TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHANH
Hệ thống phanh
Phanh là thiết bị cơ học thiết yếu giúp kiểm soát chuyển động của bánh xe thông qua việc tạo ra ma sát, từ đó cho phép người lái giảm tốc độ hoặc dừng xe theo ý muốn Trong giai đoạn đầu của sự phát triển xe hơi, phanh chỉ đơn giản là những khúc gỗ được gắn vào vành bánh xe ngựa, khi người lái gạt đòn bẩy, khối gỗ sẽ hạn chế tốc độ quay của bánh xe.
Để giảm bớt trọng lượng, hệ thống phanh gỗ đã được thay thế bằng thép và da, nhưng vẫn chưa đạt hiệu quả phanh mong muốn và gây ra tiếng ồn khó chịu Điều này đặt ra thách thức cho các nhà sản xuất ô tô trong việc cải tiến hệ thống phanh, nhằm đảm bảo an toàn, tính thẩm mỹ cao và sự thoải mái cho người lái Hiện nay, các dòng ô tô hiện đại đã được trang bị hệ thống phanh đĩa thủy lực, giúp nâng cao độ an toàn trong quá trình sử dụng.
Hình 1 1 Hệ thống ô tô giúp giảm vận tốc hoặc dừng hẳn xe
Yêu cầu của hệ thống phanh
Hệ thống phanh ô tô phải đáp ứng các yêu cầu được xác định bởi các cơ quan uy tín như quy định N0-13 ESK 00H của Hội đồng kinh tế Châu Âu, tiêu chuẩn F18-1969 của Thụy Điển, tiêu chuẩn FM VSS-121 của Mỹ, và tiêu chuẩn quốc gia về an toàn chuyển động của phương tiện giao thông Để đạt chuẩn, hệ thống phanh cần tuân thủ những tiêu chí nghiêm ngặt nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả khi sử dụng.
- Quãng đường phanh ngắn nhất trong điều kiện phanh đột ngột
- Thời gian phanh nhỏ nhất thích ứng các tình huống bất ngờ
- Gia tốc phanh chậm dần càng lớn mang lại hiệu quả phanh càng cao
- Phanh êm dịu, đảm bảo tính ổn định trong mọi trường hợp
- Điều khiển nhẹ nhàng, người lái không tốn nhiều sức khi sử dụng
- Phân bố mô men đều trên các bánh xe phù hợp với tải trọng lực bám
- Không bị hiện tượng bó phanh
- Thoát nhiệt tốt, nâng cao tuổi thọ của linh kiện trong hệ thống phanh
- Kết cấu gọn nhẹ, dễ chẩn đoán hư hỏng trong mọi điều kiện.
Sơ đồ cấu tạo cơ bản hệ thống phanh
Hình 1 2 Sơ đồ hệ thống phanh cơ bản trên ôtô
Về cơ bản hệ thống phanh trên ô tô gồm 6 bộ phận:
4.Van điều hòa lực phanh (van P)
5.Phanh chân gồm 2 loại phanh đĩa và phanh trống
Hệ thống phanh trên xe đạp hoạt động khi lái xe đạp phanh, lực từ bàn đạp được truyền đến bầu trợ lực của phanh Quá trình này kích hoạt các piston, nén lò xo và dầu trong xi lanh chính, tạo ra áp suất cao để đẩy dầu đến các đường ống và xi lanh của bánh xe Khi đó, piston và guốc phanh sẽ ép chặt vào má phanh, tạo ra lực ma sát giúp giảm tốc độ quay hoặc dừng bánh xe theo yêu cầu của lái xe Khi lái xe ngừng tác động lực lên bàn đạp phanh, xi lanh phanh sẽ ép các piston đẩy dầu trở lại xi lanh chính, tạo ra cơ chế nhả phanh và giúp xe trở lại vận tốc mong muốn.
Phân loại hệ thống phanh ôtô
Hệ thống phanh được phân loại dựa trên trạng thái hoạt động của xe, bao gồm phanh chân và phanh đỗ Phanh chân có hai loại chính là phanh đĩa và phanh tang trống, cả hai đều được điều khiển bằng áp suất thủy lực Trong khi đó, hệ thống phanh khi đỗ xe tác động lên các phanh bánh sau thông qua dây kéo, giúp ngăn chặn xe di chuyển.
Cấu tạo phanh đĩa ô tô bao gồm bốn bộ phận chính: đĩa phanh, ngàm phanh, má phanh và dầu Hệ thống phanh này được thiết kế hở, với các bộ phận phối hợp nhịp nhàng, giúp ô tô dừng lại hoặc giảm tốc độ một cách hiệu quả.
Đĩa phanh (Roto) là bộ phận gắn trực tiếp lên cụm may-ơ bánh xe, bao gồm các loại như đĩa đặc, đĩa thông gió và đĩa có tang trống Tùy thuộc vào thiết kế, đĩa phanh có thể được đục lỗ hoặc xẻ rãnh để tối ưu hóa khả năng tản nhiệt, giúp hệ thống phanh đĩa ô tô hoạt động hiệu quả hơn.
Hầu hết các loại đĩa phanh hiện nay được chế tạo từ thép carbon, một vật liệu có khả năng chịu nhiệt và lực tốt, đồng thời có độ bền cao Tuy nhiên, nếu quá trình vận hành chịu lực tác động vượt ngưỡng cho phép nhiều lần, đĩa phanh có thể bị nứt vỡ Ngoài ra, nếu má phanh không đạt tiêu chuẩn, đĩa phanh sẽ bị cào xước, dẫn đến giảm ma sát trong quá trình hoạt động.
- Ngàm phanh (Caliper) hay còn gọi là cùm phanh
Ngàm phanh là bộ phận quan trọng giúp giữ và ép má phanh lên mặt đĩa phanh, tạo ra lực phanh mạnh mẽ để xe giảm tốc và dừng lại một cách mượt mà Hiện nay, ngàm phanh được thiết kế chủ yếu dưới hai dạng: dạng trôi và dạng cố định.
Thiết kế dạng trôi bao gồm piston và mặt tựa, khi có lực tác động, piston sẽ tỳ lên mặt đĩa, tạo phản lực để đẩy cùm phanh di chuyển.
Ngàm phanh cố định có cấu trúc phức tạp với 2 piston thủy lực đối xứng, giúp má phanh tỳ vào đĩa phanh mà không làm ngàm phanh di chuyển khi có lực tác động Tuy nhiên, chi phí sản xuất của ngàm phanh cố định rất cao, nên chỉ được sử dụng trên một số dòng xe thể thao hiệu năng cao.
- Má phanh (Brake pads) hay còn gọi là bố thắng đĩa
Má phanh là thành phần quan trọng trong hệ thống phanh đĩa ô tô, được chế tạo từ các vật liệu chịu nhiệt như gốm, hợp kim và Kevlar Bộ phận này bao gồm hai má kẹp chặt lấy đĩa phanh, giúp tăng cường hiệu suất phanh và đảm bảo an toàn khi lái xe.
Phanh đĩa hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng dầu chuyên dụng để truyền lực Khi piston hoạt động, nó tạo ra lực ép má phanh vào đĩa phanh, giúp giảm tốc độ hoặc dừng lại xe một cách hiệu quả.
*Ngoài 4 bộ phận chính trên, phanh đĩa còn có lò xo, bộ lọc khí giúp hệ thống phanh đĩa vận hành mượt mà, hiệu quả
Nguyên lý hoạt động đĩa phanh:
Hình 1 7 Nguyên lý hoạt động phanh đĩa
Khi người lái đạp phanh, áp suất dầu trong hệ thống được tăng cường, đẩy piston và tấm má phanh ép vào đĩa phanh Quá trình này tạo ra lực ma sát, giúp giảm tốc độ quay của đĩa phanh và moayer bánh xe, đáp ứng yêu cầu dừng lại hoặc giảm tốc của người lái.
Khi người lái nhấc chân khỏi bàn đạp phanh, áp suất trong hệ thống dầu phanh giảm nhanh chóng Sự biến dạng của vòng đệm kín dầu của piston khiến cho piston và má phanh tách rời khỏi đĩa phanh.
Phanh tang trống, hay còn gọi là phanh guốc hoặc phanh đùm, được biết đến với tên gọi tiếng Anh là Drum Brake Hệ thống phanh này được phát minh bởi Louis Renault vào năm 1902, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ phanh.
Hình 1 8 Cấu tạo phanh tang trống
Cấu tạo phanh tang trống bao gồm các bộ phận chính như xi lanh bánh xe, piston, cuppen, má phanh và lò xo hồi vị, cùng với một số bộ phận truyền lực khác Mỗi bộ phận này đảm nhận một chức năng riêng biệt, góp phần vào hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh.
- Xi lanh bánh xe (wheel cylinder): Đóng vai trò làm buồng chứa piston, cuppen, dầu
Piston là bộ phận kết nối với guốc phanh, có vai trò quan trọng trong hệ thống phanh của xe Khi áp suất dầu tăng, piston sẽ đẩy ra, khiến má phanh ép chặt vào trống phanh, giúp xe giảm tốc độ hoặc dừng lại một cách hiệu quả.
- Cuppen: Giữ vai trò làm kín xi lanh, không cho khí lọt vào và rò rỉ dầu
- Má phanh (brake pads): Là bộ phận ma sát trực tiếp với trống phanh
- Lò xo hồi vị (return spring): Khi áp suất dầu giảm, lò xo hồi vị sẽ ép piston trở về vị trí ban đầu
Nguyên lý hoạt động phanh tang trống:
Hình 1 9 Nguyên lý hoạt động phanh tang trống
Hệ thống phanh tang trống ô tô hoạt động bằng cách tạo ra lực khi người lái đạp phanh, giúp các bánh xe ngừng quay Lực này không chỉ dừng bánh xe mà còn kìm hãm quán tính của xe, khiến xe dừng lại an toàn.
Các chi tiết đánh giá chất lượng phanh
Để đánh giá chất lượng của quá trình phanh ta phải xét đến các yếu tốsau: Gia tốc chậm dần khi phanh
Lực phanh và lực phanh riêng
1.4.1 Gia tốc chậm dần khi phanh
Công thức 1 1 Gia tốc chậm dần khi phanh
Trong đó: j - hệ số tính đến ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay không đều trong hệ thống truyền lực
Khi phanh trên đường nằm ngang ( = 0):
Công thức 1 2 Gia tốc chậm dần khi phanh với anpha = 0
Để tăng gia tốc chậm dần khi phanh, cần giảm hệ số 1 Khi phanh đột ngột, người lái nên cắt ly hợp để tách động cơ khỏi hệ thống truyền lực, nhằm giảm 1 và tăng j max Gia tốc phanh cực đại phụ thuộc vào hệ số bám giữa lốp và mặt đường, trong đó giá trị của hệ số bám phụ thuộc vào kết cấu lốp và tình trạng mặt đường, đặc biệt là trên đường nhựa tốt.
= Nếu coi j 1 và g = 10m/s 2 thì gia tốc phanh cực đại trên đường nhựa tốt có thể đạt trị số j max = 0 , 75 0 , 8 m / s 2
Công thức 1 3 Thời gian phanh
Thời gian phanh tối thiểu phụ thuộc vào vận tốc ban đầu v0, hệ số j và hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường Để giảm thời gian phanh, cần giảm hệ số j bằng cách cắt ly hợp khi phanh, giúp tách động cơ khỏi hệ thống truyền lực.
Quãng đường phanh là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh của ô tô Trong các thông số kỹ thuật, các nhà sản xuất thường cung cấp thông tin về quãng đường phanh tương ứng với vận tốc bắt đầu phanh đã được xác định.
Quãng đường phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng mà người lái xe có thể dễ dàng nhận thức và đánh giá Việc hiểu rõ quãng đường phanh giúp tài xế xử lý tình huống tốt hơn khi phanh ô tô trên đường, từ đó nâng cao an toàn giao thông.
Công thức 1 4 Quãng đường phanh nhỏ nhất
Spmin- Quãng đường phanh ngắn nhất (tính từ khi bắt đầu phanh đến khi xe dừng hẳn)
Để giảm quãng đường phanh tối thiểu, cần giảm hệ số j Do đó, nếu người lái cắt ly hợp trước khi phanh, quãng đường phanh sẽ được rút ngắn.
Trên hình 1.10 biễu diễn sự phụ thuộc giữa quàng đường phanh S với vận tốc ban đầu v1 và hệ số bám
Hình 1 10 Ảnh hưởng của vận tốc ban đầu Vo và hệ số bám đến quãng đường phanh nhỏ nhất
Quãng đường phanh S phụ thuộc vào vận tốc v0 theo quy luật bậc hai, cho thấy rằng khi vận tốc v0 tăng cao, quãng đường phanh S cũng sẽ tăng theo Ngược lại, khi hệ số bám tăng, quãng đường phanh S sẽ giảm.
1.4.4 Lực phanh và lực phanh riêng
Lực phanh và lực phanh riêng là chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh và thường được sử dụng khi thử phanh trên bệ thử
Lực phanh sinh ra ở các bánh xe ô tô được xác định theo công thức: b p p r
Công thức 1 5 Lực phanh sinh ra ở các bánh xe Lực phanh riêng P là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lượng toàn bộ
Công thức 1 6 Lực phanh riêng P là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lượng G Lực phanh riêng cực đại nhận được khi lực phanh cực đại:
Khi đánh giá chất lượng phanh của ô tô, có bốn chỉ tiêu quan trọng, trong đó quãng đường phanh là đặc trưng nhất, giúp người lái hình dung vị trí dừng xe trước chướng ngại vật và tránh tai nạn Chỉ tiêu này thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả tác động của phanh Lực phanh và lực phanh riêng cũng là những yếu tố thuận lợi khi đánh giá chất lượng phanh trên bệ thử.
Khi phanh ô tô, xe không dừng ngay lập tức mà sẽ dừng cách vị trí bắt đầu phanh một khoảng nhất định và có thể bị lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu Do đó, để đánh giá hiệu quả quá trình phanh, cần nghiên cứu không chỉ các chỉ tiêu kỹ thuật mà còn cả tính ổn định hướng của ô tô trong quá trình phanh.
HỆ THỐNG PHANH ABS
Quá trình điều khiển của ABS
Hình 2 1 Sơ đồ khối các cụm chức năng của cơ cấu ABS Một cơ cấu ABS bao gồm 3 cụm bộ phận chính:
Cụm tín hiệu vào bao gồm cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến tốc độ xe, công tắc báo phanh và cảm biến giảm tốc, có nhiệm vụ truyền tải thông tin về tốc độ bánh xe và tín hiệu phanh đến hộp điều khiển điện tử (ECU) dưới dạng tín hiệu điện.
Hình 2 2 Cảm biến tốc độ bánh xe
Hình 2 3 Cảm biến tốc độ xe
Hình 2 4 Vị trí cấu tạo cảm biến giảm tốc
Hộp điều khiển điện tử (ECU) đóng vai trò quan trọng trong việc nhận và xử lý tín hiệu đầu vào, từ đó gửi tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thủy lực Chức năng chính của ECU là điều khiển quá trình phanh chống bó cứng, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc vận hành phương tiện.
Bộ phận chấp hành gồm có bộ điều khiển thuỷ lực, bộ phận hiển thị đèn báo phanh ABS, bộ phận kiểm tra, chẩn đoán
Hình 2 6 Bộ phận chấp hành
Hình 2 7 Bộ phận chấp hành thủy lực Trong đó:
+ Bộ điều khiển thuỷ lực nhận tín hiệu điều khiển từ ECU thực hiện quá trình phân phối áp suất dầu đến các cơ cấu phanh bánh xe
Bộ phận hiển thị đèn báo phanh và hệ thống kiểm tra chẩn đoán có nhiệm vụ thông báo cho người lái xe khi hệ thống ABS gặp sự cố, thông qua các xung điện hoặc tín hiệu nhấp nháy của đèn báo.
Nguyên tắc điều khiển cơ bản của cơ cấu ABS như sau:
Cảm biến tốc độ bánh xe đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện tốc độ góc của từng bánh xe, từ đó gửi tín hiệu đến ECU dưới dạng xung điện áp xoay chiều.
ECU theo dõi tình trạng bánh xe bằng cách tính toán tốc độ xe và sự thay đổi tốc độ của từng bánh Qua đó, nó xác định mức độ trượt dựa trên tốc độ của các bánh xe.
Khi phanh gấp hoặc phanh trên các bề mặt ướt và trơn trượt, ECU sẽ điều khiển bộ chấp hành thủy lực để cung cấp áp suất dầu tối ưu cho từng xy lanh phanh Điều này diễn ra thông qua các chế độ tăng áp, giữ áp và giảm áp, nhằm duy trì độ trượt trong giới hạn an toàn, tránh tình trạng hãm cứng bánh xe khi phanh.
2.1.2 Yêu cầu cơ cấu ABS
Một cơ cấu ABS hoạt động tối ưu, đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng phanh của ô tô phải thỏa mãn đồng thời các yêu cầu sau:
Cơ cấu phải đáp ứng yêu cầu về an toàn liên quan đến động lực học phanh và chuyển động ô tô
Cơ cấu cần hoạt động ổn định và linh hoạt, đảm bảo khả năng điều khiển tốt trong mọi dải tốc độ của xe, bất kể loại đường, từ đường bê tông khô với độ bám tốt đến đường đóng băng với độ bám kém.
Cơ cấu phanh cần tối ưu hóa khả năng phanh của từng bánh xe trên đường, nhằm duy trì sự ổn định trong việc điều khiển và giảm thiểu quãng đường phanh Điều này được thực hiện hiệu quả bất kể người lái xe phanh đột ngột hay từ từ.
Khi phanh xe trên các bề mặt đường có độ bám khác nhau, mô men xoay quanh trục đứng qua trọng tâm xe sẽ xảy ra, nhưng nhờ vào hệ thống ABS, tốc độ tăng của mô men này được kiểm soát chậm lại Điều này giúp người lái có đủ thời gian để điều chỉnh cơ cấu lái một cách dễ dàng và hiệu quả.
Cơ cấu phải duy trì độ ổn định và khả năng lái khi phanh trong lúc đang quay vòng
Cơ cấu phanh cần có hệ thống tự kiểm tra và chẩn đoán an toàn, với mạch kiểm soát liên tục theo dõi hoạt động của nó Khi phát hiện lỗi có thể ảnh hưởng đến chức năng của ABS, cơ cấu sẽ thông báo cho lái xe và chuyển sang chế độ hoạt động như phanh thông thường.
2.1.3 Phạm vi điều khiển của ABS
Hình 2 8 Phạm vi điều khiển của cơ cấu ABS
1: Lốp bố tròn chạy trên đường bêtông khô 2: Lốp bố chéo chạy trên đường nhựa ướt 3: Lốp bố tròn chạy trên đường tuyết
4: Lốp bố tròn chạy trên đường đóng băng
Cơ cấu ABS được thiết kế nhằm duy trì độ trượt của bánh xe trong quá trình phanh trong giới hạn hẹp quanh giá trị 0 (khoảng 0-30% trên đồ thị trượt), tạo ra phạm vi điều khiển hiệu quả Khi đó, lực phanh đạt giá trị cực đại và tính ổn định của xe được cải thiện, đáp ứng các yêu cầu cơ bản như rút ngắn quãng đường phanh, nâng cao tính ổn định hướng và khả năng điều khiển lái khi phanh.
Giới hạn này có thể thay đổi đáng kể, với khả năng bắt đầu sớm hơn hoặc kết thúc muộn hơn, tùy thuộc vào điều kiện bám của bánh xe và bề mặt đường.
Trên thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc x và độ trượt
Hệ thống ABS hoạt động hiệu quả với các loại lốp khác nhau trên những bề mặt đường có hệ số bám khác nhau Phạm vi điều khiển của ABS sẽ thay đổi tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể của đường.
Lốp bố tròn trên đường bê tông khô có giá trị φx max đạt được ở mức độ trượt khoảng 10%, trong khi lốp bố chéo trên đường nhựa ướt có độ trượt tối đa lên đến 30% Độ trượt tối ưu 0 để đạt được hệ số bám cực đại giữa hai loại lốp này là khác nhau.
Khi lốp bố tròn di chuyển trên đường bêtông khô, hệ thống điều khiển ABS sẽ kích hoạt sớm hơn, giúp cải thiện hiệu suất phanh và tăng cường an toàn cho người lái.
Nguyên lý làm việc của hệ thống ABS
2.2.1 Trạng thái phanh bình thường (ABS không hoạt động) Khi phanh xe ở tốc độ chậm (dưới 8 km/h hay 12,25km/h tuỳ từng loại xe) hay rà phanh trong trường hợp này ABS không hoạt động và ECU không gửi dòng điện đến cuộn dây của van địên từ Do đó, van 3 vị trí bị ấn xuống bởi lò xo hồi vị và cửa A vẫn mở trong khi cửa B vẫn đóng (hình2.14) Dầu phanh từ xylanh chính qua cửa A đến cửa C trong van điện 3 vị trí rồi tới xylanh bánh xe Dầu phanh không vào được bơm bởi van một chiều số 1 gắn trong mạch bơm Khi nhả chân phanh, dầu từ hồi từ xylanh chính về xylanh bánh xe qua cửa C đến cửa A và van một chiều số 3 trong van điện 3 vị trí
Hình 2 11 Chế độ phanh thường (ABS không hoạt động)
2.2.2 Trạng thái phanh gấp (ABS hoạt động)
Khi bánh xe có xu hướng bị bó cứng khi phanh gấp, bộ chấp hành thủy lực sẽ điều chỉnh áp suất dầu phanh theo tín hiệu từ ECU, giúp ngăn chặn tình trạng bó cứng của bánh xe.
Khi cần tăng áp suất trong xylanh bánh xe để tạo lực phanh lớn, ECU sẽ ngắt dòng điện và không cấp cho cuộn dây của van điện từ Điều này khiến cửa A của van điện mở và cửa B đóng, cho phép dầu trong xylanh phanh chính chảy qua cửa C đến xylanh bánh xe Mức độ tăng áp suất dầu được điều chỉnh thông qua việc lặp lại quá trình tăng áp và giữ áp.
Khi áp suất trong xylanh bánh xe thay đổi, cảm biến tốc độ bánh xe sẽ gửi tín hiệu khi tốc độ đạt giá trị mong muốn Lúc này, ECU cung cấp dòng điện 2A cho cuộn dây của van điện, giúp duy trì áp suất ổn định trong bánh xe.
Khi dòng điện cung cấp cho cuộn dây van điện từ giảm từ 5A xuống 2A, lực từ trong cuộn dây cũng giảm, khiến van điện 3 vị trí dịch chuyển về vị trí giữa nhờ lực của lò xo hồi vị, làm cho cả cửa A và cửa B đều đóng Trong khi đó, bơm dầu vẫn tiếp tục hoạt động.
Khi hệ thống ABS hoạt động, bánh xe sẽ trải qua hiện tượng nhấp nhả khi phanh, kèm theo rung động nhẹ của xe Đồng thời, bàn đạp phanh cũng sẽ có sự rung động do dầu phanh hồi về từ bơm dầu, đây là trạng thái bình thường khi ABS đang hoạt động.
Van điện 3 vị trí từng được sử dụng phổ biến trên xe trước đây, nhưng hiện nay, van điện 2 vị trí đang trở thành lựa chọn thông dụng hơn Sơ đồ bộ phận chấp hành ABS sử dụng 8 van điện 2 vị trí, bao gồm 4 van giữ áp suất và 4 van giảm áp suất Cách thức hoạt động của bộ chấp hành thủy lực này tương tự như van 3 vị trí, với tín hiệu điều khiển từ ECU đến các van điện dưới dạng điện áp Hơn nữa, bộ phận chấp hành phanh ABS trên các xe hiện đại đã có nhiều cải tiến và đa dạng hóa loại hình.
Khi bánh xe gần bị bó cứng, ECU gửi dòng điện 5A đến cuộn dây của van điện từ, tạo ra lực từ mạnh Van 3 vị trí di chuyển lên phía trên, đóng cửa A và mở cửa B.
Dầu phanh từ xylanh bánh xe chảy qua cửa C tới cửa B trong van điện 3 vị trí và trở về bình dầu, trong khi môtor bơm hoạt động nhờ tín hiệu điện áp 12V từ ECU, hồi dầu phanh về xylanh phanh chính từ bình chứa Cửa A đóng ngăn không cho dầu phanh từ xylanh chính vào van điện 3 vị trí cùng với van một chiều số 1 và số 3, dẫn đến việc giảm áp suất dầu trong xylanh bánh xe, ngăn không cho bánh xe bị bó cứng.
Hình 2 14 Chế độ giảm áp
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH ABS SỬ DỤNG MÔ HèNH ẳ XE 26
Giới thiệu về Matlab-Simulink
Matlab, viết tắt của Matrix Laboratory, là phần mềm được phát triển bởi MathWorks, cung cấp môi trường lập trình và tính toán kỹ thuật số hiệu quả.
Matlab cho phép thực hiện các phép toán với ma trận, vẽ đồ thị và thông tin cho các hàm, cũng như chạy các thuật toán và tạo giao diện người dùng Ngoài ra, nó còn hỗ trợ kết nối với các chương trình được viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau.
Matlab là công cụ mạnh mẽ giúp giải quyết các vấn đề trong phân tích số, xử lý tín hiệu kỹ thuật số và xử lý đồ họa mà không cần sử dụng lập trình cổ điển.
Matlab cung cấp hàng nghìn lệnh và chức năng hữu ích, bao gồm cả các lệnh ứng dụng đặc biệt và chức năng hộp công cụ (Toolbox) để mở rộng khả năng giải quyết các vấn đề cụ thể.
Hộp công cụ là một phần thiết yếu và hữu ích cho người sử dụng trong các lĩnh vực như toán học sơ cấp, xử lý tín hiệu kỹ thuật số, xử lý hình ảnh, xử lý giọng nói, ma trận thưa và logic mờ.
Ngôn ngữ lập trình bậc cao (Script) cung cấp các lệnh điều khiển, chức năng, cấu trúc dữ liệu, và khả năng lập trình hướng đối tượng, cho phép người dùng nhanh chóng tạo và phá hủy phần mềm trong “lập trình quy mô nhỏ” hoặc phát triển các chương trình lớn và phức tạp trong “lập trình quy mô lớn”.
Môi trường làm việc Matlab
Hướng dẫn người dùng sử dụng các hàm và tệp trong Matlab, bao gồm công cụ quản lý biến và xuất nhập dữ liệu trong môi trường làm việc Ngoài ra, bài viết còn đề cập đến các công cụ phát triển, quản lý, gỡ lỗi và lập hồ sơ cho các tệp M và ứng dụng Matlab.
+Một công cụ giúp bạn xem dữ liệu của mình ở định dạng biểu đồ Ngoài ra, có thể xây dựng giao diện đồ họa
Thư viện hàm tính toán
Nó bao gồm một loạt các thuật toán tính toán, từ các hàm cơ bản như tổng, sin, cos đến các phép toán số học phức tạp, cũng như các hàm phức tạp như ma trận nghịch đảo, giá trị riêng, vectơ đặc trưng của ma trận, hàm Bessel và các phép biến đổi Fourier nhanh.
Thư viện này cho phép bạn phát triển phần mềm bằng ngôn ngữ C và FORTRAN, đồng thời tương tác với Matlab Nó cung cấp các công cụ để gọi các quy trình lặp trong Matlab thông qua liên kết động, và sử dụng Matlab như một công cụ tính toán để đọc và ghi các tệp M.
Simulink là phần mềm đồ họa chuyên dùng để mô phỏng các hệ động lực thông qua sơ đồ khối Nó tích hợp trong môi trường Matlab, cho phép sử dụng nhiều hàm của Matlab và hỗ trợ trao đổi dữ liệu linh hoạt giữa hai nền tảng, nâng cao tính năng và khả năng tùy chỉnh của Simulink.
Simulink cho phép người dùng xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông qua việc vẽ sơ đồ khối Nó cung cấp một thư viện phong phú với nhiều chức năng khác nhau Để bắt đầu, người dùng cần khởi động Matlab và khởi tạo Simulink, sau đó mở thư viện và chọn các nhóm khối phù hợp Thư viện Simulink thường được phân chia thành 8 nhóm chính.
Nhóm Continuous và Discrete: chứa các khối cơ bản để xử lý tín hiệu liên tục và rời rạc;
Nhóm Function & table: chứa các khối thực hiện việc gọi hàm từ Matlab, khối nội suy và khối hàm truyền;
Nhóm Math: chứa các khối thực thi các hàm toán học;
Khối Monlinear: chứa các khối phi tuyến;
Nhóm Sinks & Systems: chứa các khối công cụ xử lý tín hiệu;
Nhóm Sinks: chứa các khối thực hiện chức năng xuất kết quả;
Nhóm Source chứa các khối phát tín hiệu, cho phép người dùng dễ dàng sao chép và sử dụng trong mô hình Để sao chép một khối từ thư viện, chỉ cần chọn khối và kéo thả vào cửa sổ mô hình Để tạo bản sao của một khối trong mô hình, nhấn phím Ctrl và kéo chuột đến vị trí mong muốn; để xóa khối, chọn và nhấn phím Delete Quy trình mô phỏng bao gồm các bước: xây dựng mô hình, xác lập giá trị các thông số, thiết lập điều kiện đầu vào, lựa chọn phương thức xuất kết quả và điều khiển quá trình thực thi mô phỏng.
Sơ đồ ẳ mụ phỏng hệ thống phanh ABS
Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) giúp duy trì độ trượt của bánh xe trong quá trình phanh ở mức tối ưu, từ đó tối đa hóa hiệu quả phanh và cải thiện tính ổn định cũng như khả năng dẫn hướng của xe Để đạt được điều này, cần mô phỏng động lực phanh thông qua các mô hình toán học, đồng thời phân tích các thông số vật lý của bánh xe trong quá trình phanh nhằm rút ngắn quãng đường phanh và nâng cao hiệu suất lái xe.
3.2.1 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh
Hình 3 2 Sơ đồ lực mô-men tác dụng lên bánh xe khi phanh
Trong đó: m: Khối lượng ẳ xe v: Vận tốc xe lúc bắt đầu phanh
𝜔𝑤: Vận tốc góc của bánh xe
Mp: Mô-men phanh của xe
I: Mô-men quán tính của xe
N: Phản lực của bánh xe
Ff : Lực ma sát giữa lốp và mặt đường
Rr: Bán kính làm việc của bánh xe
Hệ thống ABS phải kiểm soát được độ trượt của bánh xe quanh một giá trị tối ưu Công thức tính độ trượt của bánh xe như sau:
Công thức 3 1 Tỉ lệ trượt
𝜔𝑤: tốc độ góc của bánh xe
𝜔𝑣: tốc độ góc tương đối của xe
Độ trượt bằng 0 khi tốc độ bánh xe và tốc độ xe bằng nhau, trong khi độ trượt bằng 1 xảy ra khi bánh xe bị khóa Giá trị trượt lý tưởng là 0.2, tương đương với số vòng quay của bánh xe là 0.8 so với số vòng quay trong điều kiện không phanh với cùng vận tốc của xe Điều này giúp tối đa hóa độ bám giữa lốp và mặt đường, đồng thời giảm thiểu quãng đường phanh của xe nhờ vào ma sát có sẵn.
Hệ số ma sát giữa bánh xe và đường phụ thuộc vào một số yếu tố như: Độ trượt bánh xe
Tình trạng mặt đường Điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, …)
Mục đích của đề tài này là mô phỏng sự biến thiên của hệ số ma sát liên quan đến độ trượt dọc của bánh xe.
Hình 3 3: Vùng ổn định của hệ số ma sát
Trong quá trình phanh, nếu bánh xe trượt hoàn toàn (100%), bánh xe sẽ bị khóa cứng nhưng xe vẫn tiếp tục di chuyển Ngược lại, khi độ trượt đạt 0%, bánh xe và xe sẽ có cùng vận tốc.
Hệ số ma sát tối ưu đạt giá trị cao nhất khi độ trượt của bánh xe là 20% Theo đồ thị, đường cong hệ số ma sát được phân chia thành hai khu vực khác nhau.
Vùng ổn định là khu vực mà hệ số ma sát tăng lên khi độ trượt của bánh xe gia tăng, trong khi đó, vùng không ổn định là nơi mà hệ số ma sát giảm khi độ trượt của bánh xe tăng.
Khi bánh xe trượt vào vùng không ổn định, hệ số ma sát giảm, dẫn đến hiện tượng khóa bánh và làm mất ổn định cho xe Trong tình huống này, hệ thống ABS cần duy trì độ trượt của bánh xe khoảng 20%, nơi mà hệ số ma sát đạt giá trị cao nhất Hệ số ma sát có thể được diễn tả qua một hàm thực nghiệm, trong đó độ trượt của bánh xe là một biến số của hàm.
Công thức 3 2 Độ trượt bánh xe thực tế Trong đó:
𝜆: Độ trượt của bánh xe
A, B, C, D: là các hệ số thực nghiệm
Tùy thuộc vào giá trị của các hệ số A, B, C và D, công thức thực nghiệm
(3.2) có thể được sử dụng để biểu diễn hệ số ma sát cho các loại / trạng thái đường khác nhau
Bê tông khô Bê tông ướt Tuyết Băng
Bảng 3 1 Các hệ số ảnh hưởng bởi tình trạng mặt đường 3.2.4 Mô men bánh xe
Ta có công thức tính mô-men của bánh xe:
Công thức 3 3 Gia tốc chậm dần bánh xe khi phanh Trong đó:
𝐹𝑓: Lực ma sát giữa lốp và mặt đường (N)
𝜇: hệ số ma sát giữa lốp và mặt đường m: khối lượng toàn bộ xe (kg) g: gia tốc trọng trường (9.81 m/s 2 )
Từ công thức 2.3 ta có thể tính được gia tốc chậm dần của xe khi phanh
Tích phân gia tốc cho phép chúng ta tính toán vận tốc thực của xe, từ đó tiếp tục tích phân vận tốc để xác định quãng đường phanh Sd Bằng cách chia vận tốc thực của xe cho bán kính bánh xe, ta có thể tính được 𝜔𝑣.
Mụ phỏng hệ thống ABS sử dụng mụ hỡnh ẳ xe trờn Simulink
3.3.1 Lựa chòn độ trượt mong muốn kích hoạt hệ thống ABS Ở đây ta chọn khối “Constant” thiết lập độ trượt mong muốn
Hình 3 4 Lựa chọn độ trượt mong muốn kích hoạt ABS
Bộ điều khiển BANG-BANG so sánh độ trượt thực với độ trượt mong muốn để kích hoạt phanh
Hình 3 5 Khối điều khiển BANG-BANG controller
3.3.3 Thiết lập bảng thể hiện mối quan hệ giữa hệ số ma sát và độ trượt
Ta lấy khối “1-D Lookup Table” thiết lập hệ số trượt với các giá trị của hệ số ma sát và độ trượt
Hình 3 6 Khối Look-up table
Trong phần 3.3.4, chúng ta sẽ thiết lập các khối tính toán để xác định tốc độ bánh xe, tốc độ xe, quãng đường phanh và tính toán độ trượt thực tế Những thông số này rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và an toàn của phương tiện Việc tính toán chính xác sẽ giúp cải thiện khả năng điều khiển và giảm thiểu nguy cơ tai nạn.
Hình 3 8 Sơ đồ tính toán tốc độ bánh xe
Hình 3 9 Sơ đồ tính toán tốc độ xe
+ Khối tính toán độ trượt thực tế của xe
Hình 3 10 Sơ đồ tính toán độ trượt thực tế của xe
Sơ đồ mụ phỏng hệ thống ABS sử dụng mụ hỡnh ẳ xe
Hỡnh 3 11 Sơ đồ mụ phỏng hệ thống ABS sử dụng mụ hỡnh ẳ trờn
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH
Lựa chọn thông số đầu vào
Kí hiệu Đơn vị Giá trị Ý nghĩa m kg 320 Khối lượng cả xe
V0 m/s 44 Vận tốc lúc đầu(~100km/h)
I Kg.m 2 5 Mô men quán tính bánh xe g m/s 2 9.81 Gia tốc trọng trường
Bảng 4 1 Thông số đầu vào (Tham khảo xe Toyota Innova 2010)
Kết quả mô phỏng
4.2.1 Kết quả tốc độ bánh xe
Hình 4 1 Đồ thị mô phỏng tốc độ bánh xe
Khi xe được trang bị hệ thống ABS, tốc độ góc của bánh xe giảm dần về 0 trong khoảng thời gian 25.5 giây Tốc độ này giảm từ từ và có sự dao động tăng giảm, phản ánh hoạt động của hệ thống ABS Nhờ có ABS, bánh xe không bị hãm cứng đột ngột, giúp tốc độ góc giảm một cách êm ái và an toàn hơn.
4.2.2 Kết quả mô phỏng tốc độ xe
Trong đồ thị mô phỏng tốc độ xe, chúng ta nhận thấy rằng vận tốc xe giảm dần về 0 trong khoảng thời gian 25,5 giây Sự giảm tốc này diễn ra một cách từ từ, không đột ngột, giúp đảm bảo an toàn và giảm thiểu nguy cơ trượt lết cho xe ô tô.
Vận tốc xe giảm xuống theo đồ thị parabol bảo đảm quá trình giảm tốc không đột ngột, không gây bó cứng hệ thống phanh
4.2.3 Quãng đường đến khi xe dừng hẳn
Quảng đường phanh của xe trang bị ABS là khoảng 590 m, cho thấy khoảng cách an toàn cần thiết để xe dừng hẳn Hệ thống phanh này đảm bảo xe không bị trượt, giúp người lái duy trì khả năng điều khiển trong quá trình phanh.
4.2.4 Sơ đồ tỉ lệ trượt thực tế
Hình 4 4 Đồ thị độ trượt thực tế của xe
Sơ đồ cho thấy rằng độ trượt của xe bắt đầu từ 0 khi xe đang chuyển động đều Khi tỷ lệ trượt đạt khoảng 0.18, hệ thống nhận biết tín hiệu và kích hoạt hệ thống ABS, giúp giữ độ trượt trong khoảng 0.2 để đảm bảo an toàn và tránh tình trạng bó cứng phanh Độ trượt tiếp tục tăng cho đến khi đạt 1, lúc này xe đã dừng hẳn.
Kết luận
Đề tài đã mô phỏng và trình bày sơ đồ gần nhất với thực tế, mang lại ý nghĩa quan trọng cho nghiên cứu và phát triển, đồng thời thể hiện các giá trị cốt lõi.
-Cấu tạo của các hệ thống phanh, nguyên lý làm việc của hệ thống ABS trong mô phỏng
-Phân tích bản chất cơ bản và công thức được sử dụng trong hệ thống phanh ABS
-Đưa ra được các sơ đồ về các chỉ tiêu đánh giá phanh như quãng đường phanh, thời gian phanh, vận tốc góc bánh xe,
Bài viết trình bày bản chất, công thức và ứng dụng của phần mềm Matlab-Simulink trong việc mô phỏng quá trình điều khiển hệ thống phanh ô tô với hệ thống ABS Quá trình mô phỏng đã hoàn tất việc xây dựng mô hình cho hệ thống phanh ABS.
+Xác định các giá trị thông số đầu vào của mô hình
+Xác định được công thức từ đó xây dựng lên các cấu trúc hệ thống
Bài viết trình bày sơ đồ các thông số đầu ra quan trọng như quãng đường phanh, vận tốc góc của bánh xe, vận tốc xe và độ trượt thực tế của bánh xe khi hệ thống ABS được kích hoạt Các kết quả này được thể hiện dưới dạng đồ thị, phản ánh chính xác thực tế.
Sau tuần làm việc khẩn trương nghiêm túc, cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lê Đức Hiếu cùng các thầy giáo trong bộ môn Khoa
Nhóm 9 đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp về công nghệ ô tô, trong đó chúng em phân tích và trình bày những hiểu biết của mình về khai thác kỹ thuật Chúng em đã tham khảo nhiều tài liệu liên quan và nhận sự hướng dẫn từ Ts Lê Đức Hiếu Tuy nhiên, do giới hạn của đề tài, chúng em không thể đề cập đầy đủ tất cả các vấn đề thực tế cần thiết.
Mặc dù vấn đề đã được xem xét một cách toàn diện về lý thuyết, nhưng do hạn chế về trình độ, thiếu kiến thức thực tế, kinh nghiệm nghề nghiệp còn non kém và thời gian có hạn, đề tài này không thể tránh khỏi những nhược điểm Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo từ các thầy và ý kiến đóng góp từ các bạn đồng nghiệp để hoàn thiện hơn cho đề tài môn học của mình.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy trong Khoa Công nghệ ô tô đã động viên và giúp đỡ chúng em tận tình
Hà Nội ngày…tháng…năm 2021
Nhóm sinh viên thực hiện
Giáo trình lý thuyết ô tô, được biên soạn bởi các tác giả TS Phạm Văn Thoan, TS Lê Văn Anh, ThS Trần Phúc Hòa và TS Nguyễn Thanh Quang, xuất bản năm 2017 bởi NXB Khoa học và Kỹ thuật, cung cấp kiến thức cơ bản và chuyên sâu về lý thuyết ô tô.
[2]Tác giả: PTSKHKT Thái Nguyễn Bạch Liên, Trịnh Chí Thiện, Tô Đức
Long, Nguyễn Văn Bang, Kết cấu và tính toán ô tô, NXB Giao thông vận tải – 1984
[3] Tác giả: PTS Nguyễn Khắc Trai, Cấu tạo gầm xe con, NXB Giao thông vận tải – 2000
[4] Tác giả: Nguyễn Hữu Cẩn – Dư Quốc Thịnh, Nguyễn Văn Tài,
Lê Thị Vàng, Lý thuyết ô tô máy kéo, NXB Khoa học và kỹ thuật – 2007
[5] Tác giả: Nguyễn Phùng Quang, Sách Matlab-Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động , NXB Khoa học và kỹ thuật – 2004
[6] ThS Đồng Minh Tuấn, Khoa Cơ khí động lực, Đề tài: Ứng dụng Matlab-
Simulinks mô phỏng hệ thống phanh abs trên xe du lịch , Trường ĐHSPKT
[8] Tác giả: K.CHUN và M.SUNWOO, Đề tài Wheel slip control with moving slipding surface for traction control system,Đại học Hanyang – Seoul – Hàn Quốc (11/4/2004)
[9] Chủ biên: Phạm Minh Hiếu, Giáo trình TIN HỌC ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT Ô TÔ , NXB THỐNG KÊ, Trường DHCN
[10] Tác giả Nikhil Subhash Shewale, Dr R Deivanathan, Bài báo: Modeling and Simulation of Anti-lock Braking System, đăng
