3.3.1. Điều khiển theo ngưỡng trượt:
Điều khiển theo ngưỡng trượt thấp (slow mode): Ví dụ các bánh xe trái và phải chạy trên các phần đường có hệ số bám khác nhau. ECU chọn thời điểm bắt đầu bị hãm cứng của bánh xe có khả năng bám thấp, để điều khiển áp suất phanh chung cho cả cầu xe. Lúc này, lực phanh ở các bánh xe là bằng nhau, bằng chính giá trị lực phanh cực đại của bánh xe có hệ số bám thấp. Đối với bánh xe bên phần đường có hệ số bám cao vẫn còn nằm trong vùng ổn dịnh của đường đặc tính trưot và lực phanh chưa đạt cực đại. Vì vậy, cách này cho tính ổn định cao, nhưng hiệu quả phanh thấp vì lực phanh nhỏ.
Điều khiển theo ngưỡng trượt cao (high mode): ECU chọn thời điểm bánh xe có khả năng bám cao bị hãm cứng để điều khiển chung cho cả cầu xe. Trước đó, bánh xe ở phần đường có hệ số bám thấp đã bị hãm cứng khi phanh. Cách này cho hiệu quả phanh cao vì tận dụng hết khả năng bám của các bánh xe, nhưng tính ổn định kém.
3.3.2. Điều khiển độc lập hay phụ thuộc:
Trong loại điều khiển độc lập, bánh xe nào đạt tới ngưỡng trượt, tức bắt đầu có xu hướng bị hãm cứng thì điều khiển riêng bánh đó.
30 Trong loại điều khiển phụ thuộc, ABS điều khiển áp suất phanh chung cho hai bánh xe trên một cầu hay cả xe theo một tín hiệu chung, có thể theo ngưỡng trượt thấp hay ngưỡng trượt cao.
3.3.3. Điều khiển theo kênh:
Loại 1 kênh: Hai bánh sau được điều khiển chung (có ở ABS thế hệ đầu, chỉ trang bị ABS cho hai bánh sau vì dễ bị hãm cứng hơn hai bánh trước khi phanh).
Loại 2 kênh: Một kênh điều khiển chung cho hai bánh xe trước, một kênh điểu khiển chung cho hai bánh xe sau. Hoặc một kênh điều khiển cho hai bánh chéo nhau.
Loại 3 kênh: Hai kênh điều khiển độc lập cho hai bánh trước, kênh còn lại điều khiển chung cho hai bánh sau.
31
CHƯƠNG 4: VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH KHI PHANH
Ổn định khi phanh là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá an toàn hệ thống phanh. Ngày này các phương tiện ngày càng có tốc độ cao, do đó không những hệ thống phanh phải đạt hiệu quả mà còn ổn định. Chương này nhằm so sánh vấn đề ổn định của phanh không trang bị ABS và có trang bị ABS để từ đó thêm khẳng định tầm quan trọng của ABS. Trên thực tế ô tô phanh ở nhiều trường hợp khác nhau, và có nhiều yếu tố khác nhau nên phần này chỉ nghiên cứu chấp nhận các giả thiết sau:
- Bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống treo, sự đàn hồi của lốp và góc đặt bánh xe.
- Ô tô phanh trên đường nằm ngang, và không đánh lái trong quá trình phanh.
- Bỏ qua ảnh hưởng của lực cản lăn.
4.1. Đối với phanh hãm cứng
4.1.1. Khái niệm ổn định khi phanh, các nguyên nhân gây mất ổn định và chỉ tiêu đánh giá ổn định phanh giá ổn định phanh
Trong quá trình phanh ô tô, trục dọc của ô tô có thể bị nghiêng đi một góc 𝛾 nào đó so
với phương quỹ đạo đang chuyển động. Khi mà ô tô bị quay đi một góc qua mức quy định sẽ ảnh hưởng đến tính năng an toàn chuyển động trên đường. Vậy tính ổn định của ô tô khi phanh là khả năng ô tô giữ được quỹ đạo chuyển động như ý muốn của người lái trong quá trình phanh.
Có nhiều nguyên nhân khiến ô tô mất ổn định trong quá trình phanh, có thể chia làm hai nhóm nguyên nhân chính.
Thứ nhất: Do lực ngang Y tác dụng lên thân xe. Khi lực ngang này tác dụng lên thân xe lúc bánh xe bị hãm cứng, do không còn phản lực ngang nên chúng sẽ bị trượt ngang gây mất ổn định. Trên thực tế lực ngang thường xuất hiện do các yếu tố khách quan bên ngoài như lực quán tính ly tâm, lực nghiêng ngang của mặt đường và lực gió ngang. Chúng được xác định lần lượt như sau:
32
- Lực quán tính ly tâm Fjly: Xuất hiện do xe phanh trên đường cong và có giá trị tỷ lệ
thuận với bình phương vận tốc và tỷ lệ nghịch với bán kính cong của đường.
Y= 𝐹𝑗𝑙𝑦 =𝐺𝑣2
𝑔𝑅 (4.1)
với:
v – Vận tốc của xe (m/s).
R – Bán kính quay vòng (m).
G – Trọng lượng của toàn bộ ô tô (N).
g – Gia tốc trọng trường (m/s2).
- Lực gió ngang:Những luồng gió cắt ngang mạnh sẽ làm chệch hướng một chiếc xe
khỏi làn đường của nó, đặc biệt là ở tốc độ cao. Những cơn gió cắt ngang đột ngột xuất hiện ở những con đường thông thoáng có thể gây ra sự thay đổi góc nghiêng cũng như khiến xe chệch hướng. Trên những chiếc xe nhạy cảm với gió tạt, những ảnh hưởng này là đáng kể và cần được xem xét trong giai đoạn thiết kế xe. Lực này được phân bổ trên toàn bộ thân xe, có thể được coi là một lực duy nhất. Vị trí thực tế của điểm đặt lực được xác định bởi hình dạng thân xe và góc tác động. Trong phần này để đơn giản hóa, chúng ta xem như lực gió ngang tác dụng ở trọng tâm xe.
- Do lực nghiêng ngang của mặt đường: Nếu mặt đường nghiêng ngang một góc 𝛽 thì
ta có:
𝑌 = 𝐺 sin 𝛽 (4.2)
G – Trọng lượng của toàn bộ ô tô (N).
33
Thứ hai: Do chênh lệch lực phanh trái, phải tạo nên momen xoay cầu Mq làm xoay thân xe. Có nhiều tác nhân gây nên sự chênh lệch này như:
- Lực bám bám không đều ở các bánh xe do độ mòn lốp, áp suất lốp khác nhau, xe chạy trên đường có hệ số bám khác nhau
- Do độ mòn của của vật liệu phanh khác nhau như má phanh hoặc guốc phanh. Má phanh bị dính dầu, khe hở má phanh với đĩa phanh không đúng tiêu chuẩn, tắc nghẽn ống dẫn dầu.
- Do hỏng hóc trong hệ thống phanh gây nên thời gian tác dụng chậm tác dụng của
các cơ cấu phanh ở mỗi bánh xe khác nhau.
- Phân bố tải trọng khác nhau trên các bánh xe trái phải khác nhau. ➢ Các chỉ tiêu đánh giá ổn định phanh.
Để đánh giá ổn định hướng của ô tô khi phanh, người ta sử dụng một trong các chỉ tiêu sau:
- Góc lệch thân xe 𝛾: là góc xoay của trục đối xứng dọc của xe, được xác định tại thời điểm cuối cùng quá trình phanh so với hướng chuyển động ban đầu.
- Hành lang phanh Bh: là bề rộng của đường mà trong quá trình phanh thì ôtô không được phép vượt ra ngoài ở cuối quá trình phanh. Đoạn AN là độ lệch của ô tô khi phanh (hình 4.1).
34 y – Độ lệch của trọng tâm ô tô ở cuối quá trình phanh (m).
l – Khoảng cách từ trọng tâm xe đến mép ngang ngoài cùng phía trước của xe (m). B’ – Chiều rộng toàn bộ (m).
Bh – Hành lang phanh (m).
A – Điểm xa nhất của ô tô cuối quá trình phanh. Ta thấy: 𝑚 = 𝐴𝐸 sin 𝛾 + 𝑂′𝐸 cos 𝛾 = 𝑙 sin 𝛾 +𝐵′ 2 cos 𝛾 => 𝐴𝑁 = 𝑦 + 𝑚 = 𝑦 + 𝑙 sin 𝛾 +𝐵′ 2 cos 𝛾 (4.3)
35 Để ô tô không vượt khỏi hành lang cho phép Bh ở cuối quá trình phanh phải thảo mãn
AN < 𝐵ℎ
2 (4.4)
- Sai lệch lực phanh trên cùng một trục KSL: Hay còn gọi là hệ số không đồng đều lực phanh. Hệ số này được đánh giá riêng cho từng trục của ôtô và được xác định như sau:
𝐾𝑆𝐿 =𝐹𝑝𝑚𝑎𝑥−𝐹𝑝𝑚𝑖𝑛
𝐹𝑝𝑚𝑎𝑥 ∙ 100% (4.5)
Fpmax – Lực phanh lớn nhất trên trục ở một phía nào đó được đo (N). Fpmin – Lực phanh nhỏ nhất trên trục ở một phía nào đó được đo (N).
Các chỉ tiêu trên được đo đạt trong các điều kiện và giá trị cho phép nằm trong “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường đối với ô tô”.
4.1.2. Ổn định của ô tô khi phanh nếu các bánh xe bị hãm cứng
Khi bánh xe bị hãm cứng, lực bám giảm theo cả hướng dọc và hướng ngang và do đó, khả năng của xe tạo ra các phản lực ngang cần thiết để duy trì sự ổn định và kiểm soát hướng bị suy giảm nghiêm trọng. Mặt đường hoặc lực tác động bất thường có thể làm cho xe chệch hướng di chuyển. Bản chất của chuyển động tiếp theo là quay quanh trục thẳng đứng của xe, phụ thuộc vào việc cầu nào bị khóa trước, cùng với tốc độ của xe, hệ số bám, mômen quán tính của thân xe và kích thước của xe. Bằng cách xem xét hai trường hợp hãm cứng ở các bánh trước và sau, có thể rút ra cái nhìn hữu ích về vấn đề ổn định.
4.1.2.1. Các bánh xe ở cầu sau bị hãm cứng khi phanh
Trong phần này chúng ta sẽ sử dụng mô hình bánh xe hai vết, bánh xe phía trước đại diện cho bánh xe cầu trước và bánh xe phía sau đại diện cho bánh xe cầu sau. Giả thiết rằng khi phanh có lực ngang Y tác dụng tại trọng tâm của xe từ bên phải hướng nhìn của người lái.
36 δ1, δ2 – Góc lệch hướng bánh trước, bánh sau (0).
Y – Lực ngang tác dụng lên thân xe (N).
Fp1, Fp2 – Lực phanh ở các bánh xe cầu trước, cầu sau (N).
v1, v2 – Hướng chuyển động của bánh xe cầu trước và cầu sau khi bị hãm cứng
v – Hướng chuyển động của xe trước khi phanh.
Y1, Y2 – Phản lực ngang ở bánh xe cầu trước và cầu sau.
Khi phanh nếu các bánh xe cầu sau bị hãm cứng thì phản lực ngang Y2 = 0, các bánh xe cầu sau bị trượt ngang nhưng do khi phanh xe đang tịnh tiến về phía trước nên lúc này bánh xe cầu sau sẽ bị trượt lết theo hướng của v2. Hướng chuyển động của bánh xe cầu sau bị hãm cứng v2 tạo với hướng chuyển động của bánh xe trước khi phanh v góc lệch hướng δ2 rất lớn.
Trong khi đó, ở các bánh xe cầu trước, chưa bị hãm cứng nên vẫn còn lực bám ngang nên phản lực ngang Y1≠ 0. Khi đó bánh xe sẽ bị trượt ngang tương đối nhỏ và bánh xe sẽ di
Hình 4.2. Các bánh xe cầu sau bị hãm cứng.
Hướng chuyển động của xe khi bánh xe cầu sau bị hãm cứng
37 chuyển theo hướng v1, hướng này tạo với hướng chuyển động của bánh xe lúc bắt đầu phanh một góc δ1 tương đối nhỏ.
Do xuất hiện góc lệch hướng δ1 < δ2 đường vuông góc với v1, v2 tại tâm mỗi bánh xe sẽ gặp nhau tại một điểm O. Điểm O chính là tâm quay vòng của ô tô trong trường hợp này.
Như hình vẽ (Hình 4.2) chúng ta thấy khi phanh mà bánh sau bị hãm cứng, có lực ngang tác động từ bên phải sang thì hướng chuyển động của xe sẽ lệch sang trái so với hướng chuyển động ban đầu. Đuôi xe có xu hướng văng về phía trước, nếu ô tô đang phanh ở tốc độ cao thân ô tô có thể bị xoay tròn gây mất ổn định, hoặc bị lật ngang nếu lực ngang đủ lớn.
Bởi vậy, khi phanh xe nếu các bánh xe bị hãm cứng và có lực ngang tác dụng là trạng thái chuyển động không ổn định và rất nguy hiểm. Theo các kết quả nghiên cứu, bánh sau bị hãm cứng khi phanh gây nguy hiểm hơn so với các bánh trước bị hãm cứng.
4.1.2.2. Các bánh xe ở cầu trước bị hãm cứng khi phanh
38 Khi các bánh xe phía trước bị hãm cứng mà các bánh xe phía sau chưa bị hãm cứng ta có các lực dưới bánh xe như hình 4.3. Giả thiết tương tự như phần 4.1.2.1
Ở bánh trước do không còn phản lực ngang để chống lại lực ngang nên chúng sẽ bị trượt ngang hoàn toàn Y1 = 0. Tuy nhiên khi phanh trước bị hãm cứng bánh xe vẫn còn tịnh tiến về phía trước nên lúc này bánh xe sẽ bị trượt theo hướng v1, hướng này tạo với hướng chuyển động lúc mới bắt đầu phanh một góc δ1 rất lớn.
Trong khi đó, ở các bánh sau do chưa bị hãm cứng nên vân còn lực bám ngang Yb1 ≠ 0 nên bánh xe bị trượt tương đối nhỏ và di chuyển theo hướng v2, hướng này tạo với hướng bánh xe lúc bắt đầu phanh v một góc δ2 tương đôi nhỏ.
Do xuất hiện góc lệch hướng δ1 > δ2 đường vuông góc v1, v2 tại tâm mỗi bánh xe sẽ gặp nhau tại một điểm O. Điểm O chính là tâm quay vòng của xe trong trường hợp này. Như hình vẽ chúng ta thấy khi phanh mà bánh xe phía trước bị hãm cứng, có lực ngang tác động từ bên phải thì hướng chuyển động của xe sẽ lệch trái phải so với hướng chuyển động ban đầu.
Mặt khác, do đa số ô tô thường có bánh trước dẫn hướng nên khi bánh trước bị hãm cứng, xe mất độ bám ngang và do đó không thể điều khiển được qua hệ thông lái, tức là xe bị mất tính ổn định hướng.
Bởi vậy, khi phanh nếu các bánh xe trước bị hãm cứng và có lực ngang tác dụng là trạng thái chuyển động không ổn định và vô cùng nguy hiểm.
➢ Nhận xét:
Từ các phân tích ở phía trên ta thấy.
Khi phanh, để xe tiếp tục chuyển động ổn định trong quá trình phanh thì không được để các bánh xe ở cầu trước hoặc ở cầu sau bị hãm cứng.
39 Nếu tất cả bánh xe ở cả hai cầu đều bị hãm cứng và không có lực ngang Y tác dụng thì xe sẽ trượt thẳng do quán tính Fj. Nếu có lực ngang tác dụng lên xe thì sẽ bị trượt xiên theo hướng của lực Q là hợp lực của lực Fj và lực Y, lúc này xe chuyển động không ổn định.
Nếu lực Q quá lớn thì xe có thể bị lật đổ. Như vậy, để xe chuyển động ổn định khi phanh, cũng không được phép để tất cả bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh.
4.1.3. Ổn định của ô tô khi phanh nếu các lực phanh phân bố không đều
Trong quá trình phanh ô tô, trục dọc của ô tô có thể bị nghiêng đi một góc 𝛾 nào đấy so với phương quỹ đạo đang chuyển động. Sở dĩ như vậy là do tổng các lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên phải khác với tổng các lực phanh sinh ra ở các bánh trái và tạo thành
momen quay vòng Mq quanh trục thẳng đứng Z đi qua trọng tâm T của ô tô như đã phân tích ở đầu chương.
Hình 4.4. Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh mà có hiện tượng quay xe do lực phanh phân bố không đều.
40 Fp.t1, Fpt2, Fp.p1, Fp.p2– lực phanh ở các bánh bánh xe trái trước, sau và phanh bên phải rtước, sau. (N)
Ry1, Ry2 – phản lực ngang ở cầu trước và cầu sau (N).
Mq – momen xoay cầu (Nm).
𝛾 – Góc xoay thân xe (độ hoặc rad).
L, B – Chiều dài và chiểu rộng cơ sở (m).
a, b – khoảng cách từ cầu trước, cầu sau đến trọng tâm T (m).
Trong phần này chúng ta nghiên cứu sự ổn định theo hướng của trục x nhưng sao khi phanh thì ô tô bị lệch một góc 𝛾. Trong khi phanh, ở các bánh xe bên phải có các lực phanh Fp.p1 ở cầu trước và Fp.p2 ở cầu sau, còn ở các bánh xe bên trái có các lực phanh Fp.t1 ở cầu trước và Fp.t2 ở cầu sau.
Tổng các lực phan ở các bánh xe bên phải là:
𝐹𝑝.𝑝 = 𝐹𝑝.𝑝1+ 𝐹𝑝.𝑝2 (4.6) Và tổng các lực phanh ở các bánh xe bên trái bằng
𝐹𝑝.𝑡 = 𝐹𝑝.𝑡1 + 𝐹𝑝.𝑡2 (4.7)
Giả sử rằng tổng các lực phanh bến phải Fp.p lớn hơn tổng các lực phanh bên trái Fp.t lúc đó ô tô sẽ quay vòng theo hướng mũi tên chỉ trên hình 4.4 quanh trọng tâm T của ô tô.
Momen quay Mq được xác định theo biểu thức: 𝑀𝑞 = 𝐹𝑝.𝑝𝐵
2− 𝐹𝑝.𝑡𝐵
2 = (𝐹𝑝.𝑝− 𝐹𝑝.𝑡)𝐵
41 Do có ma sát giữa bánh xe và mặt đường cho nên khi xuất hiện momen quay vòng Mq