Chương 3: KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH TRÊN XE MITSUBISHI PAJERO
3.3. Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống ABS
3.3.1. Sơ lược về ABS
3.3.1.1. Chức năng nhiệm vụ.
Các bộ điều chỉnh lực phanh, bằng cách điều chỉnh sự phân phối áp suất trong dẫn động phanh các bánh xe trước và sau, có thể đảm bảo:
- Hoặc hãm cứng đồng thời các bánh xe (để sử dụng triệt để trọng lượng bám và tránh quay xe khi phanh).
- Hoặc hãm cứng các bánh xe trước >> sau (để đảm bảo điều kiện ổn định).
Tuy nhiên quá trình phanh như vậy vẫn chưa phải là có hiệu quả cao và an toàn nhất, vì:
)%
30 15 (
%
. 100 =
= −
a b b a
V r
V
Ở đây: Va - Tốc độ chuyển động tịnh tiến của ôtô.
b - Tốc độ góc của bánh xe.
rb - Bán kính lăn của bánh xe.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Chính Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Việt Trang 36
- Còn ôtô, khi phanh với tốc độ 180km/h trên đường khô, bề mặt lốp có thể bị mòn vẹt đi một lớp dày tới 6mm.
- Các bánh xe bị trượt dọc hoàn toàn, còn mất khả năng tiếp nhận lực ngang, và không thể thực hiện quay vòng khi phanh trên đoạn đường cong hoặc đổi hướng để tránh chướng ngại vật, đặc biệt là trên các mặt đường có hệ số bám thấp. Do đó dễ gây ra những tai nạn nguy hiểm khi phanh.
Hình 3.7 Sự thay đổi hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt tương đối của bánh xe Vì thế để đảm bảo đồng thời hiệu quả phanh và tính ổn định cao. Ngoài ra còn giảm mòn và nâng cao tuổi thọ cho lốp, cần tiến hành quá trình phanh ở giới hạn bắt đầu hãm các bánh xe, nghĩa là đảm bảo sao cho các bánh xe trong quá trình phanh không bị trượt lê hoàn toàn mà chỉ trượt cục bộ trong giới hạn λ=( 15÷30)%. Đó chính là chức năng và nhiệm vụ của hệ thống chống hãm cứng bánh xe.
Để giữ cho các bánh xe không bị hãm cứng hoàn toàn khi phanh ngặt, cần phải điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh sao cho độ trượt của bánh xe với mặt đường thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị tối ưu. Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh có thể sử dụng các nguyên lý điều chỉnh khác như:
- Theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh.
- Theo độ trượt cho trước.
- Theo tỷ số vận tốc góc của bánh xe và gia tốc chậm dần của nó.
Như vậy hệ thống chống hãm cứng bánh xe là một trong các hệ thống an toàn chủ động của một ôtô hiện đại. Nó góp phần giảm thiểu các tai nạn nguy hiểm nhờ điều khiển quá trình phanh một cách tối ưu.
Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe đã đuợc nghiên cứu nhiều ở Đức ngay từ những năm đầu thế kỷ XX. Tiếng Đức lúc đó gọi là AntiBlockier System và viết tắt là
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Chính Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Việt Trang 37
A.B.S, sau này tiếng Anh gọi là Antilock Braking System cũng viết tắt là A.B.S hay ABS.
Hình 3.8 Quá trình phanh có và không có ABS trên đoạn đường cong 3.2.2.2. Nguyên lý làm việc.
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 trên hình vẽ 2- 3 dưới đây, gồm:
- Bộ phận cảm biến 1, bộ phận điều khiển 2, bộ phận chấp hành hay cơ cấu thực hiện 3 và nguồn năng lượng 4.
- 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 điều khiển 2. Bộ phận 2 sẽ xử lý tín hiệu và truyền lệnh đến cơ cấu thực hiện 3 để tiến hành giảm hoặc tăng áp suất trong dẫn động phanh.
- Chất lỏng được truyền từ xylanh chính (hay tổng van khí nén) 5 qua 3 đến các xylanh bánh xe (hay bầu phanh) 6 để ép guốc phanh và thực hiện quá trình phanh.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Chính Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Việt Trang 38
Hình 3.9 Sơ đồ tổng quát của một hệ thống chống hãm cứng bánh xe 1- Cảm biến tốc độ; 2- Bộ phận điều khiển; 3- Cơ cấu thực hiện; 4- Nguồn năng lượng; 5- Xylanh chính hoặc tổng van khí nén; 6- Xylanh bánh xe hoặc bầu phanh.
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 3.10.
Hình 3.10 Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Chính Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Việt Trang 39
Nếu bỏ qua mômen cản lăn rất nhỏ và để đơn giản coi Zbx = const, thì phương trình cân bằng mô men tác dụng lên bánh xe đối với trục quay của nó khi phanh, có dạng:
0 )
( =
−
−
t b b
p d
J d M
M
Ở đây: 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 3.11 Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS Sự thay đổi Mp, Mφ, và εb theo độ trượt được thể hiện trên hình 3.11.
- 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, mô men phanh nhỏ hơn mô men bám, nên xảy ra sự tăng tốc bánh xe. Sự tăng gia tốc góc bánh xe được sử dụng làm tín hiệu vào thứ
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Chính Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Việt Trang 40
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 3-12), đảm bảo cho hệ số bám có giá trị gần với cực đại nhất.
Trên hình 3-13 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 3.12 Sự thay đổi áp suất trong dẫn động (a) và gia tốc chậm dần của bánh xe (b) khi phanh có ABS
Hình 3.12 a cho thấy, quá trình phanh với ABS nói chung có 3 giai đoạn (3pha):
tăng áp suất(1-->2), giảm áp suất (2-->4) và duy trì (giữ) áp suất (4-->5). ABS làm việc với 3 giai đoạn như vậy gọi là ABS 3 pha. Một số ABS có thể không có pha duy trì áp suất- gọi là ABS 2 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 3.1 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 3.13; 3.14.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Chính Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Việt Trang 41
Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm khi phanh ôtô du lịch có trang bị ABS (Mỗi bánh xe có một cảm biến và điều khiển riêng)
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
Hình 3.13 Quá trình phanh điển hình trên mặt đường trơn không có ABS
Hình 3.14 Quá trình phanh điển hình của ôtô có trang bị ABS
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Chính Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Việt Trang 42