Mô hình phanh ABS đƣợc xây dựng với yêu cầu mô phỏng quá trình phanh 4x4 của xe trên đƣờng thực tế, thì phần tính toán thiết kế chỉ dừng lại ¼, để đo đạc các thông số của quá trình phanh (vận tốc bánh xe, quãng đƣờng phanh, áp suất phanh, gia tốc phanh). Các thông số đó sẽ đƣợc dùng để đánh giá hiệu thuật toán điều khiển quá trình phanh, với các điều kiện phanh đƣợc tạo ra trên mô hình.
Hinh 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống phanh ABS
Mô hình thử nghiệm ABS ¼ phải tạo ra đƣợc các điều kiện phanh trên một bánh xe, sao cho các điều kiện đó có thể so sánh với các điều kiện phanh trên xe thực tế ở trên một cách tƣơng đối, bao gồm:
Vận tốc bánh xe đạt tới giá trị đủ lớn trƣớc khi phanh.
Có mô-men quán tính I tác dụng lên trục quay của một bánh xe.
Mô-men phanh Mp và lực phanh Fx đủ lớn.
Lực ép lên bánh xe Fz đủ lớn.
Hệ thống thủy lực
Áp suất thủy lực
35
Các thông số của quá trình phanh đƣợc đo đạc và tính toán nhằm khảo sát quá trình phanh bao gồm:
Vận tốc bánh xe.
Quãng đƣờng phanh.
Áp suất phanh.
Gia tốc phanh.
Ngoài ra để có thể khảo sát sự làm việc và hiệu quả của hệ thống phanh ABS trên mô hình, còn phải có một yêu cầu nữa là trên mô hình phải xảy ra hiện tƣợng bánh xe bị bó cứng khi phanh gấp với điều kiện không có bộ ABS.
Mục đích
- Phục vụ cho công tác giảng dạy, nghiên cứu chuyên ngành ôtô.
* Quan sát cấu tạo và hoạt động của hệ thống, thực hiện một số bài thực tập về hệ thống phanh trên mô hình trong trƣờng hợp có ABS hoặc không có sự hoạt động của ABS.
* Thực hiện các phƣơng pháp chẩn đoán, kiểm tra và sửa chữa hệ thống ABS trên mô hình, giúp ngƣời học rèn luyện các thao tác và kỹ năng thực hành.
* Có thể tiến hành thực hiện một số thực nghiệm trên mô hình, từ đó có những nhận xét, đánh giá và giải thích, giúp củng cố các kiến thức lý thuyết cơ bản.
* Mô hình hoạt động tốt nhƣ một hệ thống ABS thật trên xe, làm việc có tính ổn định cao. Ngoài chức năng điều khiển phanh chống hãm cứng, còn phải có đầy đủ các chức năng nhƣ chế độ tự kiểm tra, chẩn đoán và an toàn.
* Các hệ thống thiết kế bổ sung nhƣ thiết bị đo, chế độ hiển thị giúp cho việc nghiên cứu, học tập đƣợc trực quan, sinh động và dễ hiểu hơn.
* Mô hình có tính cơ động, độ cứng vững và an toàn.
* Mô hình mang tính khoa học, sƣ phạm, sáng tạo và thẩm mỹ, phù hợp với mục đích sử dụng.
* Giá thành thấp. Có tính thực tiễn và hiện đại, phạm vi ứng dụng rộng rãi. - Mô hình kết hợp với tài liệu giảng dạy về hệ thống ABS là một chuyên đề tham khảo bổ ích cho những ngƣời làm công tác chuyên môn.
36
Đối tƣợng phục vụ của sản phẩm là các giáo viên, sinh viên, học sinh các trƣờng đại học, cao đẳng, trung cấp, các trung tâm dạy nghề và những cán bộ kỹ thuật, công nhân đang làm việc trong lĩnh vực chuyên ngành ôtô.
3.3. Phương án thiết kế
Mô hình đƣợc thiết kế trên cơ sở các cụm chi tiết thật của một hệ thống ABS trên xe. Chọn hệ thống ABS đƣợc trang bị trên các xe vẫn còn đang sử dụng lƣu thông nhiều ở nƣớc ta hiện nay và đang có nhu cầu sửa chữa nhiều. Kết cấu này cũng đƣợc sử dụng nhiều trên các loại xe của các hãng khác nhƣ Toyota, Honda, Nissan, Mercedes,… Một số hãng ôtô hiện nay vẫn còn lắp kết cấu này cho một số xe ở một số thị trƣờng khác nhau. Các hệ thống ABS thế hệ mới có cải tiến nhiều về kết cấu, có nhiều ƣu điểm hơn, nhƣng về nguyên lý cấu tạo chung và hoạt động, chức năng là tƣơng tự. Vì vậy, với mô hình đƣợc thiết kế trên cơ sở các thiết bị đã chọn là phù hợp với yêu cầu thực tế hiện nay.
Hệ thống bao gồm: cụm xy lanh chính và một bánh xe có đầy đủ cơ cấu phanh, các cảm biến tốc độ bánh xe, hộp điều khiển ECU và bộ chấp hành loại 4 van điện (solenoid) 3 vị trí.
Toàn bộ hệ thống đƣợc thiết kế trên một khung sắt di động đƣợc nhờ các bánh xe. Khung phải có độ cứng vững tốt vì đỡ một khối lƣợng tƣơng đối lớn (khoảng 300 kg), và phải chịu một tải trọng động vì các chi tiết quay với khối lƣợng quán tính lớn và tốc độ khá cao.
37
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý phần cơ khí
1 – Động cơ điện; 2 – Cảm biến đo quãng đƣờng phanh; 3 – tang trống; 4 – Bánh xe; 5 – Cụm phanh bánh xe; 6 – Cảm biến tốc độ và gia tốc góc bánh xe; 7 – Bánh đà; 8 – Truyền động đai; 9 - Ổ đỡ; 10 – Trục.
Các bộ phận động cơ (1), ổ đỡ (9), moay-ơ bánh xe (4) và cụm xy-lanh phanh bánh xe (5) đƣợc bắt chặt vào khung của mô hình. Con lăn (3), bánh đà (7) đƣợc bắt chặt lên trục (10). Bánh xe (4) đƣợc ép, tỳ lên tang trống (3).
Động cơ điện có nhiệm vụ tạo mô-men, qua truyền động đai (8) quay trục (10), cùng bánh đà (7) và tang trống (3). Do bánh xe (4) đƣợc ép tỳ lên tang trống (3) nên sẽ quay theo tang trống tới vận tốc đủ lớn để tiến hành phanh.
Để mô phỏng quá trình xe chạy và phanh trên đƣờng thực tế (đƣờng đứng yên và bánh xe lăn trên đƣờng), trên mô hình bánh xe (4) đƣợc thiết kế lăn trên tang
38
trống (3). Và sự trƣợt của bánh xe trên đƣờng ngoài thực tế đƣợc thay bằng sự trƣợt giữa bánh xe (4) và tang trống (3) trên băng thử khi phanh.
Mô-men thay thế cho mô-men quán tính của xe chạy ngoài thực tế quy về trục quay của bánh xe có thể tạo ra bằng cách dùng bánh đà. Tuy nhiên do trên mô hình bánh xe không có chuyển động song phẳng nhƣ ngoài thực tế, đồng thời do khó khăn trong việc thiết kế và lắp đặt trên môt cụm bánh xe và moay-ơ có sẵn, nên trên mô hình không lắp đặt bánh đà trực tiếp vào trục bánh xe, mà lắp vào trục (10). Khi tiến hành phanh trên mô hình thí nghiệm, thông qua tang trống (3) đƣợc ép vào bánh xe (4), bánh đà (7) vẫn tạo ra đuợc mô-men cản lại mô-men phanh trên bánh xe, nhƣ khi phanh xe trên đƣờng thực.
Khi hoạt động, động cơ điện (1) thông qua truyền động đai (8), trục (10) và tang trống (3) làm quay bánh xe. Khi bánh xe (4) đạt tới vận tốc yêu cầu (≈40km/h) thì tắt động cơ để tiến hành phanh, lúc này cả hệ thống quay nhờ quán tính của bánh đà và các chi tiết quay khác. Khi phanh không có ABS, nếu lực bám giữa bánh xe (4) và con lăn (3) đủ nhỏ và mo-men phanh đủ lớn thì bánh xe sẽ bị bó cứng.
Nhƣ vậy các điều kiện phanh trên mô hình sẽ là:
Vận tốc khi phanh đƣợc tạo ra nhờ động cơ điện (1) dẫn động làm quay bánh xe tới vận tốc yêu cầu (≈40 km/h).
Mô-men phanh đƣợc tạo ra bởi cơ cấu phanh (5) trên mô hình.
Quán tính của ¼ xe đƣợc tạo ra nhờ bánh đà (7).
Lực ¼ xe tác dụng lên mặt đƣờng đƣợc tạo ra nhờ cơ cấu bắt chặt bánh xe vào khung và tao lực ép của mô hình.
Vận tốc của thân xe tƣơng ứng với vận tốc của tang trống. Quãng đƣờng phanh là quãng đƣờng lăn tƣơng đƣơng của tang trống.
Tƣơng tác giữa bánh xe và mặt đƣờng ngoài thực tế đƣợc thay bằng tƣơng tác giữa bánh xe và tang trống trên mô hình.
Chọn phƣơng án truyền động: motor điện 3 pha dẫn động con lăn, con lăn kéo bánh xe và cụm mô phỏng các bánh xe quay.
39
Motor điện dẫn động con lăn thông qua truyền động đai có thay đổi tỉ số truyền nhờ các cấp của pu-li dẫn động và bị động. Bánh xe tì trên con lăn, nên truyền động từ con lăn qua bánh xe là nhờ sự bám giữa chúng. Việc chọn đƣờng kính bánh xe trên mô hình nhỏ hơn so với bánh xe thật, kết hợp với tính toán tỉ số truyền để đảm bảo số vòng quay của bánh xe tƣơng đƣơng với số vòng quay của bánh xe thật (trên xe) khi xe chạy ở các mức vận tốc khoảng 40, 60, 80 km/h. Độ nhạy của ABS ngày càng tăng, trên các xe trƣớc đây, hệ thống sẵn sàng làm việc khi vận tốc xe lúc bắt đầu phanh từ 25 km/h trở lên, hiện nay một số xe đã giảm xuống mức 8 km/h. Ở vận tốc từ 30km/h trở lên hoạt động của ABS mới có tác dụng rõ và dễ nhận biết, nhƣng nếu thiết kế số vòng quay của bánh xe trên mô hình quá cao thì việc chọn động cơ điện và cân bằng động các chi tiết quay là rất khó khăn, mô hình làm việc sẽ bị rung động mạnh. Do đó, việc chọn các cấp tốc độ trên là hợp lý. Bản chất của việc chọn con lăn dẫn động bánh xe không có gì khác so với motor điện dẫn động trực tiếp bánh xe.
Con lăn đóng vai trò là mặt đƣờng, mặc dù khác xa với thực tế, nhƣng cũng đảm bảo các vấn đề cơ bản về sự bám của bánh xe và hoạt động của hệ thống.
Để đảm bảo hoạt động của hệ thống giống nhƣ thực tế thì hai vấn đề cần quan tâm là tải trọng tác dụng lên bánh xe và khối lƣợng quán tính của bánh xe. Phƣơng án giải quyết trên mô hình này nhƣ sau:
Từ mô hình nguyên lý, phần cơ khí của mơ hình thí nghiệm đƣợc thiết kế nhƣ sau.
40
Hình 3.3: Mô hình thiết kế bệ phanh
1 – Khung; 2 – Trục; 3 - Ổ đỡ; 4 – Truyền động đai: 5 – Động cơ điện; 6 – Tang trống; 7 – Cảm biến quãng đƣờng phanh; 8–Bánh xe; 9 – Các bánh đà ;7 – Moay-ơ và cơ cấu phanh; 10– Cơ cấu điều chỉnh lực ép; 11- Cụm phanh đĩa; 12- Giá đỡ.
Cảm biến tốc độ bánh xe đƣợc lắp trong moay-ơ (7), là loại cảm biến kiểu điện từ.
Cảm biến quãng đƣờng phanh (7) đƣợc lắp đối diện với tang trống (6). Trên mô hình thí nghiệm ta sử dụng loại cảm biến kiểu từ trở.
Cảm biến áp suất đƣợc lắp đặt trên đƣờng ống dẫn dầu tới xy-lanh bánh xe, thuộc phần cơ cấu phanh.
41
Moay-ơ bánh xe đƣợc bắt chặt vào khung của mô hình bằng bu-lông đai ốc và có cơ cấu điều chỉnh lực ép (10) dạng bu-lông đai ốc. Vì vậy lực ép của bánh xe (8) lên tang trống (6), đại diện cho lực thẳng đứng của ¼ xe tác dụng lên bánh xe ngoài thực tế, có thể thay đổi đƣợc trƣớc khi tiến hành thí nghiệm.
Trên mô hình sử dụng nhiều bánh đà (9) và lắp đặt dàn trải trên trục (2) để tránh tập trung ứng suất trên trục.
Chiều quay của động cơ đƣợc chọn sao cho đảm bảo không xảy ra hiện tƣợng mô hình bị lật nhào khi phanh ở vận tốc cao, do ảnh hƣởng của định luật bảo toàn mô-men động lƣợng.
Vị trí lắp đặt hai ổ đỡ (3) và moay-ơ bánh xe (7) đƣợc gia cố để đảm bảo độ vững chắc khi tiến hành thử nghiệm trên mô hình.
Tạo tải trọng tác dụng lên bánh xe bằng cách thay đổi lực ép bánh xe lên con lăn. Sử dụng một bộ phận thay đổi đƣợc lực ép nhờ điều khiển cơ cấu trục vít, ép con lăn lên bánh xe. Lực ép lớn nhất có thể đạt đƣợc khoảng 2.000N, tƣơng đƣơng một phần tƣ trọng lƣợng của xe tác dụng lên một bánh xe (thực tế lớn hơn). Ta biết giá trị lực phanh cực đại bị giới hạn bỡi điều kiện bám (Ppmax = Z.x). Ở đây xem nhƣ hệ số bám xgiữa bánh xe và con lăn có giá trị không đổi, vậy tải trọng Z thay đổi sẽ ảnh hƣởng lớn đến giá trị Pxmax. Khi cho giá trị Z tăng thì hiện tƣợng trƣợt của bánh xe khi phanh khó xảy ra hơn, phạm vi điều khiển của ABS cũng sẽ khác đi. Khảo sát quá trình phanh khi tải trọng thay đổi để thấy rõ ảnh hƣởng của điều kiện bám đối với lực phanh.
Thiết kế một khối lƣợng moment quán tính đủ lớn để tạo moment quán tính của bánh xe (6). Khi phanh, cắt nguồn điện của motor dẫn động bánh xe (tƣơng tự nhƣ khi phanh có cắt ly hợp), bánh xe chỉ còn quay nhờ moment khối lƣợng quán tính, nên nếu khối lƣợng quán tính quá nhỏ thì với lực cản của cơ cấu truyền động và một lực phanh rất nhỏ cũng đủ làm cho bánh xe dừng lại ngay sau khi cắt nguồn dẫn động. Với khối lƣợng quán tính đủ lớn, bánh xe sẽ còn quay nhanh khi bắt đầu phanh. Do đó, cơ cấu phanh cần một moment phanh lớn mới làm dừng bánh xe đƣợc, thời gian phanh kéo dài, giúp cho việc khảo sát hoạt động của quá trình phanh
42
ABS rõ ràng hơn. Điều này phù hợp với thực tế khi phanh xe có một moment quán tính khối lƣợng lớn.
Ngoài ra còn thiết kế một motor điện dẫn động bơm chân không để tạo chế độ trợ lực (cƣờng hóa) phanh bằng chân không kiểu trực tiếp, giúp cho lực đạp phanh nhẹ nhƣng có thể tạo ra lực phanh lớn ở bánh xe. Đây cũng là nội dung một bài thực tập trên mô hình, so sánh quá trình phanh có trợ lực và không có trợ lực.
Toàn bộ các cụm chi tiết của hệ thống ABS nhƣ cụm xy lanh chính, bánh xe và cơ cấu phanh, hộp ECU, bộ điều khiển thủy lực, cụm bánh xe mô phỏng đƣợc thiết kế đầy đủ và tập trung trên mặt bàn của mô hình để dễ quan sát và học tập. Các cụm hỗ trợ nhƣ các motor điện, con lăn,… đƣợc bố trí ở phía dƣới. Thiết kế nhƣ vậy vừa đảm bảo độ cứng vững, an toàn, vừa làm nổi bật đƣợc nội dung chính của mô hình là hệ thống ABS.
Trên tấm bảng đứng bố trí sơ đồ mạch điện điều khiển và mạch thủy lực của hệ thống ABS cùng các đồng hồ đo áp suất dầu, đồng hồ hiển thị tốc độ bánh xe, màn hình hiển thị moment và lực phanh, giúp cho việc khảo sát và học tập đƣợc thuận tiện.
Bảng điều khiển bao gồm: các công-tắc nguồn, đèn báo, cụm chẩn đoán và kiểm tra các chức năng hoạt động của ABS. Thông qua bảng điều khiển, có thể thực hiện nhiều bài học về các phƣơng pháp chẩn đoán, kiểm tra và sửa chữa.
3.4. Tính toán thiết kế bệ thử phanh ABS mô hình
3.4.1. Động cơ dẫn động tang trống:
Động cơ dẫn động có nhiệm vụ quay các chi tiết quay của mô hình tới tốc độ đạt yêu cầu trƣớc tiến hành phanh. Công suất khởi động của động cơ phải đủ lớn để có thể thắng đƣợc các lực cản của hệ thống, và tăng tốc đủ nhanh tới vận tốc yêu cầu. Tuy nhiên do mô hình không thiết kế hộp giảm tốc cho động cơ, để giảm thiểu hiện tƣợng trƣợt truyền động đai khi bắt đầu chạy mô hình, công suất và tốc độ của động cơ cũng không đƣợc quá lớn.
Tải của hệ thống đối với động cơ dẫn động quy về trục động cơ:
1 2
c c c
43
Trong đó: Mc là mô-men tải trên trục động cơ.
1
c
M là mô-men của các lực ma sát quy về trục động cơ.
2
c
M là mô-men của các lực quán tính quy về trục động cơ. Mô-men khởi động Mkd của động cơ phải lớn hơn mô-men tải Mc:
d
k c
M M
Loại động cơ dẫn động thích hợp cho mô hình thử nghiệm là động cơ điện 3 pha tốc độ thấp, với ƣu điểm là gọn nhẹ, mô-men khởi động lớn và giá thành thấp. Ta chọn loại động cơ 4K90L4 của nhà máy Việt-Hungari sản xuất với các thông số nhƣ sau:
Bảng 3-1: Một số thông số động cơ dẫn động
Thông số Giá trị
Tên động cơ 4K90L4 Việt-Hungari
Loại động cơ Động cơ điện không đồng bộ ba pha lồng sóc
Công suất 2,2 kW
Tốc độ định mức ndc 1420 v/p
Mô-men định mức Mdc 15 N.m
3.4.2. Tỉ số truyền và các thông số hình học:
Lốp sử dụng trên mô hình là loại lốp: 100/90 R10, bán kính lốp:
2
l b
d r h
Trong đó: rb là bán kính lốp không biến dạng.
l
d là đƣờng kính vành lốp, dl 10inch254mm.
h là chiều cao thân lốp, h100.90%90mm.