Hệ thống phanh ABS là hệ thống phanh kết hợp giữa cơ khí và điện tử, ngoài các cơ cấu cơ khí giống nhƣ trong hệ thống phanh khí nén thông thƣờng thì hệ thống phanh trang bị ABS còn có cụm chi tiết sau:
Các cảm biến tốc độ bánh xe
ECU điều khiển
Bộ chấp hành van ABS.
Cảm biến tốc độ bánh xe đặt tại moay ơ bánh xe dùng để đo vận tốc góc bánh xe là loại cảm biến điện từ có vị trí đƣợc trình bày trong hình 2.2
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 trƣờng thay đổi.
19
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
.
N t z
, trong đó N là số xung đếm đƣợc theo thời gian, t là thời gian quay của vành răng, Z là số răng trên vành răng.
Khi vành răng quay theo bánh xe, khe hở giữa lõi cuộn dây và vành răng thay đổi làm từ trở cuộn mạch thay đổi. Từ trở thay đổi làm từ thông qua cuộn dây biến thiên làm xuất hiện suất điện động xoay chiều dạng hình sin có biên độ và tần số thay đổi tỉ 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
20
Hinh 2.4. Tín hiệu điện áp ra tại cảm biến tốc độ bánh xe.
ECU đƣợc xem nhƣ 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 trƣợt bánh xe và tiến hành so sánh với các giá trị ngƣỡng 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 trƣợt tối ƣu cho bánh xe. Các tín hiệu vào ra của bộ vi xử lý đƣợc 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 thƣờng thì tín hiệu cảm biến tốc độ vẫn gửi về ECU và ECU vẫn chƣa hoạt động ( chƣa 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.
21
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 ngƣời 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 ngƣời điều khiển biết xử lý.
2.3. Các pha hoạt động van ABS
Kết cấu van ở trạng thái ban đầu đƣợc vẽ hình 2.6
Khoang cung cấp A đƣợc nối trực tiếp với nguồn cung cấp khí; Khoang phân phối B đƣợc nối với bầu phanh và khoang xả C nối thông với khí quyển.
Van nạp (1) luôn hoạt động 2 chiều, khi van (1) đƣợc kích hoạt thì mở lỗ thông (4) nối thông khoang cung cấp A và khoang E, cả 2 khoang này đƣợc 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).
22
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
23
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.
24
Pha giảm áp
Khi áp suất trong bầu phanh tăng nhanh dẫn tới mô men phanh sinh ra lớn, làm cho độ trƣợt 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 đƣợc 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 lƣu 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
25
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
26
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.
27
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
Tăng áp
không ABS Tắt Tắt Mở Đóng A nối thông B;
D nối thông C B#G Giảm áp Bật Bật Đóng Mở A nối thông D G nối thôngC B nối thông C D#B A#B
Giữ áp Bật Tắt Đóng Đóng A nối thông G B#G
Tăng áp có ABS Tắt Tắt Mở Đóng A nối thông B D nối thông C B#G Ghi chú cho bảng 2.1 Ký hiệu: # là ngắt kết nối
Qua diễn biến hoạt động của các pha, ngƣời ta đã xây dựng mối quan hệ giữa các thông số làm việc trong hệ thống phanh ABS nhƣ trên hình (2.11). Thông qua mô hình có thể dễ dàng phân tích diễn biến các quy luật biến đổi các thông số áp suất, tốc độ của bánh xe trong quá trình phanh ABS.
28
Hình 2.11.Đồ thị diễn biến quá trình làm việc hệ thống phanh ABS
Qua hình 2.11 ta nhận xét sau:
Khi tốc độ xe giảm, tốc độ bánh xe cũng giảm theo nhƣng lúc tăng, lúc giảm gây ảnh hƣởng cho ngƣời lái bên trong.
Chu kỳ hoạt động của van ABS lúc đầu dài hơn so với chu kỳ tiếp theo do sự cần thiết tăng áp lúc ban đầu để tạo lực phanh lớn, làm phanh xe nhanh hơn. Chu kỳ sau nhỏ hơn dẫn đến tần số làm việc của hệ thống lớn, làm giảm chất lƣợng phanh .
Nhận xét: Trong chƣơng 2, luận văn trình bày sơ đồ hệ thống phanh khí nén trang bị ABS, so sánh với hệ thống phanh khí nén thông thƣờng có thêm các phần tử nhƣ van ABS, cảm biến và bộ điều khiển ECU. Nhƣ vậy thì giá thành sản phẩm của hệ
29
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.
30
CHƢƠNG III. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG LỰC HỌC PHANH KHÍ NÉN ABS