Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
2.2.2.1. Cấu tạo:
Cấu tạo của cảm biến gồm một nam châm vĩnh cửu, một quận dây quấn quanh lõi từ, hai đầu cuộn dây được nối với ECU.
Hình 2.11. Vịng xung
2.2.2.2. Ngun lý hoạt động
Khi bánh xe quay, vành răng quay theo, khe hở A giữa đầu lõi từ và vành răng thay đổi, từ thông biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động xoay chiều dạng hình sin có biên độ và tần số thay đổi tỉ lệ theo tốc độ góc của bánh xe. Tín hiệu này liên
tục được gởi về ECU. Tùy theo cấu tạo của cảm biến, vành răng và khe hở giữa chúng,
các xung điện áp tạo ra có thể nhỏ dưới 100mV ở tốc độ rất thấp của xe, hoặc cao hơn
100mV ở tốc độ cao.
Khe hở khơng khí giữa lõi từ và đỉnh răng của vành răng cảm biến chỉ khoảng 1mm
và độ sai lệch phải nằm trong giới hạn cho phép. Hệ thống ABS sẽ không làm việc tốt nếu
khe hở nằm ngoài giá trị tiêu chuẩn.
2.2.3. Bộ chấp hành thuỷ lực
Bộ chấp hành thủy lực có chức năng cung cấp một áp suất dầu tối ưu đến các xi lanh phanh bánh xe theo sự điều khiển của ABS ECU, tránh hiện tượng bị bó cứng bánh xe khi phanh.
Hình 2.13. Bộ chấp hành thuỷ lực
Cấu tạo của một bộ chấp hành thủy lực gồm có các bộ phận chính sau: các van điện từ, motor điện dẫn động bơm dầu, bơm dầu và bình tích áp.
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
Van điện từ: Van điện từ trong bộ chấp hành có hai loại, loại 2 vị trí và 3 vị trí. Cấu
tạo chung của một van điện từ gồm có một cuộn dây điện, lõi van, các cửa van và van một chiều. Van điện từ có chức năng đóng mở các cửa van theo sự điều khiển của ECU để điều chỉnh áp suất dầu đến các xy lanh bánh xe.
Hình 2.15. Cấu tạo van điện từ
Motor điện và bơm dầu: Một bơm dầu kiểu piston được dẫn động bỡi một motor điện, có chức năng đưa ngược dầu từ bình tích áp về xylanh chính trong các chế độ giảm
và giữ áp. Bơm được chia ra làm hai buồng làm việc độc lập thông qua hai piston trái và phải được điều khiển bằng cam lệch tâm. Các van một chiều chỉ cho dòng dầu đi từ bơm về xylanh chính.
2.2.4. Khối điều khiển điện tử ABS (ECU)
Khối điều khiển điện tử là một cụm độc lập không thể sửa chữa, bao gồm 2 mạch xử
lí và các mạch khác cần thiết cho hoạt động của nó.
2.2.4.1. Nhiệm vụ
Theo dõi tốc độ quay của bánh xe thơng qua tín hiệu thu nhận được từ các biến tốc
độ. Nếu có bánh xe nào có xu hướng bị hãm cứng thì nó sẽ kích hoạt ABS làm việc và
cung cấp một điện áp 12V cho các van điện từ tương ứng lắp đặt trong khối thủy lực. Nhờ
đó khối điều khiển điện tử có thể điều khiển được áp suất dẫn động để tránh cho các bánh
xe khỏi bị hãm cứng.
Theo dõi sự làm việc của bản thân nó. Nếu có sự cố xảy ra nó sẽ tự động đưa hệ
Hình 2.16. Bộ điều khiển điện từ ABS
2.2.4.2. Cấu tạo
Cấu tạo của ABS-ECU là một tổ hợp các vi xử lý, được chia thành 4 cụm chính đảm nhận các vai trị khác nhau:
- Phần xử lý tín hiệu - Phần logic
- Bộ phận an tồn
- Bộ chẩn đốn và lưu giữ mã lỗi
* Xử lý tín hiệu: Các tín hiệu được cung cấp đến bởi các cảm biến tốc độ bánh xe sẽ
được biến đổi thành dạng thích hợp để sử dụng cho phần logic điều khiển. Để ngăn ngừa
sự trục trặc khi đo tốc độ các bánh xe, sự giảm tốc của xe,… có thể phát sinh trong quá trình thiết kế và vận hành của xe, thì các tín hiệu vào được lọc trước khi sử dụng. Các tín hiệu được xử lý xong được chuyển qua phần logic điều khiển.
* Điều khiển: Dựa trên các tín hiệu vào, phần logic tiến hành tính tốn để xác định
các thơng số cơ bản như gia tốc của bánh xe, tốc độ chuẩn, ngưỡng trượt, gia tốc ngang. Các tín hiệu ra từ phần logic điều khiển các van điện từ trong bộ chấp hành thủy lực, làm
thay đổi áp suất dầu cung cấp đến các cơ cấu phanh theo các chế độ tăng, giữ và giảm áp
suất.
* An toàn: Mạch an toàn ghi nhận những trục trặc của các tín hiệu trong hệ thống
cũng như của bên ngồi có liên quan, can thiệp liên tục vào trong quá trình điều khiển của
hệ thống. Khi có một lỗi được phát hiện thì hệ thống ABS được ngắt và được báo cho
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
* Chẩn đoán và lưu giữ mã lỗi: Để giúp cho việc kiểm tra và sửa chữa được nhanh chóng và chính xác, ABS-ECU sẽ tiến hành kiểm tra ban đầu và trong quá trình xe chạy thì hệ thống ABS sẽ ghi và lưu lại các lỗi hư hỏng trong bộ nhớ dưới dạng các mã lỗi hư hỏng. Một số mã lỗi có thể tự xóa khi đã khắc phục xong lỗi hư hỏng, nhưng cũng có
những mã lỗi khơng tự xóa được kể cả khi tháo cọc bình ắc quy. Trong trường hợp này, sau khi sửa chữa xong phải tiến hành xóa mã lỗi hư hỏng.
2.2.4.3. Nguyên lý hoạt động
ABS-ECU điều khiển các van điện từ trong bộ chấp hành thủy lực là đóng mở các cửa van để thực hiện các chu kỳ giữ, giảm và tăng áp suất ở các xylanh bánh xe nhằm giữ cho bánh xe khơng bị bó cứng bằng các tín hiệu điện. Có hai phương pháp điều khiển:
- Điều khiển bằng cường độ dòng điện cấp đến các van điện từ, phương pháp này sử dụng đối với các van điện 3 vị trí (3 trạng thái đóng mở của van điện). Phần lớn hiện nay
đang điều khiển ở 3 mức của cường độ dòng điện: 0A, 2A và 5A tương ứng với các chế độ tăng, giữ và giảm áp suất.
- Điều khiển bằng điện áp 12 V cấp đến các van điện từ, phương pháp này sử dụng
đối với các van điện 2 vị trí.
Mặc dù tín hiệu đến van điện là khác nhau đối với từng loại xe, nhưng việc điều khiển tốc độ các bánh xe về cơ bản là như nhau. Khi phanh, áp suất dầu trong mỗi xylanh
bánh xe tăng lên và tốc độ xe giảm xuống. Nếu có bánh xe nào sắp bị bó cứng thì ABS- ECU sẽ điều khiển giảm áp suất dầu ở bánh xe đó.
2.2.5. Nguyên lý hoạt động của ABS
ABS trong hệ thống phanh thủy lực là một bộ tự điều chỉnh áp suất dầu đưa vào xylanh bánh xe sao cho phù hợp với chế độ lăn của bánh xe nhằm hạn chế hoàn toàn khả năng trượt lết của bánh xe khi phanh. Van điện là một trong những bộ phận quan trọng
thực hiện các trạng thái phanh một cách tốt nhất. Tùy theo loại van điện sử dụng trong hệ thống phanh và hệ thống ABS làm việc với nhiều trạng thái khác nhau.
2.2.5.1. Khi phanh bình thường (khơng sử dụng phanh ABS)
Hình 2.17. Sơ đồ cấu tạo hệ thống phanh ABS trên mô tô
1: Đĩa phanh, 2: Vành răng, 3: Cảm biến, 4: Xylanh bánh xe, 5: Bộ chấp hành thủy lực, 6: Đường ống dầu, 7: Xylanh chính, 8: Tay phanh, 9: Cảm biến phanh, 10: Đường dây
điện, 11: ABS-ECU, 12: Ắc quy
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
Hình 2.18. Phanh ABS hoạt động ở chế độ giữ áp
Bộ điều khiển ABS-ECU sẽ gửi tín hiệu điện áp 12V đến bộ chấp hành thủy lực
kích hoạt cuộn dây hoạt động để đóng van giữ áp lại nên sẽ cắt đường thơng giữa xylanh chính với xylanh bánh xe. Như vậy áp suất trong xylanh bánh xe sẽ không đổi ngay cả khi
người lái tiếp tục tăng lực bóp phanh. Trạng thái làm việc của hệ thống ABS thay đổi liên
tục theo tình trạng của xe và mặt đường.
2.2.5.3. Giai đoạn giảm áp
Nếu đã cho đóng van giữ áp mà bộ điều khiển ABS-ECU nhận thấy bánh xe vẫn có khả năng bị hãm cứng (gia tốc chậm dần q lớn) thì nó tiếp tục truyền tín hiệu điện áp 12V đến điều khiển cuộn dây hoạt động để mở van giảm áp. Dầu phanh từ xylanh bánh xe đi vào bình tích áp và thốt về vùng có áp suất thấp của hệ thống. Đồng thời ABS-ECU
gửi tín hiệu điều khiển cho mơ tơ bơm hoạt động để hút dầu từ xylanh bánh xe và bình
Hình 2.19. Phanh ABS hoạt động ở chế độ giảm áp
2.2.5.4. Giai đoạn tăng áp
Khi tốc độ bánh xe tăng lên (do áp suất dầu phanh giảm), khi đó cần tăng áp suất
trong xylanh bánh xe để tạo lực phanh lớn, khối điều khiển điện tử ABS-ECU ngắt dòng điện cung cấp cho cuộn dây của các van điện từ và mô tơ bơm. Van giữ áp mở ra, van
giảm áp đóng lại và mơ tơ bơm ngừng hoạt động. Áp lực dầu phanh từ xylanh chính được
nén đến xyalnh bánh xe nên bánh xe được phanh giảm tốc độ. Chu trình giữ áp, giảm áp
và tăng áp cứ thế được lặp đi lặp lại, giữ cho xe được phanh ở giới hạn trượt cục bộ tối ưu mà khơng bị hãm cứng hồn toàn.
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
2.3. Tính tốn thiết kế mơ hình hệ thống phanh abs sử dụng cho xe gắn máy
Hình 2.21. Bảng thơng số xe Lead
Tên chỉ tiêu Thông số kỹ thuật
Trọng lượng không tải/ đầy tải 112 kg / 240 kg
Kích thước (Dài x Rộng x Cao) 1842 mm x 665 mm x 1130 mm
Chiều dài trục cơ sở 1273 mm
Độ cao yên xe 760 mm Hệ thống phanh Phanh trước Phanh sau Phanh đĩa Phanh tang trống Độ cao gầm xe 130 cm Kích thước bánh trước 90/90-12 44J Kích thước bánh sau 100/90-10 56J • Chú ý: 100/90-10 56J 100 bề rộng của vỏ mm
90 là % chiều cao của vỏ so với bề rộng của vỏ. Như vậy ở đây chiều cao của
vỏ là: 100*90% = 90 mm
66 là khả năng chịu tải ứng với bản
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
Hình 2.22. Sơ đồ lực tác dụng lên xe máy khi phanh
Trong đó:
V: hướng vận tốc chuyển động của mô tô Pw: lực cản khơng khí O: trọng tâm mơ tơ Pj: lực qn tính
Ga: trọng lượng mơ tơ hg: chiều cao trọng tâm mô tô
Pp1: lực phanh của bánh xe trước Pp2: lực phanh của bánh xe sau
Z1: phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe trước Z2: phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe sau
O1: điểm tiếp xúc của bánh xe trước với mặt đường O2: điểm tiếp xúc của bánh sau trước với mặt đường
hg: tọa độ trọng tâm theo chiều cao, chọn hg = 0.4 m
a: khoảng cách từ trọng tâm mô tô đến tâm bánh xe trước, a = 750 mm b: khoảng cách từ trọng tâm mô tô đến tâm bánh xe sau, b = 550 mm L: chiều dài cơ sở mô tô.
2.3.1. Xác định momen phanh theo yêu cầu
Momen phanh cần sinh ra được xác định từ điều kiện đảm bảo hiệu quả phanh lớn
nhất, tức là sử dụng hết lực bám để tạo lực phanh. Muốn đảm bảo điều kiện đó lực phanh sinh ra cần phải tỉ lệ thuận với các phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe.
Từ Hình 2.22 là hình chiếc xe ta viết được phương trình cân bằng momen như sau:
- Đối với bánh trước: Z2. L – G.a + Pj.hg = 0 (2-21)
Mặt khác ta có: 𝑃𝑃𝑗𝑗 =𝐽𝐽𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚.𝑚𝑚𝑚𝑚 =𝐽𝐽𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚.𝐺𝐺𝑎𝑎
𝑔𝑔 (2-23)
Trong đó:
Pj: lực quán tính
jpmax : gia tốc chậm dần cực đại khi phanh, Jmax= φ.g ma: khối lượng của mô tô
g: gia tốc trọng trường, g = 9.8m/s2 Thay (3-3) vào (3-1) và (3-2) ta được:
Z1 =𝐺𝐺 𝐿𝐿(𝑏𝑏+𝑗𝑗𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚.ℎ𝑔𝑔𝑔𝑔 ) (2-24) Z2 =𝐺𝐺 𝐿𝐿(𝑎𝑎 −𝑗𝑗𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚.ℎ𝑔𝑔𝑔𝑔 ) (2-25) Ta biết lực phanh lớn nhất bằng lực bám: Pp ≤ Pφ = φ.Z. Từ đó: - Lực phanh ở bánh xe trước: Pp1 = φ.Z1 [1] (2-26) - Lực phanh ở bánh xe sau: Pp2 = φ.Z2 [1] (2-27)
Trong đó φ là hệ số bám giữa lốp và mặt đường.
Thay (2-24) vào (2-26) ta được lực phanh ở bánh xe trước là: 𝑃𝑃𝑝𝑝1 =𝜑𝜑.𝐺𝐺𝐿𝐿�𝑏𝑏+𝑗𝑗𝑝𝑝𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝.ℎ𝑔𝑔
𝑔𝑔 �=𝜑𝜑.𝐺𝐺𝐿𝐿�𝑏𝑏+𝜑𝜑.ℎ𝑔𝑔� (2-28)
Thay (2-25) vào (2-28) ta được lực phanh ở bánh xe sau là: 𝑃𝑃𝑝𝑝1 =𝜑𝜑.𝐺𝐺𝐿𝐿�𝑎𝑎 −𝑗𝑗𝑝𝑝𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝.ℎ𝑔𝑔
𝑔𝑔 �=𝜑𝜑.𝐺𝐺𝐿𝐿�𝑎𝑎 − 𝜑𝜑.ℎ𝑔𝑔� (2-29)
- Momen phanh ở bánh xe trước:
𝑀𝑀𝑝𝑝1 =𝑃𝑃𝑝𝑝1.𝑟𝑟𝑏𝑏𝑚𝑚1 [1] (2-30)
𝑀𝑀𝑝𝑝1 =𝜑𝜑.𝑍𝑍1.𝑟𝑟𝑏𝑏𝑚𝑚1 =𝐺𝐺.𝜑𝜑𝐿𝐿 �𝑏𝑏+𝜑𝜑.ℎ𝑔𝑔�.𝑟𝑟𝑏𝑏𝑚𝑚 (2-31)
- Momen phanh ở bánh xe sau:
𝑀𝑀𝑝𝑝2 =𝑃𝑃𝑝𝑝2.𝑟𝑟𝑏𝑏𝑚𝑚2 [1] (2-32)
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
d: đường kính vành bánh xe được tính theo đơn vị (inch).
B: bề rộng của lốp được tính theo đơn vị (mm)
λ: hệ số kể đến sự biến dạng của lốp.
Đối với xe lốp có áp suất thấp λ = (0.93 ÷ 0.935). Chọn λ = 0,93
- Kí hiệu lốp trước là: 90/90-12 44J - Kí hiệu lốp sau là: 100/90-10 56J Do đó: rbx1 = (B1+𝑑𝑑1 2.25,4).λ = (90+12 2.25,4).0,93 = 255,432(mm) rbx2 = (B2+𝑑𝑑2 2.25,4).λ = (100+10 2.25,4).0,93 = 211,11 (mm) S: chiều rộng cơ sở
Thay tất cả các giá trị tìm được ở trên vào (2-28), (2-29), (2-31) và (2-33)
Lực phanh ở bánh xe phía trước: Pp1 = 0,6.240.9,811,273 . (0,55 + 0,6.0,4)= 876,658 (N) Lực phanh ở bánh xe phía trước: Pp2 = 0,6.240.9,81
1,273 . (0,75−0,6.0,4) = 565,944 (N)
Momen phanh của bánh xe trước Mp1: 𝑀𝑀𝑝𝑝1 =𝑃𝑃𝑝𝑝1.𝑟𝑟𝑏𝑏𝑚𝑚= 876,658 . 2,55432 = 223,927 (N.m)
Momen phanh của bánh xe sau Mp2: 𝑀𝑀𝑝𝑝2 =𝑃𝑃𝑝𝑝2.𝑟𝑟𝑏𝑏𝑚𝑚2= 565,944 . 0,21111 = 119,476 (N.m)
2.3.2. Xác định momen thực tế sinh ra
2.3.2.1.Đối với cơ cấu phanh trước
Giả sử rằng có lực P tác dụng lên vịng ma sát với bán kính trong là R1 và bán kính
ngồi là R2. Lúc đó áp suất trên vịng ma sát sẽ là:
q = 𝑃𝑃
𝐹𝐹 = 𝜋𝜋(𝑅𝑅𝑃𝑃
2
2−𝑅𝑅12) (2-34)
Trên bề mặt ma sát ta xét một phân tố vịng nằm cách tâm bán kính R, chiều dày dR giới hạn góc dα . Lực ma sát tác dụng lên phân tố vòng: dT = μ.dN = μ.q.dS
q: áp suất tác dung lên bề mặt ma sát. dS = R.dα.dR : diện tích phân bố. α : góc ơm, α = 300 hay α = 𝜋𝜋 6(rad). R1 dR R2 D d
Hình 2.23. Sơ đồ tính tốn bán kính trung bình của đĩa ma sát Momen tác dụng lên toàn bề mặt ma sát là: Momen tác dụng lên toàn bề mặt ma sát là:
Mms = 𝜇𝜇.𝑞𝑞.∫ ∫ 𝑅𝑅𝑅𝑅1𝑅𝑅2 0𝑚𝑚 2.𝑑𝑑𝑅𝑅.𝑑𝑑𝑑𝑑 [1] (2-35) Cuối cùng ta có momen phanh mà cơ cấu phanh bánh trước có thể sinh ra là:
Mms= 𝜇𝜇.𝑞𝑞.𝑅𝑅23−𝑅𝑅13
3 .𝑑𝑑 = 𝜇𝜇.𝑞𝑞.𝑅𝑅23−𝑅𝑅13
3 .𝜋𝜋6 (2-36)
Trong đó:
R1: bán kính trong của đĩa ma sát trước. R1 = 0,1 (m)
R2: bán kính ngồi của đĩa ma sát trước. R2 = 0,13 (m)
P: lực ép lên đĩa má phanh (N). Xác định lực ép lên đĩa má phanh:
P = 𝜋𝜋.𝑑𝑑412.𝑝𝑝 (2-37)
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
Cơ cấu phanh trước sử dụng 2 piston thủy lực để ép đĩa ma sát nên chọn i= 2 Do đó momen mà cơ cấu phanh trước có thể sinh ra là:
Mp1 =2.2. 2 1 2 2 3 1 3 2 2 1 . 3 2 . . 4 . . R R R R p d −