Phanh tối ưu có nghĩa là quá trình phanh đạt hiệu quả cao nhất. Quá trình phanh có hiệu quả cao nhất thể hiện qua các chỉ tiêu : Sp = Spmin, tp = tpmin, jp = jpmax. Với Sp, tp, jp là quãng đường phanh, thời gian phanh và gia tốc phanh.
Sự phanh có hiệu quả nhất là khi lực phanh sinh ra ở các bánh xe tỷ lệ thuận với tải trọng tác dụng lên chúng, mà tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong quá trình phanh lại thay đổi do lực quán tính Fj tác dụng lên xe.
Trong trường hợp phanh có hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh xe trước và sau là: p1 1 1 j g p 2 2 2 j g F .Z Z G.b F h F .Z Z G.a F h (1)
Trong quá trình phanh thì lực cản lăn Ff1 và Ff2 không đáng kể, có thể bỏ qua, do đó có thể
viết :
j p1 p1
F F F
Và Fj max Fp maxG. Thay Fj max vào biểu thức (1) , ta có :
19 p1 g p 2 g F b .h F a .h (2)
Biểu thức (2) chính là điều kiện để đảm bảo sự phanh có hiệu quả nhất. Nghĩa là để đảm bảo phanh tối ưu thì khi phanh quan hệ giữa các lực phanh Fp1 và Fp1 phải luôn thỏa mãn biểu thức (2).
Do trong quá trình phanh tọa độ trọng tâm (a, b, hg) và hệ số bám dọc luôn thay đổi cho nên tỷ số p1
p 2
F
F luôn thay đổi. Muốn vậy phải thay đổi được mômen phanh Mp1,
p 2
M sinh ra ở các cơ cấu phanh đặt ở các bánh xe cầu trước và cầu sau. Để thay đổi Mpi
thì phải thay đổi áp suất dầu hoặc khí nén dẫn đến các xy lanh ở các bánh xe (phanh dầu) hoặc dẫn đến các bầu phanh (phanh khí). Ở hệ thống phanh thường, sự thay đổi áp suất nói trên là không có, nên khi phanh gấp, sau một thời gian ngắn trong tổng thời gian phanh, thì G1 (hoặc Z1) tăng lên, G2 (hoặc Z2) giảm xuống, dẫn đến lực bám F1 tăng, F2 giảm, hậu quả là : Fp1 < F1, Fp2 > F2, làm cho các bánh xe cầu sau bị hãm cứng và trược lết hồn tồn. Lúc này chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng lên xe là cầu sau sẽ trượt ngang, làm cho độ ổn định của xe giảm nhanh, xe bị quay ngang và có khả năng bị lật đổ.
Vì thế, để tránh xảy ra hiện tượng này, hiện nay trên nhiều xe đã bố trí bộ điều hòa lực phanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh. Các cơ cấu này sẽ tự động điều chỉnh lực phanh ở các bánh xe bằng cách thay đổi quan hệ áp suất dẫn động phanh đến các cơ cấu phanh ở cầu trước và cầu sau
20
Chương 3. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ABS 3.1. Cấu tạo của hệ thống ABS
Hình 3. 1. Cấu tạo các bộ phận chính của hệ thống abs
21 Hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti-Lock Brake System) là một trong những trang bị an toàn trên xe ô tô. Cơ cấu ABS được thiết kế dựa trên cấu tạo của một cơ cấu phanh thường. Ngoài ra các cụm bộ phận chính của một cơ cấu phanh như cụm xy lanh chính, bầu trợ lực, cơ cấu phanh bánh xe, các van điều hoà lực phanh, cơ cấu ABS cần trang bị thêm các bộ phận như: các cảm biến tốc độ bánh xe, hộp điều khiển điện tử (ECU), bộ chấp hành thuỷ lực, bộ chẩn đoán, báo lỗi.
Hình 3. 3. Tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của hệ thống ABS
Một cơ cấu phanh ABS bao gồm 3 phần chính :
Cụm tín hiệu vào gồm các cảm biến tốc độ bánh xe, công tắc báo phanh, …có nhiệm vụ gửi thông tin tốc độ bánh xe, tín hiệu phanh về hộp điều khiển điện tử (ECU), dưới dạng tín hiệu điện.
Hộp điều khiển điện tử (ECU) có chức năng nhận và xử lý các tín hiệu vào, đưa tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thuỷ lực, điều khiển quá trình phanh chống bó cứng bánh xe.
Bộ phận chấp hành gồm có bộ chấp hành thủy lực nhận tín hiệu từ ECU gửi đến điều khiển áp suất dầu, bộ phận hiển thị đèn báo phanh ABS, chẩn đoán sẽ thực hiện nhiệm vụ khi có tín hiệu của ECU.
Trong đó :
Bộ điều khiển thuỷ lực nhận tín hiệu điều khiển từ ECU thực hiện quá trình phân phối áp suất dầu đến các cơ cấu phanh bánh xe.
Bộ phận hiển thị đèn báo phanh và bộ phận kiểm tra chẩn đoán có chức năng báo cho người lái xe biết khi cơ cấu ABS gặp sự cố, dưới dạng các xung điện hoặc là tín hiệu nhấp nháy của đèn báo
22
3.1.1. Cảm biến
3.1.1.1. Cảm biến tốc độ bánh xe:
Nhiệm vụ gửi tín hiệu điện áp xoay chiều hình sin đến ECU. ECU sẽ nhận tín hiệu và xác định được tốc độ của bánh xe. Vị trí lắp cảm biến tốc độ hay roto cảm biến, số lượng răng của roto cảm biến phụ thuộc vào từng loại xe và năm sản xuất của xe. Thông thường cảm biến tốc độ bánh trước được lắp vào cam quay và cảm biến tốc độ bánh sau được bắt vào mâm cầu sau. Roto cảm biến được lắp trên trục trước chủ động và trục bánh xe sau, cùng quay với bánh xe.
23 Cấu tạo: một nam châm vĩnh cữu, cuộn dây và lõi từ. Vị trí lắp cảm biến tốc độ hay
rôto cảm biến cũng như số lượng răng của rôto cảm biến thay đổi theo kiểu xe.
Nguyên lý hoạt động: Phía ngoài của roto có các răng, nên khi roto quay từ thông trong cuộn dây biến thiên nó sinh ra một điện áp xoay chiều. Điện áp xoay chiều này có tần số tỷ lệ với tốc độ quay của roto và trong quá trình hoạt động nó báo cho ABS ECU biết tốc độ quay của bánh xe. Khe hở A giữ lõi từ và đỉnh vành răng khoảng 1mm, ngoài phạm vi đó cảm biến sẽ làm việc không hiệu quả dẫn đến hệ thống ABS sẽ không hoạt động tốt.
24
3.1.1.2. Cảm biến giảm tốc:
Sử dụng cảm biến giảm tốc cho phép ABS đo trực tiếp sự giảm tốc của bánh xe trong quá trình phanh. Nhờ đó biết được trạng thái mặt đường, qua đó điều chỉnh áp suất dầu phanh hợp lý.
Có 2 loại: cảm biến giảm tốc đặt dọc và cảm biến giảm tốc đặt ngang.
Cấu tạo: Cảm biến giảm tốc bao gồm hai cặp đèn LED và Transistor quang, một đĩa xẻ rãnh và một mạch biến đổi tín hiệu.
Hình 3. 6. Cảm biến giảm tốc
Nguyên lý hoạt động: Khi thực hiện quá trình phanh gấp, tốc độ bánh xe hạ thấp đột ngột, theo quán tính thì thân xe sẽ bị chúi về phía trước làm cho 2 đĩa cảm biến bị lắc theo chiều dọc / ngang của thân xe, nếu dao động mạnh thì đĩa sẽ che ánh sáng từ LED đến transistor quang và làm transistor quang đóng/mở, lúc này cảm biến giảm tốc sẽ chia làm 4 mức và gửi tín hiệu về ECU.
25
Hình 3. 7. Nguyên lý hoạt động cảm biến giảm tốc
3.1.1.3. Cảm biến gia tốc ngang
Cảm biến gia tốc ngang được trang bị trên một vài kiểu xe, giúp tăng khả năng ổn định của xe khi phanh trong lúc đang quay vòng, có tác dụng làm chậm quá trình tăng moment xoay xe. Trong quá trình quay vòng, các bánh xe phía trong có xu hướng nhấc lên khỏi mặt đất do lực ly tâm và các yếu tố góc đặt bánh xe. Ngược lại, các bánh xe bên ngoài bị tì mạnh xuống mặt đường, đặc biệt là các bánh xe phía trước bên ngoài. Vì vậy, các bánh xe phía trong có xu hướng bó cứng dễ dàng hơn so với các bánh xe ở ngoài. Cảm biến gia tốc ngang có nhiệm vụ xác định gia tốc ngang của xe khi quay vòng và gửi tín hiệu về ECU.
26 Trong trường hợp này, một cảm biến kiểu phototransitor giống như cảm biến giảm tốc được gắn theo trục ngang của xe hay một cảm biến kiểu bán dẫn được sử dụng để đo gia tốc ngang. Ngoài ra, cảm biến kiểu bán dẫn cũng được sử dụng để đo sự giảm tốc, do cảm biến này có thể đo được cả gia tốc ngang và gia tốc dọc.
3.1.2. Bộ chấp hành phanh ABS
Nhiệm vụ: Bộ chấp hành ABS dùng để cấp hay ngắt áp suất dầu từ xy lanh phanh chính đến mỗi xy lanh phanh bánh xe theo tín hiệu điều khiển từ ABS ECU, để điều khiển tốc độ bánh xe tránh không cho bánh xe bị bó cứng.
Hình 3. 9. Bộ chấp hành phanh ABS
Cấu tạo của một bộ chấp hành thủy lực gồm có các bộ phận chính sau: các van điện từ, motor điện dẫn động bơm dầu, bơm dầu và bình tích áp.
27 + Van điện từ: Van điện từ trong bộ chấp hành có hai loại, loại 2 vị trí và 3 vị trí. Cấu tạo chung của một van điện gồm có một cuộn dây điện, lõi van, các cửa van và van một chiều. Van điện từ có chức năng đóng mở các cửa van theo sự điều khiển của ECU để điều chỉnh áp suất dầu đến các xylanh bánh xe.
+ Motor điện và bơm dầu: Một bơm dầu kiểu piston được dẫn động bỡi một motor điện, có chức năng đưa ngược dầu từ bình tích áp về xylanh chính trong các chế độ của hệ thống phanh ABS. Bơm được chia ra làm hai buồng làm việc độc lập thông qua hai piston trái và phải được điều khiển bằng cam lệch tâm. Các van một chiều chỉ cho dòng dầu đi từ bơm về xylanh chính.
+ Bình tích áp: Chứa dầu hồi về từ xylanh phanh bánh xe, nhất thời làm giảm áp suất dầu ở xylanh phanh bánh xe.
3.1.3. ABS Control Module
Nhiệm vụ:
+ Nhận biết thông tin về tốc độ góc các bánh xe từ tín hiệu mà cảm biến tốc độ bánh xe gửi tới, từ đó tính toán ra tốc độ bánh xe và sự tăng giảm tốc của nó, xác định tốc độ xe, tốc độ chuẩn của bánh xe và ngưỡng trượt để nhận biết nguy cơ bị hãm cứng của bánh xe.
+ Cung cấp tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thủy lực.
+ Thực hiện chế độ kiểm tra, chẩn đoán, lưu giữ mã code hư hỏng và chế độ an toàn. Cấu tạo: là tổ hợp các vi xử lí, gồm có 4 cụm sau:
+ Phần xử lý tín hiệu + Phần logic
+ Bộ phận an toàn
28
Hình 3. 10. Cấu tạo ABS control module
3.1.4. Mạch điều khiển các rơ le.
ECU bật rơ le của van điện khi tất cả các điều kiện sau được thỏa mãn: Khóa điện bật.
Chức năng kiểm tra ban đầu (nó hoạt động ngay lập tức sau khi khóa điện bật) đã hoàn thành.
Không tìm thấy hư hỏng hay xảy ra lỗi trong quá trình chuẩn đoán (trừ mã 37- bảng tra mã lỗi của các hư hỏng trong hệ thống phanh ABS).
Lưu ý: ECU sẽ tắt rơ le van điện nếu một trong các điều kiện trên không được thỏa mãn. Điều khiển rơ le mô tơ bơm: ECU bật rơ le mô tơ bơm khi tất cả các điều kiện sau được
thỏa mãn:
ABS đang hoạt động hay chức năng kiểm tra ban đầu đang được thực hiện. Rơ le van điện bật.
29
Hình 3. 11. Sơ đồ mạch điều khiển các rơ le
ABS ECU kích hoạt van điện và mô tơ bơm theo thứ tự để kiểm tra hệ thống điện của ABS. Chức năng này hoạt động khi tốc độ xe lớn hơn 6 km/h với đèn phanh tắt. Nó chỉ hoạt động một lần sau mỗi lần bật khóa điện.
30 Chức năng chuẩn đoán
.
Hình 3. 13. Cách chuẩn đoán và đọc mã lỗi.
Nếu hư hỏng xảy ra trong bất cứ hệ thống tín hiệu nào, đèn báo ABS trên bảng đồng hồ bật sáng để báo cho lái xe biết hư hỏng đã xảy ra, ABS ECU cũng sẽ lưu mã chẩn đoán của bất kỳ hư hỏng nào.
Chức năng kiểm tra cảm biến.
Bên cạnh chức năng chẩn đoán, ABS ECU cũng bao gồm chức năng kiểm tra tốc độ (nó chẩn đoán tính năng của các cảm biến tốc độ và rôto). Một vài kiểu xe cũng bao gồm chức năng kiểm tra cảm biến giảm tốc để chẩn đoán cảm biến giảm tốc.
Chức năng kiểm tra cảm biến tốc độ bao gồm: Kiểm tra điện áp ra của tất cả các cảm biến.
Kiểm tra sự dao động điện áp ra của tất cả các cảm biến. Chức năng kiểm tra cảm biến giảm tốc.
Kiểm tra điện áp ra của các cảm biến giảm tốc. Kiểm tra hoạt động của đĩa xẻ rãnh.
Những chức năng này được thiết kế chuyên dùng cho kỹ thuật viên, với các điều kiện hoạt động được thiết lập bởi các quy trình đặt biệt để chẩn đoán các tính năng từng cảm biến.
31 Chức năng dự phòng.
Nếu xảy ra hư hỏng trong hệ thống truyền tín hiệu đến ECU, dòng điện từ ECU đến bộ chấp hành bị ngắt. Kết quả là hệ thống phanh hoạt động giống như khi ABS không hoạt động, do đó đảm bảo được các chức năng phanh bình thường.
3.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống phanh ABS
Các cảm biến tốc độ bánh xe nhận biết tốc độ góc của các bánh xe và gửi tín hiệu về ECU dưới dạng các xung điện áp xoay chiều.
ECU nhận và xử lí tín hiệu phân tích tình trạng các bánh xe bằng cách tính tốc độ xe và sự thay đổi tốc độ bánh xe, xác định độ trượt dựa trên tốc độ các bánh xe.
Khi phanh gấp hay phanh trên những đường ướt, trơn trượt có hệ số bám thấp, ECU ABS sẽ điều khiển bộ chấp hành thuỷ lực cung cấp áp suất dầu tối ưu cho mỗi xy lanh phanh bánh xe theo các chế độ tăng áp, giữ áp hay giảm áp một cách phù hợp để duy trì độ trượt nằm trong giới hạn tốt nhất, tránh bị hãm cứng bánh xe khi phanh.
Van điện 3 vị trí
32
Bảng 3. 1. Bảng mô tả hoạt động của van điện 3 vị trí
CHẾ ĐỘ PHANH VAN ĐIỆN TỪ BƠM DẦU
Cửa A Cửa B Dòng điện Hoạt động Điện áp Phanh bình thường
(ABS không hoạt động) Mở Đóng 0A Không hoạt động 0V Phanh gấp (ABS hoạt động) Tăng áp Mở Đóng 0A Hoạt động 12V Giữ áp Đóng Đóng 2A Giảm áp Đóng Mở 5A
Khi phanh bình thường (ABS không hoạt động): khi xe chạy tốc độ dưới 10 km/h, khi bánh xe không bị bó cứng.
ABS không hoạt động trong quá trình phanh bình thường và ECU không gửi dòng điện đến cuộn dây của van. Do đó, van 3 vị trí ấn xuống bởi lò xo hồi vị và cửa “A” vẫn mở trong khi cửa “B” vẫn đóng.
Khi đạp phanh (vẫn đang ở chế độ phanh thường), áp suất dầu trong xi lanh phanh chính tăng, dầu phanh chảy từ cửa “A” đến cửa “C” trong van điện 3 vị trí rồi tới xi lanh phanh bánh xe. Dầu phanh không vào được bơm bởi van một chiều gắn trong mạch bơm.
Khi nhả chân phanh, dầu phanh hồi về từ xi lanh bánh xe về xi lanh chính qua cửa “C” đến cửa “A” và van một chiều số 3 trong van điện 3 vị trí.
33
Hình 3. 15. Van điện 3 vị trí khi phanh bình thường
Bảng 3. 2. Bảng chế độ hoạt động của van điện 3 vị trí ở chế độ phanh thường
Tên chi tết Chế độ hoạt động
Van điện 3 vị trí Cửa A mở Cửa B đóng Motor Không hoạt động
Khi phanh gấp (ABS hoạt động): ABS hoạt động khi xe chạy với tốc độ trên 10km/h, bánh xe có dấu hiệu bị bó cứng và chân phanh được kích hoạt.
+ Chế độ giảm áp
Khi một bánh xe gần bị bó cứng, ECU gửi dòng điện 5A đến cuộn dây của van điện, làm sinh ra một lực từ mạnh. Van 3 vị trí chuyển động lên phía trên, cửa