 37 3.2.1 Cấu trúc điều khiển phanh ABS mô tô 38 3.2.1.1 Sơ đồ cấu trúc 38 3.2.1.2 Kết cấu phận 39 3.2.2 Thuật toán điều khiển phanh ABS .41 3.2.2.1 Thuật toán tự kiểm tra lỗi 41 3.2.2.2 Thuật toán điều khiển chấp hành thủy lực 42 3.2.3 Thiết kế điều khiển ABS-ECU .43 3.2.3.1 Sơ đồ khối điều khiển 43 3.2.3.2 Mạch xử lý trung tâm 43 3.2.3.3 Mạch nguồn 45 3.2.3.4 Khối mạch giao tiếp đầu vào 46 3.2.3.5 Khối mạch giao tiếp đầu .49 3.2.3.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển 51 3.2.4 Lập trình điều khiển phanh ABS 52 3.2.4.1 Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE 52 3.2.4.2 Viết chƣơng trình điều khiển 53 Chƣơng 4- THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 57 4.1 Thử nghiệm 57 4.1.1 Kết thử nghiệm xe có ABS đƣờng khô 58 4.1.2 Kết thử nghiệm xe khơng có ABS đƣờng khô 60 4.1.3 Kết thử nghiệm xe có ABS đƣờng ƣớt 62 4.1.4 Kết thử nghiệm xe khơng có ABS đƣờng ƣớt .64 4.1.5 Kết thử nghiệm xe có ABS đƣờng khô ƣớt 66 4.1.6 Kết thử nghiệm xe khơng có ABS đƣờng khô ƣớt 68 4.2 Đánh giá 70 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 71 C C R L T DU TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1- Q trình phát triển hệ thống phanh ABS Hình 1.2- Phanh ABS mơ tơ Hình 1.3- Cấu tạo hệ thống phanh ABS Hình 2.1- Sơ đồ lực momen tác dụng lên bánh xe phanh 10 Hình 2.2- Đồ thị thể thay đổi quãng đƣờng phanh nhỏ 14 Hình 2.3- Sự thay đổi hệ số bám dọc φx hệ số bám ngang φy theo 15 Hình 2.4- Sự thay đổi thông số Mp, P J phanh 17 Hình 2.5- Sự thay đổi tốc độ góc ωb bánh xe, tốc độ mơ tơ v độ trƣợt λ 18 Hình 2.6- Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh xe 19 Hình 2.7- Dạng xung cảm biến tốc độ bánh xe 19 Hình 2.8– Sơ đồ cấu tạo chấp hành thủy lực 20 Hình 2.9– Sơ đồ cấu tạo hệ thống phanh ABS mô tô 23 Hình 2.10- Phanh ABS hoạt động giai đoạn giữ áp .24 C C R L T Hình 2.11- Phanh ABS hoạt động giai đoạn giảm áp 25 Hình 2.12- Phanh ABS hoạt động giai đoạn tăng áp .26 Hình 3.1- Mơ tô Husky 150cc 27 Hình 3.2- Sơ đồ lực tác dụng lên xe phanh 28 DU Hình 3.3- Sơ đồ phân bố tải trọng lên bánh xe 29 Hình 3.4- Sơ đồ tính tốn bán kính trung bình đĩa ma sát 32 Hình 3.5- Sơ đồ tính tốn cấu phanh trồng guốc 34 Hình 3.6- Sơ đồ tính tỷ số truyền dẫn động tay phanh .36 Hình 3.7- Giảng đồ phanh 36 Hình 3.8- Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phanh ABS .38 Hình 3.9- Cảm biến tốc độ bánh xe 39 Hình 3.10- Module AD620 39 Hình 3.11- Tín hiệu trƣớc khuếch đại sau khuếch đại 40 Hình 3.12- Bộ chấp hành thủy lực 40 Hình 3.13- Lƣu đồ thuật tốn tự kiểm tra lỗi 41 Hình 3.14- Lƣu đồ thuật tốn điều khiển chấp hành thủy lực 42 Hình 3.15- Sơ đồ khối điều khiển 43 Hình 3.16- Sơ đồ phần cứng Arduino .44 Hình 3.17- Sơ đồ kết nối khối điều khiển trung tâm với phận 45 Hình 3.18- Sơ đồ mạch điện khối nguồn 45 Hình 3.19- Tụ điện 46 Hình 3.20- IC7805 46 Hình 3.21- Sơ đồ mạch điện kiểm tra tín hiệu phanh .46 Hình 3.22- LM358 47 Hình 3.23- Sơ đồ mạch điện kiểm tra tín hiệu ắc quy .47 Hình 3.24- Sơ đồ mạch điện xử lý tín hiệu cảm biến .48 Hình 3.25- Tín hiệu trƣớc sau đƣợc xử lý 48 Hình 3.26- Sơ đồ mạch điện điều khiển van điện từ 49 Hình 3.27- PC817 49 Hình 3.28- IRF540 49 Hình 3.29- Sơ đồ mạch điện điều khiển mô tơ bơm 50 Hình 3.30- IRF9540 50 Hình 3.31- Transistor C1815 50 Hình 3.32- Sơ đồ mạch điện điều khiển đèn báo lỗi 51 Hình 3.33- Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 51 Hình 3.34- Vi mạch điều khiển hệ thống phanh ABS 52 C C R L T Hình 3.35- Giao diện phần mềm Arduino IDE 52 DU DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1- Thông số kỹ thuật mô tô Husky 150cc 27 Bảng 3.2- Thông số kỹ thuật module AD620 39 Bảng 3.3- Thông số chấp hành thủy lực 40 Bảng 3.4- Thông số kỹ thuật Ardino Nano 44 Bảng 3.5- Thông số kỹ thuật tụ điện 46 Bảng 3.6- Thông số kỹ thuật IC7805 46 Bảng 3.7- Thông số kỹ thuật LM358 47 Bảng 3.8- Thông số kỹ thuật PC817 49 Bảng 3.9- Thông số kỹ thuật IRF 49 Bảng 3.10- Thông số kỹ thuật IRF9540 50 Bảng 3.11- Thông số kỹ thuật Transistor C1815 50 Bảng 4.1- Kết phanh xe có trang bị ABS điều kiện đƣờng khô 58 Bảng 4.2- Kết phanh xe không trang bị ABS điều kiện đƣờng khô 60 C C R L T Bảng 4.3- Kết phanh xe có trang bị ABS điều kiện đƣờng ƣớt 62 Bảng 4.4- Kết phanh xe không trang bị ABS điều kiện đƣờng ƣớt 64 Bảng 4.5- Kết phanh xe trang bị ABS điều kiện đƣờng khô ƣớt 66 Bảng 4.6- Kết phanh không trang bị ABS điều kiện đƣờng khô ƣớt 68 DU Bảng 4.7- Bảng so sánh kết thực nghiệm 70 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu: Ga G0 Gn [N] [N] [N] Trọng lƣợng toàn xe Trọng lƣợng xe không tải Trọng lƣợng ngƣời sử dụng Gt G01 [N] [N] Trọng lƣợng chất lên xe Trọng lƣợng phân bố lên bánh xe trƣớc G02 [N] Trọng lƣợng phân bố lên bánh xe sau Z1, Z2 [N] Phản lực tiếp tuyến mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe L0 S a, b [mm] Chiều dài sở [mm] Chiều rộng xe [mm] Khoảng cách từ tâm xe theo chiều cao hg P1 P2 Pj Mp1 Mp2 [mm] [N] [N] [N] [Nm ] [Nm ] Tọa độ trọng tâm xe theo chiều cao Lực phanh tác dụng lên bánh xe trƣớc Lực phanh tác dụng lên bánh xe sau Lực quán tính Momen phanh bánh xe trƣớc Momen phanh bánh xe trƣớc Rbx d dc B [mm] [mm] [mm] [mm] Bán kính làm việc bánh xe Đƣờng kính xylanh bánh xe trƣớc Đƣờng kính xylanh Bề rộng lốp R1 R2 Ptp itp ηtp S0 [mm] Bán kính đĩa ma sát [mm] Bán kính ngồi đĩa ma sát [N] Lực tác dụng lên tay phanh Tỷ số truyền dẫn động tay phanh Hiệu suất dẫn động tay phanh [mm] Hành trình tự tay phanh Slv Stp jpmax t v1 v2 S [mm] [mm] [m/s2] [s] [m/s] [m/s] [m] C C R L T DU Hành trình làm việc tay phanh Hành trình tay phanh Gia tốc chậm dần phanh lớn Thời gian phanh Vận tốc mô tô thời điểm bắt đầu phanh Vận tốc mô tô lúc dừng hẳn Quãng đƣờng phanh C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... cầu cấp thiết Vì vậy, tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển phanh ABS cho mô tô? ?? với mong muốn tất mô tô đƣợc lắp hệ thống phanh ABS để giảm thiểu tai nạn tham gia giao... thiết kế hệ thống phanh ABS cho mơ tơ Husky 150cc 3.1.3 Tính tốn ch tiêu phanh DU 3.2 Thiết kế điều khiển điện tử 3.2.1 Cấu trúc điều khiển phanh ABS mô tơ 3.2.2 Thuật tốn điều khiển phanh ABS. .. cao, phanh trƣờng hợp khẩn cấp,… Hệ thống ABS đƣợc thiết kế kết hợp với nhiều hệ thống khác Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo TRC (Traction Control) hay gọi hệ thống ASR Hệ thống