Phanh nêm điện tử EWB với tên tiếng Anh là Electronic Wedge Brake.
Hình 2.8: Cơ cấu phanh nêm điện [3]
Đây là một hệ thống phanh mới, bởi vì không có hệ thống thủy lực như phanh thông thường. Nó có thể giảm đáng kể khoảng cách dừng của xe ô tô so với các hệ thống thủy
lực thông thường. Nó mang lại hiệu quả hơn cho hệ thống phanh. Toàn bộ hệ thống chạy trên hệ thống điện 12V tiêu chuẩn được tìm thấy trong hầu hết các loại xe.
Phanh nêm điện tử hoạt động theo một nguyên tắc tương tự như sử dụng trong phanh cho toa xe ngựa, nơi có nêm được sử dụng để làm cho bánh xe dừng lại. Tuy nhiên, EWB dựa vào công nghệ cảm biến và điện tử tinh vi để ngăn chặn các phanh bị khóa, đảm bảo hiệu quả cao và kiểm soát phanh. Đây cũng chính là lý thuyết về phanh cơ điện – phanh nêm điện tử EWB.
Chương 3 : PHANH CƠ ĐIỆN - PHANH NÊM ĐIỆN EWB 3.1 Cấu tạo
Hình 3.1.1: Mô hình phanh điện
Hình 3.1.2: Hệ thống phanh cơ điện – phanh nêm điện tử EWB[4] Cấu tạo hệ thống phanh điện gồm:
1. Đĩa phanh cơ điện 2. Bàn đạp phanh điện tử 3.Cảm biến bánh xe
4. Hộp điều khiển hệ thống phanh 5. Cảm biến xoay xe
6.Công tắc đèn phanh
7. Cơ cấu phanh (má phanh, mô tơ điện, nêm …) 8. Bình Accu
3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phanh
Motor điện (DC motor)
Cơ chế phanh nêm điện tử cần một DC motor có thể quay cả theo hướng trái và phải để điều khiển piston của EWB được kết nối với cơ chế nêm thứ hai. Dựa trên yêu cầu này, mạch H-Bridge được đề xuất để cung cấp và kiểm soát xoay vòng DC motor ở cả hai hướng. Mạch này có thể được phát triển bằng cách sử dụng 2 bộ MOSFET sẽ hoạt động như một công tắc.
Hình 3.2.1: Mạch H-Bridge Trong đó, M là motor điện một chiều được ký hiệu là DC motor.
Cơ chế trình điều khiển H –Bridge[5] hoạt động khi hai MOSFET (S1 và S4) được mở và hai MOSFET khác (S2 và S3) bị tắt. Hệ thống này sẽ cho phép dòng qua DC motor từ S1 đến S4 và xoay DC motor sang hướng về phía trước. Để xoay motor theo chiều ngược lại, việc chuyển mạch MOSFET sẽ hoạt động theo hướng ngược lại bằng cách bật S2 và S3 và tắt S1 và S4. Các MOSFET có thể được bật/tắt bằng cách cung cấp điện áp cho "GATE" được gọi là chuyển đổi MOSFET kích hoạt, trong khi các diode chức năng như là EMF quay lại bảo vệ và được tạo ra bởi DC motor trong mạch H –Bridge. Trước khi phát triển mạch điều khiển động cơ, cần xác định yêu cầu hiện tại cho DC motor. Các thành phần thích hợp có thể được xác định dựa trên yêu cầu hiện tại của DC motor. Trong nghiên
cứu này, các thông số kỹ thuật của DC motor được cho bên dưới, được sử dụng để điều khiển EWB tạo ra sự quay đầu vào.
Thông số kỹ thuật của DC motor (cho mô hình thử nghiệm) Điện áp giới hạn:12 V
Công suất: 50 W
Dòng giới hạn: 1.0 - 1.5 A Tốc độ cao: 70-75 rpm Tốc độ thấp: 50 rpm Mô men làm việc: 5 Nm Mô men phanh: 26 Nm
Cường độ dòng điện cũng có thể thu được từ công thức : I=P/U(A) (1) Trong đó, P = công suất (W) và U =điện áp (V).
Dựa trên phương trình (1), yêu cầu về cường độ dòng điện cho DC motor có thể được xác định. Do đó, một MOSFET thích hợp như IRF 1404 và IRF 4905 được sử dụng cho thành phần chuyển mạch của H-Bridge. Các MOSFETs là kênh N tốc độ cao và kênh P thích hợp cho ứng dụng ô tô. Dòng cho phép lớn nhất của MOSFET là 202A với công suất tản nhiệt 333W và cũng có sẵn trên thị trường. Các MOSFET này được kết hợp với tốc độ chuyển mạch nhanh, thiết bị rất hiệu quả và đáng tin cậy, do đó thích hợp cho các ứng dụng ô tô.
Góc nêm tối ưu
Hình 3.2.2: Phân tích lực phanh cơ điện – phanh nêm điện tử EWB Trong đó
w là góc của nêm
Fr là lực ma sát nêm xảy ra giữa các nêm bên trong và bên ngoài
Fm là lực ép của motor
μ là hệ số ma sát của má phanh
Fn , Fc là lực ép của má phanh hai bên vào đĩa phanh
là tốc độ góc của bánh xe
Fb là lực phanh
Giả sử lực đẩy của motor được chia đều cho cả hai mặt của nêm và các lực tác động lên nêm trái giống như trên nêm phải, mối quan hệ giữa lực đẩy, lực ma sát, lực kẹp và lực phanh vào đĩa cho cả hai mặt của nêm được cho bởi:
0, y F (3.1) Fm Fr sinw Fb 0, (3.2) Từ (2) suy ra: Fr sinw (Fb Fm). (3.3) Tổng lực the phương x: Fx 0, (3.4) Fr cosw Fn 0, (3.5) Từ (5) suy ra: Fr cosw Fn. (3.6)
Bằng cách lấy phương (3) chia cho phương trình (6), từ đây suy ra lực tại nêm có định nghĩa như sau :
tan b m . n F F F (3.7)
Ta có Fn Fc do đó Fb Fc , thế vào phương trình tương đương (7) ta được :
Fc tanw Fm Fc (3.8) Hay w tan m c c F F F (3.9)
Hình 3.2.3: Mối quan hệ giữa lực kẹp và góc nêm
Như thể hiện trong hình 3.2.3, mối quan hệ giữa lực kẹp và góc nêm có thể được mô tả bằng cách sử dụng phương trình (3.8) bằng giả sử Fm là 500 N và μ là 0.25 (theo phanh
đã chọn). Có thể thấy rằng góc quan trọng của nêm là khoảng 14.03° bằng tanαw = μ. Trong điều kiện này, lực kẹp tự tạo ra do ma sát giữa các nêm vào đĩa phanh. Nếu góc nêm nhỏ hơn góc nghiêng, nó sẽ làm cho bộ truyền động làm việc nhiều hơn để đẩy nêm. Khi má phanh và đĩa phanh tiếp xúc nhau, lực phanh được sinh ra lớn hơn lực phanh ban đầu do cơ cấu dẫn động sinh ra và gây ra lực kéo lớn là vì cần để nhả cái nêm. Do đó góc nêm tối ưu được chọn là 15° để đảm bảo lực kẹp lớn hơn có thể được tạo ra, dễ kiểm soát và ngăn không cho nêm bị kẹt. Có thể kiểm tra hiệu quả của góc nêm được chọn bằng cách đưa ra lực động cơ yêu cầu bằng cách thay đổi hệ số ma sát. Hình 3.2.3 thu được bằng cách giả sử lực kẹp là 46 kN và thay đổi hệ số ma sát từ 0.25 đến 0.35. Từ hình này, có thể thấy rằng lực động cơ 1 kN được yêu cầu để tạo ra lực kẹp mong muốn ở điều kiện ban đầu. Trong khi ở hệ số ma sát 0.267, sự tự gia cố sẽ tồn tại. Do đó, không có lực động cơ là cần thiết. Khác với điều đó, khi hệ số ma sát tăng, lực cơ học trở nên âm. Việc chuyển từ lực dương sang lực âm chỉ ra rằng khi cơ chế đang làm việc để duy trì lực kẹp yêu cầu bằng cách thay đổi hệ số ma sát. Vậy người ta dựa nào góc tối ưu để thiết kế phanh.
Hình 3.2.4: Mối quan hệ giữa lực motor phanh và hệ số ma sát
Như vậy, ta chọn DC motor 12V loại motor bước cho phù hợp với điện áp bình cho dễ, momen xoắn lớn phù hợp với lực chúng ta cần thiết để phanh xe.
3.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh cơ điện- phanh nêm điện EWB
Cơ cấu phanh nêm cơ điện tạo ra sự khác biệt so với hệ thống phanh truyền thống. Trên cơ cấu phanh đĩa, áp suất dầu hoặc khí nén tạo ra lực ép má vào đĩa phanh, còn phanh nêm cơ điện lại sử dụng motor điện điều khiển nêm trượt để thực hiện công việc trên. Giải pháp này giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển, đặc biệt khi hệ thống phanh kết hợp với nhiều hệ thống điều khiển điện tử khác như: hệ thống chống bó cứng phanh ABS, hệ thống phân phối lực phanh EBD hay hệ thống cân bằng điện tử ESC...
Hình 3.3: Hệ thống phanh cơ điện – phanh nêm điện tử EWB
Khi tài xế đạp phanh, bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh nêm cơ điện kích hoạt motor quay. Trục motor ăn khớp mặt trên nêm trên tạo lực ép xuống nêm dưới, nêm dưới đẩy má phanh ép vào đĩa phanh. Lực ma sát giữa má phanh và đĩa phanh có xu hướng kéo nêm trượt theo chiều quay bánh xe, lực kéo càng lớn má phanh càng ép chặt vào đĩa phanh. Khi nhả bàn đạp phanh motor sẽ bị ngắt điện, phản lực ma sát tác dụng ngược lại má phanh làm má phanh bị đẩy ra không còn ma sát vào đĩa phanh và kéo motor quay ngược lại. (Cảm biến vị trí nêm giúp bộ điều khiển trung tâm kiểm soát chính xác vị trí nêm, ngăn chặn nguy cơ bó cứng do hiện tượng tự siết gây ra. Nguyên lý làm việc này từng được ứng dụng trong các thiết bị hàng không vũ trụ yêu cầu độ an toàn cao).
3.4 Điều khiển phanh cơ điện- phanh nêm điện EWB
Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển hệ thống phanh cơ điện – phanh nêm điện EWB. Trong khi hệ thống phanh ABS điều khiển tăng, giữ,giảm áp suất dầu đến các bánh xe còn ở hệ thống phanh cơ điện sẽ điều khiển tăng, giữ, giảm lực phanh của motor đến các bánh xe để phanh xe.
ECU điều khiển các motor điện trong bộ chấp hành để tăng giảm áp lực phanh, thực hiện các chu trình tăng, giữ, giảm áp lực ở các má phanh làm cho bánh xe không bị bó cứng bằng các tín hiệu điện. Điều khiển bằng cường độ dòng điện cấp đến các motor điện, việc điều khiển có ba mức cường độ dòng điện đến motor hoạt động. Tùy theo nhà thiết kế chọn loại motor nào, cần một áp lực phanh bao nhiêu là cần thiết để điều khiển phanh và cần một cường độ dòng điện là bao nhiêu để phát ra một lực phanh cần thiết. Điều này phụ thuộc vào nhà thiết kế phanh.
Mặc dù tín hiệu điều khiển các motor điện là khác nhau đối với từng loại xe nhưng việc điều khiển tốc độ bánh xe về cơ bản là giống nhau, các giai đoạn điều khiển được thể hiện như hình 3.4
Tín hiệu điều khiển motor điện:
Khi phanh, momen xoắn của motor tạo áp lực phanh của các bánh xe tăng lên và tốc độ xe giảm xuống. Nếu bánh xe nào có xu hướng bị bó cứng ECU điều khiển motor giảm áp lực phanh ở bánh xe đó.
Giai đoạn A:
ECU điều kiển motor điện ở chế độ giảm áp, vì vậy giảm áp lực phanh ở bánh xe. Sau đó ECU chuyển các motor điện sang chế độ giữ áp để theo dõi sự thay đổi về tốc độ của các bánh xe, nếu thấy cần giảm áp lực phanh ở bánh xe thì nó sẽ điều khiển motor điện giảm tiếp áp lực phanh ở bánh xe đó.
Giai đoạn B:
Tuy nhiên, khi giảm áp lực phanh thì lực ma sát vào đĩa phanh sẽ giảm đi không đủ hãm bánh xe dừng lại nên ECU liên tục điều khiển các motor điện chuyển sang chế độ tăng và giữ áp .
Giai đoạn C:
Khi áp lực phanh tăng từ từ như trên làm cho bánh xe có xu hướng lại bị bó cứng vì vậy các motor điện được điều khiển sang chế độ giảm áp.
Giai đoạn D:
Do áp lực phanh trong bánh xe lại giảm (giai đoạn C), ECU lại bắt đầu điều khiển tăng áp như (giai đoạn B) và chu kỳ được lập đi lặp lại cho đến khi xe dừng hẳn.
3.5 Ưu và nhược điểm của phanh cơ điện-phanh nêm điện EWB
Ưu điểm
Hệ thống phanh cơ điện có kết cấu nhỏ gọn hơn phanh ABS thủy lực và phanh ABS khí nén.
Hình 3.5.2: Hệ thống phanh ABS khí nén. Trong đó :
1.ECU
2.Van điện từ (ABS)
3.Van điện từ (liên quan tới TRC)
4.Cảm biến vị trí bướm ga (chỉ liên quan tới TRC) 5.Cảm biến giảm tốc (liên quan tới TRC)
6.Bàn đạp phanh 7.Đĩa phanh
8.Cơ cấu phanh trước 9.Cơ cấu phanh sau
Hình 3.5.3: Hệ thống phanh cơ điện – phanh nêm điện tử EWB
Đối với phanh cơ điện-phanh nêm điện EWB, nêm sử dụng động năng của xe, biến nó thành năng lượng phanh. Bằng cách tăng cường theo cách này, EWB chỉ cần một phần mười năng lượng khởi động so với hệ thống phanh thủy lực ngày nay.
Với hiệu quả vượt trội này, EWB cũng sẽ có kích thước nhỏ hơn, làm giảm tổng trọng lượng của xe.
Ngoài ra, trong khi phanh thông thường có thời gian từ 140 đến 170 mili giây để tạo ra năng lượng hãm, EWB chỉ cần khoảng 100 mili giây và do đó rút ngắn khoảng cách phanh bởi vì chiếc xe có khoảng 1.40 mét trong một giây với tốc độ 100 km / h.
Đặc biệt, hệ thống phanh mới này không có hệ thống thủy lực,việc phanh xe được thực hiện trực tiếp do lực sinh ra từ DC motor và toàn bộ hệ thống sử dụng nguồn điện 12(V).
Với sự điều khiển nêm thông minh, linh hoạt hệ thống phanh này dễ dàng trong việc biến đổi động năng xe thành lực phanh.
Phanh nêm điện EWB được kỳ vọng là hệ thống phanh tối ưu trong việc giảm năng lượng sử dụng, giảm khối lượng xe và tăng hiệu quả phanh.
Một ưu điểm lớn nữa là thông qua quá trình kiểm nghiệm thực tế để đánh giá sự ảnh hưởng của bề mặt phanh đến chất lượng phanh đã cho thấy rằng: bề mặt đĩa phanh không ảnh hưởng lớn đến hiệu quả phanh, thông qua thí nghiệm kiểm tra với bề mặt phanh gồ
ghề nhưng sau quá trình thử nghiệm đĩa phanh trở nên tốt hơn, giảm đi sự gồ ghề do lực kẹp của nêm trong quá trình phanh[8]
Hình 3.5.4: Hiện tượng bề mặt đĩa phanh gồ ghề giảm rõ rệt qua quá trình vận hành kiểm tra phanh.
Hình 3.5.5: Bề mặt đĩa phanh trở nên tốt sau quá trình thực nghiệm.
Nhược điểm
Do đây là hệ thống mới nên còn nhiều hạn chế như sau :
Quá trình lập trình và điều khiển vô cùng phức tạp.
3.6 Đánh giá phanh điện
Hệ thống phanh mới với nhiều tính năng ưu việt giảm quãng đường khi phanh và thời gian trễ khi phanh.
Hình 3.5.6:So sánh quãng đường phanh giữa hệ thống phanh EWB và phanh thủy lực. Thời gian để dừng xe với EWB chỉ là 100 mili giây so với phanh thông thường mất 140 đến 170 mili giây[7] để tạo ra năng lượng phanh hoàn toàn với tốc độ 100 km / h.
Giúp cải thiện nhiều tính năng đối với hệ thống phanh xe ôtô hiện nay.
Hiệu quả phanh cao hơn so với hệ thống phanh truyền thống và sử dụng động năng xe trong quá trình phanh giúp tiết kiệm nhiên liệu…
Sử dụng hoàn toàn cơ-điện để phanh xe.
Chỉ tiêu đánh giá phanh cơ điện
Chỉ số đánh giá an toàn phanh điện tử được đề xuất phát triển với sự kết hợp của độ lệch dài theo chiều dọc và độ lệch bên của xe trong các tình huống phanh thẳng.
3.7 Phát hiện hư hỏng phanh trên xe
Trên mỗi hệ thống điều khiển đều có một chương trình kiểm tra lỗi, trong hệ thống phanh cơ điện cũng vậy. Khi phát hiện ra trong hệ thống có lỗi thì đèn phanh sẽ được bật lên màu đỏ sẽ báo có sự cố trong hệ thống phanh cần kiểm tra và khắc phục.
Trên xe sẽ có một màn hình hiển thị vị trí các bánh xe và kèm theo cụm phanh của bánh xe đó, nếu bánh xe nào bị hư hỏng hay có sự cố thì sẽ hiển thì màn hình sẽ hiển thị màu đỏ ở cụm phanh đó để dễ kiểm tra và sữa chửa …
Chương 4: THI CÔNG MÔ HÌNH 4.1 Ý tưởng thiết kế
Với sự phát triển không ngừng nghỉ của cuộc cách mạng khoa học sáng tạo đã làm thay đổi bộ mặt ngành ôtô. Và ngày nay ôtô đã trở nên phổ biến ở hầu hết các quốc gia. Những yêu cầu về sự an toàn, thoải mái, linh hoạt và hiện đại của ôtô cũng được đặt lên hàng đầu trong đó có hệ thống phanh - hệ thống vô cùng quan trọng liên quan đến an toàn