a - Dùng bơm hồi dầu; b - Xả dầu về đường hồi; c - Dùng pít-tông đối áp 1 - Bơm dầu; 2 - Bình tích năng; 3 - Xy-lanh chính; 4 - Van nạp; 5 - Van xả;
6 - Cơ cấu phanh; 7 - Đường hồi dầu; 8 - Van điện từ chính.
- Ngoài ra các ABS còn có thể phân loại theo số lượng cảm biến và số dòng
dẫn động điều khiển riêng rẽ.
2.2. SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG PHANH ABS TRÊN XE TOYOTA VIOS 2014
2.2.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống phanh ABS
Hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS thực chất là một bộ điều chỉnh lực phanh có mạch liên hệ ngược. Sơ đồ khối điển hình của một ABS có dạng như sau: 5 4 3 2 1 6
Hình 2.4. Sơ đồ tổng quan của hệ thống ABS trên ô tô
1. Cảm biến tốc độ; 2. Bộ phận điều khiển; 3. Cơ cấu thực hiện; 4. Nguồn năng lượng;
5. Xy-lanh chính hoặc tổng van khí nén; 6. Xy-lanh bánh xe hoặc bầu phanh.
9 3 c) b) 2 8 4 6 5 6 2 6 4 4 3 5 7 3 1 7 1 5 2 1 a)
- Bộ phận cảm biến (1) có nhiệm vụ phản ánh sự thay đổi của các thông số được chọn để điều khiển (thường là tốc độ góc hay gia tốc chậm dần của bánh xe hoặc giá trị độ trượt) và truyền tín hiệu đến bộ phận điều khiển (2). Bộ phận (2) sẽ xử lý tín hiệu và truyền đến cơ cấu thực hiện (3) để tiến hành giảm hoặc tăng áp suất trong dẫn động phanh.
- Chất lỏng được truyền từ xy-lanh chính (hay tổng van khí nén) (5) qua (3) đến các xy-lanh bánh xe (hay bầu phanh) (6) để ép các guốc phanh và thực hiện phanh.
2.2.2. Sơ đồ hệ thống phanh ABS trên xe TOYOTA VIOS 2014
1,6- Đĩa phanh; 2-Xy-lanh chính; 3-Bầu trợ lực chân không; 4-Bàn đạp phanh; 5-Công tắc; 7,13- Các cảm biến; 8-Dòng dẫn động phanh sau; 9-Đèn báo phanh tay;10-Đèn báo phanh ABS; 11-Cụm bơm ABS; 12-Dòng dẫn động phanh trước
2.2.3. Nguyên lý làm việc
Để hiểu được nguyên lý làm việc của hệ thống chống hãm cứng bánh xe, ta
khảo sát quá trình phanh xe như trên hình 2.6.
Hình 2.6. Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh
Nếu bỏ qua mômen cản lăn rất nhỏ và coi Zbx = const, thì phương trình cân bằng mômen tác dụng lên bánh xe đối với trục quay của nó khi phanh, có dạng:
0 ) ( t b b p d d J M M
Trong đó: Mp - Mô men phanh tạo nên bởi cơ cấu phanh.
Mφ - Mô men bám của bánh xe với đường.
Jb - Mô men quán tính của bánh xe.
b - Tốc độ góc của bánh xe.
Từ đó ta có gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh:
b p t b b J M M d d ( )
Hình 2.7. Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS. khi phanh có ABS.
- Đoạn O – 1 – 2 biểu diễn quá trình tăng Mp khi đạp phanh. Hiệu (Mp - Mφ) tỷ lệ với gia tốc chậm dần εb của bánh xe. Hiệu trên tăng nhiều khi đường Mφ
đi qua điểm cực đại. Do đó sau thời điểm này, gia tốc εb bắt đầu tăng nhanh. Sự tăng đột ngột của gia tốc εb chứng tỏ bánh xe sắp bị hãm cứng và được sử dụng làm tín hiệu vào thứ nhất để điều khiển làm giảm áp suất trong dòng dẫn động. Do có độ chậm tác dụng nhất định nào đó (phụ thuộc vào tính chất hệ thống), sự giảm áp suất thực tế bắt đầu từ điểm 2.
- Do Mp giảm, εb giảm theo và bằng không ở điểm 3 (khi Mp - Mφ). Vào thời điểm tương ứng với điểm 4 – mô men phanh có giá trị cực tiểu không đổi. - Trên đoạn từ điểm 3 đến điểm 6, momen phanh nhỏ hơn momen bám, nên xảy ra sự tăng tốc bánh xe. Sự tăng gia tốc góc bánh xe được sử dụng làm tín hiệu vào thứ hai để điều khiển tăng áp suất trong hệ thống phanh (điểm 5).
- Khi tốc độ góc bánh xe tăng lên, độ trượt giảm và bởi vậy φ và Mφ cũng tăng lên.
- Tiếp theo, chu trình lặp lại. Như vậy, trong quá trình điều khiển, bánh xe lúc thì tăng tốc lúc thì giảm tốc và buộc Mφ phải thay đổi theo chu trình kín 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 1, giữ cho độ trượt của bánh xe dao động trong giới hạn λ1 ÷ λ2
(hình 2.7), đảm bảo cho hệ số bám có giá trị gần với cực đại nhất.
Trên hình 2.8 là đồ thị biểu diễn quá trình thay đổi áp suất trong dẫn động và gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh có ABS theo thời gian.
Hình 2.8. Sự thay đổi áp suất dẫn động
(a) và gia tốc chậm dần của bánh xe (b) khi phanh có ABS.
Hình 2.8a cho thấy, quá trình phanh với ABS nói chung có 3 giai đoạn (3pha): tăng áp suất (12), giảm áp suất (24) và duy trì (giữ) áp suất (45). ABS làm việc với 3 giai đoạn như vậy gọi là ABS 3 pha.
Với các hệ thống chống hãm cứng bánh xe hiện nay, hệ số trượt thay đổi trong khoảng λ1 ÷ λ2 = (15 ÷ 30) %. Tần số thay đổi áp suất trong dẫn động khí nén khoảng (3 ÷ 8) Hz còn trong dẫn động thủy lực đến 20Hz.
Để thấy rõ vai trò của ABS có thể tham khảo số liệu trong bảng 2.1 nhận được khi thử nghiệm xe du lịch trong hai trường hợp có và không có ABS và đồ thị quá trình phanh trên hình 2.10 và 2.11.
Loại đường
Tốc độ bắt đầu phanh
V(m/s)
Quảng đường phanh Sp(m) Mức tăng hiệu quả phanh (%) Có ABS Không ABS
Đường bêtông khô Đường bêtông ướt
13,88 13,88 10,6 18,7 13,1 23,7 19,1 21,1 Đường bêtông khô
Đường bêtông ướt
27,77 27,77 41,1 62,5 50,0 100,0 17,8 37,5
Bảng 2.1. Kết quả thí nghiệm khi phanh ôtô du lịch có trang bị ABS [6]
Hình 2.9. Quá trình phanh điền hình trên mặt đường trơn không có ABS
2.2.3.1. Khi không phanh
Khi không phanh, không có lực tác dụng lên bàn đạp phanh nhưng cảm biến tốc độ luôn đo tốc độ bánh xe và gửi về khối điều khiển ECU khi xe hoạt động.
2.2.3.2. Khi phanh ABS chưa làm việc
Khi người lái đạp phanh, rà phanh mà lực phanh chưa đủ lớn để xảy ra hiện tượng trượt bánh xe quá giới hạn cho phép, dầu phanh với áp suất cao sẽ đi từ tổng phanh đến lỗ nạp thường mở của van nạp để đi vào và sau đó đi ra khỏi cụm thủy lực mà không bị cản trở bởi bất kỳ một chi tiết nào trong cụm thủy lực. Dầu phanh sẽ được đi đến các xy-lanh bánh xe hoàn toàn giống với hoạt động của phanh thường không có ABS.
Khi phanh các xy-lanh bánh xe sẽ ép các má phanh vào đĩa phanh hay đĩa phanh tạo ra lực ma sát phanh làm giảm tốc độ của bánh xe và của xe. Ở chế độ này bộ điều khiển ECU không gửi tín hiệu đến bộ phận chấp hành cụm thủy lực, mặc dù cảm biến tốc độ vẫn luôn hoạt động và gửi tín hiệu đến ECU.
9 8 7 6 5 4 3 2 1
Hình 2.11. Khi phanh bình thường
1,5- Đĩa phanh; 2- Xy-lanh chính; 3- Bầu trợ lực; 4- Bàn đạp;
2.2.3.3. Khi phanh ABS làm việc
Khi người lái tác dụng lên bàn đạp phanh đủ lớn sẽ gây nên hiện tượng trượt. Khi hệ số trượt vượt quá giới hạn quy định (10-30%) thì ABS sẽ bắt đầu làm việc và chế độ làm việc của ABS gồm các giai đoạn sau:
a.Giai đoạn duy trì (giữ) áp suất
Khi phát hiện thấy sự giảm nhanh tốc độ của bánh xe từ tín hiệu của cảm biến tốc độ và cảm biến gia tốc gửi đến bộ điều khiển ECU sẽ xác định xem bánh xe nào bị trượt quá giới hạn quy định.
Hình 2.12. Giai đoạn duy trì (giữ) áp suất
1- Tổng phanh; 2- Ống dẫn dầu; 3,5,7- Van điện; 4- Cuộn dây; 6- Bơm dầu; 8- Bình chứa dầu; 9- Cơ cấu phanh; 10- Cảm biến tốc độ;11- Roto cảm biến; 12- Nguồn điện; 13- Van nạp; 14- Van xả; 15- Khối ECU
13 14 12 8 7 10 15 ECU 5 6 1 4 2 3 11 9
Sau đó, bộ điều khiển ECU sẽ gửi tín hiệu đến bộ phận chấp hành là cụm thủy lực, kích hoạt các role điện từ của van nạp hoạt động để đóng van nạp (13) lại cắt đường thông giữa xy-lanh chính và xy-lanh bánh xe. Như vậy áp suất trong xy-lanh bánh xe sẽ không đổi ngay cả khi người lái tiếp tục tăng lực đạp. Sơ đồ làm việc của hệ thống trong giai đoạn này như trên hình 2.12.
b. Giai đoạn giảm áp suất
Nếu đã cho đóng van nạp mà bộ điều khiển nhận thấy bánh xe vẫn có khả năng bị hãm cứng (gia tốc chậm dần quá lớn), thì nó tiếp tục truyền tín hiệu điều khiển đến role van điện từ của van xả (14) để mở van này ra, để cho chất lỏng từ xy-lanh bánh xe đi vào bộ tích năng (8) và thoát về vùng có áp suất thấp của hệ thống nhờ đó áp suất trong hệ thống được giảm bớt (hình 2.13).
Hình 2.13. Giai đoạn giảm áp
1-Tổng phanh; 2-Ống dẫn dầu; 3,5,7-Van điện; 4-Cuộn dây; 6-Bơm dầu; 8-Bình chứa dầu; 9-Cơ cấu phanh; 10-Cảm biến tốc độ; 11-Roto cảm biến; 12-Nguồn điện; 13-Van nạp; 14-Van xả; 15-Khối ECU.
15 8 ECU 12 6 7 14 10 11 9 1 5 4 2 13 3
c. Giai đoạn tăng áp suất
Khi tốc độ bánh xe tăng lên (do áp suất dòng phanh giảm), khi đó cần tăng áp suất trong xy-lanh để tạo lực phanh lớn, khối điều khiển điện tử ECU ngắt dòng điện cung cấp cho cuộn dây của các van điện từ, làm cho van nạp mở ra và đóng van xả lại bánh xe lại giảm tốc độ … (hình 2.14)
Chu trình giữ áp, giảm áp và tăng áp cứ thế được lặp đi lặp lại, giữ cho xe được phanh ở giới hạn cục bộ tối ưu mà không bị hãm cứng hoàn toàn.
Hình 2.14. Giai đoạn tăng áp
1 - Tổng phanh; 2 - Ống dẫn dầu; 3,5,7 - Van điện; 4 - Cuộn dây; 6 - Bơm dầu; 8 - Bình chứa dầu; 9- Cơ cấu phanh; 10- Cảm biến tốc độ; 11 - Roto cảm biến; 12 - Nguồn điện; 13 - Van nạp; 14 - Van xả; 15 - Khối ECU.
2.3. KẾT CẤU VÀ BỘ PHẬN CHÍNH 2.3.1. Cơ cấu phanh 2.3.1. Cơ cấu phanh
1 5 2 4 15 ECU 12 6 7 8 13 3 14 9 10 11
2.3.1.1. Cơ cấu phanh trước
Đặc điểm kết cấu các chi tiết và bộ phận chính:
Hình 2.15. Cơ cấu phanh trước
1 - Má kẹp, 2 - Pít-tông, 3 - Chốt dẫn hướng, 4 - Đĩa Phanh, 5 - Má phanh.
Hệ thống phanh TOYOTA VIOS 2014 gồm:
- Hệ thống phanh chính (phanh chân): Phanh trước và phanh sau là phanh đĩa điều khiển bằng thủy lực trợ lực chân không, có sử dụng hệ thống chống hãm cứng ABS.
- Phanh dừng (phanh tay): phanh cơ khí tác dụng lên bánh sau.
Dầu phanh DOT 3 hoặc DOT 4.
+ Đĩa phanh: Thường được chế tạo bằng gang. Đĩa đặc có chiều dày 8-13 mm. Đĩa xẻ rãnh thông gió dày 16-15 mm. Đĩa ghép có thể có lớp lõi bằng nhôm hay đồng còn lớp mặt ma sát bằng gang xám.
+ Các xy-lanh thủy lực: được đúc bằng hợp kim nhôm. Để tăng tính chống mòn và giảm ma sát, bề mặt làm việc của xy-lanh được mạ một lớp crom. Khi xy-lanh được chế tạo bằng hợp kim nhôm, cần thiết phải giảm nhiệt độ của dầu phanh là giảm diện tích tiếp xúc giữa pít-tông bằng vật liệu phi kim.
+ Các thân má phanh: chỗ mà pít-tông ép lên được chế tạo bằng thép lá.
+ Tấm ma sát: của má phanh loại đĩa quay hở thường có diện tích bề mặt khoảng 12-16% diện tích bề mặt đĩa, nên điều kiện làm mát đĩa rất thuận lợi.
Trên hình 2.16a, minh họa sự biến dạng của vòng làm kín tương ứng với cùng một áp suất p và ba giá trị khe hở J1, J2 và J3 khác nhau: Với khe hở lớn như J3, vòng làm kín có thể bị ép tụt ra khỏi rãnh lắp trên xy-lanh. Với khe hở J2, vòng làm kín sẽ hư hỏng sau một thời gian ngắn do biến dạng quá lớn. Khe hở với giá trị J1 là vừa phải, với khe hở này, khi áp suất thôi tác dụng, vòng làm kín sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Nhờ độ đàn hồi của các vòng làm kín (2) (Hình 2.16c) và độ đảo chiều của trục đĩa, khi nhả phanh các má phanh luôn được giữ lại cách mặt đĩa một khe hở nhỏ. Do đó không đòi hỏi phải có cơ cấu tách các má phanh và điều chỉnh khe hở phanh đặc biệt nào. Tuy vậy, trên một số xe kích cỡ lớn có thể trang bị thêm cơ cấu điều chỉnh khe hở tự động.
c) J1 2 J 3 J a) b) P P P 3 2 1
c) J1 2 J 3 J a) b) P P P 3 2 1
Hình 2.16. Biến dạn đàn hồi của vòng làm kín
a - Biến dạng của vòng làm kín tương ứng với các khe hở J1, J2, J3 khác nhau
và áp suất p bằng nhau;
b, c - Trạng thái chưa làm việc và đang chịu áp suất; 1 - Pít-tông; 2 - Vòng làm kín; 3 - Xy-lanh.
Qua phân tích nguyên lý làm việc và đặc điểm kết cấu, ta thấy phanh đĩa có một loạt các ưu điểm so với với cơ cấu phanh trống - guốc như sau:
- Có khả năng làm việc với khe hở nhỏ 0,05 – 0,15 mm nên rất nhạy, giảm được thời gian chậm tác dụng và cho phép tăng tỷ số truyền dẫn động.
- Áp suất phân bố đều trên bề mặt má phanh, do đó má phanh mòn đều.
- Bảo dưỡng đơn giản do không phải điều chỉnh khe hở.
- Lực ép tác dụng theo chiều trục và tự cân bằng nên cho phép tăng giá trị của chúng để đạt hiệu quả phanh cần thiết mà không bị giới hạn bởi điều kiện biến dạng của kết cấu. Vì thế phanh đĩa có kết cấu nhỏ gọn và dễ bố trí trong bánh xe.
- Hiệu quả phanh không phụ thuộc chiều quay và ổn định hơn.
Tuy vậy, phanh đĩa còn một số nhược điểm hạn chế sử dụng của nó là:
- Nhạy cảm với bụi bẩn và khó làm kín.
- Các phanh đĩa loại hở dễ bị oxy hóa, bị bẩn làm các má phanh mòn nhanh.
- Áp suất làm việc cao nên các má phanh dễ bị nứt, xước.
- Thường phải sử dụng các bộ trợ lực chân không để tăng lực dẫn động, nên khi động cơ không làm việc, hiệu quả dẫn động phanh thấp và khó sử dụng chúng để kết hợp làm phanh dừng.
2.3.1.2. Cơ cấu phanh sau
Phanh sau là phanh đĩa điều khiển bằng thủy lực trợ lực chân không, có sử dụng hệ thống chống hãm cứng ABS.
Phanh dừng (phanh tay); phanh cơ khí tác dụng lên bánh sau.
2.3.2. Xy- lanh chính 1 2 1 2 8 4 3 9 7 6 5 10 11 Hình 2.17. Kết cấu xy-lanh chính
1- Lò xo; 2- Lỗ bù dầu; 3- Pít-tông; 4- Nút làm kín; 5- Bình chứa dầu phanh; 6- Pít tông; 7- Vòng chặn; 8- Bu lông hãm; 9- Lò xo; 10,11- Cụm van ngược
Là loại xy-lanh kép được thiết kế sao cho nếu một mạch dầu bị hỏng thì mạch dầu khác vẫn tiếp tục làm việc nhằm cung cấp một lượng dầu tối thiếu để phanh xe. Đây là một trong những thiết bị an toàn nhất của xe.
Ở vị trí chưa làm việc, các pít-tông bị đẩy về vị trí ban đầu bởi các lò xo hồi vị, các khoang phía trước pít-tông được nối thông với bình chứa qua lỗ cung cấp dầu. Khi phanh pít-tông bị đẩy sang trái ép dầu phía trước pít-tông đi đến xy-lanh bánh xe. Khi nhả phanh đột ngột dầu phía sau pít-tông chui qua lỗ bù,