Nghiên cứu đề xuất mô hình hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc dựa trên hệ thống phanh khí nén có ABS

Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc góp phần hỗ trợ người lái điều khiển xe thuận lợi hơn khi khởi hành xe trên dốc. Bài báo tiến hành đề xuất cấu trúc hệ thống khởi hành ngang dốc dựa trên hệ thống phanh khí nén có ABS và xây dựng mô hình mô phỏng bằng Matlab/Simulink.

ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH HỆ THỐNG HỖ TRỢ KHỞI HÀNH NGANG DỐC DỰA TRÊN HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN CĨ ABS Lê Anh Vũ 1, Trần Văn Thoan1, Phan Doãn Thuần2, Trần Văn Chinh3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Trường Cao đẳng Giao thông vận tải đường Trường Trung cấp nghề giao thơng cơng Hà Nội Ngày tòa soạn nhận báo: 20/04/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 05/06/2020 Ngày báo duyệt đăng: 20/06/2020 Tóm tắt: Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc góp phần hỗ trợ người lái điều khiển xe thuận lợi khởi hành xe dốc Bài báo tiến hành đề xuất cấu trúc hệ thống khởi hành ngang dốc dựa hệ thống phanh khí nén có ABS xây dựng mơ hình mơ Matlab / Simulink Kết khảo sát hoạt động hệ thống xe tải thử nghiệm có công thức bánh xe 4x2 dốc 10 % cho thấy biến thiên áp suất khí nén bầu phanh bánh xe phù hợp với quy luật vật lý, hệ thống đề xuất sử dụng để điều khiển hỗ trợ khởi hành ngang dốc giúp cho người lái điều khiển xe dễ dàng Từ khóa: Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc, hệ thống phanh ABS, TCS, Phanh dừng đỗ Đặt vấn đề Hiện nay, số lượng ô tô Việt Nam gia tăng, đặc biệt xe tải với nhiều chủng loại khác trang bị nhiều hệ thống tiện ích điều kiện đường giao thông chưa đáp ứng theo nhu cầu sử dụng Đường giao thông thuộc cấp tỉnh khu vực nơng thơn cịn nhiều khu vực có độ bám bề mặt thấp nhiều chỗ có độ dốc lớn gây khó khăn cho q trình khởi hành dốc Bên cạnh đó, nhà máy tô tập trung nhập lắp ráp xe tải chưa trang bị nhiều thiết bị có điều khiển hỗ trợ khởi hành ngang dốc kinh phí chế tạo cao Trong q trình leo dốc, xe bị chết máy gặp phải tình cần dừng xe dốc người lái buộc phải dừng xe thực trình khởi hành ngang dốc Cho nên, cần thiết nghiên cứu giải pháp kết cấu ô tô để sử dụng hiệu quả, an toàn cho xe loại lưu hành Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc giúp ô tô dừng đỗ ngang dốc cần phải khởi hành lại sau giúp cho nhiều người cảm thấy bớt áp lực, lái xe mới, hay trường hợp đột xuất ngồi mong muốn Hiện tượng xe bị 100 trơi xuống dốc tự trọng ô tô thay đổi chân phanh sang chân ga người lái diễn nhanh (có thể khoảng vài giây) Để điều khiển tự động chống trôi xuống dốc ô tô có nhiều biện pháp khác tác động nguồn động lực ô tô, tác động vào ly hợp (loại truyền lực thường), tác động vào hệ thống phanh lúc tác động số hệ thống Đối với phương pháp tác động qua hệ thống phanh hãng xe áp dụng[1] Bài báo trình bày nội dung nghiên cứu đề xuất cấu trúc hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốctrên sở hệ thống phanh khí nén có ABS (Antilock Brake System) mô nhằm đánh giá khả ứng dụng mơ hình Đề xuất cấu trúc hệ thống Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc nghiên cứu đề xuất sở hệ thống phanh khí nén có ABS gồm thành phần Hình 1[1,2,3,8] Khoa học & Cơng nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống chống trượt quay bánh xe phanh khí nén Trên sơ đồ, hệ thống phanh khí nén có ABS chia 3/2 nối thơng đường khí từ bình khí nén qua bao gồm: máy nén khí; bình khí nén; van phân van ABS đến bầu phanh, đồng thời đóng kín đường phối; điều khiển; bánh xe có van ABS, khí từ van phân phối xuống van ABS, thực bầu phanh cấu phanh, có thêm van q trình tác động phanh bánh xe Trường hợp ô tô xả nhanh van gia tốc Ở trạng thái phanh thông chuyển động đường phẳng, van chia 3/2 thường, người lái tác động mở van phân phối cấp trạng thái ban đầu (khơng kích hoạt) nối thơng khí nén đến van ABS thực chức phanh đường khí từ van phân phối qua van ABS đến bầu tô chống bó cứng bánh xe trường hợp phanh phanh, đồng thời đóng kín đường khí từ bình khí gấp Trường hợp chống trượt quay bánh xe hệ nén đến van ABS, lúc hệ thống phanh khí nén thống phanh khí nén có ABS bổ sung van chia làm việc hệ thống phanh khí thơng thường có 3/2, điều khiển độc lập chống trượt quay bánh xe tự ABS Để kiểm chứng hệ thống xây dựng, cần động đường khí nén cấp riêng cho hệ thống Đối với hệ thống vấn đề hỗ trợ khởi hành nghiên cứu mơ hình mơ với ô tô cụ thể dốc ô tơ chưa đề cập, nên báo trình mô hoạt động cụm chi tiết bày nghiên cứu phát triển nhằm bổ sung tính hệ thống cho tơ Với ECU tích hợp hệ thống ABS bổ sung Mơ hình mơ hệ thống Mơ hình mơ bầu phanh thêm chương trình điều khiển nhận tín hiệu Mơ hình mơ van bầu phanh từ cảm biến để giúp phát góc nghiêng xe, tính tốn mơ men phanh cần thiết từ đưa nghiên cứu xây dựng cơng bố [6] thể tín hiệu điều khiển riêng rẽ đến cấu chấp phương trình xác định áp suất khí nén hành (van chia 3/2, bầu phanh) bên bánh xe chủ bầu phanh theo công thức: động, tác động điều khiển mô men phanh cục dpcha k R.T (Qin − Qout ) (1) bên bánh xe chủ động để trì dừng xe trên= đường dt g ( y.F + V0 ) dốc [1], [2] Trong đó: Đối với hệ thống đề xuất hoạt động F: Diện tích màng piston bầu phanh [m2]; độc lập với dẫn động phanh khí nén thơng thường, y: Dịch chuyển màng bầu phanh cần đẩy [m]; không làm việc điều khiển trượt quay trượt V : Thể tích ban đầu bầu phanh [m3]; lết bánh xe Trường hợpnày hệ thống kích hoạt van k: nhiệt trị riêng (với khơng khí, k = 1,4); Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology 101 ISSN 2354-0575 R: số chất khí [Jmol-1K-1]; T: nhiệt độ chất khí [K] Mơ hình mơ dẫn động khí nén qua van chia 3/2 Trong hệ thống sử dụng van chia 3/2 loại KTA317 với phạm vi áp suất khí cho phép từ 0,1 đến 1Mpa, tín hiệu điều khiển van tín hiệu điện áp với mức điện áp 24V Cửa cấp khí 3(R) nối với tổng van phanh, cửa van 2(A) nối thơng sang van ABS dầu cịn lại nối thơng với bình khí nén Hình Hình Sơ đồ lực tác động cấu phanh tang trống Hình Kết cấu van chia 3/2 loại KTA317 Khi hệ thống trượt quay hoạt động, lưu lượng khí nén từ bình chứa qua van chia 3/2, qua van ABS đến bầu phanh bên bánh xe bị trượt quay Lưu lượng khí nén qua van chia 3/2 đến bánh xe bên trái phải Q1, Q2 [m3/s] xác định [7][6]: Q1 = K g Cv Q2 = K g Cv (pbinh - p21 ).(p21 + pa ) DK _ RL G.Tu (2) (pbinh - p22 ).(p22 + pa ) DK _ RR G.Tu (3) Trong đó: FN, FN, Fp,Fx,Fz, Fccp- lực pháp tuyến tiếp tuyến tang trống tác dụng lên guốc phanh, lực tác dụng cam quay, lực tác dụng gốc tựa guốc tác dụng lên guốc phanh, lực cần đẩy bầu phanh [N]; a, h, rt - khoảng cách từ tâm chốt cố định đến tâm trục bánh xe, khoảng cách từ tâm chốt cố định đến tâm cam quay, khoảng cách từ tâm chốt cố định đến vết tiếp xúc trống phanh má phanh, µ – hệ số ma sát; c – cánh tay đòn lực Fccp đến tâm cam dẫn động cấu phanh (m); ɳT – hiệu suất truyền động cam (ɳT =0,93); Theo Hình xác định phương trình cân lực mô men sau [4],[5]: Fx + Fp - FN = (4) Fp.h + n.FN rt – FN a = (5) Fpt + Fps = Fccp.c.ɳT/d = F.pcha.c.ɳT (6) Trong đó: Fpt, Fps- lực tác động từ tâm cam pbinh, p21, p22 áp suất khí nén bình quay với guốc phanh trước sau xác định: chứa, áp suất khí nén cửa van bên trái, áp π D pbau c.ηc suất khí nén cửa van bên phải Fpt = 3, 258.d1 DK_RL, DK_RR - biến điều khiển dịng khí nén vào van chia bên trái bên phải Ở trạng Fps =2,258 Fpt (7) thái bình thường biến điều khiển có giá trị Như vậy, xác định mô men cấu phanh 0, ECU cấp tín hiệu điều khiển đến van Mccp [N.m][4]: chia 3/2, tín hiệu điều khiển cho van tương ứng ht hs = M ccp ( Fpt + Fps ) µ rt (8) a − µ r a + µ r Mơ hình mơ cấu phanh bánh xe Sơ đồ lực tác dụng cấu phanh tang trống Hình 102 t t Như vậy, công thức (8) xác định mơ men phanh theo lực tác dụng cấu phanh tức theo áp suất bầu phanh Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Kết mô Để đánh giá sơ hoạt động hệ thống đề xuất, báo tiến hành mô hệ thống, khảo sát áp suất khí nén bầu phanh mơ men phanh bánh xe bị trượt quay theo tín hiệu điều khiển van chia 3/2 với thông số đầu vào Bảng Mơ q trình tác động phanh bánh xe chủ động cầu sau ô tô với giả thiết áp suất khí nén bình chứa không đổi 0.8 Mpa, sau xe ô tô dừng lại trạng thái nổ máy khu vực dốc cao từ 50 trở lên, lúc cảm biến phát độ nghiêng gửi lại tín hiệu đến ECU Kết mô trường hợp ô tơ đường có hệ số bám hai bên bánh xe bằng 0,6 xe trạng thái toàn tải, thể Hình Bảng Thơng số mô Các thông số Giá trị Trọng lượng thân (m0) 33850 N Trọng lượng toàn (m) 67800 N Mô men lớn động (Mediezen) 320 Nm Thông số lốp (B-d) Chiều cao trọng tâm hg (mm) 7,5-16 980 Khoảng sáng gầm xe (mm) 215 Dẫn động 4x2 Hình Biến thiên áp suất bầu phanh hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc hoạt động Từ kết mơ thấy cáchphối hợp tín hiệu điều khiển van chia 3/2 hệ thống phanh có điều khiển thay đổi áp suất (do dó thay đổi mơ men phanh) tùy theo trạng thái thực ô tô với mặt đường Các tín hiệu điều khiển ECU tới van 3/2 tương ứng với trạng thái điều khiển tăng, giữ giảm áp suất khí nén bầu phanh bánh xe Tín hiệu điều khiển DK_R = 1; DK_R = ứng với trường hợp mở van đóng van 3/2 Sự biến thiên mơ men phanh bánh xe tương ứng với biến thiên áp suất khí nén bầu phanhvà tín hiệu đóng mở van 3/2 Áp suất khí Khoa học & Cơng nghệ - Số 26/Tháng - 2020 nén bầu phanh mức 0.8 Mpa phanh dừng đỗ xe dốc dọc, người lái chuyển đổi trạng thái nhả phanh sang tăng ga để di chuyển, áp suất khí nén bầu phanh nhanh chóng giảm xuống 0,62 Mpa tăng trở lại khoảng 0,25 s (quá trình giảm áp suất tăng áp suất khoảng 0,5 s ban đầu phải khắc phục khe hở má phanh hiệu suất truyền động khí) sau áp suất khí nén giữu khơng đổi bầu phanh theo thời gian định chương trình điều khiển Kết luận Bài báo đề xuất cấu trúc hệ thốnghỗ trợ Journal of Science and Technology 103 ISSN 2354-0575 khởi hành ngang dốc sở hệ thống phanh khí nén có ABS, TCS chuyển động thẳng tơ tải 4x2 đường có độ dốc Kết mô hệ thống phù hợp với điều kiện thực tế quy luật biến thiên áp suất bầu phanh, mơmen phanh bánh xe Mơ hình mơ mô tả chất hoạt động hệ thống hỗ trợ xe khởi hành dốc Với việc lựa chọn điều khiển cấu chấp hành cấu trúc hệ thống xây dựng tin cậy sử dụng để nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển cho ECU hỗ trợ khởi hành ngang dốc, xác định giá trị thời gian giữ phanh phù hợp Nghiên cứu hoàn thiện thuật toán ngưỡng điều khiển cho ECU tích hợp với ABS-TCS ECU thành hệ thống điều khiển ô tô tải 4x2 Lời cám ơn Nội dung nghiên cứu báo thực với hỗ trợ đề tài B2020-SKH-01 Tài liệu tham khảo [1] Lê Anh Vũ, Hồ Hữu Hải, Đàm Hồng Phúc, Dương Ngọc Khánh, Mơ hình mơ chuyển động tơ tải đường có hệ số bám khơng đồng Tạp chí Giao thơng vận tải, số tháng 6/2017, tr 121-123 [2] Lê Anh Vũ, Hồ Hữu Hải, Đàm Hoàng Phúc, Dương Ngọc Khánh, Khảo sát ảnh hưởng mơ men phanh tới đặc tính tăng tốc ô tô tải vào đường có hệ số bám khơng đồng Tạp chí Cơ khí Việt nam, số 9/2017, tr 25-30 [3] Hồ Hữu Hùng, Nguyễn Trung Kiên, Hồ Hữu Hải, Mô hệ thống phanh khí nén tơ Tạp chí giao thông vận tải, số 12/2013, tr 11-13 [4] Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên, Thiết kế tính tốn tô máy kéo, NXB Đại học trung học chuyên nghiệp, 1985 [5] Trương Minh Chấp, Dương Đình khuyến, Nguyễn Khắc Trai, Thiết kế tính tốn tơ, NXB Bách Khoa Hà Nội, 1998 [6] Dr.Ing T.Hong, Dr Richard K Tessmann, The Dynamic Analysis of Pneumatic Systems Using Hypneu International Fluid Power Exposition and Technical Conference, April 1996, Chicago [7] SaschaSemmler, Rolf Isermann, Wheel Slip Control for Antilock Braking Systems using Brakeby-Wire Actuators, SAE Technical Paper 2003-01-0325, 2003 [8] WABCO Training, Anti-Lock Braking System (ABS) and Anti-Slip Regulation (ASR), Edition October, 2003 STUDY PROPOSED MODEL HILL-START ASSIST SYSTEM ON ABS PNEUMATIC BRAKING SYSTEM Abstract: The slope departure system contributes to helping the driver to control the vehicle more smoothly when starting the car on the slope The paper proposes a structure of a horizontal departure system based on ABS air brakes and The model was built with Matlab/Simulink Survey results of the system performance in a test truck with a 4x2 wheel formula on a 10% slope show that the variation in pneumatic pressure at the wheel brake bulb is consistent with the physical laws, the proposed system can be used to control the support for starting a steep slope to help the driver adjust easy to control Keywords: Hill-Start Assist System, Anti-Lock Brake System, Traction control, electronic parking brake 104 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ... Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống chống trượt quay bánh xe phanh khí nén Trên sơ đồ, hệ thống phanh khí nén có ABS chia 3/2 nối thơng đường khí từ bình khí nén qua bao gồm: máy nén khí; bình khí nén; ... 2354-0575 khởi hành ngang dốc sở hệ thống phanh khí nén có ABS, TCS chuyển động thẳng tơ tải 4x2 đường có độ dốc Kết mô hệ thống phù hợp với điều kiện thực tế quy luật biến thiên áp suất bầu phanh, ... nén cấp riêng cho hệ thống Đối với hệ thống vấn đề hỗ trợ khởi hành nghiên cứu mơ hình mơ với ô tô cụ thể dốc ô tô chưa đề cập, nên báo trình mơ hoạt động cụm chi tiết bày nghiên cứu phát triển