Hình 2-27: 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.
2.7.2. 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 dộ 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.
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.
Hình 2-28: Chế độ giữ áp
2.7.3. Chế độ giảm áp
Khi một bánh xe gần bị bó cứng, ECU gửi dòng điện 5A đến cuộn dây của van điện từ làm sinh ra 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 dầu được điều chỉnh bằng cách lặp lại các chế độ giảm áp và giữ áp.
Hình 2-29: Chế độ giảm áp
2.8.Kết luận chương 2
Qua chương 2 em đã nắm rõ được cấu tạo cùng nguyên lý điều khiển của hệ thống phanh ABS và các công thức tính toán để tiến tới xây dựng các mô hình mô phỏng hệ thống ABS bằng phần mềm Matlab-Simulink.
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 3.1.Giới thiệu nội dung chính của Matlab – Simulink
Simulink là một phần mềm mở rộng của MATLAB dung để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích một hệ thống động. Thông thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin và ứng dụng mô phỏng khác.
Simulink là thuật ngữ mô phỏng được ghép bởi hai từ Simulation (mô phỏng) và Link (liên kết). Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hoặc một hệ gồm cả liên tục và gián đoạn.
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 thực hiện một quá trình mô phỏng ta tiến hành các bước: xây dựng mô hình mô phỏng; xác lập giá trị các thông số của mô hình; xác lập điều kiện
đầu; lựa chọn cách thức xuất kết quả; điều khiển việc thực thi quá trình mô phỏng.
3.2.Mô phỏng hệ thống phanh ABS
Để mô phỏng mô hình xe, ta sử dụng mô hình căn bản của 1 bánh xe, được thể hiện ở hình dưới:
Hình 3-1: Mô hình bánh xe
Các phương trình động lực học cần thiết để thiết lập cho mô hình xe chuyển động theo 1 chiều:
Phương trình chuyển động của xe: .
M v F (3.1)
Phương trình động học của bánh xe:
. . p I F RM (3.2) Hệ số bám dọc của bánh xe: F N (3.3) Mômen phanh: . p f M K t (3.4)
Trong đó: M: khối lượng xe v: vận tốc xe F: lực bám
: Hệ số bám
N: phản lực tiếp tuyến Kf: Hiệu suất phanh Mp: Mômen phanh t: Thời gian phanh
Từ các công thức trên, ta có thể thiết lập mô hình mô phỏng cho hệ thống gồm 1 bánh trên xe. Giả thiết các bánh xe đều chịu tải trọng bằng nhau, lúc này mỗi bánh xe sẽ chịu ¼ trọng lượng toàn xe. Mô hình sử dụng các biến đầu vào gồm: hệ số bám dọc, mômen phanh; biến đầu ra gồm: vận tốc góc bánh xe, tốc độ xe và quãng đường phanh.
Với hệ số bám dọc có giá trị trong khoảng từ 0 đến 1, tham khảo dạng đồ thị đặc tính trượt khi phanh từ hình 2-7 và các dữ liệu có sẵn thu được từ thực nghiệm có thể xây dựng một bảng tra cứu mối liên hệ giữa hệ số bám và độ trượt:
Hình 3-2: Bảng tra cứu mối liên hệ giữa hệ số bám – độ trượt
Hệ thống phanh gồm 2 thành phần: Cơ cấu chuyển đổi trạng thái và cơ cấu phanh.
Để mô phỏng sự điều khiển chuyển đổi các trạng thái phanh giảm áp và tăng áp của ECU, xây dựng một hệ thống điều khiển đóng - mở (Bang-bang controller) và hàm truyền. Theo đặc tính trượt khi phanh, rút ra độ trượt tối ưu khi phanh là 0=20%. Điều khiển đóng mở sẽ so sánh sai lệch của độ trượt của bánh xe với độ trượt chuẩn 0 (độ trượt tối ưu) theo nguyên lý:
- Nếu 0< thì biến đầu ra =1 chế độ giảm áp. - Nếu 0> thì biến đầu ra = -1 chế độ tăng áp.
Do sau khi so sánh, khối sẽ trả ra dạng tín hiệu logic kiểu Boolean, nên ta cần chuyển đổi dạng tín hiệu Boolean thành kiểu Double để tương đồng với các tín hiệu khác phù hợp cho mô phỏng.
Hình 3-3: Mô hình mô phỏng điều khiển đóng - mở
Cơ cấu truyền động thủy lực phanh được đơn giản hóa thành van điện từ, nhận tín hiệu đầu vào từ điều khiển đóng – mở. Hàm truyền của mô hình cơ cấu truyền động thủy lực đã được đơn giản hóa:
100 ( ) .(0, 01 1) G s s s (3.5)
Trong mô hình cơ cấu phanh, mômen phanh tác động lên bánh xe có thể được mô tả như sau:
. ( )
p f
M K P t (3.6)
Trong đó: Mp: mô men phanh Kf: hiệu suất phanh
Hình 3-4: Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh
Để tính toán độ trượt, ta sử dụng công thức:
. . 1 v R R v v (3.7)
Trong đó: : độ trượt tương đối v: tốc độ xe
: tốc độ góc bánh xe R: bán kính bánh xe
Hình 3-5: Mô hình mô phỏng tính độ trượt
Kết nối các hệ thống con với nhau, ta thu được mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS:
Các thông số của mô hình:
Tên Ký hiệu Giá trị
Gia tốc trọng trường g 9,8
Khối lượng xe m 1200
Mômen quán tính bánh xe I 1,3
Bán kính bánh xe R 0,3
Hiệu suất phanh Kf 0,9
Vận tốc bắt đầu phanh v0 20
Bật/tắt ABS dk 1/0
3.3.Kết quả mô phỏng
Trường hợp xe có ABS:
Hình 3-7: Độ trượt
Hình 3-9: Tốc độ góc bánh xe
Hình 3-10: Tốc độ xe
Trường hợp không có ABS:
Hình 3-12: Độ trượt không có ABS
Hình 3-13: Mômen phanh không có ABS
Hình 3-15: Tốc độ xe không ABS
Hình 3-16: Quãng đường phanh không ABS
3.4.Phân tích kết quả mô phỏng
Từ các đồ thị thu được, thấy được sự khác biệt của các thông số điển hình trong quá trình phanh trong trường hợp có trang bị ABS và không trang bị ABS của một mô hình xe.
Khi xe được trang bị ABS:
- Độ trượt luôn được giữ trong khoảng từ 10% đến 30%, nằm quanh giá trị độ trượt tối ưu khi phanh là 20%.
- Mômen phanh được điều khiển dựa trên mối quan hệ giữa độ trượt và hệ số bám của bánh xe.
- Quãng đường phanh là 108,6m ứng với thời gian phanh 11,3s. Khi xe không trang bị ABS:
- Độ trượt tăng dần lên giá trị cực đại bằng 1 và tương ứng là tốc độ bánh xe giảm dần về 0 vào thời gian t=0,96s
- Khoảng thời gian từ 0,96s đến khi xe dừng lại là 14,9s bánh xe trượt lê hoàn toàn trên mặt đường.
- Mômen phanh tăng dần đến giá trị cực đại, sau đó không có sự thay đổi. - Quãng đường phanh là 146,2m ứng với thời gian phanh 14,9s
Qua sự khác biệt đó ta thấy được hệ thống phanh ABS đã phát huy được đúng hiệu quả của mình, là giảm được quãng đường phanh, đồng thời điều khiển được tốc độ bánh xe lớn hơn 0 trong suốt quá trình phanh, giữ được bánh xe không bị trượt, đảm bảo được tính ổn định của xe khi phanh.
3.5.Kết luận chương 3
Qua quá trình mô phỏng mô hình hệ thống phanh ABS để thấy được các kết quả một cách trực quan, ta nhận thấy ABS có ưu điểm hơn so với cơ cấu phanh thông thường khi giảm cả thời gian phanh và quãng đường phanh. Nắm được nguyên lý điều khiển của ABS, cùng với đó là hiệu quả của ABS khi cho những lợi ích cả về tính ổn định phanh và hiệu quả phanh.
KẾT LUẬN
Hệ thống phanh ABS hiện nay đã trở thành một tiêu chuẩn không thể thiếu dành cho ô tô, với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật ô tô trong tương lai ABS sẽ ngày còn được nghiên cứu cải tiến để hiện đại hơn, chính xác hơn.
Sau thời gian nghiên cứu, với nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn Nguyễn Anh Ngọc cùng với tập thể thầy cô giáo bộ môn khoa công nghệ ô tô và các bạn em đã hoàn thành đồ án: “Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS” đủ khối lượng, tiến độ và thời gian.
Trong quá trình thực hiện em đã tham khảo các tài liệu, từ đó vận dụng thêm những kiến thức đã được học trong nhà trường cùng thêm đó là sự chỉ dẫn của giáo viên hướng dẫn, từ đó em đã thu nạp được:
- Các lý thuyết về sự phanh ô tô. - Kết cấu của hệ thống ABS. - Nguyên lý hoạt động của ABS.
- Cách thức mô hình hóa và mô phỏng hệ thống ABS.
Do điều kiện thời gian làm đồ án tốt nghiệp có hạn, những kiến thức sẵn có của bản thân vẫn còn hạn chế nên đồ án của em không thể tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được những ý kiến, góp ý của các thầy cô để đồ án được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Anh Ngọc và các thầy cô giáo trong Khoa công nghệ ô tô, trường ĐHCN Hà Nội một lần nữa đã tạo điều kiện, giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Văn Anh, Nguyễn Huy Chiến, Phạm Việt Thành, Hoàng Quang Tuấn (2019), Giáo trình kết cấu ô tô, Nhà xuất bản khoa học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội.
[2] Phạm Văn Thoan, Lê Văn Anh, Trần Phúc Hòa, Nguyễn Thanh Quang (2017), Giáo trình lý thuyết ô tô, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[3] Nguyễn Thanh Quang, Lê Văn Anh, Phạm Việt Thành, Thân Quốc Việt (2017), Giáo trình cơ điện tử ôtô 2, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[4] Phạm Minh Hiếu, Đỗ Minh Chiến (2017), Giáo trình tin học ứng dụng trong kỹ thuật ô tô, Nhà xuất bản thống kê, Hà Nội.
[5] Nguyễn Trọng Khương (2009), Đồ án ứng dụng phần mềm Matlab Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe du lịch, ĐH sư phạm kỹ thuật Hưng Yên.
Tài liệu tham khảo từ internet: