Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh
2.1.2. Lực phanh sinh ra ở bánh xe
Khi người lái tác dụng vào bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra momen ma sát còn gọi là momen phanh Mp nhằm hãm bánh xe lại. Lúc đó ở bánh xe xuất hiện phản lực tiếp tuyến Pp:
+ Ngược với chiều chuyển động
+ Phương song song với mặt phẳng nằm ngang + Điểm đặt tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp và sàn Xét tại một bánh xe như Hình 2.1
Hình 2.1. Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh
Trong đó:
MP: mơ men phanh tác dụng lên bánh xe
PP: lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường
Mjb: Mơmen qn tính của bánh xe Mf: Mơmen cản lăn
Zb: Phản lực của bánh xe
rb: bán kính làm việc trung bình của bánh xe
Khi đó lực phanh PP sẽ được xác định theo công thức:
𝑃𝑃𝑝𝑝 =𝑀𝑀𝑝𝑝
𝑟𝑟𝑏𝑏 (2-1)
Do đó lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường:
Ppmax= Pφ = Zb. φ (2-2)
Trong đó:
Ppmax: Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường
Pφ: Lực bám giữa bánh xe với mặt đường;
Zb: Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe;
φ: Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường
Khi phanh thì bánh xe chuyển động với gia tốc chậm dần, do đó trên đó trên bánh xe sẽ có mơ men qn tính Mjb tác dụng, mơ men này cùng với chiều chuyển động của bánh
xe; ngồi ra cịn có mơ men cản lăn Mf tác dụng, mơ men này ngược chiều vưới chuyển
động và có tác dụng hãm bánh xe lại. Như vậy trong khi phanh bánh xe thì lực hãm tổng
cộng là:
𝑃𝑃𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝑀𝑀𝑝𝑝+𝑀𝑀𝑟𝑟𝑓𝑓−𝑀𝑀𝑗𝑗𝑏𝑏
𝑏𝑏 = 𝑃𝑃𝑝𝑝 +𝑀𝑀𝑓𝑓−𝑀𝑀𝑟𝑟 𝑗𝑗𝑏𝑏
𝑏𝑏 (2-3)
Trong q trình phanh ơtơ, mơmen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lên, đến một lúc nào đấy sẽ dẫn đến sự trượt lê bánh xe. Khi bánh xe bị trượt lê hồn tồn thì hệ số
bám φ có giá trị thấp nhất thì lực phanh sinh ra giữa bánh xe và mặt đường là nhỏ nhất, dẫn tới hiệu quả phanh thấp nhất. Không những thế, nếu các bánh xe trước bị trượt sẽ làm mất tính dẫn hướng khi phanh, còn nếu bánh sau bị trượt khi phanh làm mất tính ổn định khi phanh.
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
3- Quãng đường phanh
4- Lực phanh và lực phanh riêng
2.1.3.1.Gia tốc chậm dần khi phanh
Gia tốc chậm dần đều khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh. Khi phân tích các lực tác dụng lên ơtơ, có thể viết phương trình cân bằng lực kéo khi phanh ôtô như sau:
𝑃𝑃𝑗𝑗 =𝑃𝑃𝑝𝑝 ±𝑃𝑃𝑓𝑓 +𝑃𝑃𝜔𝜔+𝑃𝑃𝑖𝑖 (2-4)
Trong đó:
Pj: Lực qn tính sinh ra khi phanh mơ tơ Pp: Lực phanh sinh ra ở các bánh xe Pf: Lực cản lăn
Pω: Lực cản khơng khí Pi: Lực cản lên dốc
Pη: Lực để thắng tiêu hao do ma sát cơ khí
Thực nghiệm chứng tỏ rằng các lực cản lại chuyển động của mô tô rất bé so với lực phanh, vì thế có thể bỏ qua các lực cản Pf, Pω, Pη và khi phanh trên đường thẳng ta có:
Pj = Pp (2-5)
Khi đó, lực phanh lớn nhất Pp.max sinh ra tại các bánh xe được xác định bằng biểu
thức:
Pp.max = Pj.max (2-6)
Theo điều kiện bám ta có:
𝑀𝑀𝑝𝑝.𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ≤ 𝑃𝑃𝜑𝜑 ≤ 𝐺𝐺𝜑𝜑 Suy ra:
𝐺𝐺𝜑𝜑 = 𝛿𝛿𝑗𝑗𝑔𝑔.𝐺𝐺.𝑗𝑗𝑝𝑝.𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
(2-7)
Trong đó:
δj: hệ số tính đến ảnh hưởng của các trọng khối quay trên mô tô
jp.max: gia tốc chậm dần khi phanh g: gia tốc trọng trường
𝑗𝑗𝑝𝑝.𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑔𝑔.𝜑𝜑𝛿𝛿
𝑗𝑗 (2-8)
Nhận xét: Để tăng gia tốc chậm dần khi phanh cần phải giảm hệ số δj. Vì vậy khi phanh đột ngột, người lái cần cắt ly hợp để tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực, lúc đó δj sẽ giảm cịn jp.max sẽ tăng. Gia tốc chậm dần cực đại khi phanh còn phụ thuộc vào hệ
số bám φ của lốp với mặt đường (giá trị của hệ số bám lớn nhất φmax = (0.75÷0.8) trên
mặt đường nhựa tốt).
2.1.3.2. Thời gian phanh:
Thời gian phanh cũng là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh.
Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt. Để xác định thời gian phanh cần sử dụng công thức sau:
𝑗𝑗 =𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝜑𝜑.𝑔𝑔δi (2-9)
Từ biểu thức (2-9) có thể viết:
𝑑𝑑𝑑𝑑 =δi 𝑑𝑑𝑑𝑑𝜑𝜑.𝑔𝑔 (2-10)
Muốn xác định thời gian phanh nhỏ nhất chỉ cần tích phân dt trong giới hạn từ thời
điểm ứng với vận tốc phanh ban đầu v1 tới thời điểm ứng với v2 ở cuối quá trình phanh: 𝑑𝑑𝑝𝑝.𝑚𝑚𝑖𝑖𝑚𝑚 = ∫ 𝛿𝛿𝑗𝑗
𝜑𝜑.𝑔𝑔𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝛿𝛿𝑗𝑗
𝜑𝜑.𝑔𝑔(𝑑𝑑1 − 𝑑𝑑2)
𝑑𝑑1
𝑑𝑑2 (2-11)
Khi phanh ôtô đến khi dừng hẳn thì v2 = 0 do đó:
𝑑𝑑𝑚𝑚𝑖𝑖𝑚𝑚 = 𝑑𝑑𝜑𝜑.𝑔𝑔1.𝛿𝛿𝑗𝑗 (2-12) Trong đó:
v1: Ứng với vận tốc phanh ban đầu v2: Ứng với vận tốc khi kết thúc phanh
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
phanh lớn nhất ứng với vận tốc bắt đầu phanh đã định. So với các chỉ tiêu khác thì quãng đường phanh là chỉ tiêu mà người lái xe có thể nhận thức được một cách trực quan nhất,
dễ dàng tạo điều kiện cho người lái xe có thể xử lý tốt khi phanh mô tô trên đường.
Để xác định quãng đường phanh nhỏ nhất, có thể sử dụng biểu thức sau: 𝑗𝑗𝑝𝑝.𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝑔𝑔.𝜑𝜑𝛿𝛿 𝑗𝑗 (2-13) Nhân 2 vế với dSp. Ta có: 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑.𝑑𝑑𝑆𝑆𝑝𝑝 = 𝑔𝑔.𝜑𝜑𝛿𝛿 𝑗𝑗 .𝑑𝑑𝑆𝑆𝑝𝑝 (2-15) Hay 𝑑𝑑.𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝑔𝑔.𝜑𝜑𝛿𝛿 𝑗𝑗 .𝑑𝑑𝑆𝑆𝑝𝑝 (2-16)
Quảng đường phanh nhỏ nhất được xác định bằng cách tích phân dS trong giới hạn từ thời điểm ứng với tốc độ bắt đầu phanh v1 đến thời điểm ứng với vận tốc cuối quá
trình phanh v2. Ta có: 𝑆𝑆𝑝𝑝.𝑚𝑚𝑖𝑖𝑚𝑚 = ∫ 𝛿𝛿𝑗𝑗 𝑔𝑔.𝜑𝜑.𝑑𝑑.𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝛿𝛿𝑗𝑗 𝑔𝑔.𝜑𝜑 𝑉𝑉1 𝑑𝑑2 ∫ 𝑑𝑑𝑑𝑑1 .𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑2 (1-17)
Khi phanh mơ tơ đến lúc dừng hẳn thì v2 = 0, ta có: 𝑆𝑆𝑝𝑝.𝑚𝑚𝑖𝑖𝑚𝑚 = ∫ 𝛿𝛿𝑗𝑗
𝑔𝑔.𝜑𝜑.𝑑𝑑.𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝛿𝛿𝑗𝑗
2𝑔𝑔.𝜑𝜑 𝑉𝑉1
𝑑𝑑2 .𝑑𝑑12 (2-18)
Từ biểu thức trên ta thấy, quãng đường phanh nhỏ nhất của mô tô phụ thuộc vào: - Vận tốc chuyển động của mô tô lúc bắt đầu phanh v1
- Hệ số bám φ
- Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay δi
Muốn giảm quãng đường phanh thì ta cần phải giảm δi, vì vậy nếu người lái cắt ly hợp trước khi phanh thì quãng đường phanh sẽ ngắn hơn. Ở biểu thức trên ta thấy, quãng
đường phanh Sp.min phụ thuộc vào hệ số bám φ, mà hệ số bám φ phụ thuộc vào tải trọng
tác dụng lên bánh xe.
Vì vậy, Sp.min phụ thuộc vào trọng lượng tồn bộ của mơ tơ (G). Ta có đồ thị thể hiện sự thay đổi của quãng đường phanh nhỏ nhất theo vận tốc bắt đầu phanh v1 và giá trị hệ số bám φ như sau:
Hình 2.2. Đồ thị thể hiện sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo tốc độ bắt
đầu phanh v1 và hệ số bám φ
2.1.4. Cơ sở lý thuyết về chống hãm cứng bánh xe khi phanh gấp
Trong tính tốn động lực học của q trình phanh mơ tơ thường sử dụng giá trị hệ số
bám cho trong các bảng. Hệ số bám này được xác định bằng thực nghiệm bánh xe đang chuyển động bị hãm cứng hoàn toàn, nghĩa là khi bánh xe bị trượt lết 100%.
Thực tế thì hệ số bám của bánh xe mơ tơ với mặt đường ngồi việc phụ thuộc vào
loại đường sá và tình trạng mặt đường cịn phụ thuộc khá nhiều bởi độ trượt của bánh xe tương đối với mặt đường trong quá trình phanh. Trên Hình 2.2. Đồ thị thể hiện sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo tốc độ bắt đầu phanh v1 và hệ số bám φ trình bày đồ thị chỉ sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy của bánh xe với mặt đường theo độ
trượt tương đối λ giữa bánh xe với mặt đường. Độ trượt tương đối λ được xác định theo
biểu thức sau:
𝜆𝜆 = 𝑑𝑑−𝜔𝜔𝑏𝑏𝑟𝑟𝑏𝑏
𝑑𝑑 (2-19)
Trong đó:
v: vận tốc của mơ tơ
ωb: vận tốc góc của bánh xe đang phanh
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
Hình 2.3. Sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo
độ trượt tương đối λ của bánh xe khi phanh [1]
Hệ số bám dọc được hiểu là tỷ số của lực phanh tiếp tuyến Pp trên tải trọng Gh tác dụng lên bánh xe
φx =𝑃𝑃𝑝𝑝
𝐺𝐺ℎ (2-20)
Với khái niệm như trên thì hệ số bám dọc bằng không khi lực phanh tiếp tuyến bằng
không nghĩa là lúc chưa phanh.
Từ ta thấy rằng hệ số bám dọc có giá trị cực đại φmax ở giá trị độ trượt tối ưu λ0.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng giá trị λ0 thường nằm trong giới hạn (15÷25) %. Ở giá trị độ
trượt tối ưu λ0 không những đảm bảo hệ số bám dọc có giá trị cực đại mà hệ số bám ngang φy cũng có giá trị khá cao.
Hình 2.4. Q trình phanh của xe có và khơng có ABS Hệ thống chống hãm cứng bánh xe gồm các phần tử sau: Hệ thống chống hãm cứng bánh xe gồm các phần tử sau:
- Cảm biến để phát tín hiệu về tình trạng của đối tượng cần được thơng tin, cụ thể
là tình trạng của bánh xe được phanh. Tùy theo sự lựa chọn nguyên lý điều chỉnh có thể
dùng cảm biến vận tốc góc, cảm biến áp suất trong dẫn động phanh, cảm biến gia tốc của mô tô và các cảm biến khác.
- Bộ điều khiển để xử lý các thông tin và phát các lệnh nhả phanh hoặc phanh
bánh xe (các bộ điều khiển này thường là loại điện tử)
- Bộ thực hiện để thực hiện các lệnh do bộ điều khiển phát ra (bộ thực hiện có thể
là loại thủy lực, loại khí hoặc loại hỗn hợp thủy khí)
Hình 2.5. Sự thay đổi các thơng số Mp, P và J khi phanh có chống hãm cứng bánh xe Hình 2.5 trình bày đồ thị chỉ sự thay đổi của một số thông số của cơ cấu phanh và chuyển động của bánh xe khi có trang bị cơ cấu ABS. Khi tác động lên bàn đạp phanh thì áp suất dầu trong hệ dẫn động tăng lên, nghĩa là moment phanh Mp tăng lên làm tăng giá
(C)
(B) (A)
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
hạn) và ra lệnh cho bộ chấp hành phải giảm áp suất trong trong dẫn động phanh. Sự giảm áp suất sẽ bắt đầu với độ chậm trễ nhất định do đặc tính của cơ cấu. Quá trình diễn biến từ
điểm 1 đến điểm 2 gọi là pha II (pha giảm áp suất trong dẫn động phanh). Gia tốc của bánh xe lúc này giảm dần tại điểm 2 gia tốc dần tiến đến giá trị 0. Giá trị gia tốc này tương ứng với đoạn C2
Sau khi đạt giá trị này, bộ điều khiển ra lệnh cho bộ chấp hành ổn định áp suất trong
dẫn động. Lúc này bánh xe sẽ tăng tốc chuyển động tương đối và vận tốc của bánh xe đạt gần đến vận tốc của xe, nghĩa là độ trượt sẽ giảm và hệ số bám dọc φx tăng lên (đoạn 2-3).
Giai đoạn này gọi là pha III (giai đoạn giữ áp suất ổn định). Bởi vì moment phanh trong
thời gian này được giữ cố định nên gia tốc chậm dần cực đại của bánh xe trong chuyển
động tương đối sẽ phát sinh tương ứng với lúc hệ số bám dọc φx đạt giá trị cực đại. Gia
tốc cực đại này được chọn làm thời điểm phát lệnh và tương ứng với đoạn C3. Lúc này bộ
điều khiển ghi lại giá trị của gia tốc này, và ra lệnh cho bộ chấp hành tăng áp suất dẫn động phanh.
Như vậy, sau điểm 3 lại bắt đầu pha I của chu kỳ làm việc tiếp theo của cơ cấu ABS.
Từ lập luận trên cho thấy rằng, cơ cấu ABS điều khiển moment phanh theo chu kỳ khép kín 1-2-3-1 lúc đó bánh xe làm việc ở vùng có hệ số bám cực đại iφxmax.
2.2. Cấu tạo chung của một mạch điều khiển ABS
2.2.1. Sơ đồ cấu tạo chung của một mạch điều khiển ABS
Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo hệ thống phanh ABS
Hệ thống ABS được thiết kế dựa trên cấu tạo của một hệ thống phanh thường. Ngoài các cụm bộ phận chính của một hệ thống phanh như phanh tay, cơ cấu phanh bánh xe, đĩa
phanh,…để thực hiện chức năng chống hãm cứng bánh xe khi phanh thì hệ thống ABS
cần trang bị thêm các bộ phận như cảm biến tốc độ bánh xe, hộp ECU, bộ chấp hành thủy
lực,…
Cơ bản hệ thống ABS sẽ hoạt động theo sơ đồ sau:
Một hệ thống nào cũng bao gồm 3 cụm bộ phận chính:
- Cụm tín hiệu vào bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe,…có nhiệm vụ gửi tín hiệu tốc độ các bánh xe về bộ điều khiển điện tử.
- Bộ điều khiển điện tử (ECU) có chức năng nhận và xử lý các tín hiệu vào, đưa tín
Cảm biến tốc độ Bộ điều khiển
điện từ
Bộ chấp hành thuỷ lực
Thiết kế, lắp đặt hệ thống phanh ABS trên xe Lead 2010
lực. Điều này giúp giảm xác suất hư hỏng về đường dây điện và dễ kiểm tra, sửa
chữa.
2.2.2. Nguyên lý hoạt động
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS
1. Tay phanh; 2. Xylanh chính; 3. Bộ chấp hành ABS;
4. xylanh công tác; 5. Bộ điều khiển điện tử.
Khi bắt đầu phanh, bánh xe quay với tốc độ giảm dần, khi bánh xe đạt tới giá trị gần bó cứng tín hiệu của các cảm biến gửi về bộ điều khiển bộ điêu khiển trung tâm ECU. ECU tiếp nhận và lựa chọn chế độ đưa ra tín hiệu điều khiển van điều chỉnh áp suất các đường dầu từ xylanh chính đến xylanh bánh xe do vậy lực phanh của cơ cấu phanh khơng tăng được nữa. bánh xe lại có xu hướng lăn với tốc độ cao lên, tín hiệu từ cảm biến lại đưa về bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển điều khiển van chính mở đường dầu tăng
thêm áp suất dẫn ra xylanh bánh xe thực hiện tăng lực phanh gây ra do cơ cấu phanh. Nhờ
đó, bánh xe lại bị phanh và giảm tốc độ quay tới khi gần bó cứng, q trình xãy ra được lập lại theo chu kỳ liên tục cho tới khi xe dừng hẳn.
Trên gắn máy hiện nay một số xe có hệ thống phanh ABS được trang bị nhiều cảm biến với chức năng khác nhau nhằm tăng thêm chất lượng của quá trình phanh nhưng cảm biến tốc độ bánh xe là bộ phận không thể thiếu trong hệ thống phanh ABS.
Cảm biến tốc độ bánh xe có nhiệm vụ nhận biết sự thay đổi của tốc độ bánh xe và gửi tín hiệu về ECU, từ đó ECU nhận biết, xử lý thơng tin và điều khiển các bộ phận
chống hãm cứng bánh xe.
Cảm biến tốc độ bánh xe được gá trên đế của đĩa phanh, hướng vng góc vào vành
răng tín hiệu được gắn trên trục bánh xe, phía ngoài đĩa phanh và cách vành răng một
khoảng hở nhất định gọi là khe hở từ.
Cảm biến tốc độ bánh xe có 2 loại: đó là loại điện từ và loại Hall, trong đó loại điện từ được sử dụng phổ biến hơn.
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. Nguyên 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,