6. Phương pháp thực hiện đề tài
2.3. Hệ thống phanh ABS khí nén
Cấu tạo hệ thống phanh ABS khí nén tương tự như hệ thống phanh khí nén thông thường nhưng bên cạnh đó nó được trang bị thêm các bộ phận giúp điều hòa lực phanh như: Bộ xử lý trung tâm ECU, van chấp hành ABS, các cảm biến tốc độ bánh xe.
Điểm khác biệt chính giữa hệ thống khí nén và hệ thống ABS khí nén là bộ phận điều hòa lực phanh của hệ thống ABS, van chấp hành ABS. Các cảm biến tốc độ bánh xe, được gắn ở trung tâm bánh xe, sẽ thu thập thông tin vận tốc góc bánh xe rồi gửi về bộ xử lý trung tâm ECU. Bộ xử lý trung tâm ECU sẽ tiếp nhận thông tin, tính toán để nhận biết tình trạng tăng/giảm tốc của bánh xe và xử lý thông tin rồi đưa ra tín hiệu điều khiển để đóng ngắt các van chấp hành ABS.
Các van chấp hành ABS được bố trí trên khung xe, theo các mạch dẫn động điều khiển. Mỗi cụm van chấp hành được chế tạo thành các mô đun độc lập.
32 Sơ đồ khối của hệ thống ABS khí nén
2.3.1. Các sơ đồ dẫn động ABS phanh khí nén cơ bản
Hiện nay phanh ABS khí nén được sử dụng rộng rãi trên các xe như xe tải, xe buýt và xe du lịch. Vì có khối lượng , chiều dài lớn, vận tốc trung bình thấp, do vậy dẫn động phanh ABS khí nén cần đáp ứng các yêu cầu như:
- Phù hợp với các hệ thống khí nén cơ sở
- Đảm bảo hiệu quả thay đổi lực phanh trong giới hạn rộng
- Đảm bảo khả năng ổn định góc quay thân xe khi phanh nhằm giữ hướng chuyển động của ô tô
- Đơn giản kết cấu, số lượng các cụm chi tiết ít và giá thành thấp
Trong các chương trình thiết lập của ECU, các môđun điều khiển áp suất có liên quan trong hệ thống với nhau. Tùy thuộc vào loại cảm biến, thiết lập chương trình điều khiển có thể phân chia ra một số nguyên tắc điều khiển khác nhau: điều khiển theo điều kiện bám thấp “SL”, điều khiển độc lập từng bánh xe “IR”, điều khiển độc lập cải biên “IRM”.
Các khái niệm điều khiển này gắn liền với khả năng đảm bảo hiệu quả phanh và tránh quay thân xe khi phanh như đã trình bày.
Hiệu quả làm việc của hệ thống phanh ABS phụ thuộc vào sự làm việc của tất cả các bánh xe, trước hết phụ thuộc vào các cấu trúc bố trí ABS trên các mạch dẫn động phanh cơ
33
bản của ôtô. Các mạch dẫn động phanh có điều chỉnh áp suất trong hệ thống ABS phụ thuộc vào kết cấu dẫn động phanh cơ sở, yêu cầu của phương pháp điều chỉnh áp suất đối với các bánh xe và số lượng kênh điều chỉnh, cảm biến tốc độ bánh xe.
Các sơ đồ tiêu biểu thường được sử dụng [3]
1. Sơ đồ 4S/4K (Sensor/Kanal)
Các bánh xe cầu trước, cầu sau được điều khiển độc lập (hình 2.1) nhờ các cảm biến và van điều khiển áp suất độc lập “IR/IR”. Do điều khiển riêng rẽ cho từng bánh xe nên tạo được hiệu quả phanh cao, các bánh xe dẫn hướng dễ dàng điều khiển hướng chuyển động. Cấu trúc phù hợp với ôtô con thường xuyên sử dụng ở vận tốc cao, trên nền đường tốt, đồng nhất.
Tuy nhiên, khi đi trên nền đường có hệ số bám khác nhau, lực phanh sinh ra không bằng nhau giữa bánh xe trái và phải, sẽ xuất hiện mômen quay thân xe xung quanh trục đứng lớn, các lực bên ở các bánh xe khác nhau nhiều. Việc xuất hiện lực bên đồng thời xảy ra góc lệch bên bánh xe, kết quả có thể làm xấu ổn định hướng chuyển động.
Sơ đồ sử dụng 4 cảm biến và 4 van chấp hành (4 kênh) ABS. Hình 2.15: Sơ đồ bố trí 4S/4K
Hình 2.16: Sơ đồ bố trí 6S/4KHình 2.15: Sơ đồ bố trí 4S/4K
34 Ở cầu trước: có 2 cảm biến xác định tốc độ bánh xe, 2 kênh ABS. Tín hiệu tốc độ trên bánh xe được ECU tính toán so với tốc độ ô tô, từ đó xác định sự trượt riêng biệt của từng bánh xe. Tại một thời điểm nhất định, nếu bánh xe nào (trong hai bánh phải và trái) có độ trượt tới giới hạn cho phép trước, mô đun sẽ được điều khiển theo tín hiệu này. Điều đó có nghĩa bánh xe có độ trượt lớn nằm trên đường có hệ số bám thấp hơn. Và mô đun được điều khiển có khả năng tiếp nhận lực bên cao, giúp cho các bánh xe dẫn hướng thực hiện điều khiển hướng chuyển động của ô tô.
Trên các cầu sau, sử dụng hai cảm biến và hai kênh điều khiển cho cả hai bánh xe trên cùng một cầu. Giá trị độ trượt được tính toán từ vận tốc góc quay của vành răng bị động trong truyền lực chính, tức là vận tốc góc trung bình giữa hai bánh xe. ECU tính toán độ trượt từ vận tốc góc trung bình của vành răng bị động do cảm biến chuyển tín hiệu về và tốc độ ô tô, xác định độ trượt và gia tốc góc trung bình của hai bánh xe.
2. Sơ đồ 6S/4K
Trên cầu trước, sử dụng hai mô đun ABS 5 điều khiển độc lập cho từng bánh xe với cảm biến 1 đo vận tốc riêng biệt. Để hạn chế khả năng sai lệch lực phanh trên cầu trước, hệ
Hình 2.16: Sơ đồ bố trí 6S/4K
Hình 2.17: Sơ đồ bố trí 6S/6KHình 2.16: Sơ đồ bố trí 6S/4K
35 thống điều khiển được thiết lập trên nguyên tắc IRM (xem các bài về hệ thống phanh trên ô tô con), do vậy cho phép tăng được lực phanh cho cầu trước (diều này lừa hết sức cần thiết vì khi phanh tải trọng thẳng đứng của cầu trước tăng cao).
Trên các cầu sau bố trí 4 cảm biến và 2 kênh điều chỉnh, làm việc dựa trên nguyên tắc SL. Việc bố trí mỗi cầu xe một kênh điều khiển và với SL sẽ giúp xe ổn định hướng tốt khi đi trên đường có hệ số bám khác nhau, hay khi quay vòng. Nhờ cấu trúc như vậy lực phanh trên các cầu sau phân bố tương đối đồng đều cho phép hạn chế sự quay thân xe.
Sơ đồ được ứng dụng trên các ô tô buýt hai tầng có tải trọng lớn, các loại ô tô tải chuyên dụng chở hàng đặc chủng đòi hỏi tính ổn định cao.
Trên ô tô buýt lớn (có 1 cầu sau chủ động với công thức bánh xe 4×2) sử dụng 4S/3K: cầu trước bố trí 2 cảm biến và 1 kênh điều khiển. Cấu trúc như vậy trong một số tài liệu được gọi tên là “hệ thống ABS tiêu chuẩn”, với phương pháp bố trí 3 nút điều chỉnh, đảm bảo khả năng ổn định chuyển động của ô tô đồng thời cho hiệu quả phanh tốt.
3. Sơ đồ 6S/6K
Hình 2.17: Sơ đồ bố trí 6S/6K
36 Hệ thống sử dụng điều khiển độc lập cải biên IRM cho mỗi cầu xe. Với cấu trúc này lực phanh trên tất cả các cầu xe được phát huy tối đa, đáp ứng tốt nhất khả năng tiêu hao động năng ô tô khi phanh. Mặt khác khi xuất hiện sự sai lệch lực phanh trên các bánh xe của cùng một cầu, bên bánh xe có hệ số bám cao sẽ được chậm tăng áp suất phanh, đảm bảo hạn chế tối đa sự chênh lệch lực phanh, đồng thời giảm gia tốc góc quay thân xe, giúp cho người lái có khả năng điều chỉnh vành lái, tránh rơi vào tình trạng khó điều khiển.
Tuy vậy hệ thống rất phức tạp, nhiều đường dẫn, giá thành của sản phẩm cao, chỉ được sử dụng trên các loại xe yêu cầu cao về ổn định và chất lượng phanh
Trên ô tô buýt có công thức bánh xe 4×2, sử dụng sơ đồ 4S/4K: các bánh xe bố trí theo quy luật điều khiển IRM cũng được phân tích tương tự. Xe buýt hiện đại thường xuyên hoạt động trên đường xa lộ với vận tốc vận tải lớn nhất trên 100km/h sử dụng sơ đồ điều khiển 4S/4K này, kèm theo các thiết bị tiện nghi cao cấp, giúp cho việc vận tải hành khách nhanh chóng và an toàn
37
1,2,3- Bình chứa 9- Van rờ le
4- Van phân phối 10- Van điều khiển hướng
5- Bầu phanh trước 11- ECU
6- Bầu phanh sau 12- Cảm biến tốc độ bánh xe
7- Van chấp hành 13- Cảm biến áp suất
8- Van hai chiều 14- Van điều khiển rơ móc
Hình 2.18: Sơ đồ hệ thống ABS khí nén
Hình 2.19: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nénHình 2.18: Sơ đồ hệ thống ABS khí nén
Hình 2.18: Sơ đồ hệ thống ABS khí nén
Hình 2.19: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nénHình 2.18: Sơ đồ hệ thống ABS khí nén
38
2.3.2.1. Nguồn cấp khí nén và mạch phanh bánh trước
Không khí qua bầu lọc được lọc sạch bụi bẩn và đưa vào máy nén. Máy nén nén không khí với áp suất cao và đưa vào bình chưa thông qua một van điều áp.
Van điều áp có chức năng đưa máy nén về chế độ không tải khi áp suất tại bình chứa đủ lớn. Khi áp suất tại bình chứa giảm thì van điều áp kích hoạt cho máy nén hoạt động để tiếp tục bơm không khí vào bình chứa. Không khí được giữ lại tại bình chứa và dùng để cung cấp cho toàn bộ hệ thống phanh.
Hình 2.19: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nén
Hình 2.20: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho cầu trướcHình 2.19: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nén
Hình 2.19: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nén
Hình 2.20: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho cầu trướcHình 2.19: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nén
39 Không khí sau khi được đưa vào bình chứa tiếp tục qua bình chứa phanh trước. Khi nhấn bàn đạp phanh thì không khí sẽ qua van phân phối, van xả nhanh đến van chấp hành ABS. Tại đây van chấp hành có nhiệm vụ đóng, ngắt các van điện từ bên trong để điều chỉnh áp suất tác dụng lên bầu phanh và cơ cấu phanh.
2.3.2.2. Mạch phanh bánh sau
Khí nén sau khi được nén tại bình chứa sẽ tiếp tục qua bình chứa cho dòng phanh sau. Khí nén theo đường màu xanh đến van phân phối từ đó đến van rờ le, qua van chấp hành cuối cùng đến bầu phanh sau và cơ cấu phanh sau.
Hình 2.20: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho cầu trước
Hình 2.21: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nén cho cầu sauHình 2.20: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho cầu trước
Hình 2.20: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho cầu trước
Hình 2.21: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nén cho cầu sauHình 2.20: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho cầu trước
40
2.3.2.3. Sơ đồ mạch phanh hệ thống
Khí nén còn cung cấp cho bầu phanh sau để thực hiện chức năng phanh đỗ/khẩn cấp. Một số xe đầu kéo còn được trang bị thêm xe phần rơ móc phía sau nên cần thêm một mạch phanh hỗ trọ cho hệ thống phanh rơ móc theo sơ đồ.
Hình 2.21: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nén cho cầu sau
Hình 2.22: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho hệ thống [13]Hình 2.21: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nén cho cầu sau
Hình 2.21: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nén cho cầu sau
Hình 2.22: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho hệ thống [13]Hình 2.21: Sơ đồ nguồn cung cấp khí nén cho cầu sau
41
1.. Máy nén 2. Bầu lọc 3. Van điều áp 4. Bình chứa
5. Van phân phối 6. Van chấp hành 7. Bầu phanh trước 8. Bầu phanh sau
9. Cảm biến tốc độ 10. Phanh tay 11,12. Điều khiển rơ móc
Chú thích
Hình 2.22: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho hệ thống [13]
Hình 2.23: Cấu tạo, hoạt động của cảm biến tốc độ xeHình 2.22: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho hệ thống [13]
Hình 2.22: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho hệ thống [13]
Hình 2.23: Cấu tạo, hoạt động của cảm biến tốc độ xeHình 2.22: Sơ đồ mạch cung cấp khí nén cho hệ thống [13]
42
2.3.3. Các bộ phận chính của hệ thống ABS khí nén 2.3.3.1 Cảm biến tốc độ bánh xe
Cảm biến tốc độ động cơ được gắn trong một cái vỏ trên trục bánh xe, ở vị trí mà đầu cuối của cảm biến phải gần với vành răng nhất có thể. Bộ cảm biến tốc độ bánh xe chứa một nam châm vĩnh cửu và một cuộn dây quấn quanh lõi sắt mền được gắn vào nam châm. Cuộn dây này được kết nối dây đầu ra
Nguyên lý hoạt động
Khi bánh xe quay, vành răng quay theo, các đỉnh của vành răng quay nam châm của cảm biến tạo ra điện áp cảm ứng trong cuộn cảm biến. Điện áp này được giám sát bởi ECU thông qua dây đầu ra Điện áp tạo ra dưới dạng sóng sin với cả điện áp và tần số tăng lên khi tốc độ quay bánh xe tăng lên hình 3.23. ECU yêu cầu điện áp tối thiểu trước khi nhận ra tín hiệu từ bộ cảm biến tốc độ bánh xe và sau đó sử dụng tần số của tín hiệu để theo dõi tốc độ quay của bánh xe. Điện thế tạo ra bởi cuộn dây này phụ thuộc không chỉ vào tốc độ quay của bánh xe mà còn trên khoảng trống giữa đầu cảm biến tốc độ bánh xe và răng của vòng cảm biến: khoảng cách càng lớn thì điện áp tạo ra càng thấp. Do đó, điều quan trọng là khoảng cách được giữ càng nhỏ càng tốt để đảm bảo điện áp được tạo ra để cho ECU nhận ra được tín hiệu.[00]
2.3.3.2. Bộ xử lý trung tâm ABS ECU
Hình 2.23: Cấu tạo, hoạt động của cảm biến tốc độ xe
Hình 2.24: Cấu tạo của van chấp hànhHình 2.23: Cấu tạo, hoạt động của cảm biến tốc độ xe
Hình 2.23: Cấu tạo, hoạt động của cảm biến tốc độ xe
Hình 2.24: Cấu tạo của van chấp hànhHình 2.23: Cấu tạo, hoạt động của cảm biến tốc độ xe
43
a. Khái niệm
Hộp điều khiển điện tử ECU ( Electronic Control Unit) được sử dụng trong hệ thống ABS với nhiều chức năng như : Nhận biết thông tin về tốc độ bánh xe, thực hiện chế độ kiểm tra, chẩn đoán, lưu giữ mã code hư hỏng và chế độ an toàn ....
b. Chức năng
Nhận biết thông tin về tốc độ góc bánh xe, từ đó tính toán ra tốc độ bánh xe và gia tốc góc bánh xe, để làm cơ sở so sách với các ngưỡng định sẵn để xác định thời định bánh xe sắp khóa, từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển tới van chấp hành ABS để bánh xe không bị khóa. Bộ điều khiển thực hiện theo giải thuật điều khiển được lập trình sẵn.
2.3.3.3.Van chấp hành ABS [12] a. Cấu tạo
Van chấp hành được gắn cứng trên khung xe và nằm gần bộ phận truyền động mà nó điều khiển. Van chấp hành là một bộ phận của phanh ABS. Cổng vào (1) được cung cấp khí nén từ van phân phối. Van được nối điện với ECU, cho phép ECU điều khiển các van điện từ bên trong van chấp hành(van C và van D) .Van còn có hai van màng( A, B ) được giữ bởi lò xo.
44
b. Nguyên lý hoạt động
Van chấp hành nhận thông tin điều khiển từ ECU và hoạt động theo tín hiệu của ECU - Trạng thái không hoạt động (tăng áp)
Khi phanh bình thường, khi người lái xe đạp bàn đạp phanh, khí nén từ bình chứa đi qua van phân phối và vào van chấp hành ở cổng 1. Áp suất mở van màng A, khí nén đi xuyên qua thân van và qua van điện từ D, ép van màng đóng lại. Đồng thời khí nén cũng đi ra qua cổng 2 vào bộ truyền động phanh hình 3.24. Khi thôi phanh, khí nén trở lại từ bộ truyền động phanh qua van chấp hành và thoát ra bên ngoài (môi trường bên ngoài) qua cổng xả của van phân phối. Nếu có một van rờ le hoặc van xả nhanh, đặt giữa van phân phối và van chấp hành thì khí nén trong bộ truyền động được thoát ra qua một trong các van này thay vì trở lại van
Hình 2.24: Cấu tạo của van chấp hành
Hình 2.25: Van chấp hành hoạt động ở chế độ tăng ápHình 2.24: Cấu tạo của van chấp hành
Hình 2.24: Cấu tạo của van chấp hành
Hình 2.25: Van chấp hành hoạt động ở chế độ tăng ápHình 2.24: Cấu tạo của van chấp hành
45 phân phối. Khi phanh hoạt động trong trường hợp này , việc áp dụng hay giải phóng khí nén không bị ảnh hưởng của van chấp hành.