2.6.1. Yêu cầu của cơ cấu ABS
Một cơ cấu ABS hoạt động tối ưu, đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng phanh của ô tô phải thỏa mãn đồng thời các yêu cầu sau:
- Cơ cấu phải đáp ứng được các yêu cầu về an toàn liên quan đến động lực học phanh và chuyển động của ô tô.
- Cơ cấu 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 tông khô có sự bám tốt đến đường đóng băng có sự bám kém ).
- Cơ cấu phải khai thác một các tối ưu khả năng phanh của các bánh xe trên đường, do đó giữ 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 tuyết và hai bánh bên trái chạy trên đường nhựa khô ) thì mô men xoay xe quanh trục đứng đi qua trọng tâm của xe là luôn luôn xảy ra không thể tránh khỏi, nhưng với sự hỗ trợ của cơ cấu ABS, sẽ làm cho nó tăng rất chậm để người lái xe có đủ thời gian bù trừ mô men này bằng cách điều chỉnh cơ cấu lái một cách dễ dàng.
- Cơ cấu phải duy trì độ ổn định và khả năng lái khi phanh trong lúc đang quay vòng - Cơ cấu phải có chế độ tự kiểm tra, chẩn đoán và an toàn. Một mạch kiểm soát phải liên tục kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu một cách đầy đủ. Nếu phát hiện một lỗi nào đó có thể làm hư hỏng việc ứng xử của ABS thì cơ cấu sẽ thông báo cho lái xe biết và khi đó cơ cấu phanh sẽ làm việc như một cơ cấu phanh bình thường.
2.6.2. Phạm vi điều khiển của ABS
Mục tiêu của cơ cấu ABS là giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị λ0 (λ0=10-30% trên đồ thị đặc tính trượt), gọi là phạm vi điều khiển của cơ cấu ABS. Khi đó hiệu quả phanh cao nhất ( lực phanh đạt giá trị cực đại do giá trị ϕxMax ) đồng thời tính ổn định của xe là tốt nhất (ϕy đạt giá trị cao ), thỏa mãn các yêu cầu cơ bản của cơ cấu phanh là rút ngắn quãng đường phanh, cải thiện tính ổn định hướng và khả năng điều khiển lái của xe trong khi phanh.
Thực tế giới hạn này có thể thay đổi trong phạm vi lớn hơn, có thể bắt đầu sớm hơn hay kết thúc trễ hơn tùy theo điều kiện bám của bánh xe và mặt đường.
80 % 1,2 0 20 40 60 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1 2 3 4 Vùng abs điều khiển
Độ trượt λ
Hệ số bám dọc φ
100%
Hình 19 : Phạm vi điều chỉnh của cơ cấu ABS.
1: Lốp bố tròn chạy trên đường bêtông 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 đóng băng.
Trên ( hình 19 ) thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc ϕx và độ trượt λ ứng với các loại lốp khác nhau chạy trên các loại đường có hệ số bám khác nhau. Phạm vi điều khiển của cơ cấu ABS ứng với từng điều kiện cụ thể là khác nhau.
Theo đó ta thấy đối với loại lốp bố tròn chạy trên đường bêtông khô(đường cong 1) thì giá trị ϕxMax đạt được ứng với độ trượt khoảng 10% so với loại lốp bố chéo chạy trên đường nhựa ướt ( đường cong 2 ) là 30%. Độ trượt tối ưu λ0 để đạt giá trị hệ số bám cực đại trong hai trường hợp trên là khác nhau. Vì vậy phạm vi điều khiển ABS của chúng, trường hợp lốp bố tròn chạy trên đường bêtông khô sẽ có quá trình điều khiển ABS xảy ra sớm hơn. Tương tự là phạm vi điều khiển của cơ cấu ABS đối với loại lốp bố tròn chạy trên đường tuyết và đường đóng băng (đường cong 3 và 4).
Độ trượt λ 0 20 40 60 80 % 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 α=10o α=2o α=10o α=2o φy φx Hệ số bám ngang φ y Hệ số bám dọc φ x
Vùng ABS điều khiển
Hình 20 : Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe.
Khi phanh trên đường vòng, xe chịu sự tác động của lực ngang nên các bánh xe sẽ có một góc trượt α . Đồ thị (hình 20 ) thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc ϕxvà hệ số bám ngang ϕy với độ trượt λ ứng với góc trượt o
2 = α và o 10 = α . Ta nhận thấy rằng khi góc trượt lớn ( ví dụ o 10 =
α ) thì tính ổn đ ịnh của xe giảm đi rất nhiều. Trong trường hợp này cơ cấu ABS sẽ ưu tiên điều khiển ổn định của xe hơn là quãng đường phanh. Vì vậy ABS sẽ can thiệp sớm khi hệ số bám dọc ϕx còn giá trị rất nhỏ (ϕx ≈0,35), trong khi hệ số bám ngang ϕy đạt được giá trị cực đại của nó là 0,8, quá trình điều khiển này cũng được kéo dài hơn bình thường. Nhờ vậy xe giữ được tính ổn định khi phanh trên đường vòng, mặc dù quãng đường phanh có thể dài hơn so với khi chạy thẳng.
2.6.3. Chu trình điều khiển của ABS
Quá trình điều khiển của cơ cấu ABS được thực hiện theo một chu trình kín như ( hình 21 ). 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 dầu cấp đến các xylanh làm việc ở các cơ cấu phanh bánh xe.
- Đối tượng điều khiển : là lực phanh giữa bánh xe và mặt đường. ABS hoạt động tạo ra momen phanh thích hợp ở các bánh xe để duy trì hệ số bám tối ưu giữa bánh xe và mặt đường, tận dụng khả năng bám cực đại lực phanh là lớn nhất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Các yếu tố ảnh hưởng: như điều kiện mặt đường, tình trạng phanh, tải trọng của xe, và tình trạng của lốp ( áp suất, độ mòn…).
Trong đó:
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.
Hình 21 : Chu trình điều khiển kín của ABS.
Quá trình điều khiển của ABS được trình bày dưới dạng sơ đồ trạng thái không gian như (hình 22). Phanh thường Giảm áp Giữ hay tăng, giảm áp Dừng tác
động ABS Giảm áp chậm Giảm áp nhanh
Hình 22 : Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của cơ cấu ABS.
Khi phanh chậm sự giảm gia tốc của xe thay đổi chậm và nhỏ thì hoạt động của cơ cấu phanh là bình thường, cơ cấu ABS không can thiệp. Khi phanh gấp hay phanh trên đường trơn, gia tốc chậm dần của bánh xe tăng nhanh, có hiện tượng bị hãm cứng ở các bánh xe, thì ABS sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển giảm áp suất phanh để chống lại sự hãm cứng các bánh xe. Sau đó áp suất phanh sẽ được điều khiển ở các chế độ giữ áp, tăng áp hay giảm áp, thực hiện chế độ tăng áp chậm hay tăng áp nhanh để duy trì độ trượt khi phanh nằm trong khoảng tối ưu. Chu kỳ giảm áp - giữ áp – tăng áp được điều khiển lặp lại phụ thuộc vào tình trạng của các bánh xe , sau đó kết thúc trở về tr ạng thái phanh bình thường. Tùy vào điều kiện của bề mặt đường, số chu kỳ sẽ dao động từ 4-10 lần trong vòng một giây. ABS đạt được tốc độ điều khiển phanh này nhờ các tín hiệu điện tử và khả năng đáp ứng, xử lý nhanh của các bộ vi xử lý trong ECU.
Bắt đầu Kiểm tra ban đầu
Vòng lặp chính Tính toán tốc độ
xe và bánh xe Kiểm tra bộ điều khiển và hệ thống Chọn ngưỡng Không tác động ABS Phân tích và ứng xử Bắt đầu tác động Hoạt động của các van và mô tơ Điều khiển
ABS
Hình 23: Vòng lặp hoạt động của ABS.
Lưu đồ thuật toán chỉ sự hoạt động của cơ cấu ABS theo một vòng lặp kín như sơ đồ (hình 23). Sau khi kiểm tra và kích hoạt các dữ liệu của cơ cấu, cơ cấu vi xử lý bắt đầu điều khiển hoạt động của cơ cấu theo một vòng lặp, tiến hành tính toán tốc độ các bánh xe, tốc độ xe, kiểm tra tình trạng, khả năng đáp ứng của bộ điều khiển và cơ cấu, chọn chế độ làm việc có hay không có sự can thiệp của ABS. Khi ABS hoạt động sẽ tiến hành phân tích diễn biến của quá trình phanh thông qua các tín hiệu vào, xác định các ứng xử và tiến hành điều khiển các bộ phận chấp hành làm việc theo một chu trình vòng lặp kín.
2.6.4. Tín hiệu điều khiển ABS.
Việc lựa chọn tín hiệu điều khiển thích hợp là nhân tố chính trong việc quyết định tính hiệu quả của quá trình điều khiển ABS. Trên tất cả các xe hiện nay đều sử dụng các cảm biến tốc độ bánh xe để tạo ra tín hiệu điều khiển chính và cơ bản nhất cho việc điều khiển quá trình hoạt động của cơ cấu ABS. Sử dụng những tín hiệu này, hộp điều khiển
(ECU) sẽ tính ra được tốc độ của các bánh xe, sự giảm tốc và tăng tốc của nó, tính được tốc độ chuẩn của các bánh xe, tốc độ xe và độ trượt khi phanh.
Sự thay đổi gia tốc của bánh xe là một tín hiệu chính, đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình điều khiển của ABS. ECU sẽ tính toán và xác định các giá trị giới hạn của sự giảm tốc (-a) và tăng tốc (+a) cho phép có thể có của xe để điều khiển các chế độ hoạt động của các van điện trong bộ chấp hành.
Tốc độ chuẩn của bánh xe khi phanh (vRef) là tốc độ tương ứng với tốc độ bánh xe dưới điều kiện phanh tối ưu ( có độ trượt tối ưu ). Để xác định tốc độ chuẩn này, các cảm biến tốc độ bánh xe liên tục gửi về ECU tín hiệu tốc độ của cả 4 bánh xe. ECU chọn những giá trị chéo tức bánh trước phải và sau trái chẳng hạn và dựa vào đây tính tốc độ chuẩn. Một trong hai bánh xe quay nhanh hơn được dùng để xác định tốc độ chuẩn của bánh xe trong từng giai đoạn của quá trình phanh.
Độ trượt khi phanh là giá trị không thể đo được một cách trực tiếp nên sử dụng một tín hiệu tương tự được tính toán trong ECU, gọi là ngưỡng trượt λ1 (đây là một giá trị vận tốc). Tốc độ chuẩn của bánh xe được sử dụng làm cơ sở cho tín hiệu này. Ngưỡng trượt λ1 là một tín hiệu quan trọng thứ hai trong quá trình điều khiển của cơ cấu ABS. Vận tốc thực tế của bánh xe khi phanh (vR) được so sánh với ngưỡng trượt λ1 để cơ cấu ABS quyết định các chế độ điều khiển tăng, giữ hay giảm áp suất phanh trong bộ chấp hành.
Đối với các bánh xe bị động hay các bánh xe chủ động mà khi phanh thì có cắt ly hợp thì chỉ cần tín hiệu gia tốc của bánh xe là đủ để điều khiển cho quá trình hoạt động của ABS. điều này tuân theo quy tắc ứng sử trái ngược nhau của cơ cấu phanh trong vủng ổn định và vùng không ổn định của đường đặc tính trượt. Trong vùng ổn định thì sự giảm tốc của bánh xe là rất nhỏ, tức là khi lái xe đạp phanh với lực càng lớn thì xe giảm tốc càng nhiều mà bánh xe không bị hãm cứng. Tuy nhiên ở vùng không ổn định thì chỉ cần tăng áp suất phanh thêm một ít cũng đủ làm cho bánh xe bị hãm cứng tức thời, nghĩa là sự giảm tốc biến thiên rất nhanh. Dựa trên sự biến thiên gia tốc này ECU có thể xác định được mức độ hãm cứng của bánh xe và có điều khiển thích hợp để duy trì độ trượt khi phanh nằm trong khoảng tối ưu.
Đối với các bánh xe chủ động mà khi phanh không cắt ly hợp và cần số đặt tại vị trí số 1 hay số 2, động cơ sẽ tác động lên các bánh xe chủ động và tăng một cách đáng kể mô men quán tính khối lượng ở các bánh xe. Nói cách khác c ác bánh xe sẽ ứng sử như thể chúng nặng hơn rất nhiều. Điều này dẫn đến gia tốc chậm dần các bánh xe thường chưa đủ lớn để có thể coi như một tín hiệu điều khiển đủ cho ECU có thể xác định hãm cứng của bánh xe. Như vậy việc điều khiển của ABS sẽ thiếu sự chính xác. Vì vậy cần thiết phải cần một tín hiệu tương tự với độ trượt phanh để làm tín hiệu điều khiển phụ, và cần kết hợp tương thích tín hiệu này với tín hiệu gia tốc của bánh xe. Đó chính là ngưỡng trượt λ1.
Trên một số xe có gắn thêm cảm biến giảm tốc đo trực tiếp sự giảm tốc của xe và cảm biến gia tốc ngang xác định tình trạng quay vòng của xe, thì các tín hiệu này được xem như các tín hiệu bổ xung cho tín hiệu gia tốc của bánh xe, mạch logic trong ECU tính toán và xử lý tổ hợp dữ liệu này để đạt được quá trình điều khiển phanh tối ưu.
2.6.5. Quá trình điều khiển của ABS.
Hình24 : Quá trình điều khiển của ABS. Trong đó : vF: Tốc độ xe.
vR : Tốc độ thực tế của bánh xe.
vRef : Tốc độ chuẩn bánh xe. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1
λ : trượt.
Trên đồ thị (hình 24) biểu điễn một quá trình điều khiển hình của cơ cấu ABS. Đường vF biểu diễn tốc độ xe giảm dần khi phanh; đường vRef là tốc độ chuẩn của bánh xe; vR thể hiện tốc độ thực tế của bánh xe khi phanh; đường λ1 là ngưỡng trượt được xác định từ tốc độ chuẩn vRef . Mục tiêu của ABS là điều khiển sao cho trong quá trình phanh giá trị thực tế của bánh xe vR càng sát với tốc độ chuẩn vRef càng tốt, tức nó phải nằm trên ngưỡng trượt λ1.
Trong giai đoạn đầu của quá trình phanh áp suất dầu ở các xylanh bánh xe tăng lên và sự giảm tốc của các bánh xe cũng tăng lên. Giai đoạn này tương ứng với vùng ổn định (+a) trong đường đặc tính trượt, lúc này tốc độ bánh xe vR bằng với tốc độ chuẩn vRef . Ở cuối giai đoạn 1, sự giảm tốc của bánh xe bắt đầu thấp hơn ngưỡng đã chọn (-a). Lập tức các van điện trong bộ chấp hành ABS chuyển sang chế độ giữ áp suất. Áp suất dầu trong các xi lanh phanh bánh xe chưa giảm ngay vì sự trễ trong quá trình điều khiển, nên sự giảm tốc tiếp tục vượt qua ngưỡng (-a).
Ở cuối giai đoạn 2, tốc độ của bánh xe vR giảm xuống dưới ngưỡng λ1. Van điện trong bộ chấp hành chuyển sang chế độ giảm áp, kết quả là áp suất phanh giảm cho đến khi gia tốc bánh xe trở lại lên gần ngưỡng (- a).
Ở cuối giai đoạn 3, gia tốc của bánh xe vượt lên trên ngưỡng (-a) một lần nữa, van điện trong bộ chấp hành lại chuyển sang chế độ giữ áp với thời gian dài hơn, do đó thời điểm này gia tốc của xe tăng lên và vượt qua ngưỡng (+a) , áp suất phanh vẫn giữ không đổi. Ở cuối giai đoạn 4, gia tốc của xe vượt qua ngưỡng giới hạn (+A), lập tức hộp ECU điều khiển van điện chuyển sang chế độ tăng áp trong giai đoạn 5.
Trong giai đoạn 6, áp suất phanh được giữ không đổi một lần nữa vì gia tốc bánh xe vẫn còn trên ngựỡng (+a). Ở cuối giai đoạn này gia tốc của bánh xe xuống dưới ngưỡng (+a), điều này cho thấy các bánh xe đã đi vào vùng ổn định của đường cong đặc tính trượt, tức