Trong số các loại hệ thống phanh ABS hiện nay, loại phanh dầu, 4 kênh điều khiển, sử dụng van điện từ 2 vị trí đƣợc dùng phổ biến nhờ hiệu quả phanh cao, khả năng ổn định hƣớng tốt và tính dễ điều khiển. Vì vậy sẽ trình bày sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS dùng dầu, 4 kênh điều khiển và sử dụng van điện từ 2 vị trí.
22
1 – Bàn đạp phanh; 2 – Trợ lực phanh; 3,4 – Hai khoang của xy-lanh chính; 5 – Bộ chấp hành ABS; 6 – ECU điều khiển ABS; 7 – Cơ cấu phanh tại bánh xe; 8 – Các cảm biến tốc độ bánh xe.
Khi ngƣời lái đạp phanh, áp suất dầu từ xy-lanh phanh chính không truyền trực tiếp tới xy-lanh bánh xe, mà qua bộ chấp hành ABS. Tùy vào tín hiệu các cảm biến tốc độ bánh xe gửi về, mà ECU điều khiển ABS sẽ quyết định đóng/mở các van điện từ và bơm, nhằm tăng, giảm hoặc giữ áp suất trong đƣờng dầu tới xy-lanh bánh xe, để điều chỉnh mô-men phanh Mp.
Lý do phải điều chỉnh Mp, là vì khi phanh sẽ xảy ra sự trƣợt bánh xe, đƣợc đặc trƣng bởi hệ số trƣợt: giữ cho hệ số trƣợt nằm trong khoảng 17% - 30% lúc này lực phanh Pp lớn nhất và khi đó lực bám ngang Png cũng tƣơng đối lớn.
Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh
Moment phanh do cơ cấu phanh của bánh xe sinh ra, nhƣng mặt đƣờng là nơi tiếp nhận thông qua điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đƣờng. Nên lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám giữa bánh xe với mặt đƣờng, mà đặc trƣng là hệ số bám , theo mối quan hệ sau:
Ppmax P Zb. (2.1)
với: Ppmax - lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đƣờng;
P - lực bám giữa bánh xe với mặt đƣờng; Zb - phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe.
Từ đây ta thấy khi phanh gấp (Pplớn) hay khi phanh trên các loại đƣờng có hệ số bám thấp nhƣ đƣờng trơn thì phần Pp dƣ vƣợt quá giới hạn trên, do mặt đƣờng không có khả năng tiếp nhận sẽ làm bánh xe sớm bị hãm cứng và trƣợt lết trên đƣờng. Cũng theo (2.1), thấy rằng hệ số bám đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đƣờng. Duy trì hệ số bám cao trong
23
quá trình phanh để đạt giá trị lực phanh cực đại là mục tiêu cần quan tâm đối với hệ thống phanh. - Định nghĩa độ trƣợt: 100% v r v (%) (2.2)
Trong đó: v là vận tốc dài của xe. là vận tốc dài của bánh xe.
r là bán kính làm việc của bánh xe. p
M càng lớn thì hệ số trƣợt càng lớn. Thực nghiệm cho thấy lực phanh Pp và lực bám ngang Png phụ thuộc vào giá trị hệ số trƣợt nhƣ đồ thị sau.
Hình 2.8: Hệ số trƣợt λ%
Khi ngƣời lái bắt đầu đạp phanh, sự trƣợt bắt đầu xảy ra, hệ số trƣợt tăng nhanh từ giá trị 0, lực phanh Pp tăng nhanh và đạt giá trị cực đại khi giá trị nằm
trong khoảng từ 17% đến 30% tùy điều kiện mặt đƣờng, nếu tăng tiếp thì lực phanh Pp nhìn chung là giảm, trừ trƣờng hợp xe chạy trên đƣờng băng tuyết.
24
Trên đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc x và độ trƣợt ứng với các loại lốp khác nhau chạy trên các loại đƣờng có hệ số bám khác nhau. Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS ứng với từng điều kiện cụ thể là khác nhau. Theo đó, ta thấy đối với loại lốp bố tròn chạy trên đƣờng bêtông khô thì giá trị xmaxđạt đƣợc ứng với độ trƣợt khoảng 17% so với loại lốp bố chéo chạy trên đƣờng nhựa ƣớt là 30%. Độ trƣợt tối ƣu để đạt giá trị hệ số bám cực đại trong hai trƣờng hợp trên là khác nhau. Vì vậy, phạm vi điều khiển ABS của chúng cũng khác nhau, trƣờng hợp lốp bố tròn chạy trên đƣờng bêtông khô sẽ có quá trình điều khiển ABS xảy ra sớm hơn. Tƣơng tự là phạm vi điều khiển của hệ thống ABS đối với loại lốp bố tròn chạy trên đƣờng tuyết và đƣờng đóng băng.
Mục tiêu của hệ thống ABS là giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trƣợt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị o ( = 17 -30%, trên đồ thị đặc tính trƣợt), gọi là phạm vi điều khiển của hệ thống ABS
Lực bám ngang giảm theo sự tăng của hệ số trƣợt .
Hiện tƣợng bánh xe bị trƣợt lết xảy ra khi tiến tới giá trị 100%, tức là Vlop 0, lúc này lực phanh Pp giảm mạnh, lực bám ngang Png giảm nhanh về 0, không chỉ quãng đƣờng phanh tăng mà xe còn bị mất ổn định ngang. Điều này càng nguy hiểm hơn khi trƣợt lết thƣờng xảy ra ở các trƣờng hợp phanh khẩn cấp, ở tốc độ cao.
Khi phanh trên đƣờng vòng, xe chịu sự tác động của lực ngang nên các bánh xe sẽ trƣợt. Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y với độ trƣợt . Ta nhận thấy rằng khi góc trƣợt lớn thì tính ổn định hƣớng của xe giảm đi rất nhiều. Trong trƣờng hợp này hệ thống ABS sẽ ƣu tiên điều khiển tính ổn định hƣớng của xe hơn là quãng đƣờng phanh. Vì vậy ABS sẽ can thiệp sớm khi hệ số bám dọc xcòn giá trị rất nhỏ (x 0,35),trong khi hệ số bám ngang y đạt đƣợc giá trị cực đại của nó là 0,8, quá trình điều khiển này cũng đƣợc kéo dài hơn bình thƣờng. Nhờ vậy xe giữ đƣợc tính ổn định hƣớng khi phanh trên đƣờng vòng, mặc dù quãng đƣờng phanh có thể dài hơn so với khi chạy thẳng.
25
Ở hệ thống phanh thông thƣờng, để tránh hiện tƣợng bó cứng phanh, khiến bánh xe bị trƣợt lết, yêu cầu ngƣời lái phải có kinh nghiệm, đạp/nhả bàn đạp phanh liên tục. Do vậy gây khó khăn trong việc điều khiển xe và làm giảm hiệu quả phanh. Để đảm bảo hiệu quả khi phanh trên xe có trang bị bộ ABS, ECU bộ ABS nhận tín hiệu về sự thay đổi tốc độ của các bánh xe do các cảm biến gửi tín hiệu về, xử lý theo thuật toán đƣợc cài đặt, đƣa tín hiệu tới điều khiển cụm van điện từ và bơm để điều chỉnh áp suất dầu tới xy-lanh phanh từng bánh xe, qua đó thay đổi mô-men phanh
p
M , giữ cho hệ số trƣợt nằm trong khoảng 17% - 30%, trong khoảng điều chỉnh này lực phanh Pp lớn nhất, trong khi đó lực bám ngang Png tƣơng đối lớn.
ECU liên tục nhận tín hiệu tốc độ bánh xe từ các cảm biến tốc độ và cảm biến gia tốc chậm dần (nếu có). Dựa vào tốc độ và gia tốc chậm dần của mỗi bánh xe, ECU điều khiển bộ chấp hành làm việc ở các chế độ tăng áp, giảm áp và giữ áp tƣơng ứng.
Khi bắt đầu đạp bàn đạp phanh, áp xuất dầu trong mỗi xy-lanh bánh xe tăng lên và tốc độ bánh xe bắt đầu chậm đi. Khi mới bắt đầu phanh, áp suất phanh tăng dần. Độ trƣợt cịn chƣa lớn và tốc độ bánh xe coi nhƣ bằng tốc độ của xe.
Từ đồ thị trên, chúng ta có thể rút ra một số nhận xét nhƣ sau:
Các hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y đều thay đổi theo độ trƣợt . Lúc đầu, khi tăng độ trƣợt thì hệ số bám dọc x tăng lên nhanh chóng và đạt giá trị cực đại trong khoảng độ trƣợt =10 30%. Nếu độ trƣợt tiếp tục tăng thì x giảm, khi độ trƣợt = 100% (lốp xe bị trƣợt lết hoàn toàn khi phanh) thì hệ số bám dọc x giảm 20 30% so với hệ số bám cực đại. Khi đƣờng ƣớt còn có thể giảm nhiều hơn nữa, đến 50 60%. Đối với hệ số bám ngang y, sẽ giảm nhanh khi độ trƣợt tăng, ở trạng thái trƣợt lết hoàn toàn thì y giảm xuống gần bằng không.
- Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại xmax ở giá trị độ trƣợt tối ƣu. Thực nghiệm chứng tỏ rằng ứng với các loại đƣờng khác nhau thì giá trị thƣờng nằm trong giới hạn từ 17 30 %. Ở giá trị độ trƣợt tối ƣu không những đảm bảo hệ số bám dọc x có giá trị cực đại mà hệ số bám ngang y cũng có giá trị khá cao.
26
Hình 2.9: Các giai đoạn khi phanh của hệ thống phanh ABS
Giai đoạn A: Dựa vào thông số tốc độ bánh xe, ECU điều khiển cụm van điện từ sang chế độ giảm áp, vì vậy áp suất phanh trong giai đoạn này giảm.
Sau giai đoạn A, ECU điều khiển cụm van điện từ sang chế độ giữ áp và tiếp tục theo dõi sự thay đổi của tốc độ bánh xe. Nếu thấy cần thiết, thì ECU tiếp tục chuyển cụm van điện từ sang chế độ giảm áp để tiếp tục giảm áp suất phanh.
Ở gia đoạn B: Sau khi áp suất phanh giảm xuống ở giai đoạn A, áp lực tác dụng lên đĩa phanh giảm, khiến vận tốc bánh xe vốn đang ở trạng thái sắp bị bó tăng lên, tránh hiện tƣợng hệ số trƣợt tăng quá cao. Tuy nhiên, nếu áp suất phanh tiếp tục
27
giảm, lực phanh sẽ quá thấp. Để tránh điều đó, ECU điều khiển cụm van điện từ làm việc luân phiên ở hai chế độ là tăng áp và giữ áp để tăng dần dần áp suất phanh.
Giai đoạn C: Sau giai đoạn B, áp suất phanh tăng lên, và bánh xe lại ở trạng thái sắp bị bó. ECU lại chuyển cụm van điện từ sang chế độ giảm áp để giảm áp suất phanh.
Giai đoạn D: Sau gia đoạn C, áp suất phanh giảm, ECU lại điều khiển cụm van điện từ tăng áp suất phanh giống nhƣ trong giai đoạn B.
Chu trình giữ áp, giảm áp và tăng áp đƣợc lặp đi lặp lại nhiều lần, cho tới khi không còn bánh xe nào có hệ số trƣợt nằm ngoài khoảng 17% - 30%.
Áp suất phanh đƣợc điều chỉnh theo ba chế độ làm việc là:
Tăng áp.
Giữ áp.
Giảm áp.
Sơ đồ các van điện từ của hệ thống phanh ABS.
Hình 2.10: Sơ đồ các van điện từ của hệ thống phanh ABS 4 kênh dùng van điện từ 2 vị trí.
28
1 – Bàn đạp phanh; 2 – Trợ lực phanh; 3 – Xy-lanh phanh chính; 4 – Bộ chấp hành ABS; 5,7 – Van một chiều; 6 – Bơm; 8 – Bình tích áp; 9,10,11,12 – Các cơ cấu phanh bánh xe; 13 – Van giảm áp; 14 – Van giữ áp; 15 – Van an toàn
Do van điện từ 2 vị trí chỉ làm việc ở 2 trạng thái, nên hệ thống phanh ABS 4 kênh dùng van điện từ 2 vị trí sử dụng 8 van điện từ, trong đó mỗi kênh cho một bánh xe đƣợc điều khiển bởi 2 van là van giảm áp và van giữ áp. ECU ABS sẽ điều khiển độc lập 2 van này với nhau để tạo ra 3 trạng thái, ứng với 3 chế độ làm việc của bộ ABS là tăng áp, giảm áp, giữ áp.
So với việc sử dụng loại van 3 vị trí, sử dụng van 2 vị trí yêu cầu số lƣợng van nhiều hơn, tuy nhiên van điện từ 2 vị trí có 2 trạng thái làm việc tƣơng ứng với tín hiệu đóng/mở của điện áp điều khiển, do vậy việc điều khiển sẽ dễ dàng hơn.
Van giữ áp Van giảm áp
Hình 2.11: Cấu tạo van điện từ
Van giữ áp điều khiển đóng mở đƣờng dầu từ xy-lanh phanh chính tới xy-lanh phanh bánh xe. Ở trạng thái bình thƣờng van giữ áp ở trạng thái mở, khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, lực từ tác dụng lên lõi sắt từ thắng lực đẩy lò xo và đóng van, ngăn không cho dầu từ xy-lanh chính tới xy-lanh bánh xe. Van an toàn của van giữ áp giúp giữ áp suất trong đƣờng ống dẫn tới xy-lanh bánh xe không vƣợt quá giới hạn cho phép trong chế độ giữ áp.
Van giảm áp điều khiển đóng mở đƣờng dầu từ xy-lanh phanh bánh xe tới bình tích áp. Ở trạng thái bình thƣờng van giảm áp ở trạng thái đóng, khi có dòng điện
29
chạy qua cuộn dây, lực từ tác dụng lên lõi sắt từ thắng lực đẩy của lò xo và mở van. Dầu từ xy-lanh phanh bánh xe qua van giảm áp chảy vào bình tích áp, làm giảm áp suất trong xy-lanh phanh bánh xe.
Các chi tiết nhƣ bàn đạp phanh, trợ lực phanh, xy-lanh phanh chính, cơ cấu phanh tại bánh xe giống nhƣ trong các hệ thống phanh thông thƣờng tƣơng ứng. Tuy nhiên áp suất phanh do ngƣời lái và trợ lực tạo ra tại xy-lanh chính không truyền trực tiếp tới xy-lanh phanh tại bánh xe mà đƣợc điều chỉnh khi đi qua bộ chấp hành ABS.
Khi ngƣời lái mới đạp bàn đạp phanh, hoặc phanh ở vận tốc thấp, áp suất trong xy-lanh phanh chính tăng, lúc này bộ ABS chƣa làm việc, van giảm áp ở trạng thái đóng, van giữ áp ở trạng thái mở, bơm không hoạt động.
Hình 2.12: Vị trí các van khi phanh bình thƣờng.
Dầu có áp suất qua van giữ áp tới xy-lanh phanh bánh xe để tiến hành phanh xe, lực phanh Pp tăng nhanh, hệ số trƣợt tăng từ giá trị 0 lên tới gần giá trị 17%.
Lúc này hệ thống làm việc nhƣ một hệ thống phanh thông thƣờng.
Chế độ giữ áp: Khi ECU tính toán các tín hiệu gửi về từ cảm biến tốc độ và phát hiện bất kỳ bánh xe nào bắt đầu bị bó, ECU sẽ điều khiển 2 van điện từ ứng với bánh xe đó sang chế độ làm việc giữ áp, nhằm ngăn không cho áp suất tới cơ cấu phanh tại bánh xe đó tăng tiếp.
30
Hình 2.13: Vị trí các van ở chế độ giữ áp.
Cụ thể ECU sẽ đóng cả hai van giữ áp và giảm áp, đóng đƣờng dầu nối từ xy- lanh phanh bánh xe với xy-lanh chính và bình tích áp. Nên cho dù ngƣời lái có đạp mạnh thêm nữa, áp suất tại xy-lanh bánh xe cũng không tăng thêm. Điều này giúp tránh đƣợc hiện tƣợng hệ số trƣợt tăng quá cao khi ngƣời lái đạp phanh quá mạnh. Ở chế độ này bơm đƣợc điều khiển bơm dầu từ bình tích năng về xy-lanh phanh chính.
Chế độ giảm áp: Khi hệ số trƣợt tại bất kỳ bánh xe nào sắp vƣợt quá 30%, ECU cấp điện cho cả hai van giữ áp và giảm áp tƣơng ứng, cụm van giữ áp và giảm áp của bánh xe đang có nguy cơ bị bó chuyển sang chế độ giảm áp.
Van giữ áp đóng, ngăn đƣờng dầu giữa xy-lanh chính và xy-lanh bánh xe. Van giảm áp mở, dầu có áp suất từ xy-lanh bánh xe chảy qua van giảm áp vào bình tích năng, làm giảm áp suất phanh.
31
Hình 2.14: Vị trí các van ở chế độ giảm áp.
Trong giai đoạn này bơm đƣợc cấp điện bơm dầu từ bình tích áp về xy-lanh chính. Dòng dầu sẽ luân chuyển từ bình tích áp, qua bơm sang khoang thông với xy-lanh chính để khôi phục lại áp suất trong hệ thống. Điều này sẽ tạo ra cảm giác bàn đạp phanh bị dội ngƣợc lại và báo cho ngƣời lái biết hệ thống ABS đang hoạt động.
Chế độ tăng áp: Sau chế độ giảm áp, áp suất phanh giảm hệ số trƣợt , nếu hệ số trƣợt xuống thấp hơn giá trị 17%, lực phanh Pp sẽ giảm rất nhanh, làm giảm hiệu quả phanh. Các cảm biến áp suất gửi tín hiệu sự thay đổi tốc độ của bánh xe về ECU, ECU tính toán gia tốc chậm dần của bánh xe, nếu gia tốc chậm dần này tại một bánh xe nào đó giảm gần tới giá trị 17%, ECU ngắt dòng điện tới hai van giữ áp và giảm áp tƣơng ứng. Van giữ áp mở, van giảm áp đóng nhƣ trong trƣờng hợp phanh bình thƣờng.
32