MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………….....................................................................…..….......................……i

LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………...................................................................….............................….ii

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN…………………………………………..................................................................................................…..ii

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ..........................................................................................................1

1.1 Chức năng của hệ thống phanh.........................................................................................................................................................1

1.2 Yêu cầu của hệ thống phanh..............................................................................................................................................................1

1.3 Phân loại hệ thống phanh...................................................................................................................................................................1

1.3.1 Phân loại theo đặc điểm điều khiển.................................................................................................................................................1

1.3.2 Phân loại theo dẫn động phanh.......................................................................................................................................................2

1.3.3 Phân loại theo kết cấu của cơ cấu phanh.......................................................................................................................................2

1.3.4 Phân loại theo hệ thống trợ lực.......................................................................................................................................................2

1.4 Cấu tạo chung của hệ thống phanh....................................................................................................................................................2

1.5 Cơ cấu phanh tang trống....................................................................................................................................................................3

1.5.1 Cơ cấu phanh tang trống đối xứng qua trục....................................................................................................................................4

1.5.2 Cơ cấu phanh tang trống đối xứng qua tâm....................................................................................................................................6

1.6 Cơ chế phanh đĩa................................................................................................................................................................................6

1.6.1 Loại phanh đĩa giá đỡ cố định..........................................................................................................................................................6

1.6.2 Loại phanh đĩa giá đỡ di động..........................................................................................................................................................7

1.6.3Má phanh………………………………………………………...........................................................………..................................……8

1.7 Dẫn động phanh..................................................................................................................................................................................9

1.7.1 Dẫn động cơ khí...............................................................................................................................................................................9

1.7.2 Dẫn động thủy lực............................................................................................................................................................................9

1.8 Bộ trợ lực phanh................................................................................................................................................................................11

1.9 Hệ thống chống bó cứng phanh ABS................................................................................................................................................11

1.9.1Chức năng. …………………………………………………............................................................………............................…...……11

1.9.2 Nguyên lý làm việc..........................................................................................................................................................................12

1.9.3 Phân loại ABS.................................................................................................................................................................................15

1.9.4 Một số bộ điều khiển điện tử được sử dụng cho ABS....................................................................................................................16

1.10 Hệ thống phanh điều khiển điện Brake-By-Wire (BBW):.................................................................................................................18

1.10.1 Chức năng:...................................................................................................................................................................................18

1.10.2 Nguyên lý làm việc:.......................................................................................................................................................................18

1.11 Hệ thống phân phối lực phanh điện tử Electronic Brakeforce Distribution (EBD)…......................................…….............…..…    19

1.11.1 Chức năng:...................................................................................................................................................................................19

1.11.2 Nguyên lý làm việc........................................................................................................................................................................19

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHANH......................................................................................................................................20

2.1 Giới thiệu về xe tham khảo.................................................................................................................................................................20

2.2 Thông số chính...................................................................................................................................................................................21

2.3 Hệ thống phanh LuxSA 2021..............................................................................................................................................................21

2.4 Tính toán cơ cấu phanh......................................................................................................................................................................22

2.4.1 Xác định mô men cần thiết trên bánh xe.........................................................................................................................................23

2.4.2 Tính toán cơ cấu phanh trước.........................................................................................................................................................26

2.4.3 Tính toán cho Cơ cấu phanh sau.....................................................................................................................................................27

2.4.4 Xác định kích thước má phanh........................................................................................................................................................28

2.5 Thiết kế và tính toán hệ thống phanh..................................................................................................................................................30

2.5.1 Tính toán đường kính xi lanh làm việc.............................................................................................................................................30

2.5.2 Tính toán đường kính xi lanh chính..................................................................................................................................................31

2.5.3 Hành trình làm việc của piston xi lanh bánh xe................................................................................................................................31

2.5.4 Kiểm tra hành trình bàn đạp.............................................................................................................................................................31

2.5.5 Hành trình làm việc của piston xi lanh chính....................................................................................................................................32

2.5.6 Độ bền của đường ống phanh..........................................................................................................................................................33

2.6 Bảng thông số thiết kế.........................................................................................................................................................................34

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN (BRAKE BY WIRE) BẰNG PHẦN MỀM AMESIM........................35

3.1 Xây dựng mô hình điều khiển..............................................................................................................................................................35

3.1.1 Xây dựng mô hình điều khiển trên Amesim......................................................................................................................................35

3.1.2 Xi lanh chính.....................................................................................................................................................................................37

3.1.3 Bộ điều khiển....................................................................................................................................................................................38

3.1.4 Bộ truyền động.................................................................................................................................................................................39

3.1.5 Xây dựng ý tưởng bằng phần mềm Amesim...................................................................................................................................40

3.2 Xây dựng các khối điều khiển.............................................................................................................................................................40

3.2.1 Khối điều khiển áp suất phanh.........................................................................................................................................................41

3.2.2 Khối điều khiển................................................................................................................................................................................42

3.3 Kết quả mô phỏng..............................................................................................................................................................................44

3.3.1 So sánh kết quả mô phỏng phanh thủy lực điều khiển điện với phanh thủy lực truyền thống khi phanh khẩn cấp........................44

3.3.2 Trường hợp phanh rà......................................................................................................................................................................45

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI LỰC PHANH ĐIỆN TỬ TRÊN HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN.............47

4.1 Đặt vấn đề...........................................................................................................................................................................................47

4.2 Cơ sở lý thuyết của hạn chế trượt bánh xe khi phanh........................................................................................................................47

4.2.1 Cơ sở lý thuyết.................................................................................................................................................................................47

4.2.2 Xây dựng đường phân bố momen phanh lý tưởng.........................................................................................................................48

4.2.3 So sánh đường phân bố lý tưởng và đường thực tế.......................................................................................................................50

4.2.4 Chiến lược điều khiển momen phanh..............................................................................................................................................51

4.3 Xây dựng mô hình điều khiển EBD....................................................................................................................................................51

4.3.1 Lên ý tưởng cho bộ điều khiển.......................................................................................................................................................51

4.3.2 Xây dựng mô hình điều khiển.........................................................................................................................................................52

4.4 Kết quả của quá trình mô phỏng ở các mức bàn đạp phanh............................................................................................................53

4.4.1 Trường hợp phanh khẩn cấp .........................................................................................................................................................54

4.4.2 Trường hợp phanh rà ....................................................................................................................................................................55

CHƯƠNG 5. MÔ PHỎNG CHO PHANH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN (BBW) KẾT HỢP PHÂN PHỐI LỰC PHANH ĐIỆN TỬ (EBD) VÀ HỆ

THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS............................................................................................................................................59

5.1 Đặt vấn đề.........................................................................................................................................................................................59

5.2 Thiết lập các phương trình động học............................................................................................................................................... 61

5.2.1 Bộ điều khiển áp suất phanh.........................................................................................................................................................62

5.2.2 Bộ điều khiển trượt bánh xe..........................................................................................................................................................62

5.2.3 Các bước thiết kế..........................................................................................................................................................................63

5.3 Phát triển mô hình động học............................................................................................................................................................64

5.3.1 Mô hình động học thân xe.............................................................................................................................................................64

5.3.2 Mô hình động lực học lốp xe.........................................................................................................................................................67

5.3.3 Tính toán trượt..............................................................................................................................................................................69

5.4 Xây dựng các khối điều khiển..........................................................................................................................................................69

5.4.1 Khối điều khiển áp suất phanh......................................................................................................................................................69

5.4.2 Khối điều khiển tỷ lệ trượt.............................................................................................................................................................71

5.5 Hệ thống ABS mô phỏng trong AMESIM.........................................................................................................................................76

5.6 Mô phỏng ở hệ số ma sát 0,8..........................................................................................................................................................77

5.7 Mô phỏng ở hệ số ma sát 0,6..........................................................................................................................................................79

5.8 Mô phỏng ở hệ số ma sát 0,4..........................................................................................................................................................81

PHẦN KẾT LUẬN.................................................................................................................................................................................84

THAM KHẢO........................................................................................................................................................................................86

LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô là phương tiện thiết yếu và chiếm tỷ lệ lớn nhất trong mạng lưới giao thông toàn cầu. Số lượng ô tô tăng nhanh chóng hàng năm, khiến nghiên cứu ô tô trở thành nhiệm vụ quan trọng đối với mọi quốc gia. Đặc biệt khi các ngành công nghiệp và dịch vụ đang phát triển nhanh chóng, giao thông đóng vai trò quan trọng, đó là lý do tại sao các phương tiện tiếp tục được nghiên cứu và cải tiến hàng ngày.

Trước đây, ô tô chỉ phục vụ những vai trò cơ bản nhất của chúng là vận chuyển người và hàng hóa. Khi những vai trò này được thực hiện, chúng được coi là sản phẩm hoàn chỉnh. Ngày nay, các phương tiện hiện đại phải đáp ứng nhiều yêu cầu bổ sung, bao gồm tính thẩm mỹ, sự thoải mái và quan trọng nhất là sự an toàn. Trong số đó, sự an toàn được ưu tiên hàng đầu, dẫn đến việc tích hợp các hệ thống hỗ trợ người lái như EBD (Hệ thống phân phối lực phanh điện tử), BBW (Hệ thống phanh điều khiển điện) và ABS (Hệ thống chống bó cứng phanh) trong hầu hết các phương tiện hiện đại.

Với sự phát triển của các ngành công nghiệp hiện đại, nhiều công nghệ, bao gồm cả hệ thống cơ khí và điện tử, đã được áp dụng vào hệ thống phanh. Do đó, nhóm sinh viên đã chọn nghiên cứu hệ thống phanh được trang bị hệ thống EBD, BBW và ABS trong một chiếc SUV 7 chỗ, với xe tham chiếu được chọn là LuxSA 2.0 2021.

Mặc dù đã cố gắng và nghiên cứu, nhưng do kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đồ án vẫn còn có nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm và phản hồi mang tính xây dựng từ các thầy cô hướng dẫn để chúng em có thể hoàn thiện hơn trong tương lai.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất!

Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Với đề tài được giao là "Thiết kế và mô phỏng phân phối lực phanh điện tử trên hệ thống phanh điều khiển xe 7 chỗ", đồ án bao gồm các nội dung chính sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phanh trên ô tô

Nghiên cứu tổng quan về đề tài, tình hình hiện tại của hệ thống phanh, tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại hệ thống phanh trên ô tô.

Chương 2: Tính toán hệ thống phanh

Tính toán và thiết kế các thông số cho hệ thống phanh sử dụng LuxSA 2.0 2021 làm xe tham chiếu. Bao gồm xác định mô men phanh cần thiết, tính toán cơ cấu phanh trước và sau, hệ thống truyền động phanh và kiểm bền.

Chương 3: Mô phỏng hệ thống phanh điều khiển điện (BBW)

Thiết lập mô hình cơ khí của hệ thống phanh điều khiển điện bằng phần mềm mô phỏng Amesim, xây dựng khối điều khiển và mô phỏng áp suất ở cơ cấu phanh trong 2 trường hợp phanh khẩn cấp và phanh rà.

Chương 4: Mô phỏng hệ thống phanh điều khiển điện (BBW) kết hợp hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD)

Thiết lập mô hình mô phỏng với các phương trình động lực học xe và động lực học bánh xe, sử dụng bộ điều khiển PID để giám sát hoạt động của hệ thống EBD bằng cách sử dụng mô hình Amesim ở trên và phần mềm chuyên dụng.

Chương 5: Mô phỏng hệ thống phanh điều khiển điện (BBW) kết hợp hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD) và hệ thống chống bó cứng phanh ABS

 Sử dụng kết quả của các mô hình đã xây dựng ở các chương trước kết hợp với sử dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển hệ thống chống bó cứng phanh ABS. Sau đó, thực hiện mô phỏng kết hợp 3 hệ thống đã nêu trên phần mềm chuyên dụng và đưa ra kết quả.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ

1.1Chức năng của hệ thống phanh

Chức năng cơ bản nhất của hệ thống phanh là làm giảm tốc độ của xe khi chuyển động và giúp xe đứng yên và dừng lại tại chỗ. Quá trình phanh được thực hiện bằng cách tạo ra lực ma sát giữa phần bánh xe quay và phần xe đứng yên, chuyển động năng thành nhiệt năng bức xạ ra môi trường. Ngày nay, ngoài những chức năng cơ bản, nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ, hệ thống phanh còn mang lại nhiều lợi ích và tính an toàn, hỗ trợ người lái nhiều hơn trong quá trình điều khiển xe như phanh dừng khẩn cấp, hỗ trợ di chuyển trên đường trơn trượt, vào cua êm ái,... Vì vậy, có thể nói hệ thống phanh là bộ phận chính, quan trọng, không thể thiếu, đóng vai trò quyết định trong việc điều khiển xe ô tô lưu thông trên đường.

1.2 Yêu cầu của hệ thống phanh

Hệ thống phanh trên ô tô cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Đảm bảo hiệu quả phanh cao: có thể điều khiển theo ý muốn hoặc có quãng đường phanh ngắn nhất, khả năng tăng tốc chậm của xe cao.

- Quá trình phanh phải êm dịu, sự thay đổi gia tốc phanh phải đều đặn, đáp ứng được tính điều khiển và tính ổn định của xe trong mọi trạng thái vận hành.

- Kiểm soát dễ dàng và mượt mà bao gồm phanh chính (phanh chân) và phanh dừng (phanh tay).

- Hiệu quả phanh thay đổi rất ít ngay cả khi phanh liên tục.

- Có độ tin cậy cao, ngay cả khi một phần hệ thống phanh bị hỏng, hệ thống vẫn có khả năng dừng xe.

1.3 Phân loại hệ thống phanh

1.1.1 Phân loại theo đặc điểm điều khiển

- Phanh chính: Giảm tốc độ khi xe đang di chuyển.

- Phanh phụ: Giúp xe dừng lại và đứng yên khi đỗ.

- Phanh trợ lực: phanh động cơ, phanh thủy lực hoặc phanh điện tử, v.v. hỗ trợ cho hệ thống phanh chính để giảm nhu cầu năng lượng động học do xe tạo ra khi hệ thống phanh hoạt động trên quãng đường dài (ví dụ, phanh xe khi xuống dốc dài, v.v.)

1.1.3 Phân loại theo kết cấu của cơ cấu phanh

- Phanh tang trống,

- Phanh đĩa,

- Phanh điện tử,

1.1.4 Phân loại theo hệ thống trợ lực

- Hệ thống trợ lực thủy lực

- Hệ thống trợ lý khí nén

- Hệ thống trợ lý điện tử

1.5 Cơ cấu phanh tang trống

Cơ cấu phanh tang trống được phân loại theo phương pháp bố trí và điều khiển má phanh (Hình 1.2), bao gồm:

- Cơ cấu phanh tang trống kiểu đối xứng qua trục;

- Cơ cấu phanh tang trống kiểu đối xứng qua tâm;

- Cơ cấu phanh tang trống loại tự cường hóa.

1.5.1Cơ cấu phanh tang trống đối xứng qua trục

Cấu tạo của cơ cấu phanh tang trống dẫn động thủy lực như hình vẽ. Phần quay của cơ cấu phanh là tang trống được nối với moay ơ bánh xe. Má phanh 6, 9 được lắp với bánh xe phanh cố định, trên má phanh lắp má phanh 7, 10. Hai má phanh 6, 9 được đặt đối xứng trên trục đi qua tâm bánh xe. Một đầu của má phanh 6 và 9 quay quanh chốt đỡ, đầu kia tựa vào piston của xi lanh công tác. Hai đầu trên của hai má phanh được kéo bởi lò xo hồi vị má phanh 12, tách má phanh ra khỏi tang trống và ép piston trong xi lanh công tác về vị trí không phanh. Xi lanh công tác là xi lanh đôi có thân chung và hai piston đối xứng.

1.5.2 Cơ cấu phanh tang trống đối xứng qua tâm

Cấu trúc của cơ cấu phanh tang trống đối xứng qua tâm như trong hình. Má phanh 6, 10 được lắp trên chốt cố định 5,9 trong mâm phanh và có một ống lót lệch tâm để điều chỉnh khe hở dưới của má phanh với trống phanh. Đầu kia của má phanh luôn tỳ vào piston của xi lanh công tác 1 nhờ lò xo guốc phanh. Khe hở trên giữa má phanh và trống phanh được điều chỉnh bằng cam 12.

1.6 Cơ chế phanh đĩa

1.6.1Loại phanh đĩa giá đỡ cố định

Cấu trúc của phanh đĩa giá đỡ cố định được thể hiện trong hình dưới đây. Giá đỡ 6 được cố định vào giá đỡ trục bánh xe. Hai xi lanh thủy lực 5, 5' ở cả hai bên của đĩa phanh 1. Trong xi lanh có một piston 3, 3', một bên của piston ép vào má phanh 2, 2' một bên chịu áp suất dầu khi phanh. Dầu được dẫn từ xi lanh chính đến cả hai xi lanh bánh xe bằng các đường dẫn dầu 7. Phớt 4,4' bao bọc khoang áp suất cao trong xi lanh.

1.6.2 Loại phanh đĩa giá đỡ di động

Cấu trúc của phanh đĩa giá đỡ di động được thể hiện trong hình dưới đây. Giá đỡ xi lanh không cố định nhưng có thể di chuyển theo chiều ngang dọc theo chốt trượt. Trong giá đỡ di động 4, chỉ có một xi lanh bánh xe và piston 3. Piston nằm trực tiếp trên má phanh 6. Má phanh ở phía đối diện 6' được lắp trực tiếp trên giá đỡ di động 4.

1.6.3 Má phanh

Khi má phanh mỏng hơn độ dày tiêu chuẩn an toàn của nhà sản xuất, miếng thép chỉ báo mòn sẽ chạm vào đĩa phanh, gây ra tiếng kêu cót két và thông báo cho người lái xe về tình trạng phanh tại thời điểm đó. Cảnh báo xảy ra khi độ dày thực tế của má phanh khoảng 2,5 mm.

* Tự điều chỉnh khe hở má phanh:

Vì piston cuppen tự động điều chỉnh khoảng hở phanh nên không cần phải điều chỉnh khoảng hở phanh thủ công. Khi bạn nhấn bàn đạp phanh, áp suất thủy lực sẽ di chuyển piston và đẩy má phanh vào đĩa phanh. Trong khi piston di chuyển, nó khiến piston cuppen thay đổi hình dạng. Khi nhả bàn đạp phanh, piston cuppentrở lại hình dạng ban đầu, khiến piston rời khỏi má phanh.

1.8 Bộ trợ lực phanh

* Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt động của bộ trợ lực phanh dựa trên cơ chế sử dụng sự chênh lệch giữa lực chân không của động cơ và áp suất khí quyển để tạo ra một lực mạnh (lực tăng cường) tỷ lệ thuận với lực tác động lên bàn đạp.

Khi người lái xe đạp phanh, cần điều khiển van sẽ đẩy không khí, khiến nó di chuyển sang bên trái. (Lò xo van điều chỉnh cũng đẩy van không khí sang bên trái cho đến khi nó tiếp xúc với van chân không. Chuyển động này sẽ bịt kín đường đi giữa các lỗ A và B).

Khi van khí tiếp tục di chuyển về bên trái, nó sẽ ngày càng xa van điều chỉnh, khiến không khí bên ngoài đi vào buồng áp suất thay đổi qua lỗ B (sau khi đi qua bộ lọc khí).

1.9. Hệ thống chống bó cứng phanh ABS

1.9.1 Chức năng

Từ những năm 60 của thế kỷ trước, hệ thống ABS đã ra đời để phục vụ cho máy bay thương mại. Phi công gặp khó khăn khi hạ cánh máy bay với trọng lượng và tốc độ cao trên đường băng, gây ra hiện tượng trượt bánh. Họ không thể phanh bằng cách liên tục nhấn và nhả bàn đạp phanh. Do đó, người ta bắt đầu áp dụng ABS cho máy bay để giúp phi công hạ cánh dễ dàng hơn. Nhưng vào thời điểm đó, ABS rất cồng kềnh và đắt tiền nên không thể áp dụng ngay cho ô tô.

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học, hệ thống ABS được điều khiển điện tử. Bộ điều khiển ABS (ABS ECU) theo dõi tốc độ bánh xe bằng tín hiệu từ các cảm biến bánh xe. Nếu xe bị trượt, các cảm biến sẽ đo và gửi tín hiệu đến ECU để xử lý. 

1.9.3 Phân loại ABS

Mặc dù có chung nguyên lý hoạt động, ABS có thể được thiết kế theo nhiều sơ đồ cấu trúc và biện pháp điều chỉnh áp suất khác nhau. Theo phương pháp điều khiển, ABS có thể được chia thành hai nhóm lớn: điều khiển cơ học và điều khiển điện tử.

Một số hệ thống ABS phổ biến được sử dụng với hệ thống truyền động thủy lực, điều khiển điện tử:

ABS 1 kênh - RWAL (Rear Wheel Antilock Brake System) hoặc RABS (Rear Antilock Braking System) là hệ thống chống bó cứng phanh cho hai bánh sau, kiểm soát áp suất của đường truyền động đến cả hai phanh bánh sau cùng một lúc. Hệ thống đơn giản được thiết kế cho xe thể thao và xe tải hạng nặng, vì những loại xe này dễ bị bó cứng bánh sau khi phanh trong trường hợp tải thấp hoặc không tải.

Sơ đồ ABS 3 kênh có 4 cảm biến được bố trí trên các bánh xe và 4 van điều khiển. Trong tùy chọn này, hai bánh trước được điều khiển độc lập, hai bánh sau được điều khiển cùng nhau ở chế độ thấp (select low mode), tức là bánh xe có khả năng bám đường thấp sẽ quyết định áp suất phanh chung cho toàn bộ trục sau. Tùy chọn này sẽ loại bỏ mô men quay cưỡng bức trên trục sau, tăng độ ổn định nhưng làm giảm hiệu quả phanh. Hầu hết các xe dẫn động cầu sau chủ động và nhiều xe dẫn động cầu trước chủ động đều sử dụng ABS 3 kênh.

Sơ đồ ABS 4 kênh có 4 cảm biến được bố trí trên các bánh xe và 4 van điều khiển độc lập (thường dùng cho xe dẫn động cầu trước động cơ trước). Với tùy chọn này, tất cả các bánh xe đều tự động. Điều chỉnh lực phanh sao cho luôn ở vùng có độ bám tối đa, do đó hiệu quả phanh là lớn nhất. Tuy nhiên, khi phanh trên đường có hệ số bám trái và phải không đều, mô men quay cưỡng bức lớn và độ ổn định giảm.

1.10 Hệ thống phanh điều khiển điện Brake-By-Wire (BBW)

1.10.1 Chức năng

Hệ thống phanh Brake-by-Wire (BBW) là một giải pháp công nghệ hiện đại trong lĩnh vực ô tô, trong đó quá trình điều khiển phanh được thực hiện hoàn toàn thông qua tín hiệu điện tử thay vì sử dụng các kết nối cơ khí hoặc thủy lực truyền thống. Khi người điều khiển tác động lên bàn đạp phanh, cảm biến sẽ ghi nhận lực tác động và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển điện tử trung tâm (ECU). ECU sẽ xử lý thông tin và điều khiển các cơ cấu chấp hành tại từng bánh xe nhằm tạo ra lực phanh phù hợp với điều kiện vận hành. Hệ thống BBW cho phép điều phối lực phanh độc lập tại từng bánh xe, nhờ đó tăng cường hiệu quả của các chức năng an toàn chủ động như chống bó cứng phanh (ABS), phân phối lực phanh điện tử (EBD) và cân bằng điện tử (ESP). 

1.10.2 Nguyên lý làm việc

Có nhiều loại phanh Brake-By-Wire (BBW) khác nhau nhưng chúng có cùng nguyên lý hoạt động, ta có thể tìm hiểu nguyên lý của chúng thông qua sơ đồ khối dưới đây:

Trên đây là sơ đồ nguyên lý của một hệ thống Brake-By-Wire thủy lực bao gồm những cơ cấu chính như: cảm biến bàn đạp phanh, bộ tạo cảm giác bàn đạp phanh, bình tích áp, bơm, các van nạp/xả, cảm biến áp suất tại xylanh phanh…

Ở trạng thái hoạt động bình thường khi người lái tác động vào bàn đạp phanh, cảm biến hành trình bàn đạp và cảm biến áp suất xi-lanh chính sẽ ghi nhận mức độ yêu cầu phanh và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm ECU. Tại đây, nếu hệ thống hoạt động ở chế độ điện hoàn toàn, van điện từ cắt xi-lanh chính sẽ ngắt kết nối giữa bàn đạp và hệ thống thủy lực, đồng thời bộ mô phỏng hành trình sẽ tái tạo cảm giác đạp phanh cho người lái. Áp suất phanh được tạo ra bởi bơm và mô-tơ bơm, tích trữ trong bình tích áp, và được giới hạn bởi van an toàn. Áp suất này sau đó được điều khiển chính xác đến từng bánh xe thông qua các van điều chỉnh áp suất và van giảm áp tuyến tính, giúp thực hiện các chức năng an toàn như ABS, EBD và ESC.

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHANH

2.1 Giới thiệu về xe tham khảo

Trong dự án này, chiếc xe được chọn thiết kế tại LuxSA 2021 như hình 2.1.

Bảng 2.1 dưới đây thể hiện thông số kỹ thuật chính của xe tham chiếu.

2.2 Thông số chính

Thông số kỹ thuật của VF Lux SA2.0 như bảng 2.2.

2.3 Hệ thống phanh LuxSA 2021

Hệ thống phanh của LuxSA 2021 như bàng 2.3.

2.4 Tính toán cơ cấu phanh

2.4.1 Xác định mô men cần thiết trên bánh xe

Xét sơ đồ phanh của một chiếc ô tô trên đường bằng phẳng (Hình 3.1). Xe chịu tác dụng của các lực sau: Trọng lượng G ; Phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trục trước và sau Z₁ , Z₂ ; lực phanh ở bánh trước và bánh sau P_p1 , P_p2 ; mô men quán tính 𝑃𝑗 ( xe đang phanh và tăng tốc chậm.) Bỏ qua lực cản lăn P_f và sức cản của không khí P_w.

Lực phanh tại bánh xe đạt giá trị cực đại khi bánh xe bắt đầu trượt. Trong quá trình trượt, mô men phanh không thể tăng thêm nữa mà thậm chí còn có xu hướng giảm. Do đó, chúng ta tính toán mô men phanh cần thiết tại bánh xe để tận dụng tối đa khả năng bám của bánh xe.

Mô-men xoắn phanh cần thiết ở trục trước và sau lần lượt được xác định theo điều kiện lực kéo:

 M_p1=P_p1.r_bx=P_φ1.r_bx=φ._Z1.r_bx

M_p2=P_p2.r_bx=P_φ2.r_bx=φ.Z₂.r_bx

Ta có thể xác định gần đúng lực quán tính theo công thức sau:

P_j=j_p.G/g

Với: J_P: Giảm tốc độ tăng tốc khi phanh (m/s);

g: Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/ s².

Vì thế:

a=(G₂⋅L)/G= ( 14250 .  2933)/28500=1465(mm)=1,465 m

b=(G₁⋅L)/G= (14250 .  2933)/28500=1465(mm)=1,465 m

φ: Hệ số bám dính giữa lốp xe và mặt đường, xét điều kiện đường là mặt đường nhựa khô, chọn: φ = 0,9;

j_pmax = φ. g = 0,9.9,81 = 8,829 (m/s²)

- Thông số kỹ thuật lốp trước: 255/50R20

=> Chiều rộng lốp B = 255 mm

H = B. 0,50 = 255.0,50 = 127,5 (mm)

Đường kính vành lốp d = 20 inch

Với λ là hệ số tính đến biến dạng lốp, đối với lốp áp suất cao, chọn λ = 0,95

=> r_bx= 0,95.368,8 = 350,4 (mm) = 0,35m

- Thông số lốp sau: 285/45R10

Chiều rộng lốp B = 285 mm

=> H = B. 0,50 = 285.0,45 = 128,25 (mm)

=> r_bx= 0,95.369,55 = 351,07 (mm) = 0, 351m

Vì vậy, mômen phanh cần tạo ra ở bánh trước và bánh sau lần lượt là:

M_p1=(28500.1,465)/2.2,933  .(1+ (8,829.0,532)/9,81.1,465)  .0,9 .0,35=2977,9 Nm

M_p2=(28500.1,465)/2.2,933  .(1- (8,829.0,532)/9,81.1,465)  .0,9 .0,351=1515,15 Nm

2.4.2 Tính toán cơ cấu phanh trước

Mô hình tính toán phanh đĩa như hình 2.3.

Trong đó:

P: Lực ép má phanh vào đĩa phanh, bao gồm 2 lực tạo ra bởi 2 xi lanh đối xứng;

_rtb: lực tác dụng bán kính P.

M_p1=2.μP₁.r_tb

Vì thế:

P₁=M_p1/(2μ_rtb1 )=  2977,9/2.0,3.0,15=33087,72 (N)

Lực kẹp của má phanh vào đĩa phanh trên bánh xe trục trước sau khi chọn đường kính xi lanh là:

P₁''=n₁⋅(π₁²)/4 P_t=1⋅(π.〖60²)/4.12 = 33929,2(N

2.4.4. Xác định kích thước má phanh

Kích thước của má phanh được lựa chọn dựa trên việc đảm bảo các điều kiện sau:

- Công ma sát riêng;

- Áp lực lên bề mặt má phanh;

- Tỷ lệ ;                      

- Điều kiện hoạt động của cơ cấu phanh.

a. Công ma sát riêng:

Nếu xe phanh từ vận tốc ban đầu V0 cho đến khi dừng lại (V=0), thì động năng ban đầu của xe được coi là đã chuyển hóa hoàn toàn thành công ma sát L tại cơ cấu phanh: L=(G.V₀²)/(2.g)

Công ma sát riêng được xác định để đảm bảo kích thước và số lượng bề mặt ma sát cung cấp đủ độ bền cho cơ cấu phanh đáp ứng các yêu cầu vận hành. Để má phanh được thiết kế đủ bền, công ma sát riêng phải thỏa mãn điều kiện: l ≤ [l]. Nếu phanh xảy ra từ = 60 km/h đến V = 0, thì [l] = (0,4 đến 10) MJ/m2

Trục trước:

→ F'=60/360.π.(170²-130² )=6283,2 (mm²)

Trục sau:

→ F"=40/360.π.(160²-120² )=3909,5 (mm²)

Vì vậy :F_Σ=4.(5026,5 +3071,8 )=32393,3 (mm²)

b. Áp lực lên bề mặt má phanh:

Áp lực lên bề mặt má phanh bị giới hạn bởi độ bền của vật liệu, vì mỗi loại vật liệu chỉ có thể chịu được một áp suất nhất định. Áp suất được tính như sau:

q=P'/F≤[q]=5 MPa

Đối với má phanh trục trước:

q₁=(P₁')/F' =54965,3/6283,2=8,7 (MPa)

Đối với má phanh trục sau:

q₂=(P₂')/F" =15072/3909,5=3,9 (MPa)

Do đó, áp suất lên bề mặt má phanh ở cả trục trước và sau đều nằm trong phạm vi cho phép.

2.5 Thiết kế và tính toán hệ thống phanh

Mục đích của thiết kế tính toán dẫn động phanh thủy lực bao gồm việc xác định các thông số cơ bản: đường kính xy lanh làm việc, đường kính xy lanh chính, tỷ số truyền, lực và hành trình bàn đạp phanh. Cùng với đó là độ bền của đường ống dẫn truyền phanh.

2.5.1 Tính toán đường kính xi lanh làm việc

Đường kính xi lanh đã được tính toán và lựa chọn từ (2.17) và (2.22):

- Đường kính xi lanh làm việc của bánh xe tại mỗi cơ cấu phanh sau : d₁=60 mm;

- Đường kính xi lanh làm việc của bánh xe tại mỗi cơ cấu phanh sau: d₂=45 mm.

2.5.3 Hành trình làm việc của piston xi lanh bánh xe

Vì cơ cấu phanh trước và sau đều là phanh đĩa nên khoảng cách giữa má phanh và đĩa phanh rất nhỏ . G là x₁  hành trình của piston làm việc _x2. Lựa chọn: x₁=x₂=0,5 mm.

2.5.5 Hành trình làm việc của piston xi lanh chính

Hành trình của piston trong xi lanh Xi lanh chính phải bằng hoặc lớn hơn yêu cầu để đảm bảo lượng dầu đi vào xi lanh xi lanh làm việc trong cơ cấu phanh.

Cho S1 và S2 là hành trình dịch chuyển của piston thứ cấp và piston sơ cấp. Khi xem xét piston sơ cấp có tác động độc lập đến piston thứ cấp, thì:

S=S₁+S₂

Vì thế:

- Pít tông thứ cấp dịch chuyển 1 đoạn: S1 = 8,28(mm)

- Pít tông sơ cấp dịch chuyển 1 đoạn: S2 =4,66 (mm)

Tổng hành trình dịch chuyển của các piston : S=S₁+_S2=12,94 (mm)

2.6 Bảng thông số thiết kế

Thông số thiết kế thể hiện như bảng 2.4.

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN (BRAKE BY WIRE) BẰNG PHẦN MỀM AMESIM

3.1 Xây dựng mô hình điều khiển

3.1.1 Xây dựng mô hình điều khiển trên Amesim

Sơ đồ van điều khiển áp suất (bộ điều biến) như hình 2.1.

Sơ đồ mạch của bộ điều biến được thể hiện trong Hình 3.23. Dựa trên sơ đồ này, mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Simcenter. Nó bao gồm 5 thành phần chính: Xi lanh chính, van điện từ, bộ tích lũy năng lượng và bơm hồi dầu, bộ truyền động. ECU nhận dữ liệu từ các cảm biến tốc độ bánh xe trong quá trình phanh và sau đó gửi lệnh điều khiển đến van điều khiển áp suất để điều chỉnh áp suất phanh đến xi lanh bộ truyền động theo cách để tối đa hóa lực kéo mà không gây trượt bánh xe.

Như thể hiện trong Hình 3.16, dựa trên sơ đồ hệ thống phanh ABS thủy lực, mô hình hệ thống ABS thủy lực cho một bánh xe đơn được xây dựng trên AMESim.

Các thư viện và khối trong Simcenter Amesim được sử dụng:

- Thư viện tín hiệu, điều khiển

- Thư viện thiết kế thành phần thủy lực

3.1.2 Xi lanh chính

Lực do người lái tác dụng lên bàn đạp phanh tác động lên piston chính. Piston chính di chuyển, che lỗ thông hơi trong bình chứa dầu phanh, tạo ra áp suất bên trong xi lanh hướng đến trục. Đồng thời, nó đẩy piston phụ, hoạt động theo cùng nguyên lý, tạo ra áp suất cho trục.

3.1.5 Xây dựng ý tưởng bằng phần mềm Amesim

Mô hình phanh điều khiển điện (Brake By Wire) được thiết lập dựa trên cấu trúc và nguyên lý điều khiển của hệ thống thủy lực. Nó tận dụng những ưu điểm của phần mềm AMESim để mô hình hóa thủy lực và động, tập trung vào hoạt động của bộ điều khiển phanh thủy lực điều khiển điện Brake By Wire. Mô phỏng bao gồm các quá trình gia tăng áp suất, cũng như áp suất hồi lưu do bơm tạo ra, độ trễ do khe hở (như đĩa phanh và má phanh, thanh đẩy và piston) và lực tác dụng bởi cơ cấu truyền động. Tác động của các thông số liên quan cũng được phân tích.

3.2 Xây dựng các khối điều khiển

3.2.1 Khối điều khiển áp suất phanh

a. Tổng quan về các khối chính trong bộ điều khiển

Các khối điều khiển trong Amesim như bảng  3.3.

b. Chiến lược điều khiển

3.2.2 Khối điều khiển

Hệ thống phanh điều khiển điện (Brake-by-Wire) là một công nghệ hiện đại trong lĩnh vực ô tô, thay thế hoàn toàn mạch phanh thủy lực truyền thống bằng tín hiệu điện tử để điều khiển quá trình phanh. Trong hệ thống này, tín hiệu từ bàn đạp phanh không còn được truyền trực tiếp tới cụm phanh thông qua dầu phanh mà được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ cảm biến hành trình hoặc cảm biến lực đặt tại bàn đạp phanh. Tín hiệu này sau đó được gửi tới bộ điều khiển trung tâm (ECU), nơi thực hiện việc phân tích và đưa ra lệnh điều khiển mô-men phanh tương ứng đến từng bánh xe thông qua các cơ cấu chấp hành như mô-tơ điện, cụm thủy lực điện tử, hoặc phanh điện tử. Việc sử dụng tín hiệu bàn đạp phanh mang lại độ chính xác cao, phản ứng nhanh và khả năng phối hợp linh hoạt với các hệ thống an toàn khác như ABS và EBD, từ đó nâng cao hiệu suất phanh và sự an toàn tổng thể cho phương tiện.

Bộ điều khiển dựa trên tín hiệu đầu vào được cung cấp từ cảm biến độ dịch chuyển bàn đạp phanh (1,2) sau đó qua các khối đạo hàm tín hiệu, so sánh … để đưa ra tín hiệu điều khiển tới các cơ cấu chấp hành như van điều khiển áp suất (4), bơm (3).

3.3 Kết quả mô phỏng

Trong trường hợp phanh khẩn cấp, tín hiệu bàn đạp phanh được mô phỏng theo 2 trường hợp chính được mô tả như hình:

- Người lái phản ứng nhanh: Thời gian để người lại đạp hết hành trình bàn đạp phanh là 0,2s.

- Người lái phản ứng chậm: Thời gian để người lái đạp hết hành trình bàn đạp phanh là 0,3s.

3.3.1 So sánh kết quả mô phỏng phanh thủy lực điều khiển điện với phanh thủy lực truyền thống khi phanh khẩn cấp

a. Người lái phản ứng nhanh

Qua hình 3.10 ta nhận thấy áp suất tại cơ cấu phanh trong trường hợp có sử dụng hệ thống phanh điều khiển tăng nhanh hơn so với phanh thủy lực truyền thống khoảng 0,08s tương ứng 40%.

b. Người lái phản ứng chậm

Qua hình 3.11 ta nhận thấy áp suất tại cơ cấu phanh trong trường hợp có sử dụng hệ thống phanh điều khiển điện tăng nhanh hơn so với phanh thủy lực truyền thống khoảng 0,15s tương ứng 50%.

3.3.2 Trường hợp phanh rà

a. Người lái đạp 30% bàn đạp

Lực tác động vào bàn đạp là 30% tương ứng với áp suất tạo ra là 30% áp suất tối đa tức 36 bar. Ta có thể thấy ở đồ thị mô phỏng dưới đây:

c. Người lái đạp 70% bàn đạp

Lực tác động vào bàn đạp là 70% tương ứng với áp suất tạo ra là 70% áp suất tối đa tức 84 bar. Ta có thể thấy ở đồ thị mô phỏng dưới đây:

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI LỰC PHANH ĐIỆN TỬ TRÊN HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN

4.1 Đặt vấn đề

Trong quá trình phanh, do lực quán tính nên trọng lượng xe lên các cầu được phân bố lại. Trọng lượng xe phân bố lên cầu trước tăng và phân bố lên cầu sau giảm. Trong hệ thống phanh truyền thống, nếu không có bộ điều khiển lực phanh giữa hai cầu thì sẽ có một cầu nào đó mà bánh xe sẽ bị trượt lết và ở cầu còn lại thì bánh xe sẽ chưa tận dụng tốt lực bám. Từ đó làm giảm hiệu quả phanh và gây các tình huống nguy hiểm.

4.2 Cơ sở lý thuyết của hạn chế trượt bánh xe khi phanh

4.2.1 Cơ sở lý thuyết

Dựa vào mô hình xe khi phanh dưới đây, xét một ô tô đang thực hiện phanh trên đường bằng:

Sơ đồ lực tác dụng lên xe khảo sát khi phanh như hình 4.1.

Trong đó, lực tác dụng bao gồm:

- G : Trọng lượng xe;

- Fq: Lực cản quán tính.

- Fzi: Phản lực mặt đường tác dụng lên các bánh xe;

- Fpi: Lực phanh tại các bánh xe - hcg : Khoảng cách từ trọng tâm của xe đến mặt đường;

- L: Chiều dài cơ sở của xe;

- a, b: Khoảng cách từ trọng tâm của xe đến tâm bánh xe trục trước và trục sau.

- Bỏ qua lực F_w, F_f

Nếu Momen phanh sinh ra tại các cơ cấu phanh của các bánh trước và sau không tuân theo tỷ lệ này thì một cầu của xe có các bánh xe sẽ bị trượt lết, và cầu còn lại thì lực phanh chưa đạt cực đại.

Từ tỷ lệ giữa hai cầu, ta thấy tỷ lệ momen phanh hợp lý giữa 2 cầu thay đổi theo tọa độ trọng tâm xe và hệ số bám của mặt đường và bánh xe.

Vậy phương pháp để tránh trượt bánh là ta sẽ hạn chế sự gia ang Momen phanh của cầu bị trượt bằng cách là hạn chế sự gia ang áp suất của cầu đó.

4.2.2 Xây dựng đường phân bố momen phanh lý tưởng

* Xét trường hợp xe đầy tải: G= 28500 (N)  

Khảo sát trên các đường hệ số bám , và áp dụng (5.3) và (5.4) ta sẽ tính toán Momen phanh cực đại tại các đường có hệ số bám này:

Ta có bảng 4.1.

Từ số liệu từ bảng 4.1, ta vẽ được đồ thị 4.2.

Ta có:

Mối quan hệ giữa Momen phanh Mp và lực ép vào má phanh Pi:

M_pi=2.2.μ.Pi.r_tbi  

Như vậy, ta có mối quan hệ liên quan giữa M_p và p:

M_pi=μ.π.(d_i)².r_tbi.p=k_i.p=f(p)  ;

Như vậy, từ bảng 4.1, ta sẽ có các giá trị áp suất tương ứng.

Nhận xét:

- Dù p_{(1 thực tế)}=p_{(2 thực tế)} trong quá trình phanh, nhưng hệ só kết cấu của cơ cấu phanh k₁≠k₂ nên M_{(p1 thực tế)}≠M_{(p2 thực tế)}.

- Với mỗi gia tốc chậm dần (đường chéo) khác nhau ta đều thấy Momen phanh tại các bánh xe cầu trước đang luôn luôn bị thừa so với momen phanh cầu trước lý tưởng, ngược lại thì momen phanh tại các bánh xe cầu sau thì lại đang bị thiếu so với momen phanh cầu sau lý tưởng và không tận dụng hết lực bám.

4.2.4 Chiến lược điều khiển momen phanh

Từ phần nhận xét trên, chúng ta sẽ đưa ra được một chiến lược điều khiển là hạn chế momen phanh các bánh cầu trước để hạn chế sự trượt các bánh trước trong quá trình phanh hay nói cách khác là đưa đường phân bố momen phanh thực tế đi sát với đường phân bố lý tưởng nhất có thế.

Như phương pháp đã được đề cập trong phần 4.2 Cơ sở lý thuyết của hạn chế trượt bánh xe khi phanh, chúng ta sẽ điều khiển việc hạn chế sự gia tăng momen phanh cầu trước bằng cách hạn chế sự gia tăng áp suất tại cơ cấu phanh của các bánh xe tại cầu trước.

4.4 Kết quả của quá trình mô phỏng ở các mức bàn đạp phanh

4.4.1 Trường hợp phanh khẩn cấp (v_{(bàn đạp)}>v_ngưỡng)

Dự án mô phỏng quá trình phanh của ô tô đang đầy tải (G=28500N) trong trường hợp phanh khẩn cấp (100% lực bàn đạp trong thời gian ngắn) để khảo sát sự gia tăng áp suất phanh tại các cơ cấu phanh của hai cầu trước và sau.

Nhận xét:

- Khi phanh khẩn cấp, sự gia tăng áp suất phanh tại cơ cấu phanh sau ban đầu sẽ tương ứng với độ tăng % lực bàn đạp, nhưng khi  thì bơm sẽ hoạt động và đẩy áp suất xuống cơ cấu phanh rất nhanh và nhanh hơn so với tín hiệu bàn đạp.

- Kết quả từ Hình 4.7 dẫn đến mối quan hệ giữa p_{(f thực tế )}và p_{(r thực tế )}được thể hiện thông qua đồ thị Hình 4.8, ta thấy đường thực tế đi rât sát với đường lý tưởng.

4.4.2 Trường hợp phanh rà (v_{(bàn đạp})ngưỡng)

Dự án mô phỏng quá trình phanh của ô tô đang đầy tải (G=28500N) trong các trường hợp phanh rà (<100% lực bàn đạp trong thời gian dài) để khảo sát sự gia tăng áp suất phanh tại các cơ cấu phanh của hai cầu trước và sau.

a. Người lái đạp 80% lực bàn đạp max

Nhận xét:

- Khi phanh rà (v_{(bàn đạp)}<0.3) sự gia tăng áp suất phanh tại cơ cấu phanh sau sẽ tương ứng với độ tăng % lực bàn đạp xuyên suốt quá trình phanh

- Kết quả từ Hình 4.9 dẫn đến mối quan hệ giữa p_{(f thực tế} )và p_{(r thực tế )} được thể hiện thông qua đồ thị Hình 4.10, ta thấy đường thực tế đi rất sát với đường lý tưởng.

c.  Người lái đạp 40% lực bàn đạp max

Nhận xét:

- Khi phanh rà (v_{(bàn đạp)}<0.3 ) sự gia tăng áp suất phanh tại cơ cấu phanh sau sẽ tương ứng với độ tăng % lực bàn đạp xuyên suốt quá trình phanh

- Kết quả từ Hình 4.13 dẫn đến mối quan hệ giữa p_{(f thực tế )}và p_{(r thực tế )} được thể hiện thông qua đồ thị Hình 4.14, ta thấy đường thực tế đi rất sát với đường lý tưởng.

CHƯƠNG 5. MÔ PHỎNG CHO PHANH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN (BBW) KẾT HỢP PHÂN PHỐI LỰC PHANH

ĐIỆN TỬ (EBD) VÀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS

5.1 Đặt vấn đề

Có nhiều câu hỏi đặt ra là tại sao có Electronic-Brake-force Distribution (EBD) rồi mà vẫn cần thêm hệ thống ABS. Phải chăng điều này là thừa thãi?

Câu trả lời là “Không thừa thãi”. Như đã trình bày trong chương 4, hệ thống Electronic-Brake-force Distribution (EBD) giúp duy trì khả năng bám đường của xe lâu hơn và đồng thời tránh tình trạng trượt lết xảy ra trước khi ABS hoạt động (nếu sau đó xe trượt). Vậy trong tình huống nào xe bị trượt và cả 2 hệ thống này cùng hoạt động? Và EBD sẽ bổ trợ cho ABS như thế nào?

Để làm rõ vấn đề này hơn, ta xét trường hợp xe chưa có ABS, đang phanh trên đường có hệ số bám giữa lốp và mặt đường là =0.4 và trong trường hợp khi tài xế đang phanh khẩn cấp,

Ta xét trường hợp xe chưa có ABS, đang phanh trên đường có hệ số bám giữa lốp và mặt đường là μ=0.6 và trong trường hợp khi tài xế đang phanh khẩn cấp.

Theo bảng 4.2, áp suất phanh tối ưu là p_(sau)=92.4(MPa) và p_(trước)=73(MPa).

Dù hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD) giúp tối ưu phân bố lực phanh giữa các bánh xe, đặc biệt giữa cầu trước và cầu sau trong nhiều điều kiện tải khác nhau, nhưng EBD không thể thay thế hoàn toàn cho hệ thống chống bó cứng phanh (ABS). Lý do là vì EBD chỉ điều chỉnh lực phanh để tránh hiện tượng khóa bánh sớm, còn ABS đảm nhiệm chức năng ngăn bánh xe bị khóa cứng khi phanh gấp hoặc khi bám đường kém. Nếu không có ABS, dù lực phanh có được phân phối hợp lý nhờ EBD, bánh xe vẫn có thể bị khóa nếu tài xế phanh mạnh, gây mất lái và trượt xe. Vì vậy, EBD và ABS là hai hệ thống bổ trợ lẫn nhau, cùng nâng cao hiệu quả và độ an toàn khi phanh.

5.2 Thiết lập các phương trình động học

Chiến lược điều khiển hệ thống phanh ABS+EBD+BBW như hình 5.3.

Các loại khối được mô tả bao gồm:

- Bộ điều khiển : Hai bộ điều khiển được thiết kế để theo dõi các tín hiệu tham chiếu về áp suất phanh và độ trượt của bánh xe.

- Mô hình : Bao gồm các mô hình lý thuyết và thực nghiệm dựa trên các phương trình động lực học, chẳng hạn như động lực học dọc của xe và động lực học bánh xe.

- Bộ điều biến : Được mô phỏng với lực đầu vào, xi lanh chính, bơm và bộ truyền động dựa trên hai van đầu vào và đầu ra. Nó được điều khiển bởi tín hiệu điều khiển và áp suất đầu ra, tạo thành một phần của khối điều khiển áp suất phanh.

- Đơn vị tính toán : Chịu trách nhiệm tính toán độ trượt của bánh xe và mô-men xoắn phanh.

5.2.1 Bộ điều khiển áp suất phanh

Bộ điều khiển nhận tín hiệu đầu vào dưới dạng tín hiệu điều khiển và đưa tín hiệu điều khiển u tới bộ điều biến thủy lực, do đó áp suất dầu trong xi lanh bánh xe sẽ phản ứng phù hợp với áp suất.

Bộ điều khiển áp suất phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Phản ứng nhanh, bám sát khả năng vận hành thực tế của bộ điều biến thủy lực .

- Không vượt quá giới hạn, điều này có thể dẫn đến phanh quá mức và do đó khiến bánh xe trượt ở vùng không ổn định.

5.2.3 Các bước thiết kế

Quá trình thiết kế ABS có thể được tóm tắt trong các bước sau:

1. Mô hình hóa và kiểm chứng động lực học của hệ thống phanh và động lực học của bánh xe/thân xe.

2. Thiết kế bộ điều khiển áp suất phanh nhận tín hiệu đầu vào để điều khiển quá trình tăng, giảm hoặc duy trì áp suất. Quá trình này cũng yêu cầu một cơ chế để chuyển đổi tín hiệu điều khiển u thành lệnh đóng/mở van.

5. Xác minh cuối cùng và tinh chỉnh mô hình và bộ điều khiển thông qua mô phỏng trong môi trường tính toán và mô hình hóa như Amesim Simcenter. Quá trình thiết kế bộ điều khiển, đánh giá mô phỏng, thử nghiệm và điều chỉnh bộ điều khiển cần được lặp lại.

5.3. Phát triển mô hình động học

5.3.1 Mô hình động học thân xe

Trong quá trình vận hành, khi người lái đạp phanh, mô men phanh sẽ được tạo ra tại các bánh xe và các lực tác dụng vào ô tô trong quá trình phanh được thể hiện ở hình 5.3 dưới.

Lực tác dụng bao gồm:

- F_w : Lực cản của không khí;

- F_q: Lực quán tính.

- N_vi : Lực tổng hợp của các phản lực pháp tuyến tác dụng từ mặt đường lên mỗi lốp xe, (i = 1÷4);

- F_ti : Lực dọc ở mỗi lốp xe, (i = 1÷4);

- h_w : Khoảng cách từ điểm tác dụng của lực Fw đến mặt đường;

- h_cg : Khoảng cách từ trọng tâm của xe đến mặt đường;

- L: Chiều dài cơ sở của xe;

- a, b: Khoảng cách từ trọng tâm của xe đến tâm bánh xe cầu trước và cầu sau.

Phương trình cân bằng lực theo phương x:

(F_t1 ) +(F_t2 ) +(F_t3 ) +(F_t4 ) +(F_w ) +(F_q ) = 0

Phương trình cân bằng lực theo phương x:

F_t1+ F_t2+ F_t3+ F_t4+ F_w – F_q = 0

Vì thế:

F_q= ( M_V+ M_e) .a

Với:

M_V: Tổng khối lượng của xe ;

M_e: Khối lượng xét đến tác dụng của các bộ phận quay của xe;

M_e= 0,05. M_V;

a: Gia tốc phanh của xe.

(Cầu trước i = 1, 2; cầu sau i = 3, 4; p,q - Tỷ lệ phân bổ trọng lượng giữa trục trước và trục sau khi xe ở trạng thái tĩnh, có tải trọng đầy đủ )

4.2.2 Mô hình động lực học lốp xe

Hãy xem xét mô hình minh họa về một chiếc lốp xe chịu tác động của lực bên ngoài trong quá trình chuyển động:

Phương trình chuyển động quay của lốp xe:

J_wi.w _̇i=-M_pi-(F_ti  + F_fi).R_w

Với:

M_pi : Mô men phanh tại lốp xe i, (i = 1÷4);

J_wi : Mômen quán tính của lốp xe i, (i = 1÷4);

F_fi  : Lực cản lăn tại bánh xe i, (i = 1÷4);

R_w: Bán kính lăn động của lốp xe (m);

w_i   : Vận tốc góc của bánh xe i, (i = 1÷4);

Các hệ số của phương trình (5.14) được lấy từ tài liệu tham khảo [6], mô hình Burckhardt có ưu điểm là đơn giản về mặt toán học nhưng vẫn đủ chính xác để mô phỏng hành vi ma sát lốp trong các hệ thống điều khiển phanh như ABS (Anti-lock Braking System). Với khả năng mô tả tốt đặc tính phi tuyến của lốp, mô hình này thường được tích hợp trong các phần mềm mô phỏng động lực học phương tiện như MATLAB/Simulink hoặc AMESim được thể hiện trong Bảng 5.1 

4.4 Xây dựng các khối điều khiển

4.4.1 Khối điều khiển áp suất phanh

Bộ điều khiển Tỷ lệ-Tích phân-Đạo hàm (PID) là một cơ chế điều khiển phản hồi tạo ra tín hiệu điều khiển dựa trên một lỗi nhất định , đạo hàm theo thời gian ė và tích phân ∫e của nó. Ở dạng lý tưởng, bộ điều khiển PID có thể được biểu thị như sau:

u(t) = .e(t) + ∫ e(τ)dτ + .ė(t)

Ở đâu:

Kp : Mức tăng tương ứng,

K_I: Độ lợi tích phân,

K_D : Mức tăng đạo hàm,

(t)  : Lỗi giữa tín hiệu tham chiếu mong muốn y(_ref ) (t)và tín hiệu thực tếy(t)

4.2.2 Khối điều khiển tỷ lệ trượt

Theo phương pháp đề xuất ở phần 3.1.2, bộ điều khiển tỷ lệ trượt bánh xe được thiết kế dựa trên cấu trúc điều khiển mờ kiểu PID, kết hợp các nguyên lý của điều khiển PID với lý thuyết Hệ thống suy luận mờ (FIS).

Trong quá trình xây dựng bộ điều khiển tỷ lệ trượt bánh xe, tốc độ xe vvv và vận tốc góc của bánh xe ωi\omega_iωi​ được lấy trực tiếp từ thân xe và mô hình bánh xe, cho phép tính toán tỷ lệ trượt của bánh xe.

a. Tổng quan về Hệ thống suy luận mờ (FIS)

Suy luận mờ là quá trình xác định ánh xạ từ một đầu vào nhất định đến một đầu ra bằng cách sử dụng logic mờ. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống suy luận mờ bao gồm ba thành phần chính:

- Cơ sở quy tắc: Bao gồm một tập hợp các quy tắc nếu-thì mơ hồ.

- Cơ sở dữ liệu: Xác định các hàm thành viên được sử dụng trong các quy tắc.

- Cơ chế suy luận: Thực hiện quá trình suy luận dựa trên các quy tắc.

- Hệ thống suy luận mờ Takagi-Sugeno-Kang (TSK)

Bộ điều khiển được đề xuất sử dụng hệ thống suy luận mờ Takagi-Sugeno-Kang (TSK). Sự khác biệt chính giữa các mô hình mờ Mamdani và TSK nằm ở bản chất của đầu ra:

- Trong mô hình Mamdani, đầu ra là một tập mờ.

Nếu thì :

y_k=C_(0,k)+C_(1,k) x_1+ ...+ C_(n,k) x_n

Ở đâu: xi: Biến đầu vào, =1,…,m; Aj: Tập mờ, j=1,…,s; yk: Hàm đầu ra k=1,…,n, là tổ hợp tuyến tính của các đầu vào. Các tính toán liên quan đến tín hiệu đầu ra khác nhau giữa hệ thống mờ Mamdani và TSK.

c. Tham chiếu độ trượt bánh xe

Giá trị trượt bánh xe tham chiếu được nhập vào bộ điều khiển mới xây dựng như biến quyết định cuối cùng. Từ kết quả mô phỏng lặp lại, chúng ta có thể xác định giá trị trượt bánh xe tham chiếu cho trục trước và sau để đạt được hiệu suất phanh tốt nhất, bao gồm: thời gian phanh ngắn nhất, khoảng cách phanh ngắn nhất và độ giảm tốc tối đa. Từ đó, chúng ta thu được giá trị trượt bánh xe tham chiếu cho cầu trước và sau tương ứng là: .

Kết quả mô phỏng cho vận tốc góc của bánh xe cho thấy các cấu hình tương tự. Do đó, kết quả cho bánh xe phía trước bên trái được trình bày trong Bảng 4.6, 4.7, 4.8 tại đây.

5.5 Hệ thống ABS mô phỏng trong AMESIM

* Bài kiểm tra 1: Người lái đạp bàn đạp ở giữa

(trong trường hợp: van nạp mở, van xả đóng)

Như kết quả mô phỏng cho thấy, trong trường hợp người lái xe đạp bàn đạp ở giữa, tín hiệu lực đạp tăng từ 0 đến giá trị cực đại trong khoảng 0,01 giây và áp suất hệ thống duy trì ở mức 0 trong khoảng 0,2 giây rồi tăng lên giá trị cực đại trong 0,03 giây.

* Bài kiểm tra 2: Người lái xe đạp 50% bàn đạp ở giữa và giữ trong 3 giây sau đó đạp 100% bàn đạp ở giữa

(Trong trường hợp: van nạp mở, van xả đóng)

* Đánh giá hiệu quả mô phỏng:

Thời gian trễ phanh theo tiêu chuẩn TCVN 5658:1999 không quá 0,6 giây.

Mô phỏng trong amesim với độ trễ phanh là 0,2 < 0,6.

5.7 Mô phỏng ở hệ số ma sát 0,6

Dự án mô phỏng quá trình phanh của ô tô trên mặt đường có hệ số ma sát dọc μ = 0,6 như mô tả ở trên. Kết quả thu được như bảng 5.8.

Theo kết quả mô phỏng cho đường có hệ số bám dính là 0,6, quan sát thấy hệ thống hoạt động ổn định, tương tự như trường hợp có hệ số bám là 0,8. Tuy nhiên, tín hiệu PID dao động nhanh hơn, dẫn đến tín hiệu điều khiển nhanh hơn và liên tục hơn với tần số dao động cao hơn so với đường có hệ số bám dính là 0,8.

Dựa trên những kết quả này, chúng em thu được:

- Khoảng cách khi có ABS: 50,9 m

- Khoảng cách khi có ABS kết hợp BBW và EBD: 43,7 m

Biểu đồ cho thấy hiệu quả phanh được cải thiện tới 14,1% khi xe chạy trên đường có hệ số bám dọc tối đa là μ = 0,6.

5.9 Mô phỏng ở hệ số ma sát 0,4

Dự án mô phỏng quá trình phanh của ô tô trên mặt đường có hệ số ma sát dọc μ = 0,4 như mô tả ở trên. Kết quả thu được như 5.9

Theo kết quả mô phỏng cho một con đường có hệ số bám dính là 0,4, có thể thấy hệ thống hoạt động tương đối ổn định. Các tín hiệu PID dao động thậm chí còn nhanh hơn, tạo ra các tín hiệu điều khiển nhanh và liên tục với tần số dao động rất cao.

Dựa trên những kết quả này, chúng em thu được:

- Khoảng cách khi có ABS: 80 m

- Khoảng cách khi có ABS kết hợp BBW và EBD: 62 m

Biểu đồ cho thấy hiệu quả phanh được cải thiện tới 22,5% khi xe chạy trên đường có hệ số bám dọc tối đa là μ = 0,4.

PHẦN KẾT LUẬN

Sau hơn 4 tháng hoàn thành đồ án tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn của Thầy: TS. ……………… và sự giúp đỡ của các giảng viên nhóm Chuyên môn Ô tô và Xe chuyên dụng, nhóm sinh viên đã hoàn thành cơ bản các nhiệm vụ mà giảng viên hướng dẫn giao.

Nhóm sinh viên đã có được hiểu biết toàn diện về hệ thống phanh điện được sử dụng trong xe SUV 7 chỗ, đặc biệt tập trung vào thiết kế hệ thống phanh điện của xe Vinfast LuxSA 2.0, có phanh đĩa cho cả cầu trước và cầu sau, hệ thống phanh thủy lực hai dòng.

Các tính toán thiết kế cho xe đã đưa ra kết quả sau:

* Tính toán hệ thống phanh trước:

- Diện tích má phanh: 6283,2 mm²;

- Áp suất lên má phanh: 8,7 MPa;

- Lực tác dụng lên má phanh: 33929,2N;

- Đường kính piston làm việc: 60 mm.

* Tính toán hệ thống phanh sau:

- Diện tích má phanh: 3909,5 mm²;

- Áp suất lên má phanh: 3,9 MPa;

- Lực tác dụng lên má phanh: 19085,2 N;

- Đường kính piston làm việc: 45 mm.

* Tính toán hệ thống truyền động phanh:

- Hành trình bàn đạp: 76,34 mm;

- Tổng hành trình của piston trong xi lanh chính: 12,94 mm;

- Đường kính xy lanh chính: 20 mm;

- Độ bền kéo của đường ống dầu phanh: 46,7 MPa.

Sau đó, nhóm sinh viên tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phân phối lực phanh điện tử trên phanh điều khiển điện kết hợp ABS, bao gồm các mô hình động học, bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID. Mô phỏng được tiến hành ở tốc độ phanh ban đầu = 21,6 m/s trên đường nhựa khô , bê tông khô, nhựa đường ướt, sỏi, tuyết. Kết quả mô phỏng đạt được liên quan đến khoảng cách phanh, thời gian phanh, áp suất phanh, độ giảm tốc, tốc độ xe và tốc độ góc bánh xe.

Bên cạnh những thành tựu đã đạt được, do hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên đồ án tốt nghiệp này vẫn còn nhiều vấn đề chưa thể giải quyết được trong phạm vi thực tế. Do đó, nhóm sinh viên rất mong nhận được phản hồi và đóng góp của các thầy cô giáo, các thế hệ sinh viên khác và bạn đọc để đồ án được hoàn thiện hơn nữa.

Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy: TS. ………………  cùng các thầy cô giáo và cán bộ Nhóm Chuyên môn Ô tô và Xe chuyên dụng, Khoa Cơ khí động lực, Trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

                                                                                                                                      Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…

                                                                                                                                   Sinh viên thực hiện

                                                                                                                                     1./………………….

                                                                                                                                      2./………………….

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Lưu Văn Tuấn, Kết cấu ô tô , Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 2020.

[2]. Nguyễn Trọng Hoàn, Thiết kế và tính toán ô tô , Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 2019.

[3]. Võ Văn Hướng, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc, Động lực học ô tô , Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 2014.

[4]. Lưu Văn Tuấn, Lý thuyết ô tô , Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 2019.

[5]. Võ Văn Hướng, Nguyễn Tiến Dũng, Tạ Tuấn Hưng, Lý thuyết ô tô hiện đại , Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 2021.

[6]. Nguyễn Khắc Trai, Nguyễn Trọng Hoàn, Hồ Hữu Hải, Phạm Huy Hương, Nguyễn Văn Chương, Trình Minh Hoàng, Kết cấu ô tô , Nhà xuất bản Khoa học và Công nghệ, Hà Nội.

[7]. Fangjun Jiang, Zhiquiang Gao, "An Application of Nonlinear PID Control to a Class of Truck ABS Problem," Conference of Decision and Control, 2001.

[8]. Ahmad Mirzaei, Mehdi Moallem, Behzad Mirzaeian Dehkordi, B. Fahimi, "Design of an Optimal Fuzzy Controller for Anti-lock Braking Systems," IEEE Transactions on Vehicular Technology.

[9]. Chih-Keng Chen, Ming-Chang, "PID-Type Fuzzy Control for Anti-Lock Brake Systems with Parameter Adaptation," JSME International Journal.

[10]. Luo Xiao, Li Hongqin, Wu Jianzhen, "Modeling and Simulation of Anti-lock Braking System Based on Fuzzy Control," International Advanced Research Journal in Science, Engineering and Technology, Vol. 3, Issue 10, pp. 110-113

[11]. Youguo He, Chuandao Lu, Jie Shen, Chaochun Yuan, "Design and Analysis of Output Feedback Constraint Control for Antilock Braking System Based on Burckhardt’s Model," Assembly Automation, Vol. 39, Issue 4, pp. 497-513.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"