Tổng quan hệ thống ABS khí nén

L ỜI MỞ ĐẦU

1.2. Tổng quan hệ thống ABS khí nén

1.2.1.1. Lịch sử phát triển

Hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti-lock Braking Systems) nằm trong hệ thống an tồn chủ động của ơ tơ hiện đại. Hệ thống sẽ điều khiển chống bó cứng các bánh xe trong quá trình phanh, giúp tăng độ ổn định của xe, rút ngắn quãng đường phanh, tăng khả năng điều khiển quay vịng ơ tơ trong trường hợp cần thiết phải tránh chướng ngại vật.

Lịch sử phát triển của hệ thống phanh và phanh ABS qua các thời kì sau:

 Năm 1924: Khai sinh hệ thống phanh thủy lực và đến năm 1931 thì tăng tính an tồn phanh với dẫn động hai dòng;

 Năm 1951: Ứng dụng dạng phanh đĩa.

 Năm 1952 đến 1963 là thời kỳ ứng dụng trợ lực thủy lực và chân không.

 Năm 1978: Hệ thống phanh ABS bắt đầu có ứng dụng thương mại trên ơ tơ. ABS tác động vào hệ thống dẫn động thủy lực nhằm giữ, giảm hoặc tăng áp suất phanh dẫn đến các xi lanh phanh bánh xe để chống trượt lết trong quá trình phanh.

 Năm 1989: Hệ thống phanh ABS được kết hợp với hệ thống chống trượt quay TSC. Hệ thống này điều khiển bằng cách điều chỉnh giá trị của mô men phanh và mô men được truyền từ động cơ đến các bánh xe. Hệ thống này cịn có khả năng điều khiển lượng nhiên liệu cấp cho động cơ nhằm hạn chế trượt quay bánh xe do thừa mô men. Tuy nhiên tại thời điểm đó, số kênh điều khiển hệ thống cịn ít, chỉ điều khiển một kênh, hoặc hai kênh cho toàn bộ các cầu hoặc một cầu xe và sử dụng van điều hịa lực phanh bằng cơ khí để phân phối áp suất phanh đến các bánh.

23

 Năm 1994: Hệ thống phanh ABS được kết hợp với hệ thống cân bằng điện tử EBD. Hệ thống điện tử dần thay thế các hệ thống cơ khí, hệ thống phanh ABS trong hệ thống đã bắt đầu điều khiển nhiều kênh, điều khiển từng bánh xe độc lập.

 Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển điện tử và tự động hóa, các hệ thống điều khiển trên ơ tơ ngày càng được phát triển hồn thiện hơn, nâng cao tính tiện nghi và an tồn sử dụng của ô tô.

 Nhằm nâng cao tốc độ chuyển động và tính an tồn chủ động của ơ tô, hệ thống phanh là một trong những mục tiêu được đầu tư và phát triển nhiều. Trên cơ sở một hệ thống ABS, hệ thống phanh có thể kết hợp với một số hệ thống khác, và đến nay, một hệ thống phanh hiện đại đã có rất nhiều chức năng ưu việt. Ngồi tác dụng cơ bản là giảm tốc độ hay dừng xe, hệ thống phanh cịn can thiệp cả trong q trình khởi động và tăng tốc của ơ tơ, khống chế các hiện tượng quay vịng thiếu, quay vịng thừa, làm tăng tính ổn định của xe khi đi vào đường vòng.

 Một số sự kết hợp của ABS với các hệ thống khác:

 ABS kết hợp với hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử (Electronic

Brake-force Distribution – EBD) và hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp (Brake Assist System – BAS).

 ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo (Traction Control (TRC) hay

Acceleration Slip Regulator (ASR).

 ABS kết hợp với hệ thống điều khiển ổn định ô tô (Electronic Stability

Program – ESP).

 Những năm sau đó là q trình hồn thiện, tối ưu hóa hiệu quả làm việc của hệ thống phanh. Hệ thống ABS hoạt động tối ưu, đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng phanh của ô tô phải đạt được các yêu cầu sau:

 ABS phải đáp ứng được các yêu cầu về an toàn liên quan đến động lực học phanh và chuyển động của ôtô.

 Hệ thống phải làm việc ổn định và có khả năng thích ứng cao, điều khiển tốt trong suốt dải tốc độ của xe và ở bất kỳ loại đường nào (thay đổi từ đường bê tơng khơ có độ bám tốt đến đường đóng băng có độ bám kém);

24

 Hệ thống phải khai thác tối đa khả năng phanh của các bánh xe trên đường nhằm tăng tính ổn định điều khiển và giảm quãng đường phanh. Điều này không phụ thuộc vào việc phanh đột ngột hay phanh từ từ của người lái xe.

 Khi phanh xe trên đường có các hệ số bám khác nhau (ví dụ hai bánh xe bên phải chạy trên đường có dính dầu nhớt và hai bánh bên trái chạy trên đường nhựa khơ) thì mơ men xoay xe quanh trục đứng đi qua trọng tâm của xe luôn luôn xảy ra, lúc này hệ thống ABS cần hỗ trợ làm mơ men quay đó tăng chậm để người lái xe có đủ thời gian điều chỉnh thơng qua hệ thống lái.

 Phải duy trì độ ổn định và khả năng lái khi phanh gấp trong lúc đang quay

vịng.

 Hệ thống phải có chế độ tự kiểm tra, chẩn đốn và an toàn. Một mạch kiểm soát phải liên tục kiểm tra sự hoạt động của hệ thống một cách đầy đủ. Nếu phát hiện một lỗi nào đó có thể làm hư hỏng việc ứng xử của ABS thì hệ thống sẽ thơng báo cho lái xe biết thơng qua đèn báo và khi đó hệ thống phanh sẽ làm việc như một hệ thống phanh bình thường.

1.2.1.2. Phân loại hệ thống ABS

Ta có sơ đồ phân loại dẫn động điều khiển trên ABS

Hình 1.10. Sơ đồ phân loại dẫn động điều khiển

Kênh điều khiển Cảm biên vận tốc Cảm biến vận tốc (thay thế)

4 kênh- 4 cảm biến 3 kênh -

3 cảm biến

4 kênh- 4 cảm biến

3 cảm biến 2 cảm biến 2 cảm biến (6) đk chéo (5) trước sau (4) trước -sau (3) trước -sau (2) đk chéo (1) trước-sau

25

Phân loại theo kiểu điều khiển

a. Điều khiển 4 kênh độc lập (kiểu (1), (2))

Các dịng có thể điều khiển 4 kênh độc lập, theo kiều cầu trước/ cầu sau hoặc điều khiển chéo (X) .

Hệ thống kiểu này được sử dụng rất phổ biến hiện nay vì nó hạn chế được sự phụ thuộc về lực phanh giữa các bánh xe. Nhờ đó mà sự ổn định của xe khi chuyển động được tăng lên

b. Điều khiển 3 kênh ( kiểu (3))

Với kiểu này, 2 bánh cầu trước được điều khiển độc lập còn 2 bánh cầu sau vẫn sử dụng điều khiển chung

c. Điều khiển 2 kênh ( kiểu (4),(5),(6))

Kiểu điều khiển này, chỉ có 2 kênh điều khiển ra 4 bánh xe, do đó có sự phụ thuộc về lực phanh giữa các bánh xe. Với ưu điểm là chi phí rẻ hơn nhưng khơng đảm bảo tốt ổn định cho xe chuyển động bằng các kiểu trên nên kiểu này ít được áp dụng trên xe ngày nay.

Ngồi ra trong hệ thống thủy lực cịn có cách phân loại theo cơ cấu chấp hành gồm: van 2 vị trí, và van 3 vị trí.

1.2.2. Cơ sở lý thuyết hệ thống ABS.

1.2.2.1. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh

Hình 1.11. Sơ đồ lực và mơ men tác dụng lên bánh xe khi phanh

Khi phanh, ở bánh xe xuất hiện các lực và mô men sau:

ξ

P – lực đẩy từ khung xe truyền đến;

rb MP Gb Mjb v Zb Mf ξ P Pp

26

Gb – tải trọng tác dụng lên bánh xe;

Zb – Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe; Mp – Mô men phanh;

Mf – Mơ men cản lăn; Mjb – Mơ men qn tính.

Cơ cấu phanh sinh ra mô men phanh Mp nhằm hãm bánh xe lại, khi đó bánh xe

chuyển động với gia tốc chậm dần. Do bánh xe chuyển động có giatốc nên bánh xe chịu thêm mơ men qn tính Mjb tác dụng cùng chiều với chiều quay của bánh xe. Ngồi ra bánh xe cịn chịu tác dụng của mô men cản lăn Mf ngược chiều chuyển

động. Tuy nhiên mô men cản lăn nhỏ hơn nhiều lần so với mơ men phanh, do đó

trong q trình phanh có thể bỏ qua mơ men cản lăn này. Lúc đó có thể coi cịn duy

nhất thành phần mơ men phanh Mp có tác dụng hãm bánh xe, mô men phanh này tạo ra lực phanh Pp có phương tiếp tuyến, ngược với chiều của lực Pξ, có tác dụng giảm tốc độ chuyển động của ô tô. Lực phanh được xác định theo công thức:

b p p r M P =

1.2.2.2. Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh

Mô men phanh do cơ cấu phanh sinh ra, mặt đường là nơi tiếp nhận thông qua độ bám giữa bánh xe và mặt đường. Lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám giữa bánh xe và mặt đường, được đặc trưng bởi hệ số bám ϕ thông qua mối quan

hệ sau: Ppmax = Pϕ = Zb.ϕ

Trong đó: PPmax – Lực phanh cực đại mà bánh xe có thể tiếp nhận được;

Pϕ – Lực bám giữa bánh xe và mặt đường.

Do đó khi phanh gấp hoặc khi phanh trên các loại đường có hệ số bám ϕ thấp,

như đường trơn ướt, đường tuyết … làm cho Pp > Pϕ; điều này khiến bánh xe nhanh chóng bị trượt lết trên đường.

Hình 1.12 giải thích hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh:

27

v0 là vận tốc lí thuyết của bánh xe.

Các vận tốc đó được xác định theo cơng thức:

b k r v0 =ω . [m/s] và: l k r v =ω . [m/s]

Với: ωk – Vận tốc góc của bánh xe [rad/s]; rb – Bán kính tính tốn [m];

rl – Bán kính lăn của bánh xe [m].

Hình 1.12. Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết

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

vλ = v−v0

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

khi phanh: 1 0 0 = − − − = − = v v v v v v vλ λ

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

X P r1 rb ωk v0 v vλ > 0

28

ωk =0 , v0 =0 , rl →∞ , λ =−1

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

% 100 0 v v v− = λ

Khi λ = 100%, bánh xe bị hãm cứng và trượt lết hồn tồn trên mặt đường.

1.2.2.3. Đặc tính trượt khi phanh

Sự bám của bánh xe với mặt đường được đặc trưng bởi hệ số bám bánh xe với mặt đường ϕ gồm hệ số bám theo phương dọc φx, hệ số bám theo phương ngang φy. Lực phanh cực đại Fxmax của bánh xe tỷ lệ thuận với hệ số bám φ và trọng lượng của xe G

max .

x z

F =Pϕ =F ϕ

Trong đó Pφ - lực bám của bánh xe với mặt đường; Fz- phản lực thẳng từ mặt đường lên bánh xe. Hệ số bám φ phụ thuộc loại, tình trạng mặt đường; kết cấu, vật liệu, độ cứng, áp suất lốp xe; tải trọng lên bánh xe, tốc độ của xe; điều kiện, nhiệt độ làm việc.

Mặt khác khi phanh do tải trọng, phản lực từ mặt đường, mô men tác dụng lên bánh xe thường xuyên thay đổi làm cho lốp xe bị biến dạng, làm xuất hiện hiện tượng trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường. Để đánh giá mức độ trượt sử dụng khái niệm độ trượ λ, được xác định :

. b

v r v

ω

λ = −

trong đó: v - vận tốc chuyển động của xe; ω- vận tốc góc bánh xe; rb - bán kính làm

29 H ệ s ố bám d ọ c ϕx a) b)

Hình 1.13. Đặc tính trượt thể hiện sự thay đổi hệ số bám dọc ϕx, hệ số bám ngang ϕy theo độtrượt tương đối λ (a) và đặc tính trượt với các loại đường

khác nhau (b)

Hình 1.14. Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và độ trượt tương đối với các loại lốp

1- Lốp bố tròn chạy trên đường khô; 2- Lốp bố chéo chạy trên đường nhựa ướt; 3- Lốp bố tròn chạy trên đường tuyết; 4- Lốp bố tròn chạy trên đường băng

Mối quan hệ hệ số bám ϕ của các loại đường, lốp xe và độ trượt được trình bày

trong hình 1.13 và hình 1.14.

 Trong đồ thị hình 1.13a hệ số bám dọc φx, hệ số bám ngang φy thay đổi theo độ trượt tương đối λ. Khi bánh xe làm việc trong vùng a (vùng ổn định): độ trượt λ tăng thì hệ số bám dọc φx tăng lên nhanh chóng, đạt giá trị cực đại trong khoảng λ =

15 ÷30% và hệ số bám ngang φy có giá trị cao. Nếu bánh xe làm việc trong vùng b

y x ϕ

30 H ệ số bá m nga ng ϕY H ệ s ố d

(vùng không ổn định): khi độ trượt tiếp tục tăng thì hệ số bám dọc φx giảm từ 50

÷60%, cịn hệ số bám ngang φy giảm nhanh hơn, thậm trí nếu λ = 100% (bánh xe trượt hồn tồn) thì hệ số bám ngang φy giảm gần về “0”.

 Trong đồ thị hình 1.13b: hầu hết các loại đường hệ số bám dọc φx đạt giá trị

cực đại, hệ số bám ngang φy đạt giá trị khá cao khi độ trượt tương đối λ nằm trong vùng giá trị độ trượt tối ưu. Vì vậy, khi nghiên cứu thiết kế hệ thống phanh và điều khiển quá trình phanh ơtơ người ta chọn giá trị độ trượt tối ưu λ = 15 ÷30% là

ngưỡng điều khiển gọi là “Điều khiển theo giá trị độ trượt định trước”. Trong thực tế các bánh xe trên cùng 1 cầu hay trên cùng một vết cũng làm việc trên mặt đường có hệ số bám φ khác nhau địi hỏi hệ thống phanh phải có khả năng tự điều khiển sao cho bánh xe làm việc trong vùng độ trượt tối ưu .

 Trong hình 1.14: mỗi một loại lốp (kích thước, kết cấu, áp xuất hơi lốp) có

đặc tính (biến dạng - độ cứng) khác nhau thì quan hệ giữa φx và λ0 khác nhau vì vậy

khi nghiên cứu, tính tốn q trình phanh của xe phải xem xét quan hệ động lực học của xe, bánh xe với đặc tính của từng loại lốp xe. Đồng thời trong q trình sử dụng khơng tuỳ tiện thay đổi kiểu, loại lốp xe do nhà thiết kế qui định cho mỗi loại xe.

Hình 1.15: Mối quan hệφx; φy với λ ứng với góc lệch bên φi

Khi xe ô tô chuyển động trên đường nghiêng, đường vòng tại bề mặt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường luôn xuất hiện phản lực của đường bánh xe (phản lực thẳng

31

đứng Fz, phản lực bên Fy). Do bánh xe đàn hồi nên mặt phẳng đối xứng của bánh xe dịch chuyển đi một đoạn, khi đó đường tâm vết tiếp xúc với phương vận tốc bánh xe tạo thành góc lệch αi gọi là góc lệch bên. Mối quan hệ góc lệch bên αi, φx và φy với λ trong hình 1.15. Ta nhận thấy khi αi tăng thì λ tăng, tính ổn định của xe giảm vì vậy trong trường hợp này phải ưu tiên điều khiển ổn định của xe.

1.2.2.4. Nguyên tắc điều khiển của ABS.

Mục tiêu hệ thống phanh ABS là điều khiển áp suất dẫn động phanh sao cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt (λ) thay đổi trong phạm vi hẹp quanh giá trị trượt tối ưu (λ0) để tận dụng tối đa khả năng bám, tại điểm đó lực phanh (Pp) đạt giá trị cực đại, đồng thời tính ổn định và tính dẫn hướng của xe là tốt nhất .

k x

p P Z

P max = ϕmax =ϕ max. (1)

Trong đó: Pp - lực phanh bánh xe; Ppmax - lực phanh cực đại.

φmax - hệ số bám cực đại; Pφmax - lực bám cực đại.

Zk - phản lực thẳng đứng mặt đường lên bánh xe.

Quá trình điều khiển áp suất phanh trong cơ cấu phanh; sự biến đổi gia tốc chậm dần bánh xe (ω ), mômen phanh (Mb), hệ số bám (φx; φy) và độ trượt (λ) của bánh

xe khi phanh trong hình 1.17. Quá trình điều khiển như sau:

 Khi tác động lên bàn đạp phanh thì áp suất dẫn động trong hệ thống tăng lên,

làm cho mômen phanh (Mp) tại các bánh xe tăng làm tăng gia tốc chậm dần của

bánh xe đồng thời độ trượt của nó tăng theo. Khi tăng đến điểm mà tại đó hệ số bám

dọc đạt giá trị cực đại (φxmax), độtrượt đạt độtrượt tối ưu (λ0) trên đường cong φx =

f(λ) thì gia tốc chậm dần của bánh xe tăng đột ngột. Điều này báo hiệu bánh xe có