2.2.1 Trạng thái phanh bình thường (ABS không hoạt động)
Khi phanh xe ở tốc độ chậm (dưới 8 km/h hay 12,25km/h tuỳ từng loại xe) hay rà phanh trong trường hợp này ABS không hoạt động và ECU không gửi dòng điện đến cuộn dây của van địên từ. Do đó, van 3 vị trí bị ấn xuống bởi lò xo hồi vị và cửa A vẫn mở trong khi cửa B vẫn đóng (hình2.14). Dầu phanh từ xylanh chính qua cửa A đến cửa C trong van điện 3 vị trí rồi tới xylanh bánh xe. Dầu phanh không vào được bơm bởi van một chiều số 1 gắn trong mạch bơm. Khi nhả chân phanh, dầu từ hồi từ xylanh chính về xylanh bánh xe qua cửa C đến cửa A và van một chiều số 3 trong van điện 3 vị trí
Hình 2. 11 Chế độ phanh thường (ABS không hoạt động)
2.2.2 Trạng thái phanh gấp (ABS hoạt động)
Nếu có bất kỳ bánh xe nào có xu hướng bị bó cứng khi phanh gấp thì bộ chấp hành thuỷ lực điêu khiển giảm áp suất dầu phanh tác dụng lên bánh xe đó theo tín hệi u từ ECU vì vậy bánh xe không bị bó cứng.
Chế độ tăng áp
Hình 2. 12 Chế độ tăng áp
Khi cần tăng áp suất trong xylanh bánh xe để tạo lực phanh lớn, ECU ngắt dòng điện, không cấp cho cuộn dây của van điện từ. Vì vậy cửa A của van điện vị trí mở và cửa B đóng. Nó cho phép dầu trong xylanh phanh chính chảy qua cửa C trong van điện 3 vị trí đến xylanh bánh xe. Mức độ tăng áp suất dầu được điều khiển nhờ lặp lại quá trình tăng áp và giữ áp.
Chế độ giữ áp
Khi áp suất trong xylanh bánh xe giảm hay tăng, cảm biến tốc độ bánh xe gửi tín hiệu báo rằng tốc độ bánh xe đạt đến giá trị mong muốn, ECU cấp dòng điện 2A đến cuộn dây của van điện để giữ áp suất trong bánh xe không đổi.
Khi dòng điện cấp cho cuộn dây của van điện từ bị giảm từ 5A (ở chế độ giảm áp) xuống còn 2A (ở chế độ giữ áp) lực từ sinh ra trong cuộn dây cũng giảm, van điện 3 vị trí dịch chuyển xuống vị trí giữa nhờ lực của lò xo hồi vị làm cửa A và cửa B đều đóng. Lúc này bơm dầu vẫn còn làm việc
24
Hình 2. 13 Chế độ giữ áp
Như vậy, khi cơ cấu ABS làm việc bánh xe sẽ có hiện tượng nhấp nhả khi phanh và có sự rung động nhẹ của xe, đồng thời ở bàn đạp phanh có sự rung động do dầu phanh hồi về từ bơm dầu, đây là trạng thái bình thường khi ABS làm việc.
Van điện 3 vị trí như trên được sử dụng nhiều trên các xe trước đây, ngày nay kiểu van điện hai vị trí được dùng phổ biến hơn. (hình 37) là sơ đồ bộ phận chấp hành ABS sử dụng 8 van điện 2 vị trí, bao gồm 4 van giữ áp suất và 4 van giảm áp suất. Hoạt động cơ bản của bộ chấp hành thuỷ lực kiểu này giống như kiểu van 3 vị trí, tín hiệu điều khiển từ ECU đến các van điện dưới dạng điện áp. Ngoài ra bộ phận chấp hành phanh ABS của các xe ngày nay cũng có cải tiến thành rất nhiều loại khác nhau.
Chế độ giảm áp
Khi một bánh xe gần bị bó cứng, ECU gởi dòng điện 5A đến cuộn dây của van điện từ làm sinh ra môt lực từ mạnh. Van 3 vị trí chuyển động lên phía trên đóng cửa A trong khi cửa B mở.
Kết quả là, dầu phanh từ xylanh bánh xe qua cửa C tới cửa B trong van điện 3 vị trí và chảy về bình dầu. Cùng lúc đó môtor bơm hoạt động nhờ tín
hiệu điện áp 12V từ ECU, dầu phanh được hồi trả về xylanh phanh chính từ bình chứa. Mặt khác cửa A đóng ngăn không cho dầu phanh từ xylanh chính vào van điện 3 vị trí và van một chiều số 1 và số 3, kết quả là áp suất dầu trong xylanh bánh xe giảm ngăn không cho bánh xe bị bó cứng. Mức độ giảm áp suất.
Hình 2. 14 Chế độ giảm áp
26
Chương 3 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH ABS SỬ DỤNG MÔ HÌNH ¼ XE
3.1 Giới thiệu về Matlab-Simulink
3.1.1 Phần mềm Matlab
Hình 3. 1 Matlab-Matrix Laboratory
+Matlab là tên viết tắt của Matrix laboratory phần mềm được MathWorks thiết kế để cung cấp môi trường lập trình và tính toán kỹ thuật số.
+Matlab cho phép bạn sử dụng ma trận để tính toán các con số, vẽ thông tin cho các hàm và đồ thị, chạy các thuật toán, tạo giao diện người dùng và liên kết với các chương trình máy tính được viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác.
Mục đích:
+Matlab được sử dụng để giải quyết các vấn đề trong phân tích số, xử lý tín hiệu kỹ thuật số và xử lý đồ họa mà không cần lập trình cổ điển.
+Matlab hiện có hàng nghìn lệnh và chức năng tiện ích. Ngoài các chức năng có sẵn của chính ngôn ngữ, Matlab còn có các lệnh ứng dụng đặc biệt và các chức năng hộp công cụ (Toolbox)để mở rộng môi trường Matlab nhằm giải quyết một số loại vấn đề nhất định.
+Hộp công cụ rất quan trọng và hữu ích cho người sử dụng toán học sơ cấp, xử lý tín hiệu kỹ thuật số, xử lý hình ảnh, xử lý giọng nói, ma trận thưa, logic mờ…
Ngôn ngữ Matlab:
+Là một ngôn ngữ lập trình bậc cao (Scritp) với các lệnh điều khiển, chức năng, cấu trúc dữ liệu, đầu vào/ đầu ra và khả năng lập trình hướng đối tượng. Cho phép bạn nhanh chóng tạo và phá hủy phần mềm trong “lập trình quy mô nhỏ” hoặc tạo các chương trình lớn và phức tạp trong “lập trình quy mô lớn”.
Môi trường làm việc Matlab
+Giúp người dùng sử dụng các hàm và tệp trong Matlab bao gồm các công cụ quản lý biến và xuất nhập dữ liệu trong môi trường làm việc. Ngoài ra, nó cũng có các công cụ để phát triển, quản lý, gỡ lỗi và lập hồ sơ các tệp M và các ứng dụng Matlab.
Xử lý đồ họa
+Một công cụ giúp bạn xem dữ liệu của mình ở định dạng biểu đồ.
Ngoài ra, có thể xây dựng giao diện đồ họa.
Thư viện hàm tính toán
+Nó là một tập hợp các thuật toán tính toán từ các hàm cơ bản như tổng, sin, cos và tính toán số học phức tạp đến các hàm phức tạp như ma trận nghịch đảo, giá trị duy nhất, vectơ cụ thể của ma trận, hàm Bessel và các phép biến đổi Fourier nhanh.
Matlab API
+Là một thư viện cho phép bạn viết phần mềm C và FORTRAN và tương tác với Matlab bao gồm các công cụ để gọi các quy trình lặp Matlab (liên kết động). Sử dụng Matlab như một công cụ máy tính để đọc và ghi M tệp.
28
3.1.2 Matlab-Simulink
Simulink là một phần mềm đồ hoạ, định hướng sơ đồ khối dùng để mô phỏng các hệ động lực. Đây là sản phẩm nằm bên trong Matlab và sử dụng nhiều hàm của Matlab và cũng có thể trao đổi qua lại với môi trường Matlab để tăng thêm khả năng mềm dẻo của nó.
Với Simulink chúng ta có thể xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống giống như khi ta vẽ sơ đồ khối. Simulink có một khối thư viện với nhiều chức năng khác nhau.
Để xây dựng mô hình ta khởi động Matlab và khởi tạo Simulink, mở thư viện của khối Simulink sau đó chọn các nhóm thích hợp. Thư viện của Simulink thường có 8 nhóm:
Nhóm Continuous và Discrete: chứa các khối cơ bản để xử lý tín hiệu liên tục và rời rạc;
Nhóm Function & table: chứa các khối thực hiện việc gọi hàm từ Matlab, khối nội suy và khối hàm truyền;
Nhóm Math: chứa các khối thực thi các hàm toán học;
Khối Monlinear: chứa các khối phi tuyến;
Nhóm Sinks & Systems: chứa các khối công cụ xử lý tín hiệu;
Nhóm Sinks: chứa các khối thực hiện chức năng xuất kết quả;
Nhóm Source: chứa các khối phát tín hiệu.
Để copy một khối từ thư viện vào cửa sổ của mô hình, chọn khối, rê chuột để kéo khối đã chọn thả vào cửa sổ mô hình. Trong cửa sổ mô hình, nếu muốn
copy một khối, ấn phím Ctrl và rê chuột sang vị trí đặt bản copy; nếu muốn xoá hãy chọn nó và ấn phím Delete.
Để thực hiện một quá trình mô hình mô phỏng; xác lập giá trị đầu; lựa chọn cách thức xuất kết phỏng.
mô phỏng ta tiến hành các bước: xây dựng các thông số của mô hình; xác lập điều kiện quả; điều khiển việc thực thi quá trình mô
3.2 Sơ đồ ¼ mô phỏng hệ thống phanh ABS
Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) nhằm giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị λ0 để tận dụng được hết khả năng bám, khi đó hiệu quả phanh cao nhất (lực phanh đạt cực đại do giá tri φxmax) đồng thời tính ổn định và tính dẫn hướng của bánh xe là tốt nhất (φy đạt giá trị cao nhất), thỏa mãn các yêu cầu của cơ cấu phanh là rút ngắn quãng đường phanh, cải thiện tính ổn định và khả năng dẫn hướng của xe trong khi phanh. Vậy nên, để mô phỏng động lực phanh, ta thực hiện mô phỏng các mô hình toán học cho ¼ xe. Để làm được điều này, ta cần phân tích các thông số vật lý của bánh xe trong quá trình phanh.
3.2.1 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh
Hình 3. 2 Sơ đồ lực mô-men tác dụng lên bánh xe khi phanh
30
Trong đó:
m: Khối lượng ¼ xe
v: Vận tốc xe lúc bắt đầu phanh
: Vận tốc góc của bánh xe
Mp: Mô-men phanh của xe
I: Mô-men quán tính của xe
N: Phản lực của bánh xe
Ff : Lực ma sát giữa lốp và mặt đường
Rr: Bán kính làm việc của bánh xe
3.2.2 Tỉ lệ trượt
Hệ thống ABS phải kiểm soát được độ trượt của bánh xe quanh một giá trị tối ưu. Công thức tính độ trượt của bánh xe như sau:
Công thức 3. 1 Tỉ lệ trượt : tốc độ góc của bánh xe
: tốc độ góc tương đối của xe
: vận tốc của xe
: bán kính bánh xe
Từ các biểu thức này, chúng ta thấy rằng độ trượt bằng 0 khi tốc độ bánh xe và tốc độ xe bằng nhau, và độ trượt bằng 1 khi bánh xe bị khóa. Giá trị trượt
mong muốn là 0.2, có nghĩa là số vòng quay của bánh xe bằng 0.8 với số vòng quay trong điều kiện không phanh với cùng một vận tốc của xe. Điều này làm tối đa hóa độ bám giữa lốp và đường và giảm thiểu quãng đường phanh của xe với ma sát có sẵn.
3.2.3 Hệ số ma sát
Hệ số ma sát giữa bánh xe và đường phụ thuộc vào một số yếu tố như:
Độ trượt bánh xe
Vận tốc xe
Tình trạng mặt đường
Điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, …)
Với mục đích mô phỏng của đề tài này, chúng ta sẽ chỉ tính đến sự biến thiên của hàm hệ số ma sát trên độ trượt dọc của bánh xe.
Hình 3. 3: Vùng ổn định của hệ số ma sát
32
Trong quá trình phanh, nếu bánh xe bị trượt 100% thì bánh xe bị khóa cứng nhưng xe vẫn chuyển động. Tại độ trượt 0%, bánh xe và xe có cùng vận tốc.
Hệ số ma sát tối ưu (giá trị cao nhất) đạt được khi độ trượt của bánh xe là 20%. Dựa vào đồ thị ta thấy, đường cong hệ số ma sát được chia thành hai khu vực:
Vùng ổn định: nơi hệ số ma sát tăng khi độ trượt của bánh xe tăng lên - Vùng không ổn định: nơi hệ số ma sát giảm khi độ trượt của bánh xe tăng lên
Nếu bánh xe trượt vào vùng không ổn định, hệ số ma sát sẽ giảm và bánh xe sẽ bị khóa gây trượt bánh và xe mất ổn định.
Đối với trường hợp cụ thể này, hệ thống ABS sẽ phải giữ cho bánh xe trượt khoảng 20%, nơi hệ số ma sát có giá trị cao nhất. Hệ số ma sát có thể được biểu thị dưới dạng một hàm thực nghiệm, trong đó độ trượt của bánh xe là một đối số của hàm: ( )= .( .(1− − . )− . ) Công thức 3. 2 Độ trượt bánh xe thực tế Trong đó: : Độ trượt của bánh xe A, B, C, D: là các hệ số thực nghiệm
Tùy thuộc vào giá trị của các hệ số A, B, C và D, công thức thực nghiệm (3.2) có thể được sử dụng để biểu diễn hệ số ma sát cho các loại / trạng thái đường khác nhau.
Loại đường / Trạng thái
Bê tông khô A
B
C D
Ta có công thức tính mô-men của bánh xe:
Công thức 3. 3 Gia tốc chậm dần bánh xe khi phanh Trong đó:
: Lực ma sát giữa lốp và mặt đường (N)
: hệ số ma sát giữa lốp và mặt đường
m: khối lượng toàn bộ xe (kg)
g: gia tốc trọng trường (9.81 m/s2) : bán kính bánh xe (m)
Từ công thức 2.3 ta có thể tính được gia tốc chậm dần của xe khi phanh
Tích phân gia tốc vừa tính ta tính được vận tốc thực của xe vv, tiếp tục tích phân vận tốc tính được quãng đường phanh Sd. Lấy vận tốc thực của xe chia cho bán kính bánh xe tính được .
3.3 Mô phỏng hệ thống ABS sử dụng mô hình ¼ xe trên Simulink
3.3.1 Lựa chòn độ trượt
mong muốn kích hoạt hệ thống ABS Ở đây ta chọn khối “Constant” thiết lập độ trượt mong muốn
Hình 3. 4 Lựa chọn độ trượt mong muốn kích hoạt ABS
3.3.2 Khối điều khiển
Bộ điều khiển BANG-BANG so sánh độ trượt thực với độ trượt mong muốn để kích hoạt phanh.
Hình 3. 5 Khối điều khiển BANG-BANG controller
3.3.3 Thiết lập bảng thể hiện mối quan hệ giữa hệ số ma sát
và độ trượt
Ta lấy khối “1-D Lookup Table” thiết lập hệ số trượt với các giá trị của hệ số ma sát và độ trượt
Hình 3. 6 Khối Look-up table
35
Hình 3. 7 Bảng thông số nhập Look-up table
3.3.4Thiết lập các khối tính toán tốc độ bánh xe, tốc độ xe,
quãng đường phanh, tính toán độ trượt thực tế
+ Tốc độ bánh xe
Hình 3. 8 Sơ đồ tính toán tốc độ bánh xe
+ Tốc độ xe
Hình 3. 9 Sơ đồ tính toán tốc độ xe
+ Khối tính toán độ trượt thực tế của xe
Hình 3. 10 Sơ đồ tính toán độ trượt thực tế của xe
3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống ABS sử dụng mô hình ¼ xe
Hình 3. 11 Sơ đồ mô phỏng hệ thống ABS sử dụng mô hình ¼ trên Simulink
Chương 4 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 4.1 Lựa chọn thông số đầu vào
Kí hiệu m R V0 I download by : skknchat@gmail.com
g Kf
Bảng 4. 1 Thông số đầu vào (Tham khảo xe Toyota Innova 2010)
4.2 Kết quả mô phỏng
4.2.1 Kết quả tốc độ bánh xe
Hình 4. 1 Đồ thị mô phỏng tốc độ bánh xe
Nhận xét: Từ đồ thị trên ta có thể thấy khi xe được sử dụng ABS thì tốc độ góc bánh xe giảm dần về 0 với thời gian cụ thể là 25.5s. Tốc độ góc bánh xe lúc bấy giờ giảm từ từ rồi có giao động tăng giảm tương ứng sự hoạt động của hệ thống ABS. Nhờ có ABS mà bánh xe không bị hãm cứng đột ngột và vận tốc góc bánh xe không đột ngột giảm về 0.
4.2.2 Kết quả mô phỏng tốc độ xe
Hình 4. 2 Đồ thị mô phỏng tốc độ xe
Nhận xét: Từ đồ thị trên ta thấy vận tốc xe giảm dần về 0 trong khoảng thời gian 25,5 s. Vận tốc xe giảm dần không bị đột ngột đảm bảo độ an toàn chống trượt lết cho xe ô tô.
Vận tốc xe giảm xuống theo đồ thị parabol bảo đảm quá trình giảm tốc không đột ngột, không gây bó cứng hệ thống phanh.
39
4.2.3 Quãng đường đến khi xe dừng hẳn
Hình 4. 3 Đồ thị quãng đường phanh của xe
Nhận xét: Từ sơ đồ trên cho ta thấy quãng đường dừng lại của xe khi