Kết cấu và nguyên lí hoạt động của hệ thống ABS tr- 123docz.net

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHANH

2.2.2 Kết cấu và nguyên lí hoạt động của hệ thống ABS trên xe Toyta Vios 2015 G

2.2.2.1 Khối điều khiển điện tử ABS (ECU)

ECU xem như “bộ não“ của hệ thống phanh ABS tự động điều chỉnh với độ chính xác cao.

Nhiệm vụ của ECU:

- Theo dõi tốc độ quay của mỗi bánh xe khi phanh thông qua tín hiệu thu nhận từ cảm biến tốc độ. Nếu thấy 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 ECU có thể điều chỉnh được áp suất trong dòng dầu, để tránh các bánh xe bị hãm cứng.

-Nếu có sự cố xảy ra thì nó sẽ tự động đưa hệ hệ thống sang chế độ phanh bình thường như khi không có ABS.

Hệ thống đảm bảo an toàn và tự kiêm tra nhờ 2 bộ vi xử lí lắp đặt trong ECU theo nguyên lý:

- Khi 2 bộ vi xử lí nhận cùng một tín hiệu thông tin như nhau, thì sau khi xử lí ECU phải tạo ra các tín hiệu bên trong và bên ngoài giống nhau.

ECU nhận biết được tốc độ quay của bánh xe, cũng như tốc độ chuyển động tịnh tiến của xe nhờ tín hiệu truyền về từ các cảm biến tốc độ bánh xe. Trong khi phanh sự giảm tốc độ xe tùy theo lực đạp phanh, tốc độ xe lúc phanh, và điều kiện mặt đường. ECU giám sát điều kiện trượt giữa bánh xe và mặt đường nhờ bộ kiểm tra sự thay đổi tốc độ bánh xe trong khi phanh. Nó xử lý và phát tín hiệu điều khiển cho khối thuỷ lực cung cấp những giá trị áp suất tốt nhất trong xi lanh bánh xe để điều chỉnh tốc độ bánh xe, duy trì lực phanh lớn nhất từ 10 ÷ 30% tỉ lệ trượt.

Ngoài ra ECU còn thực hiện chức năng tự kiểm tra và cho ngừng chức năng ABS nếu phát hiện hệ thống có trục trặc (như: Thiếu dầu, không đủ áp suất trợ lực hoặc mất tín hiệu từ các cảm biến tốc độ, …) lúc đó hệ thống điều khiển điện tử ngưng hoạt động nó cho phép hệ thống phanh tiếp tục làm việc như một hệ thống phanh bình thường, không có ABS. Những trục trặc trong hệ thống sẽ được cảnh báo bằng đèn ABS trên bảng điều khiển. Việc xác định chính xác vị trí và tình trạng hư hỏng sẽ được tiến hành thông qua mã chẩn đoán theo tần suất và thời gian thể hiện ở đèn cảnh báo. Các tín hiệu vào đến bộ vi xử lý được xử lý một cách độc lập. Chỉ khi nào kết quả có tính đồng nhất thì ECU mới điều khiển khối thủy lực - điện tử. Nếu các tín hiệu vào không đồng nhất – chẳn hạn khi hệ thống khóa cứng bánh xe bị lỗi thì các cầu chì và phanh đảm bảo hoạt động theo phanh bình thường. Đồng thời, đèn cảnh báo trên táp-lô sẽ sáng lên để báo cho người lái biết.

Các tín hiệu truyền về từ các cảm biến tốc độ đến ECU được chuyển đổi thành tín hiệu sóng vuông bằng bộ khuyếch đại trên đường vào.

Tần số của các tín hiệu này cung cấp phù hợp với giá trị tốc độ, sự gia tốc hoặc sự giảm tốc của mỗi bánh xe đến ECU. Khi người lái xe tác dụng lên bàn đạp phanh, các bánh xe có thể giảm tốc đến giá trị khác nhau: Bằng việc so sánh tốc độ mỗi bánh

xe với tốc độ tham khảo hệ thống có thể luôn luôn kiểm tra độ trượt của mỗi bánh xe.

Nếu lực phanh là nguyên nhân làm một bánh xe trượt đối với bánh xe khác, ECU điều khiển van điện từ của khối thủy lực – điện tử làm giảm lực phanh trên bánh trượt. Hệ thống ABS can thiệp bằng việc tính toán ngưỡng giảm tốc, gia tốc và trượt của các bánh xe. Ngay khi mối liên hệ ngưỡng gia tốc/giảm tốc và trượt vượt quá giới hạn, ECU điều khiển các van điện từ của khối thủy lực – điện tử bằng cách điều chỉnh áp suất phanh theo 3 giai đoạn là gia tăng, duy trì và giảm áp suất..

Nguyên lý hoạt động của ECU:

Khi có tín hiệu phanh, tín hiệu tốc độ bánh xe, đối với một số xe còn có thêm tín hiệu gia tốc hay tín hiệu trọng lực … Từ hệ thống các cảm biến gửi đến thì ECU nhận được bởi mạch điện nhận tín hiệu các tín hiệu này đuợc chuyển sang khối điều khiển để tiến hành tính toán khả năng hãm cứng của bánh xe và tiến hành so sánh với các giá trị có trong ngưỡng bộ nhớ ECU. Tất cả các quá trình làm việc ở trên, được kiểm tra theo dõi bởi bộ vi xử lý. Bộ phận vi xử lý tiếp nhận các tín hiệu của quá trình nhập, tính toán cũng như xuất tín hiệu, nên kiểm tra quá trình đó một cách chính xác.

Đặc biệt các bộ phận vi xử lý trong ECU có mối liên hệ rất chặt chẽ vì vậy mà ECU làm việc rất chính xác và hiệu quả.

Sau đó quyết định của cụm vi xử lí chính được đưa tới mạch xuất tín hiệu và được khuếch đại để đưa tới các bộ phận thi hành chức năng chống hãm cứng theo sơ đồ sau:

Hình 2.5 Sơ đồ khối của khối điều khiển ABS với các tín hiệu đầu vào, đầu ra Theo sơ đồ của mạch điều khiển chống hãm cứng thì sau khi mở công tắc điện, ECU được cung cấp điện và tiến hành một số chức năng kiểm tra ban đầu cho hệ thống ABS. Nếu có sai sót thì hệ thống ABS không hoạt động và ngược lại. ECU tiến hành tính toán, kiểm tra khả năng hãm cứng của bánh xe.

Qua kết quả nhận được ECU tiến hành lựa chọn:

- Nếu phanh thường thì bánh xe không có khả năng chống hãm cứng nên hệ thống chống hãm cứng bị ngắt.

- Nếu bánh xe có khả năng bị hãm cứng bộ vi xử lý chính tiến hành phân tích so sánh với các ngưỡng giá trị cài sẵn trong bộ nhớ của ECU rồi đưa ra quyết định và chuyển đến bộ phận phân tích, bộ phận phân tích đưa tín hiệu đến các bộ phận thi hành chức năng chống hãm cứng như van điện và bơm ABS để thực hiện chức năng

Khối điều khiển ABS

Cảm biến tốc độ bánh sau, bên trái

Công tắc đèn stop

Tín hiệu ra đến bộ tự kiểm tra Cảm biến tốc độ

bánh trước, bên phải

Cảm biến tốc độ bánh sau, bên phải

Cảm biến tốc độ bánh trước, bên trái

Bộ truyền động thuỷ lực

Đèn báo ABS Tín hiệu đầu ra

Tín hiệu đầu vào Rơ le ABS

chống hãm cứng.

Chu trình trên được lặp đi lặp lại liên tục cho đến khi tín hiệu gửi đến từ các cảm biến cho biết tình trạng của bánh xe không còn có khả năng chống hãm cứng thì ECU ngắt tín hiệu cung cấp. Cả hệ thống chống hãm cứng trở trạng thái bình thường không hãm cứng.

Với sự trang bị của hệ thống phanh ABS thì hiệu quả phanh, tính ổn định khi phanh được nâng cao.

2.2.2.2 Hệ thống các cảm biến a) Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh xe

Là 4 cảm biến riêng biệt cho từng bánh xe, nhận và truyền tín hiệu tốc độ của bánh xe về cho khối điều khển điện tử ECU.

Cảm biến tốc độ bánh xe thực chất là một máy phát điện cỡ nhỏ. Cấu tạo của nó gồm:

- Rotor: Có dạng vòng răng, được dẫn động quay từ trục bánh xe hay trục truyền lực nào đó.

- Stator: Là một cuộn dây quấn trên thanh nam châm vĩnh cửu.

Hình 2.6 Cảm biến tốc độ bánh xe trước 1-Nam châm vĩnh cửu; 2- Cuộn dây điện; 3- Lõi;

4-Rô to cảm biến; 5-Cảm biến tốc độ

Hình 2.7 Cảm biến tốc độ bánh xe sau

Bộ cảm biến làm việc như sau:

- Khi mỗi răng của vòng răng đi ngang qua nam châm thì từ thông qua cuộn dây sẽ tăng lên và ngược lại, khi răng đã đi qua thì từ thông sẽ giảm đi. Sự thay đổi từ thông này sẽ tạo ra một suất điện động thay đổi trong cuộn dây và truyền tín hiệu này đến bộ điều khiển điện tử.

- Bộ điều khiển điện tử sử dụng tín hiệu là tần số của điện áp này như một đại lượng đo tốc độ bánh xe. Bộ điều khiển điện tử kiểm tra tần số truyền về của tất cả các cảm biến và kích hoạt hệ thống điều khiển chống hãm cứng nếu một hoặc một số cảm biến cho biết bánh xe có khả năng bị hãm cứng.

- Tần số và độ lớn của tín hiệu tỷ lệ thuận với tốc độ bánh xe. Khi tốc độ của bánh xe tăng lên thì tần số và độ lớn của tín hiệu cũng thay đổi theo và ngược lại.

b)Nguyên lý làm việc của cảm biến tốc độ

Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường khép kín qua các cuộn dây, khi các bánh xe quay thì vòng răng cũng quay cùng tốc độ. Các răng trên vòng răng cắt các từ trường của nam châm làm thay đổi từ trường qua các cuộn dây. Do đó từ thông qua các cuộn dây cũng thay đổi làm xuất hiện dòng điện tự cảm trong cuộn dây. Vì vậy ở hai đầu cuộn dây xuất hiện một điện áp xoay chiều. Điện áp này thay đổi theo tốc độ

1- Nam châm vĩnh cửu; 2- Cuộn dây điện; 3-Lõi; 4-Cảm biến tốc độ; 5-Rô to cảm biến

quay của bánh xe cả về độ lớn và tần số dao động. Nhờ sự thay đổi này mà ECU nhận biết được tốc độ bánh xe.

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến tốc độ bánh xe

2.2.2.3 Cảm biến gia tốc

Việc sử dụng cảm biến gia tốc cho phép ABS đo trực tiếp sự giảm tốc của bánh xe trong quá trình phanh. Nhờ đó biết được trạng thái mặt đường, qua đó điều chỉnh áp suất dầu phanh hợp lý.

Hình 2.9 Cấu tạo cảm biến gia tốc

Ngoài ra, cảm biến kiểu bán dẫn cũng được sử dụng để đo sự giảm tốc, do nó có 1- Rô to cảm biến; 2- Cuộn dậy; 3- Nam châm vĩnh cửu

thể đo được cả gia tốc ngang và gia tốc dọc

Nguyên lý làm việc của cảm biến gia tốc dựa vào tính năng dẫn điện của photo- transistor và lực quán tính khi phanh.

Ô tô đang chuyển bình thường nếu phanh đột ngột thì tốc độ ôtô sẽ giảm đột ngột do lực quán tính làm ô tô dồn về phía trước khi đó đĩa cũng xoay đi một góc  nào đó sự thay đổi này cho phép ánh sáng từ các đèn LED đến được các photo- transistor. Do vậy photo-transistor dẫn điện, tuỳ theo sự biến thiên của vận tốc mà có một hoặc hai photo-transistor dẫn điện sự thay đổi này là tín hiệu để ECU nhận biết được tốc độ giảm dần của ô tô.

ECU cung cấp một điện áp ổn định khoảng 5V cho cảm biến gia tốc.

2.2.2.4 Khối điều khiển thủy lực

Gồm có 2 hai phần gắn liền nhau: Khối điện tử và khối thủy lực-điện tử

ECU điều khiển khối thủy lực-điện tử theo các tín hiệu truyền về từ các cảm biến và được so với các bản đồ mà chương trình đã được nạp sẵn trong bộ nhớ của nó. Khối thủy lực được nối đến xi lanh chính và các chi tiết hệ thống phanh ABS bằng các ống dẫn chính của hệ thống phanh. Như vậy, khối thủy lực điện tử có nhiệm vụ điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh theo tín hiệu điều khiển của ECU, tránh cho các bánh xe khỏi bị hãm cứng khi phanh.

Hệ thống bơm hồi dầu gồm có rơle và mô tơ bơm, hoạt động nhờ tín hiệu từ ECU bơm dầu đến pittông xi lanh chính để bù lại lượng dầu xả về bình chứa khi ABS làm việc.

Khối điều khiển thuỷ lực thực hiện nhiệm vụ chống trượt lê khi nhận được tín hiệu điều khiển từ ECU gửi đến. Bộ điều khiển thủy lực làm thay đổi áp lực phanh đến các xi lanh bánh xe bằng cách đóng mở các van điện và hoạt động của bơm

Bộ điều khiển thuỷ lực (HCU)

Các bộ phận chính trong bộ điều khiển thuỷ lực gồm:

- Các van điện với nhiệm vụ chính là để đóng mở các mạch dầu

-Hệ thống các van an toàn - Van kiểm tra áp lực - Bơm điện

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo bộ điều khiển thủy lực

Hệ thống bơm hồi dầu gồm có rơle và mô tơ bơm, hoạt động nhờ tín hiệu từ ECU bơm dầu đến pittông xy lanh chính để bù lại lượng dầu xả về bình chứa khi ABS làm việc

Bơm điện được trang bị trên hệ thống phanh ABS bằng cách đẩy dầu từ bơm điện được trang bị trên hệ thống phanh ABS bằng cách đẩy dầu từ xi lanh bánh xe hồi về xi lanh chính khi giảm áp lực phanh mặc khác làm tăng áp lực dầu ở xi lanh chính, thuận lợi cho việc tăng áp lực phanh của hệ thống nhất là khi người tài xế đạp mạnh pedal.

Nguyên lý làm việc: Dòng điện được gửi tới các cuộn dây trong bơm tạo ra lực từ dẫn động làm rotor quay. Khi hệ thống ABS cần giảm áp lực phanh thì van điện mở dầu trở về bộ tích năng, đầu vào của bơm nối đường tới của bộ tích năng, nếu áp lực

trong bộ tích năng lớn làm cho bánh xe có thể bị hãm cứng thì lúc này ECU điều khiển cung cấp nguồn cho bơm làm việc để đẩy dầu từ bộ tích năng về xi lanh chính tiếp tục giảm áp lực phanh.

2.3 Tính toán kiểm nghiệm hệ thống phanh ABS Toyota VIOS G 1.5 AT 2015 Bảng 2.2 Các thông số dùng để tính toán

Trọng lượng toàn bộ Ga = 1500 [KG] = 15000[N]

Phân bố cầu trước G1 = 800 [KG] = 8000 [N]

Phân bố cầu sau G2 = 700 [KG] = 7000 [N]

Chiều dài cơ sở Lo = 2550 [mm]

Chiều rộng cơ sở S = 1475 [mm]

2.3.1 Xác định mô men phanh ở cầu trước và sau

Mô men phanh cần sinh ra được xác định từ điều kiện đảm bảo hiệu quả phanh lớn nhất, tức 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.

P w

P j

G a

a P 2

Z 2 O 2 Z 1

P 1 O 1

Hình 2.11 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh Tải trọng phân bố lên cầu trước và cầu sau: m1, m2.

m1 = m2 =

Trong đó: m1, m2 – Hệ số phân bố tải trọng.

G1, G2 - Trọng lượng phân bố lên cầu trước và sau.

Ga - Trọng lượng toàn tải của xe.

a và b - Chiều dài từ cầu trước và sau đến trọng tâm xe theo chiều dọc.

Theo sơ đồ trên hình 2.11 ta quy ước chiều dương là chiều ngược chiều kim đồng hồ.

Lấy mô men tại điểm O1 ta có:

G2.a – Z2.L0 = 0 Z2 = (3.1) Mặt khác Z2 = G2 m2 = = = =

a = m2.L0 = (3.2) Thay số vào ta được: a = (mm) = 1,19 (m)

Từ sơ đồ hình 2.11 ta thấy:

a + b = L0

b = L0 – a = 2550 – 1190= 1360 (mm) = 1,36 (m) Từ hình 2.11 ta viết được phương trình cân bằng mô men như sau:

+ Đối với cầu trước:

Z2.L0 – Ga .a + PJ hg = 0 (3.3) + Đối với cầu sau:

Z1.L0 – Ga .b + PJhg= 0 (3.4) Mặt khác ta có PJ = Jp.ma (3.5) Trong đó: PJ – Lực quán tính.

m a – Khối lượng của ô tô.

g – Gia tốc trọng trường.

Thay (3.5) vào (3.3) và (3.4) ta được:

Z1 = (3.6) Z2 = (3.7)

+ Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước với mặt đường:

P = φ. (3.8)

+ Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau với mặt đường:

Pp2 = φ. (3.9) Trong đó: φ là hệ số bám giữa lốp và mặt đường.

Thay (3.6) vào (3.8) ta được lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước với mặt đường là:

Pp1=φ.=φ. (3.10)

Thay (3.7) vào (3.9) ta được lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau với mặt đường là:

Pp2=φ.=φ. (3.11)

Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước:

(3.12) (3.13)

Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau:

(3.14) (3.15)

Trong đó:

Mp1 - Mômen phanh mỗi bánh xe ở cầu trước.

P1 - Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước với mặt đường.

Mp2 - Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau.

P2 - Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau với mặt đường.

Z1 - Phản lực của mặt đường tác dụng lên cầu trước.

Z2 - Phản lực của mặt đường tác dụng lên cầu sau.

r bx - Bán kính làm việc của bánh xe.

Theo tài liệu [1] ta có : r bx = λ.r0 (mm).

R0 : Bán kính thiết kế của bánh xe.

R0 = (B +).25, 4 (mm).

Trong đó:

d- Đường kính vành bánh xe

B – Bề rộng của lốp được tính theo đơn vị (mm) Ta có kí hiệu lốp: 185/60R15.

λ – Hệ số kể đến sự biến dạng của lốp.

Theo [1] đối với xe du lịch ta chọn lốp có áp suất thấp λ = 0.93 ÷ 0.935.

Chọn λ = 0,93

Do vậy: r bx = (B+.25, 4) λ

r bx = (185+ .25,4).0,93 = 349,215 (mm).

hg – chiều dài trọng tâm theo chiều cao.

Theo tài liệu [2] ta có:

hg = 0,5.S với S = 1475 (mm).

Vậy: hg = 0,5.1475 = 737,5 (mm).

Thay các giá trị vào các công thức (3-13) và (3.15) ta được:

Mô men phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước Mp1: Mp1 =.(1,36 +.0,7375).0,349215

Mp1 = 1396,86 + 757,4884.2 (3.16) Mô men phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau Mp2:

Mp2 = 1222.25 -757,4884.2 (3.17)

Kết cấu và nguyên lí hoạt động của hệ thống ABS trên xe Toyta Vios 2015 G

ABS kết hợp với hệ thống khác

Kiểm tra hệ thống chẩn đoán