Sự bám của bánh xe với mặt đường

2.3.1. Hệ số bám

Bánh xe là phần tử đàn hồi kết hợp giữa xe và mặt đường. Nhờ có sự bám giữa bánh xe với mặt đường mới có sự truyền động các mô men kéo được

tạo ra từ động cơ hay mômen phanh từ cơ cấu phanh tới mặt đường, giúp cho xe chuyển động hay dừng lại được.

Sự bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bằng hệ số bám . Về cơ bản có thể xem hệ số bám tương tự như hệ số ma sát giữa hai vật thể cơ học. Tuy nhiên do mối quan hệ truyền động giữa bánh xe và mặt đường là vấn đề rất phức tạp, vừa có tính chất của một ly hợp ma sát, vừa theo nguyên lý ăn khớp giữa bánh răng- thanh răng, vì ở đây còn có sự bám của bề mặt gai lốp vào mặt đường.

Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường được chia thành hai thành phần: Hệ số bám trong mặt phẳng dọc, tức trong mặt phẳng chuyển động của ô tô được gọi là hệ số bám dọc x và hệ số bám trong mặt phẳng ngang vuông góc với mặt phẳng dọc và được gọi là hệ số bám ngang y.

Hệ số bám dọc x được hiểu là tỷ số của lực phanh cực đại trên tải trọng tác dụng lên bánh xe và được xác định bằng biểu thức:

max p x b P G   (2.37)

Hệ số bám ngang y được xác định theo biểu thức: max y b Y G   (2.38)

Trong đó: Ppmax: Lực phanh lớn nhất. max

Y : Lực ngang cực đại tác dụng lên bánh xe.

b

G : Tải trọng tác dụng lên bánh xe.

Thực nghiệm chứng tỏ rằng hệ số bám phụ thuộc nhiều yếu tố như: Loại mặt đường và tình trạng mặt đường, kết cấu và nguyên liệu lốp, áp suất không khí ở trong lốp, tải trọng tác dụng lên bánh xe, tốc độ chuyển động của xe, điều kiện nhiệt độ làm việc, độ trượt giữa bánh xe với mặt đường. Trong quá trình chuyển động của xe, giá trị của hệ số bám thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố kể trên.

Hình 2-8 trình bày một số đồ thị chỉ sự phụ thuộc của hệ số bám  với áp suất trong lốp, tốc độ chuyển động của ô tô, tải trọng, đọ trượt của bánh xe với mặt đường. Hệ số bám ngang y cũng có tính chất tương tự.

Từ đồ thị (2-8a, b, c) ta nhận thấy, khi tăng áp suất trong lốp thì hệ số bám lúc đầu tăng lên, sau đó lại giảm xuống. Giá trị hệ số bám cực đại sẽ tương ứng với áp suất quy định của nhà sản xuất. Khi tăng tải trọng thẳng đứng lên bánh xe thì hệ số bám giảm đi một ít và đồ thị có dạng tuyến tính. Khi tăng tốc độ chuyển động thì hệ số bám giảm từ từ theo dạng đường cong. Khi đường ướt thì ảnh hưởng của áp suất trong lốp, của tải trọng và tốc độ chuyển động đến hệ số bám càng lớn.

Hình 2-8: Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám 1 - Đường khô. 2 – Đường ướt

a) Áp suất lốp b) Tải trọng lên bánh xe c) Tốc độ chuyển động của xe d) Độ trượt giữa bánh xe và mặt đường

Từ đồ thị 2-8d thấy rằng độ trượt giữa bánh xe và mặt đường ảnh

bánh xe thì hệ số bám lúc đầu tăng lên nhanh chóng và đạt giá trị cực đại trong độ trượt 15 – 25%. Sau đó nếu độ trượt tiếp tục tăng thì hệ số bám giảm. Khi độ trượt ở 100% (nghĩa là lốp bị trượt lê hoàn toàn đối với xe khi phanh) thì hệ số bám giảm 20 – 30% so với hệ số bám cực đại. Khi đường ướt còn có thể giảm nhiều hơn nữa đến (50 – 60%).

2.3.2. Hiện tượng trượt của bánh xe khi phanh 2.3.2.1. Hiện tượng trượt lết của bánh xe 2.3.2.1. Hiện tượng trượt lết của bánh xe

Mô men phanh do cơ cấu phanh của bánh xe sinh ra, nhưng mặt đường là nơi tiếp nhận thông qua điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường. Nên lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường. Mà đặc trưng là hệ số bám  theo mối quan hệ sau:

max .

p b

P P Z  (2.39)

Trong đó : Ppmax: Lực phanh cực đại có thể sinh ra.

P: Lực bám giữa bánh xe với mặt đường.

b

Z : Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe. : Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường.

Từ đây ta thấy khi phanh gấp hay khi phanh trên các loại đường có hệ số bám thấp thì phần lực phanh Pp dư vượt quá giới hạn trên, do mặt đường không có khả năng tiếp nhận sẽ làm cho bánh xe sớm bị hãm cứng và trượt lết trên đường.

Theo biểu thức (2.39) thấy rằng hệ số bám đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường. Duy trì hệ số bám cao trong quá trình phanh để đạt giá trị lực cực đại là mục tiêu cần quan tâm đối với cơ cấu phanh.

Hình 2-9: Giải thích hiện tượng trượt lế của bánh xe khi phanh

Trong hình: v0: Vận tốc lý thuyết của bánh xe.

v: Vận tốc thực của bánh xe. Với: 0 . . k b k l v r v r     (2.40) k  : Vận tốc góc của bánh xe. b r : Bán kính thực tế bánh xe. l r: Bán kính lăn bánh xe.

Khi vận tốc thực tế của bánh xe lớn hơn vận tốc lý thuyết của nó sẽ dẫn đến hiện tượng trượt của bánh xe khi phanh với vận tốc trượt v:

0

v  v v (2.41)

Để kể đến ảnh hưởng của sự trượt khi phanh, người ta đưa ra khái niệm độ trượt khi phanh:

0 0 1

v v v v

v v v



       (2.42)

Ở trạng thái trượt lết hoàn toàn, tức khi phanh bánh xe bị hãm cứng thì: 0

k

  , v0 0, rl  ,   1

Dấu (-) chỉ độ trượt khi phanh. Trên thực tế, người ta tính độ trượt tương đối:

0 .100%

v v

v

   (2.43)

Khi  = 100% bánh xe bị hãm cứng và trượt lết hoàn toàn trên mặt đường.

2.3.2.2. Đặc tính trượt khi phanh

Hình 2-10: Đặc tính trượt của bánh xe khi phanh.

Hình 2-10 thể hiện đường đặc tính trượt, biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số bám  và độ trượt dọc , được xác định bằng thực nghiệm.

Hình 2-11: Đặc tính trượt tương ứng với các loại đường khác nhau

Hình 2-11 chỉ ra các đường đặc tính trượt tương ứng với các loại đường khác nhau. Từ đó ta có thể rút ra một số nhận xét:

- Các hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang yđều thay đổi theo độ trượt . Lúc đầu, khi tăng độ trượt thì x tăng lên nhanh chóng và đạt giá trị cực đại trong khoảng độ trượt từ 10 – 30%. Nếu độ trượt tiếp tục tăng thì x

giảm, khi độ trượt =100% (lốp xe bị trượt lết hoàn toàn khi phanh) thì x giảm 20- 30% so với hệ số bám cực đại, khi đường ướt còn giảm nhiều hơn nữa, đến 50-60%. Đối với hệ số bám ngang y, sẽ giảm nhanh khi độ trượt tăng, ở trạng thái trượt lết hoàn toàn thì giảm xuống gần bằng không.

- Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại xmaxở giá trị độ trượt đạt tối ưu 0. Thực nghiệm chứng tỏ rằng ứng với các loại đường khác nhau thì giá trị 0 thường nằm chung trong giới hạn từ (10-30%), ở giá trị tối ưu 0 này, không những đảm bảo x có giá trị cực đại mà y cũng có giá trị khá cao.

- Vùng (a) gọi là vùng ổn định, ứng với khi mới bắt đầu phanh, vùng (b) là vùng không ổn định của đường đặc tính trượt. Ở cơ cấu phanh thường, khi độ trượt tăng đến giới hạn bị hãm cứng λ =100% (vùng b), do thực tế sử dụng

max

x x

  nên chưa tận dụng hết khả năng bám (Ppmax P Zb.)

- Ở cơ cấu phanh thường, khi phanh đến giới hạn bị hãm cứng λ =100% thì y giảm xuống gần bằng không, thậm chí đối với loại đường có x cao như đường bê tông khô, nên khả năng bám ngang không còn nữa, chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng cũng đủ làm cho xe bị trượt ngang, không tốt về phương diện ổn định khi phanh.

Trên đây là những nhược điểm cơ bản của cơ cấu phanh thường (phanh hãm cứng) vì nó chưa phát huy hết khả năng bám để nâng cao hiệu quả phanh và đảm bảo ổn định của xe khi phanh.

Như vậy nếu giữ cho quá trình phanh xảy ra ở độ trượt của bánh xe là 0

 thì sẽ đạt lực phanh cực đại Ppmax xmax.Gb, nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất và đảm bảo độ ổn định tốt khi phanh nhờ y có giá trị cao. Một cơ cấu phanh chống hãm cứng (ABS ) được thiết kế thực hiện mục tiêu này.

2.4.Phương pháp điều khiển, phương án bố trí cơ cấu điều khiển ABS 2.4.1. Phân loại các phương pháp điều khiển ABS 2.4.1. Phân loại các phương pháp điều khiển ABS

2.4.1.1. Điều khiển theo ngưỡng trượt

Điều khiển theo ngưỡng trượt thấp: 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 các bánh xe bên phần đường có hệ số bám cao vẫn còn nằm trong vùng ổn định của đường đặc tính trượt và lực phanh 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: 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 cao vì tận dụng hết khả năng bám của các bánh xe, nhưng tính ổn định kém.

2.4.1.2. 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 bó cứng thì điều khiển riêng bánh đó.

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.

2.4.1.3. Điều khiển theo kênh

Loại một 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 hai kênh: Một kênh điều khiển chung cho hai bánh xe trước, một kênh điều khiển chung cho hai bánh xe sau. Hay một kênh điều khiển cho hai bánh chéo nhau.

Loại ba kênh: Hai kênh điều khiển độc lập cho hai bánh trước, kênh còn lại điều khiển chung cho hai bánh sau.

Loại bốn kênh: Bốn kênh điều khiển riêng rẽ cho bốn bánh. Hiện nay loại ABS điều khiển theo ba và bốn kênh được sử dụng rộng rãi, ưu và nhược điểm của từng loại được thể hiện qua ba hoặc bốn các phương án bố trí sau.

2.4.2. Các phương án bố trí cơ cấu ABS

2.4.2.1. Phương án 1: ABS có bốn kênh với các bánh xe được điều khiển độc lập.

ABS có 4 cảm biến bố trí ở 4 bánh xe và 4 van điều khiển độc lập, sử dụng cho cơ cấu phanh bố trí dạng mạch thường (một mạch dẫn động cho hai bánh xe cầu trước, một mạch dẫn động cho hai bánh xe cầu sau). Với phương án này các bánh xe đều được tự động hiệu chỉnh lực phanh sao cho luôn nằm trong vùng có khả năng bám cực đại nên hiệu quả phanh là lớn nhất. Tuy nhiên khi phanh trên đường có hệ số bám trái và phải không đều thì mô men xoay xe sẽ rất lớn và khó có thể duy trì ổn định hướng bằng cách hiệu chỉnh vô lăng. Ổn định khi quay vòng cũng giảm nhiều. Vì vậy với phương án này cần phải bố trí thêm cảm biến gia tốc ngang để kịp thời hiệu chỉnh lực phanh ở các bánh xe để tăng cường tính ổn định chuyển động và ổn định quay vòng khi phanh.

2.4.2.2. Phương án 2: ABS có bốn kênh điều khiển và mạch phanh bố trí chéo

Sử dụng cho cơ cấu phanh có dạng bố trí mạch chéo (buồng của xy lanh chính phân bố cho một bánh trước và một bánh sau chéo nhau). ABS có 4 cảm biến bố trí ở các bánh xe và 4 van điều khiển. Trong trường hợp này hai bánh trước được điều khiển độc lập, hai bánh sau được điều khiển chung theo ngưỡng trượt thấp, tức là bánh xe nào có khả năng bám thấp sẽ quyết định áp lực phanh chung cho cả cầu sau. Phương án này sẽ loại bỏ được mômen quay vòng trên cầu sau, tính ổn định tăng nhưng hiệu quả phanh giảm bớt.

2.4.2.3. Phương án 3: ABS có ba kênh điều khiển

Trong trường hợp này hai bánh xe sau được điều khiển theo ngưỡng trượt thấp, còn ở cầu trước chủ động có thể có hai phương án sau.

Đối với những xe có chiều dài cơ sở lớn và mô men quán tính đối với trục đứng đi qua trọng tâm xe cao tức là có khả năng cản trở độ lệch hướng khi phanh, thì chỉ cần sử dụng một van điều khiển chung cho cả cầu trước và một cảm biến tốc độ đặt tại vi sai. Lực phanh trên hai bánh xe cầu trước sẽ bằng

nhau và được điều chỉnh theo ngưỡng trượt thấp. Cơ cấu như vậy cho tính ổn định phanh rất cao nhưng hiệu quả phanh lại thấp.

Đối với những xe có chiều dài cơ sở nhỏ và mômen quán tính thấp thì để tăng hiệu quả phanh mà vẫn đảm bảo tính ổn định, người ta để cho hai bánh trước được điều khiển độc lập.

Tuy nhiên phải sử dụng bộ phận làm chậm sự ra tăng của mô men xoay xe. Cơ cấu đó sử dụng bốn cảm biến tốc độ đặt tại bốn bánh xe.

2.4.2.4. Các phương án 4, 5, 6: Đều là loại có hai kênh điều khiển

Phương án 4: Tương tự như phương án 3, tuy nhiên cầu trước chủ động

được điều khiển theo phương thức chọn cao, tức là áp suất phanh được điều chỉnh theo ngưỡng của bánh xe bám tốt hơn. Điều này tuy làm tăng hiệu quả phanh nhưng tính ổn định lại kém hơn do mômen xoay xe khá lớn, theo phương án này thì khi phanh trên các loại đường mà hai bên bánh xe có hệ số bám chênh lệch nhau lớn thì xe rất dễ bị quay đầu vì lý do bên bánh có hệ số bám thấp bị bó cứng trước trong khi bánh xe bên kia vẫn còn chuyển động để tận dụng tối đa lực bám.

Phương án 5: Trên mỗi cầu chỉ có một cảm biến đặt tại hai bánh xe chéo

nhau để điều khiển áp suất phanh chung cho cả cầu. Cầu trước được điều khiển theo ngưỡng trượt cao, còn cầu sau được điều khiển theo ngưỡng trượt thấp.

2.5.Quá trình điều khiển ABS 2.5.1. Chu trình điều khiển ABS 2.5.1. Chu trình điều khiển ABS

Quá trình điều khiển của cơ cấu ABS được thực hiện theo một chu trình kín như hình 2-13:

Hình 2-13: Chu trình điều khiển kín của ABS

1 - Bộ chấp hành thuỷ lực; 2 - Xy lanh phanh chính; 3 - Xy lanh làm việc; 4 - Bộ điều khiển ECU; 5 - Cảm biến tốc độ bánh xe;

Các cụm của chu trình bao gồm:

- Tín hiệu vào là lực tác dụng lên bàn đạp phanh của người lái xe, thể hiện qua áp suất dầu tạo ra trong xylanh phanh chính.

- Tín hiệu điều khiển bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe và bộ điều khiển (ECU). Tín hiệu tốc độ các bánh xe và các thông số nhận được từ nó như gia tốc và độ trượt liên tục được nhận biết và phản hồi về hộp điều khiển để xử lý kịp thời.

- Tín hiệu tác động được thực hiện bởi bộ chấp hành, thay đổi áp suất