MỤC LỤC
MỤC LỤC..............................................................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH ẢNH........................................................................................................................ii
LỜI NÓI ĐẦU.. .....................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH ABS...................................................................2
1.1. Giới thiệu về hệ thống phanh ABS..................................................................................................2
1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống phanh ABS khí nén................................................3
1.3. Phương pháp điều khiển hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén..................................................4
1.3.1. Phân loại phương pháp điều khiển..............................................................................................4
1.3.2. Phương án bố trí ABS dẫn động khí nén.....................................................................................6
1.3.3. Sơ đồ dẫn động phanh khí nén..................................................................................................10
1.3.4. Cấu tạo chung hệ thống phanh ABS khí nén..............................................................................13
1.4. Các cụm chính trong hệ thống phanh ABS khí nén.......................................................................14
1.4.1. Cảm biến tốc độ bánh xe kiểu điện từ........................................................................................14
1.4.2. Bộ chấp hành ABS......................................................................................................................15
1.4.3. Bộ điều khiển..............................................................................................................................20
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.. .....................................................................................................23
2.1. Cơ sở tính toán dẫn động khí nén trong hệ thống ABS.................................................................23
2.2. Cơ sở lý thuyết động lực học quá trình phanh..............................................................................25
2.2.1. Động lực học ô tô khi phanh.......................................................................................................25
2.2.2. Động lực học bánh xe khi phanh................................................................................................27
2.2.3. Sự phân bố trọng lượng khi phanh............................................................................................28
2.2.4. Xác định hệ số bám theo độ trượt của bánh xe.........................................................................29
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phanh..................................................................................30
2.3.1. Yếu tố về kết cấu của hệ thống phanh.......................................................................................30
2.3.2. Yếu tố về điều kiện mặt đường và lốp xe...................................................................................34
2.3.3. Giá trị ngưỡng trượt điều khiển hệ thống phanh ABS................................................................36
CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA PHA ĐIỀU KHIỂN ĐẾN HIỆU QUẢ PHANH ABS.....40
3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng.....................................................................................................40
3.1.1. Phần mềm Matlab - Simulink......................................................................................................40
3.1.2. Phần mềm Simcenter Amesim....................................................................................................41
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng.........................................................................................................42
3.2.1. Mô phỏng hệ thống dẫn động.....................................................................................................43
3.2.2. Mô phỏng động lực quá trình phanh...........................................................................................46
3.3. Khảo sát giá trị ngưỡng trượt điều khiển.......................................................................................51
3.3.1. Khảo sát pha điều khiển λ1 ........................................................................................................55
3.3.2. Khảo sát pha điều khiển λ2 ........................................................................................................57
3.3.3. Khảo sát pha điều khiển λ3 ........................................................................................................58
3.3.4. Khảo sát pha điều khiển λ4 ........................................................................................................59
KẾT LUẬN............................................................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................................63
LỜI NÓI ĐẦU
An toàn chuyển động của xe là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng khai thác xe ô tô, nó được đánh giá cụ thể bằng hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh. Hệ thống phanh có đảm bảo độ tin cậy mới góp phần tạo điều kiện cho người lái xe điều khiển xe dễ dàng và linh hoạt, đồng thời duy trì được tốc độ của xe theo ý muốn trên mọi địa hình khác nhau.
Trong những năm gần đây, do nhu cầu xã hội ngày càng phát triển, kéo theo mọi hoạt động trong đời sống xã hội đều phát triển theo xu hướng hiện đại hóa, đòi hỏi phải phương tiện phải càng hiện đại phục vụ cho con người. Do đó song với sự phát triển của mọi ngành nghề thì công nghệ ôtô cũng có sự thay đổi khá lớn. Nhu cầu của con người dần được đáp ứng về các mặt tiện nghỉ, kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, ... trong đó vấn đề an toàn được đặt lên hàng đầu. Các nhà sản xuất đã nghiên cứu, chế tạo hệ thống phanh ABS với những tính năng ưu việt hơn hệ thống phanh trước đây.
Xuất phát từ vấn đề đó tôi đã thực hiện đồ án: “Khảo sát ảnh hưởng pha điều khiển đến hiệu quả phanh ABS trên xe ô tô” với mục đích xây dựng cơ sở lý thuyết điều khiển cho hệ thống phanh ABS, trên cơ sở đó thực hiện mô phỏng trên hai phần mềm Amesim Simcenter và Matlab - Simulink để tiến hành khảo sát giá trị ngưỡng trượt điều khiển ảnh hưởng đến hiệu quả phanh của hệ thống phanh ABS khí nén. Từ đó làm cơ sở nghiên cứu và khai thác hệ thống phanh ABS sau này.
Từ mục đích đó đồ án tập trung giải quyết các vấn đề:
Chương 1. Tổng quan về hệ thống phanh ABS.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết.
Chương 3. Khảo sát ảnh hưởng của pha điều khiển đến hiệu quả phanh ABS.
Qua thời gian thực hiện đồ án với sự giúp đỡ tận tình của các thầy trong Khoa Ô tô, tôi đã hoàn thành nội dung đồ án được giao. Do thời gian thực hiện đề tài cũng như năng lực có hạn nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu xót. Vì vậy rất mong nhận được sự hướng dẫn của các thầy để đề tài tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cám ơn!
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH ABS
1.1. Giới thiệu về hệ thống phanh ABS
ABS (Anti-lock Braking System) là hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh. ABS điều khiển áp suất phanh để duy trì lực bám dọc và bám ngang của bánh xe với mặt đường ở mức cao, nhờ đó nâng cao tính ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh, duy trì khả năng dẫn hướng và giảm quãng đường phanh. Trong trường hợp phanh trên đường khô và với vận tốc cao (trên 35 km/h), quãng đường phanh khi có ABS ngắn hơn khi không có ABS.
So với hệ thống phanh thủy lực có ABS, hệ thống phanh ABS khí nén có tần số làm việc thấp hơn do quá trình biến đổi áp suất khí nén trong bầu phanh chậm hơn nhiều so với quá trình biến đổi áp suất dầu hệ thống phanh thủy lực.
Chính vì vậy hầu hết trên các dòng xe du lịch thường sử dụng hệ thống phanh ABS khí nén. Theo công bố của hãng Wabco, tần số hoạt động của hệ thống ABS khí nén do hãng chế tạo nằm trong khoảng từ 3 Hz đến 5 Hz.
1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống phanh ABS khí nén
Hệ thống phanh khí nén cho xe thương mại đã được giới thiệu cách đây khoảng 90 năm. Sự ra đời của hệ thống chống bó cứng đại diện cho chức năng an toàn đáng kể đầu tiên được điều khiển bằng điện tử. ABS đã được phát triển không ngừng trong những năm gần đây và đã trở thành tiêu chuẩn trong hầu hết các chế tạo ô tô trên cơ sở các quy định pháp luật. Có thể kể đến hãng phanh ABS dẫn động khí nén chiếm thị phần lớn trên thị trường là Wabco.
Năm 2000: Giới thiệu hệ thống ABS thế hệ E trên xe kéo mooc.
Năm 2008: Hệ thống ABS phiên bản E4 được phát triển. Đây là phiên bản có chức năng mở rộng thêm cho ABS như hệ thống điều khiển ổn định điện tử.
Như vậy, hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô đến nay đã khá hoàn thiện về kết cấu, tính năng và chất lượng điều khiển, trong đó hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS vẫn là hệ thống cơ bản.
1.3. Phương pháp điều khiển hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén
1.3.1. Phân loại phương pháp điều khiển
1.3.1.1. Điều khiển theo ngưỡng trượt
Điều khiển theo ngưỡng trượt thấp (slow mode): khi các bánh xe trái và phải chạy trên các phần đường có hệ số bám khác nhau. ECU chọn thời điểm bắt đầu bị hãm cứng của bánh xe có khả năng bám thấp, để điều khiển áp suất phanh chung cho cả cầu xe. Lúc này, lực phanh ở các bánh xe là bằng nhau, bằng chính giá trị lực phanh cực đại của bánh xe có hệ số bám thấp. Bánh xe bên phần đường có hệ số bám cao vẫn còn nằm trong vùng ổn định của đường đặc tính trượt và lực phanh chưa đạt cực đại. Vì vậy, cách này cho tính ổn định cao, nhưng hiệu quả phanh thấp vì lực phanh nhỏ.
1.3.1.3. Điều khiển theo kênh
Loại 1 kênh: Hai bánh sau được điều khiển chung (có ở ABS thế hệ đầu, chỉ trang bị ABS cho hai bánh sau vì dễ bị hãm cứng hơn hai bánh trước khi phanh).
Loại 2 kênh: Một kênh điều khiển chung cho hai bánh xe trước, một kênh điều khiển chung cho hai bánh xe sau. Hoặc một kênh điều khiển cho hai bánh chéo nhau.
Loại 4 kênh: Bốn kênh điều khiển riêng rẽ cho 4 bánh.
1.3.2. Phương án bố trí ABS dẫn động khí nén
1.3.2.1. Phương án bố trí ABS trên xe tải 2 cầu
Hệ thống ABS trên xe tải sử dụng hệ thống phanh khí nén rất đa dạng, được phân loại theo số cảm biến (Sensor–S) và số van chấp hành ABS (Modulator–M).
Trên xe tải được trang bị hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén, có thể bố trí các phương án 2S/2M, 4S/3M, 4S/4M. Phương án 2S/2M sử dụng một cảm biến xác định tình trạng lăn của bánh xe cầu trước, một cảm biến xác định tình trạng lăn của bánh xe cầu sau. Hai bánh xe ở cầu trước được điều khiển chung bởi một van chấp hành ABS, các bánh xe ở cầu sau được điều khiển bởi một van chấp hành ABS khác.
Phương án 4S/3M sử dụng 4 cảm biến để xác định tình trạng lăn của từng bánh xe, tuy nhiên chỉ có 3 van chấp hành ABS. Các bánh xe ở cầu trước được điều khiển độc lập, các bánh xe ở cầu sau được điều khiển chung. Phương án này phân bố lực phanh trên cầu sau tương đối đồng đều nhưng không sử dụng tối đa được khả năng phanh của từng bánh xe.
1.3.2.2. Phương án bố trí ABS trên xe tải 3 cầu
Trên xe tải 3 cầu có một số phương án bố trí hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén như sau:
Phương án 6S/3M sử dụng 6 cảm biến và 3 van chấp hành ABS được trình bày trên sơ đồ. Tại cầu trước 2 cảm biến tốc độ bánh xe trên cùng một cầu, Van chấp hành ABS điều khiển lực phanh chung cho hai bánh xe dẫn hướng. Trên các cầu sau sử dụng 4 cảm biến riêng rẽ cho từng bánh xe, hai van chấp hành ABS bố trí điều khiển các bánh xe khác cầu ở cùng một phía. Sơ đồ được ứng dụng cho các đầu kéo thường xuyên kéo bán rơ mooc nặng, trên đường tốt và dài ở tốc độ không cao.
Đối với phương án 6S/4M sử dụng 6 cảm biến và 4 van chấp hành ABS được bố trí như trên sơ đồ Hình 1.3
Trên cầu trước, sử dụng hai van chấp hành ABS (5) điều khiển độc lập cho từng bánh xe với cảm biến (1) đo vận tốc riêng biệt. Trên các cầu sau bố trí 4 cảm biến và 2 van chấp hành ABS điều chỉnh áp suất khí nén độc lập cho từng cầu. Việc bố trí mỗi cầu xe một van điều khiển sẽ giúp xe ổn định hướng tốt khi đi trên đường có hệ số bám khác nhau, hay khi quay vòng.
1.3.3. Sơ đồ dẫn động phanh khí nén
1.3.1.1. Dẫn động phanh khí nén một dòng
Theo sơ đồ trên không khí được nén bằng máy nén khí qua lọc đến bộ điều chỉnh áp suất đến bình chứa. Khí nén ở các bình chứa đầy đủ áp suất thì bộ điều chỉnh áp suất sẽ làm việc để cắt không khí từ máy nén khí vào bình chứa. Đề phòng áp suất có thể tăng đột ngột, ở trong đường ống có lắp van an toàn, không khí được nén tới van phân phối. Van phân phối có 2 phần, phần điều khiển phanh ôtô, phần điều khiển phanh rơ móoc.
1.3.1.2. Dẫn động phanh khí nén hai dòng
Phần cung cấp khí nén giống như loại một dòng chỉ khác là van phân phối điều khiển cả hệ thống phanh ôtô và hệ thống phanh rơ móoc. Hệ thống phanh rơ móoc được nối bởi 2 đường ống. Một đường ống nối với bình chứa nơi ôtô kéo ống này thường xuyên có khí nén đến hệ thống phanh rơ móoc. Một đường ống chỉ cung cấp khí nén vào khi phát tín hiệu phanh rơ móoc từ van phân phối (tổng van) khác với hệ thống phanh có rơ móoc loại một dòng.
1.3.4. Cấu tạo chung hệ thống phanh ABS khí nén
Máy nén khí (1) bộ lắng lọc và tách ẩm không khí (2) van bảo vệ bốn ngã (3) và các bình chứa khí nén của các dòng (4,5 và 6), tổng van phanh (7), các bầu phanh ở cầu trước (9) và bầu phanh ở cầu sau (10). Tín hiệu đầu vào các cảm biến (22), Bộ điều khiển ECU (21). Các cụm cơ cấu chấp hành (17), van chuyển tiếp (13).
1.4. Các cụm chính trong hệ thống phanh ABS khí nén
1.4.1. Cảm biến tốc độ bánh xe kiểu điện từ
Cảm biến tốc độ bánh xe là một thiết bị điện từ được sử dụng để đo tốc độ của xe gửi tín hiệu cho bộ điều khiển chống bó cứng. Khi bánh xe quay, cảm biến và vành răng tạo ra một tín hiệu xoay chiều đơn giản. Tín hiệu này được gửi đến bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ phân tích dữ liệu và điều khiển cho hệ thống chống khóa cho phù hợp.
Trên xe sử dụng bốn cảm biến tốc độ: Hai cho cầu trước, hai cho cầu sau. Cảm biến đo tốc độ được hình thành theo nguyên tắc làm việc của máy phát tốc độ xoay chiều.
1.4.2. Bộ chấp hành ABS
Bộ chấp hành ABS (còn gọi là van Modulator ABS) làm nhiệm vụ cung cấp hay ngắt khí nén có áp suất, từ tổng van phanh đến mỗi bầu phanh bánh xe tuỳ theo tín hiệu điều khiển từ bộ ABS-ECU để điều chỉnh tốc độ thích hợp cho từng bánh xe ôtô khi phanh.
Có nhiều kiểu van modunlator ABS khác nhau, đồ án nghiên cứu kiểu van modulator ABS điển hình loại hai van điện từ, hai màng.
Cấu tạo và hình dáng bên ngoài của van chấp hành ABS này được thể hiện như hình Hình 1.10
Trường hợp ABS hoạt động ở pha tăng áp:
Trường hợp van chấp hành ABS hoạt động ở pha tăng áp, trạng thái của các van điện từ và đường đi của khí nén trong van giống hệt trường hợp van chấp hành ABS không hoạt động. Không có dòng điện điều khiển các van điện từ điều khiển cấp khí và xả khí. Hoạt động của các van điện từ và đường đi của khí nén trong van chấp hành ABS như Hình 1.11.
Trường hợp ABS hoạt động ở pha giảm áp:
Để thực hiện giảm áp suất trong bầu phanh, van chấp hành ABS đóng đường cấp khí vào bầu phanh bằng cách đóng van màng điều khiển cấp khí.
Mặt khác van chấp hành ABS mở đường xả khí từ bầu phanh ra môi trường thông qua việc mở van màng điều khiển xả khí. Để thực hiện được điều đó, bộ điều khiển cấp dòng điện điều khiển vào van điện từ điều khiển cấp khí và van điện từ điều khiển xả khí.
Trường hợp ABS hoạt động ở pha giữ áp:
Để thực hiện trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh, van chấp hành ABS đóng đường cấp khí vào bầu phanh bằng cách đóng van màng điều khiển cấp khí, đồng thời đóng đường xả khí từ bầu phanh ra môi trường thông qua việc đóng van màng điều khiển xả khí. Khí nén trong bầu phanh bị cô lập, áp suất khí nén sẽ được giữ nguyên trong pha này.
1.4.3. Bộ điều khiển
Hộp điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit) được sử dụng trong hệ thống ABS với nhiều chức năng như : Nhận biết thông tin về tốc độ góc các bánh xe, Thực hiện chế độ kiểm tra, chẩn đoán, lưu giữ mã code hư hỏng và chế độ an toàn...
- Phần xử lý tín hiệu đầu vào;
- Phần logic;
- Bộ phận an toàn;
- Bộ điều khiển van
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở tính toán dẫn động khí nén trong hệ thống ABS
Để tính toán dẫn động khí nén trong hệ thống ABS đồ án dựa vào cơ sở tính toán áp suất và lưu lượng khí nén trong hệ thống phanh dựa trên phương trình trạng thái của khí lý tưởng ở trạng thái đẳng nhiệt:
p : là áp suất chất khí [N/m2];
V : là thể tích bình chứa [m3];
n : là khối lượng mol phân tử [mol];
T : là nhiệt độ của chất khí [K];
R : là hằng số chất khí (theo hệ đo lường quốc tế, R = 8314 [Jmol-1 K-1]).
Phương trình trạng thái này là cơ sở để xác định áp suất khí nén trong hệ thống khi biết lưu lượng đến các dung tích trong hệ thống.
pd : là áp suất khí nén trong dung tích [N/m2];
Cn : là khí dung của chất khí – thể hiện tính chịu nén của chất khí;
Qwv, Qwr : lần lượt là lưu lượng khí nén đi vào và đi ra khỏi dung tích [m3/s].
Khí dung của chất khí (Cn) được xác định theo hai trường hợp.
2.2. Cơ sở lý thuyết động lực học quá trình phanh
Để khảo sát hiệu quả phanh cần dựa vào các thông số về quãng đường phanh, thời gian phanh, vận tốc xe,…Vì vậy cần tính toán động lực học của ô tô khi phanh đề xác định các thông số đó.
2.2.1. Động lực học ô tô khi phanh
Giả thiết để thiết lập mô hình như sau:
- Phanh trên đường bằng phẳng và không có mấp mô.
- Ô tô chuyển động trên đường có lớp phủ đồng nhất.
- Lốp không bị biến dạng. Biến dạng của đường và của lốp được kể đến khi xác định lực cản lăn.
- Lực quán tính Pj đặt tại trong tâm ô tô, cùng chiều chuyển động của ô tô.
- Trọng lượng ô tô G đặt tại trọng tâm xe.
- Phản lực pháp tuyến của mặt đường RK1, RK2 và các lực cản lăn Pf1, Pf2 tương ứng đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe cầu trước, cầu sau với mặt đường.
- Lực cản không khí Pw.
Pj = PP2+ PP1 + Pw + Pf1+Pf2
Khi phanh, lực cản không khí Pw và lực cản lăn Pf1, Pf2 là nhỏ có thể bỏ qua. Sự bỏ qua này chỉ gây sai số khoảng 1,5 - 2 %. Vì vậy đồ án thực hiện bỏ qua sự ảnh hưởng của các thông số này (Pw = 0, Pf1, Pf2 = 0).
Pj = PP2+ PP1
2.2.1.1. Động lực học bánh xe khi phanh
Khi người lái tác dụng vào bàn đạp phanh, hệ thống dẫn động sẽ thực hiện quá trình phanh xe, ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra mô men ma sát còn gọi là mô men phanh, nhằm hãm bánh xe lại.
Sơ đồ các lực tác dụng lên bánh xe trong quá trình phanh được thể hiện như trên Hình 2.2.
Với giả thiết bỏ qua lực cản lăn, phương trình chuyển động quay của bánh xe khi phanh được xác định như sau:
Các thông số vx xác định theo công thức và ω xác định theo công thức là cơ sở để xác định độ trượt của bánh xe.
2.2.2. Sự phân bố trọng lượng khi phanh
Khi xe đứng yên, do không có quán tính của xe nên trọng lượng của xe được phân bố cố định lên cầu trước và cầu sau của xe, tuy nhiên khi xe di chuyển và trong quá trình xe thực hiện quá trình phanh thì xuất hiện lực quán tính, khi đó trọng lượng phân bố lên các cầu xe liên tục thay đổi theo gia tốc phanh.
Vì vậy cần phải xác định trọng lượng phân bố lên các cầu xe để có thể tính toán lực phanh tác dụng lên bánh xe. Trong quá trình phanh, trọng lượng của xe phân bố lên các cầu biến đổi theo gia tốc chậm dần của xe được xác định theo công thức và .
a: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu trước [m];
b: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu sau [m];
hg: Khoảng cách từ trọng tâm của xe đến mặt đường [m];
L: Chiều dài cơ sở của xe [m].
m: Khối lượng toàn bộ của xe [Kg].
2,3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phanh
2.3.1. Yếu tố về kết cấu của hệ thống phanh
2.3.1.1. Cơ cấu phanh
Cơ cấu phanh hoạt động dựa trên hiện tượng ma sát giữa hai bộ phận kim loại để giảm tốc độ của xe. Một bộ phận quay gắn với trục bánh xe và một bộ phận đứng yên chứa má phanh. Khi người lái đạp phanh, thông qua hệ thống dẫn động, má phanh sẽ tiếp xúc với phần quay, lực ma sát được tạo ra giữa hai bộ phận này sẽ giúp giảm tốc độ của bánh xe.
Chính vì vậy, mỗi cơ cấu phanh khác nhau sẽ có những ảnh hưởng nhất định đến hiệu quả phanh của cả xe.
- Cơ cấu phanh đĩa:
Hiện nay cơ cấu phanh đĩa có hai loại chính bao gồm loại giá đỡ cố định và loại giá đỡ di động
Cấu tạo của cơ cấu phanh đĩa bao gồm:
- Một đĩa phanh được lắp với moayơ của bánh xe và quay cùng bánh xe;
- Một giá đỡ cố định trên dầm cầu trong đó có đặt các xi lanh bánh xe;
- Cơ cấu phanh tang trống:
Phanh tang trống hay còn gọi là phanh đùm được cấu tạo bởi trống phanh, má phanh, xi lanh, piston, cuppen và lò xo hồi vị.
Trống phanh là một hộp rỗng được gắn cố định vào trục bánh xe và chuyển động theo chiều của bánh xe. Trong khi đó, má phanh nằm bên trong sẽ ma sát trực tiếp với trống phanh. Cuppen có tác dụng làm kín khí ở xi lanh và không cho dầu bị rò rỉ ra ngoài.
2.3.1.2. Dẫn động phanh
Dẫn động phanh là tập hợp các cơ cấu thực hiện việc liên kết giữa bàn đạp phanh hoặc đòn điều khiển với cơ cấu phanh. Dẫn động phanh dùng để điều khiển cơ cấu phanh và đưa nó vào hoạt động.
Hiện nay, có nhiều loại dẫn động phanh khác nhau, đối với dẫn động phanh được trang bị hệ thống ABS thì chủ yếu gồm hai loại chính:
- Dẫn động phanh thuỷ lực:
Cấu tạo chung của hệ thống phanh dẫn động bằng thuỷ lực bao gồm: bàn đạp phanh, xi lanh chính (tổng phanh), các ống dẫn, các xi lanh công tác (xi lanh bánh xe).
- Dẫn động phanh khí nén:
Trái với dẫn động phanh thủy lực, dẫn động phanh khí nén giảm được lực điều khiển trên bàn đạp phanh do trong dẫn động phanh bằng khí nén, lực điều khiển trên bàn đạp chủ yếu dùng để điều khiển van phân phối, còn lực tác dụng lên cơ cấu phanh do áp suất khí nén tác dụng lên bầu phanh thực hiện.
2.3.2. Yếu tố về điều kiện mặt đường và lốp xe
2.3.2.1. Điều kiện mặt đường
Để ôtô có thể chuyển động được thì vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có một hệ số bám nhất định. Sự bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bằng hệ thống hệ số bám. Về cơ bản, có thể xem hệ số bám tương tự như hệ số ma sát giữa hai vật thể cơ học. Vì vậy yếu tố mặt đường là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hệ số bám của xe cũng như hiệu quả phanh của hệ thống ABS trên xe ô tô khi phanh.
Bảng 2.1 cho thấy chất lượng mặt đường càng thấp thì hệ số bám càng nhỏ, khi đó hiệu quả phanh càng thấp. Loại đường làm bằng vật liệu khác nhau, tình trạng mặt đường tốt hay xấu đều dẫn tới thay đổi hệ số bám của bánh xe với mặt đường.
2.3.2.2. Lốp xe
Tương tự như yếu tố về điều kiện mặt đường, yếu tố về lốp xe cũng là một trong những nguyên nhân quan trọng ảnh hưởng đến hệ số bám của xe.
Vật liệu lốp, kết cấu mẫu bám (hoa lốp), tình trạng của lốp ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số bám của bánh xe với mặt đường. Hiện nay tùy thuộc vào từng loại xe ô tô với những mục đích sử dụng khác nhau, di chuyển trong điều kiện địa hình mặt đường khác nhau mà các nhà sản xuất thiết kế các loại lốp xe khác nhau nhằm nâng cao tối đa hệ số bám của bánh xe từ đó nâng cao khả năng cơ động và đặc biệt là hiệu quả của hệ thống phanh.
2.3.3. Giá trị ngưỡng trượt điều khiển hệ thống phanh ABS
Căn cứ vào quan hệ như Hình 2.3, để đảm bảo khả năng điều khiển hướng chuyển động khi phanh và hiệu quả phanh cao, cần duy trì được độ trượt của bánh xe khi phanh ở trong khoảng từ 10 ÷ 30%. Hệ thống ABS sẽ điều khiển áp suất phanh nhằm duy trì độ trượt biến đổi trong phạm vi đó. Để thực hiện điều khiển trong phạm vi trên, hiện nay hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh có thể sử dụng các phanh pháp điều chỉnh sau đây:
- Theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh;
- Theo giá trị độ trượt cho trước;
- Theo giá trị tỷ số vận tốc góc của bánh xe với gia tốc chậm dần của bánh xe.
Hệ thống ABS duy trì pha điều khiển áp suất trong hệ thống dựa theo các giá trị ngưỡng trượt λ1, λ2, λ3, λ4:
- Từ 0 đến λ1, áp suất phanh tăng cao, momen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh làm vận tốc xe và bánh xe giảm nhưng độ chênh lệch tăng dần dẫn tới làm độ trượt tăng Hình 2.10. Khi đạt đến ngưỡng trượt λ1 hệ thống chuyển sang trạng thái giữ áp để ngừng tăng momen phanh.
- Từ λ1 đến λ2, tuy áp suất phanh được giữ nguyên, lực phanh được giữ nguyên nhưng vẫn còn giá trị lớn do đó độ trượt vẫn tiếp tục tăng, đến ngưỡng trượt λ2 hệ thống chuyển sang trạng thái giảm áp.
- Từ λ2 đến λ3, tuy áp suất phanh giảm nhưng do quán tính xe nên độ trượt vẫn tăng một khoảng nhỏ rồi giảm dần. Khi độ trượt giảm đến λ3, hệ thống chuyển sang trạng thái giữ áp để tiếp tục duy trì lực phanh.
CHƯƠNG 3
KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA PHA ĐIỀU KHIỂN ĐẾN HIỆU QUẢ PHANH ABS
3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng
Mô phỏng là một trong những phương pháp mô hình hóa được dựa trên quy tắc thiết lập các mô hình sử dụng. Là quá trình mô tả cũng như là phân tích những hành vi mang tính chất cụ thể của một hệ thống thực, nhằm hỗ trợ cho việc thiết kế các hệ thống sự vật sự việc đạt hiệu quả cao.
3.1.1. Phần mềm Matlab - Simulink
Simulink là công cụ trong Matlab được thiết kế để mô phỏng và phân tích các hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng đồ họa. Ưu điểm của Simulink đó chính là việc lập trình sẽ sử dụng các đối tượng đồ họa để xây dựng mô hình, giao diện trực quan, dễ hình dung và dễ viết cho người lập trình.
3.1.2. Phần mềm Simcenter Amesim
Simcenter Amesim là một phần mềm mô phỏng hệ thống giúp các kỹ sư mô hình hóa và phân tích hiệu suất của các hệ thống đa miền. Đây là một giải pháp hữu ích cho các kỹ sư mô phỏng hệ thống cơ điện tử. Phần mềm mô phỏng cơ điện tử của Siemens PLM cung cấp tất cả các công cụ mô hình hóa và phân tích cần thiết, các phương pháp cấu trúc để chạy các mô phỏng đa miền phức tạp nhất.
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng
Hệ thống dẫn động khí nén trên ô tô sử dụng nhiều phần tử khí nén, phần tử điều khiển và phần tử cơ khí. Đồ án tiến hành xây dựng mô hình dẫn động khí nén cho ô tô vận tải hai cầu bao gồm máy nén khí, bình khí nén, tổng van phanh, van gia tốc, van chấp hành ABS, bầu phanh và cơ cấu phanh như Hình 3.3.
Dựa trên sơ đồ nguyên lý làm việc và kết cấu của hệ thống phanh ABS của các hãng BENDIX và WABCO đồ án thực hiện mô phỏng các cụm chi tiết và cơ cấu phanh của ô tô 2 cầu với các thông số như Bảng 3.1.
3.2.1. Mô phỏng hệ thống dẫn động
3.2.1.1. Nguồn cung cấp khí nén
Nguồn cung cấp khí nén cho hệ thống phanh bao gồm máy nén khí, bình khí nén như Hình 3.4
Hình 3.5là kết quả mô phỏng nguồn cung cấp khí nén. Cụm này có nhiệm vụ cung cấp khí cho dẫn động phanh ở cầu trước và cầu sau qua hai cổng 1 và 2. Nguồn cung cấp có nhiệm vụ duy trì áp suất khí nén 1 Mpa.
3.2.1.2. Tổng van phanh
Tổng van phanh (Hình 3.6a) dùng để điều khiển lưu lượng khí nén cung cấp cho các cơ cấu phanh ở hai bánh xe trước và hai bánh xe sau.
Hình 3.6b là kết quả mô phỏng tổng van phanh với cổng 3 là lực tác dụng lên bàn đạp phanh. Cổng 1 và cổng 2 là đường khí nén vào tổng van phanh và đường khí nén cung cấp đến van chuyển tiếp ở cầu sau. Cổng 4 và cổng 5 là đường khí nén vào tổng van phanh và đường cung cấp khí đến van gia tốc ở cầu trước.
3.2.1.4. Van chuyển tiếp
Tổng van phanh thường nằm gần bánh trước hơn bánh sau. Khoảng cách từ tổng phanh đến bầu sau càng dài thì thời gian để khí nén cấp cho bầu sau sẽ lâu hơn. Điều này được hiểu là thời gian trễ khi phanh. Để khắc phục tình trạng này ở những xe có chiều dài cơ sở lớn, một chuyển tiếp (Hình 3.8a) được lắp gần bầu phanh sau.
Hình 3.8b là mô hình mô phỏng van chuyển tiếp (hay van gia tốc) với cổng 1 là đường cấp khí từ tổng van phanh, cổng 2 là đường cấp khí nén từ bình khí nén và đường 3 và đường cấp khí nén đến van chấp hành ABS ở cầu sau.
3.2.2. Mô phỏng động lực quá trình phanh
Mô hình điều khiển hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén được mô phỏng bằng phần mềm Simulink như Hình 3.10. Mô hình này có nhiệm vụ tính toán và xác định độ trượt của các bánh xe. Căn cứ vào độ trượt của bánh xe, dữ liệu về mối quan hệ giữa độ trượt và hệ số bám và bộ giá trị ngưỡng trượt điều khiển để đưa các tín hiệu tăng áp, giữ áp hoặc giảm áp đến mô hình mô phỏng dẫn động phanh khí nén nhằm duy trì khả năng bám của bánh xe với mặt đường luôn ở mức cao.
3.2.2.1. Mô phỏng xác định gia tốc, vận tốc phanh
Gia tốc và vận tốc phanh của ô tô được xác định bằng mô hình mô phỏng ở Hình 3.11.
Inp: Các thông số đầu vào G,a,b,L,hg,Jbx,rbx
BF_F_min; BF_R_min: Lực phanh nhỏ nhất tại bánh trước và sau của xe
Jp: Gia tốc phanh
3.2.2.3. Mô phỏng xác định độ trượt
Dựa trên vận tốc phanh của xe Vx và vận tốc chuyển động thẳng ở các bánh (Vb_F, Vb_R), độ trượt của các bánh xe cầu trước Slip_F và cầu sau Slip_R được tính toán dựa theo công thức Hình 3.13.
Do không có điều kiện để thực hiện thực nghiệm xây đựng mối quan hệ giữa lực phanh lớn nhất theo độ trượt dọc của bánh xe nên đồ án dựa trên tài liệu [5]đã xây dựng mối quan hệ giữa lực phanh lớn nhất và độ trượt dọc theo như Hình 3.14.
3.2.2.5. Cụm phanh trước và sau
Bầu phanh là nơi tiếp nhận khí nén và tạo áp suất khí nén, tác dụng lên màng bầu phanh và đẩy màng chuyển động, từ đó điều khiển cơ cấu phanh hoạt động. Sơ đồ mô tả bầu phanh Hình 3.17.
Khi có lưu lượng khí nén đi vào bầu phanh, áp suất khí nén trong bầu phanh tăng lên. Thể tích bầu phanh thay đổi do màng bầu phanh dịch chuyển
3.3. Khảo sát giá trị ngưỡng trượt điều khiển
Dựa vào mô hình hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén được mô phỏng, đồ án thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng của pha điều khiển mà cụ thể là sự thay đổi của các giá trị ngưỡng trượt điều khiển đến hiệu quả phanh của hệ thống ABS.
Như trình bày ở mục 2.3.3, một chu trình điều khiển của ABS gồm bốn giai đoạn điều khiển tương ứng với bốn thông số ngưỡng trượt điều khiển được xác định từ trước. Từ Hình 2.10ta xác định được mối liên hệ cho các giá trị ngưỡng trượt.
Vbxtruoc: Vận tốc tức thời hai bánh xe ở cầu trước, Vbxsau: Vận tốc tức thời hai bánh xe ở cầu sau, Vx: Vận tốc tức thời của xe
Khi thực hiện quá trình phanh, vận tốc xe (Vx), vận tốc bánh xe trước và sau (Vbxtruoc, Vbxsau) đều giảm nhanh chóng, vận tốc các bánh xe giảm nhanh và dần cách biệt với vận tốc xe nhưng do có hệ thống ABS điều khiển nên vận tốc bánh xe luôn được duy trì sát với vận tốc xe để tránh xảy ra hiện tượng bó cứng xe.
Đồ thị áp suất bầu phanh Hình 3.22cho thấy, tương ứng với từng giai đoạn điều khiển tăng áp, giữ áp hay giảm áp mà hệ thống ABS thực hiện điều chỉnh áp suất khí nén trong bầu phanh trước và sau cho phù hợp.
3.3.1. Khảo sát pha điều khiển λ1
Căn cứ vào phương án khảo sát và mối quan hệ ban đầu giữa các ngưỡng trượt điều khiển (pha điều khiển) theo công thức , đồ án tiến hành khảo sát ngưỡng trượt điều khiển chuyển từ pha tăng áp sang pha giữ áp λ1
Ảnh hưởng của λ1 đến quãng đường phanh như bảng 3.1.
Nhận xét:
Ngưỡng trượt điều khiển chuyển từ pha tăng áp sang pha giữ áp λ1 không ảnh hưởng đến thời gian phanh của xe. Khi λ1 thay đổi từ 12 ÷ 26% nhìn chung quãng đường phanh có thay đổi nhưng không nhiều và có xu hướng tăng mạnh khi . Sự thay đổi được thể hiện cụ thể qua Hình 3.23.
Trong phạm vi khảo sát từ 0 - 10% với bộ giá trị điều kiện ban đầu, ngưỡng trượt điều khiển chuyển từ pha tăng áp sang pha giữ áp λ1 ảnh hưởng nhiều tới quãng đường phanh của xe, cho quãng đường phanh lớn nhất tại λ1 = 0% (64,64m) và quãng đường phanh nhỏ nhất tại λ1 = 4% (46,52m).
3.3.2. Khảo sát pha điều khiển λ2
Do trong quá trình khảo sát trước trên phần mềm với thì đồ thị cho được tương tự nhau nên để ngắn gọn, đồ án tiến hành khảo sát ngưỡng trượt điều khiển chuyển từ pha giữ áp sang pha giảm áp λ2
Nhận xét:
Trong khoảng quãng đường phanh có xu hướng tăng dần, đạt giá trị nhỏ nhất tại λ2 = 18% (38,99m) và đạt giá trị lớn nhất tại λ2 = 30% (55,52m).
3.3.4. Khảo sát pha điều khiển λ4
Tiến hành khảo sát ngưỡng trượt điều khiển chuyển từ pha giữ áp sang pha tăng áp λ4 theo điều kiện và với bước tính.
Nhận xét:
Trong khoảng quãng đường phanh giảm dần, đạt giá trị lớn nhất tại (65,75m) và đạt giá trị nhỏ nhất tại (54,03m).
Như vậy, trong phạm vi khảo sát của pha điều khiển từ giữ áp sang tăng áp λ4 hiệu quả phanh đạt tối ưu nhất khi (nằm trong phạm vi lý thuyết 10 - 30%).
Kết luận chung:
Qua khảo sát sự ảnh hưởng của bốn pha điều khiển λ1, λ2, λ3, λ4 đến hiệu quả phanh ABS trên xe ô tô ta có thể đưa ra nhận xét chung:
- Sự thay đổi giá trị của cả bốn pha điều khiển λ1, λ2, λ3, λ4 đều ảnh hưởng đến hiệu quả phanh của xe, trong đó ứng với từng trường hợp khảo sát cụ thể đồ án xác định được giá trị của từng pha điều khiển cho quãng đường phanh ngắn nhất λ1 = 4% (46,52m), λ2 = 18% (38,99m), λ3 = 26% (54,98m), λ4 = 14% (39,82m) đều nhỏ hơn so với cặp giá trị pha điều khiển ban đầu (53,33m)
- Qua khảo sát, với các pha điều khiển λ2, λ3, λ4 để quãng đường phanh ngắn nhất hay hiệu quả phanh tối ưu nhất thì các giá trị ngưỡng trượt điều khiển này đều nằm trong phạm vi 10 - 30%. Còn đối với pha điều khiển từ trạng thái tăng áp sang giữ áp λ1 do quán tính dòng khí nén, cùng độ chậm trễ của hệ thống dẫn động nên để độ trượt của xe nằm trong phạm vi tối ưu, thì ngưỡng trượt điều khiển chuyển pha này cần phải được chọn trước ngay khi độ trượt tức thời của xe nhỏ hơn 10%.
KẾT LUẬN
Sau thời gian nhận, nghiên cứu và hoàn thiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Khảo sát ảnh hưởng pha điều khiển đến hiệu quả phanh ABS trên xe ô tô” bằng sự nỗ lực của bản thân cùng sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo trong khoa ô tô và đặc biệt là sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình từ thầy giáo: Tiến sĩ ………………... Tôi đã hoàn thành xong nhiệm vụ làm đồ án của mình, trong đó hoàn thành các nội dung cụ thể như sau:
- Khái quát được nội dung ở phần tổng quan về hệ thống phanh ABS trong chương 1, trong đó tập trung vào hệ thống phanh ABS khí nén.
- Trình bày được cơ sở lý thuyết tính toán phục vụ quá trình mô phỏng hệ thống phanh ABS khí nén trong chương 2.
- Trình bày quá trình mô phỏng hệ thống phanh ABS khí nén, từ đó thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng của pha điều khiển đến hiệu quả phanh ABS.
Mặc dù thời gian thực hiện đồ án tương đối dài, tài liệu nghiên cứu và sự hỗ trợ của các thầy giáo là rất nhiều, nhưng do đây là một đề tài mới, kiến thức bản thân còn hạn chế khi sử dụng đến các phần mềm mô phỏng và tính toán mới, nên trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những sai sót và hạn chế, chính vì vậy rất mong các thầy giáo thông cảm và hướng dẫn thêm.
Qua đồ án này, bản thân tôi càng nắm và hiểu rõ hơn về hệ thống phanh ABS trên ô tô, là một hệ thống quan trọng của hệ thống phanh và đang được sử dụng ở hầu hết các dòng xe ô tô hiện nay. Từ đó làm cơ sở phục vụ quá trình học tập, nghiên cứu và công tác tại đơn vị sau này.
Qua đây bản thân tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo: Tiến sĩ ……………….., cùng các thầy giáo trong khoa Ô tô đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. J.Reimpell - H.Stoll - J.W.Betzler, The Automotive Chassis - Engineering Principles Second edition, Würzburg, CHLB Đức, 2001.
[2]. Nguyễn Khắc Chanh, “Lý thuyết – Kết cấu ô tô”, Trường Sĩ quan Kỹ thuật quân sự, TP.HCM, 2010.
[3]. Vũ Đức Lập. Cấu tạo ô tô quân sự. HVKTQS – 1998.
[4]. Thiết kế tính toán hệ dẫn động cơ khí (I, II), Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, Nxb Giáo Dục, 1998.
[5]. Reza N.Jazar (2017), Vehicle Dynamics Theory and Application, 3, Springer, Inc.
[6]. Các giáo trình về phần mềm Matlab Simulink và phần mềm Simcenter Amesim
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"