TỔNG QUAN
CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI CHẤT LƯỢNG PHANH Ô TÔ
Hình 1.1: Mô hình phanh trên ô tô
Hệ thống phanh thông thường trên ô tô, như mô hình trong hình (1.1), bao gồm các thành phần chính như bàn đạp phanh, bộ chấp hành phanh và cơ cấu phanh trên bánh xe, nhằm giảm tốc độ hoặc dừng xe khi cần thiết Hiện nay, ô tô sử dụng cơ cấu phanh với dẫn động phanh hai dòng độc lập để tăng độ tin cậy cho hệ thống, trong khi dẫn động phanh một dòng đã không còn được sử dụng.
- Các yêu cầu chính đối với chất lượng phanh của ô tô là: tính hiệu quả phanh và ổn định phanh
Tính hiệu quả phanh: là khả năng của xe khi phanh có quãng đường phanh ngắn nhất, giảm tốc phanh nhanh nhất và thời gian phanh ngắn nhất
Tính ổn định phanh đề cập đến việc các bánh xe không bị bó cứng trong suốt quá trình phanh Để đạt hiệu quả phanh tối ưu, lực phanh cần phải lớn và tác động đúng vào vùng của bánh xe; nếu không, bánh xe sẽ bị hãm cứng Do đó, lực phanh cần phải đáp ứng các điều kiện nhất định để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Để đạt hiệu quả phanh tốt nhất, lực bám giữa bánh xe và mặt đường cần được tối ưu hóa Trên đường thẳng, lực bám được xác định bởi công thức P x G b, trong đó x là hệ số bám dọc và G b là tải trọng bám tại các bánh xe, phụ thuộc vào mô men chủ động tác dụng lên bánh Do đó, lực bám giữa bánh xe và mặt đường không chỉ phụ thuộc vào tải trọng thẳng đứng mà còn vào hệ số bám của bánh xe Trong trạng thái tĩnh, tải trọng của xe phân bố giữa cầu trước và cầu sau theo tỷ lệ nhất định.
Trong quá trình phanh, lực quán tính của ô tô gây ra sự biến đổi liên tục trong tải trọng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau Cụ thể, tải trọng trên cầu trước gia tăng, trong khi tải trọng trên cầu sau giảm, tỷ lệ thuận với mức giảm tốc của hệ thống phanh.
Để tối ưu hóa khả năng bám đường trong quá trình phanh, cần phải điều chỉnh liên tục lực phanh cho các bánh xe cầu trước và sau, dựa trên trọng lượng bám của từng bánh xe tương ứng.
Biện pháp kết cấu để điều khiển lực phanh trên ô tô trước đây chủ yếu sử dụng bộ tự động điều chỉnh lực phanh ở bánh xe cầu sau dựa vào tải trọng và áp suất Hệ thống này giúp hạn chế trượt lết của bánh sau khi phanh, nhưng chỉ hiệu quả trên một số loại đường nhất định Khi xe di chuyển trên đường có hệ số bám thấp, hiện tượng trượt lết vẫn có thể xảy ra, đặc biệt là khi phanh ở tốc độ cao Để đảm bảo tính ổn định phanh, lực phanh không được vượt quá lực bám, tức là P p ≤ P φ Quá trình di chuyển của ô tô là sự tương tác giữa bánh xe và mặt đường, với lực bám được đặc trưng bằng hệ số bám φ theo cả phương dọc (φx) và phương ngang (φy) Nghiên cứu về động lực học của bánh xe trên nền đường cứng cho thấy mô men (phanh hoặc kéo) gây ra biến dạng lốp, dẫn đến trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
Bằng phương pháp thực nghiệm, các nhà nghiên cứu đã xây dựng đồ thị trượt để thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc (x) và hệ số bám ngang (y) liên quan đến độ trượt tương đối.
của bánh xe khi phanh
Hình 1.2: Quan hệ lực bám dọc và ngang với độ trượt dọc của bánh xe
Hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y thay đổi theo độ trượt Khi độ trượt tăng từ 10% đến 30%, hệ số bám dọc x tăng nhanh chóng và đạt giá trị cực đại Tuy nhiên, nếu độ trượt tiếp tục tăng, x sẽ giảm, và khi đạt 100% (lốp xe trượt lết hoàn toàn khi phanh), hệ số bám dọc giảm khoảng 20 đến 30% so với giá trị cực đại Trong điều kiện đường ướt, sự giảm này có thể lên đến 60%.
y sẽ giảm nhanh khi độ trượt tăng, ở trạng thái trượt lết hoàn toàn thì y giảm xuống gần bằng không
Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại xmax tại độ trượt tối ưu 0, thường nằm trong khoảng từ 10 đến 30 % tùy thuộc vào loại đường Ở giá trị độ trượt tối ưu này, không chỉ hệ số bám dọc x có giá trị tối đa mà hệ số bám ngang y cũng đạt mức cao, giúp duy trì lực bám dọc và lực bám ngang của bánh xe, từ đó tăng cường tính ổn định của ô tô khi phanh.
Hệ thống phanh thông thường thường có lực phanh lớn nhưng không thể điều chỉnh theo tải trọng và hệ số bám, dẫn đến hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh gấp, gây giảm hiệu quả phanh và mất ổn định cho xe Để khắc phục tình trạng này, ô tô hiện đại được trang bị hệ thống phanh ABS, một hệ thống phanh điều khiển điện tử Hệ thống này tự động điều chỉnh áp suất phanh tại các bánh xe, giữ cho độ trượt bánh xe trong khoảng tối ưu từ 0,1 đến 0,3 Nhờ vào khả năng điều khiển này, xe không chỉ đảm bảo hiệu quả phanh cao mà còn duy trì ổn định hướng và khả năng điều khiển tốt trong quá trình phanh.
ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG PHANH TRANG BỊ ABS
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh ABS
Hệ thống phanh ABS bao gồm các bộ phận như xi lanh phanh chính và cơ cấu phanh tại các bánh xe, tương tự như hệ thống phanh thông thường Ngoài ra, nó còn được trang bị hệ thống điều khiển điện tử, bao gồm cảm biến, bộ điều khiển trung tâm và cơ cấu chấp hành.
Tín hiệu từ các cảm biến đo tốc độ góc tại bánh xe được gửi về bộ điều khiển trung tâm để tính toán và xử lý, từ đó phát tín hiệu điều khiển cho cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành của hệ thống ABS bao gồm các van thủy lực điện từ, giúp điều chỉnh dòng dầu đến các xi lanh phanh, nhằm duy trì độ trượt tối ưu và đảm bảo lực phanh phát huy hiệu quả nhất trong quá trình phanh.
Khi phanh, nếu bánh xe chưa bị hãm cứng, các cảm biến sẽ không nhận tín hiệu và hệ thống ABS chưa hoạt động Khi bánh xe bắt đầu trượt, các cảm biến sẽ nhận tín hiệu và ABS sẽ kích hoạt Hệ thống ABS sẽ điều chỉnh lực phanh thông qua các chế độ giảm áp, giữ áp và tăng áp, nhằm tối ưu hóa lực phanh trong hệ thống thủy lực Điều này giúp duy trì độ trượt tối ưu và ngăn chặn bánh xe bị bó cứng, từ đó tăng cường hiệu quả và ổn định khi phanh.
MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN HỆ THỐNG PHANH ABS
Hệ thống phanh ABS hiện nay được áp dụng rộng rãi bởi nhiều hãng xe ô tô nổi tiếng như TOYOTA, FORD, NISSAN và MAZDA Công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển từ đầu thế kỷ 20, ban đầu được sử dụng trên tàu hỏa và máy bay Đến những năm 50, ABS lần đầu tiên được trang bị trên xe ô tô Lincoln với số lượng sản xuất hạn chế, sử dụng công nghệ ABS phát triển từ máy bay của Pháp.
Hệ thống phanh ABS trên ô tô là một công nghệ phức tạp và được điều khiển bằng điện tử, xuất hiện từ những năm 80 với nhiều loại khác nhau Các nghiên cứu toàn cầu đã tập trung vào cải tiến phương pháp điều khiển và tối ưu hóa hệ thống phanh ABS Hiện tại, khi cấu trúc của hệ thống đã được hoàn thiện, các nghiên cứu đang hướng đến việc phát triển các thuật toán điều khiển tối ưu nhằm giảm thiểu nhược điểm của hệ thống này.
Nghiên cứu “Sliding Mode Measurement Feedback Control for Antilock Braking Systems” của Cem ĩsam và Pushkin Kachroo, công bố năm 1999, trình bày một hệ thống điều khiển phi tuyến nhằm kiểm soát chuyển động dọc của xe Nghiên cứu giới thiệu thuật toán điều khiển dựa trên mô hình điều khiển trượt, một giải pháp hiện đại phù hợp cho các hệ thống điều khiển trên ô tô Trong quá trình phanh, nhiều yếu tố phi tuyến gây nhiễu cho quá trình điều khiển, vì vậy nghiên cứu áp dụng bộ lọc Kalman để loại bỏ các thành phần nhiễu từ môi trường, kết hợp với bộ điều khiển trượt để điều chỉnh động lực học dọc của xe Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu là chỉ dừng lại ở mức lý thuyết, tập trung vào việc điều khiển độ trượt của xe.
Nghiên cứu “Robust Fuzzy Sliding Mode Control for Antilock Braking System” của M Oudghiri, M Chadli, A El Hajjaji, công bố năm 2007, đã đề xuất một phương pháp điều khiển kết hợp giữa trượt và logic mờ nhằm điều chỉnh lực phanh hiệu quả Nghiên cứu này áp dụng mô hình điều khiển trượt để phân tích quá trình phanh ô tô, đồng thời sử dụng logic mờ để đánh giá các thông số đầu vào chưa biết của bộ điều khiển ABS Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào lý thuyết độ trượt và mô phỏng trên máy tính mà chưa triển khai thực nghiệm.
Tại Việt Nam, một số nghiên cứu đã được thực hiện về hệ thống phanh ABS, chủ yếu tập trung vào lý thuyết và mô phỏng qua các phần mềm chuyên dụng Các nghiên cứu này chủ yếu đánh giá hiệu quả của hệ thống ABS trong quá trình phanh và tác động của nó đến động lực học của xe.
Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào việc xây dựng mô hình mà chưa chú trọng đến phương pháp điều khiển hệ thống thực tế Mặc dù đã có một số đề tài nghiên cứu về bộ điều khiển ABS và thực hiện các đánh giá liên quan, nhưng vẫn thiếu một thuật toán điều khiển cụ thể cho hệ thống này.
Nghiên cứu của Nguyễn Mạnh Cường về động lực học quá trình phanh ô tô trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe (ABS) vào năm 1996 đã khai thác các nguyên lý cơ bản của hệ thống này Tác giả đã nhấn mạnh ảnh hưởng của tương tác giữa lốp và mặt đường cũng như mô hình tính toán phanh Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng giới thiệu một phương pháp điều khiển ABS dựa trên giá trị độ trượt tối ưu, cùng với các phương án điều khiển liên quan Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là chỉ phù hợp với một loại đường nhất định, trong khi giá trị độ trượt thực tế thường xuyên thay đổi.
Luận văn nghiên cứu của Nguyễn Quốc Quang (2011) đã phân tích “quỹ đạo chuyển động của ô tô khi phanh trên đường vòng” Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của các thông số như lực phanh, vận tốc ban đầu và bán kính quay vòng đến tính ổn định chuyển động của ô tô trong quá trình phanh trên đường cong.
Hiện nay, tài liệu về hệ thống phanh ABS trong giáo dục còn hạn chế, đặc biệt tại trường tôi Để bổ sung nguồn tài liệu cho giảng dạy và hỗ trợ sinh viên ngành công nghệ ô tô, tôi đã nghiên cứu mô hình khảo sát đơn giản của hệ thống phanh thủy lực trang bị ABS khi hoạt động trên đường thẳng Mục tiêu là giúp sinh viên hiểu rõ về hệ thống ABS một cách dễ dàng và hiệu quả.
Tôi đã đề xuất nghiên cứu về "Xây dựng mô hình khảo sát sự làm việc của hệ thống phanh thủy lực hai dòng trang bị ABS trên xe du lịch".
Với đề tài này tôi đã đưa ra các mục tiêu nghiên cứu của đề tài như sau:
-Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh thuỷ lực có trang bị ABS trên xe du lịch
-Xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình phanh ô tô có trang bị ABS trên đường thẳng
Mô phỏng số trên xe ô tô cho phép đánh giá hiệu quả phanh và độ ổn định của hệ thống phanh So sánh giữa xe sử dụng hệ thống phanh thông thường và xe trang bị hệ thống phanh ABS sẽ giúp hiểu rõ hơn về sự khác biệt trong khả năng phanh và an toàn khi lái xe.
Nội dung của luận văn được trình bày qua các chương
Hệ thống phanh trên ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn khi lái xe, với các chỉ tiêu đánh giá quá trình phanh khác nhau giữa xe có hệ thống phanh thông thường và xe trang bị ABS Nghiên cứu tổng quan về hệ thống phanh ABS cho thấy những tiến bộ đáng kể trong công nghệ phanh, cả trong nước và trên thế giới Lý do chọn đề tài này là nhằm nâng cao hiểu biết về hiệu suất và sự phát triển của hệ thống phanh, góp phần cải thiện an toàn giao thông.
- Chương 2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh thủy lực trên ô tô du lịch có trạng bị ABS
- Chương 3: Xây dựng mô hình động lực học của ô tô trang bị ABS khi phanh
- Chương 4: Sử dụng MatLab SimuLink để mô phỏng các thông số động lực học của ô tô khi phanh.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHANH DẪN ĐỘNG HAI DÒNG TRANG BỊ ABS CỦA XE Ô TÔ DU LỊCH
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHANH DẪN ĐỘNG HAI DÒNG TRANG BỊ ABS CỦA XE Ô TÔ DU LỊCH
2.1 CÁC CỤM CHI TIẾT CHÍNH VÀ PHÂN LOẠI CÁC CẤU HÌNH CỦA
Hình 2.1: Mô hình xe có trạng bị hệ thống ABS
Hệ thống phanh ABS (hình 2.1) là một hệ thống phanh điện tử, bao gồm các cơ cấu cơ khí tương tự như trong hệ thống phanh thông thường Tuy nhiên, hệ thống phanh ABS còn được trang bị thêm các thành phần chính như ECU điều khiển, cảm biến và bộ chấp hành của phanh, giúp cải thiện hiệu suất phanh và đảm bảo an toàn khi lái xe.
Hình 2.2: Sơ đồ Phanh ABS 4 kênh 8 van điện từ hai vị trí
Cảm biến tốc độ gắn tại moay-ơ bánh xe là loại cảm biến từ trở, có chức năng đo vận tốc góc của bánh xe Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của cảm biến này được minh họa trong hình (2.2).
Hình 2.3: Cảm biến kiểu từ trở
Cảm biến kiểu từ trở bao gồm một cuộn dây quấn cách điện quanh lõi sắt từ, với từ trường được tạo ra nhờ nam châm vĩnh cửu Tất cả các thành phần này được bảo vệ bằng lớp nhựa bên ngoài.
Bánh xe tr ướ c trái
Bánh xe tr ướ c ph ả i
Hình 2.4 Cấu tạo cảm biến tốc độ
Cảm biến được gắn tại bánh xe sao cho đầu cảm biến nằm cách vành răng kim loại trên bánh xe một khoảng cách Δ cỡ 1÷1,5 mm
Hình 2.5: Vị trí lắp cảm biến tốc độ
Khi vành răng quay theo bánh xe, khe hở giữa lõi cuộn dây và vành răng thay đổi, dẫn đến sự biến đổi của từ trở trong mạch từ Sự thay đổi này làm từ thông qua cuộn dây biến thiên, tạo ra suất điện động tự cảm và sinh ra điện thế ở hai đầu tín hiệu ra của cảm biến.
Cảm biến gia tốc sử dụng trên xe ô-tô có thể là loại cảm biến gia tốc cơ khí hoặc cảm biến gia tốc bán dẫn
Cảm biến gia tốc cơ khí hoạt động dựa trên một con lắc dạng tấm, có thiết kế xẻ rãnh, kết hợp với đèn LED và phototransistor để đo lường góc lệch.
Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến gia tốc kiểu cơ khí
Khi xe tăng hoặc giảm tốc, gia tốc quán tính sẽ khiến con lắc bị lệch khỏi phương thẳng đứng Nhờ vào các đèn LED và sự hoạt động của các phototransistor, ABS ECU có khả năng xác định góc lệch của con lắc ở các mức thấp, trung bình và cao, cũng như xác định chiều tăng tốc hoặc giảm tốc của xe.
Cảm biến gia tốc bán dẫn trong ô-tô bao gồm hai cảm biến bán dẫn con được đặt trong cùng một vỏ chứa Hai cảm biến này được sắp xếp vuông góc với nhau, tạo ra khả năng đo lường chính xác trong nhiều hướng khác nhau.
45 o so với chiều dọc của xe
Hình 2.7: Cảm biến gia tốc kiểu bán dẫn
Mỗi cảm biến trong hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý áp điện, trong đó gia tốc của xe tạo ra lực quán tính tác động lên khối lượng bên trong cảm biến Lực này ảnh hưởng đến tấm bán dẫn, sinh ra một sứ điện động theo nguyên lý áp điện Tín hiệu điện này được xử lý và gửi về ABS ECU Hai cảm biến gia tốc cung cấp tín hiệu điện áp, và dựa vào điện áp của chúng, ABS ECU có thể xác định gia tốc chuyển động của thân xe.
Hộp điều khiển ABS (ECU) có chức năng nhận diện thông tin về tốc độ góc của các bánh xe, từ đó tính toán tốc độ và sự tăng giảm tốc của chúng, xác định tốc độ xe, tốc độ chuẩn của bánh xe và ngưỡng trượt để phát hiện nguy cơ hãm cứng Nó cung cấp tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thủy lực, đồng thời thực hiện các chế độ kiểm tra, chẩn đoán, lưu giữ mã lỗi và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Cơ cấu chấp hành gồm các van điện từ hai vị trí thường được sử dụng rộng rãi
Van giữ áp là loại van thủy-điện từ với hai vị trí hoạt động Trong trạng thái bình thường, van mở và cho phép dầu chảy qua hai cửa Khi van đóng, lõi sắt từ sẽ ngắt đường dầu giữa hai cửa Lõi sắt từ này được điều khiển bởi cuộn dây, giúp van hoạt động hiệu quả Van 2 vị trí này được điều khiển bằng áp suất, với điện áp điều khiển là 12V.
Van giảm áp là loại van thủy-điện 2/2 (hai cửa, hai vị trí) có chức năng điều chỉnh dòng chảy dầu Trong trạng thái bình thường, van ở trạng thái đóng, ngắt đường dầu giữa hai cửa Khi mở, lõi sắt từ sẽ kéo kim van hình trụ, kết nối thông đường dầu giữa hai cửa Lõi sắt từ này được điều khiển bởi cuộn dây, cho phép van hoạt động hiệu quả Van 2 vị trí này được điều khiển theo áp lực, với điện áp điều khiển là 12V.
Bơm trong bộ chấp hành ABS là bơm thủy lực cánh gạt, hoạt động với điện áp 12V Chức năng chính của bơm này là bơm dầu từ bình tích áp về đường dầu của xy-lanh phanh chính.
Bình tích áp trong bộ chấp hành ABS có chức năng lưu trữ năng lượng thủy lực dưới dạng áp suất Khi hệ thống giảm áp, dầu từ xy-lanh phanh bánh xe được xả về bình tích áp, sau đó dầu từ bình tích áp sẽ được bơm ngược trở lại đường dầu của xy-lanh phanh chính.
Trong hệ thống phanh ABS, cấu hình của hệ thống phụ thuộc vào số lượng van điện từ hai vị trí và cảm biến Các cấu hình khác nhau của hệ thống ABS sẽ được xác định dựa trên các yếu tố này.
Hình 2.10: một số cấu hình của hệ thống phanh ABS
Hệ thống ABS được phân loại bằng mã gồm 4 chữ số (XXXX), trong đó 2 chữ số đầu tiên thể hiện cấu trúc điều khiển ABS cho các bánh xe ở cầu trước Chữ số đầu tiên từ bên trái đại diện cho số lượng cảm biến tốc độ góc của mỗi bánh xe ở cầu trước, trong khi các ký hiệu tiếp theo tương ứng với cấu trúc ABS của các bánh xe ở cầu sau.
XÂY DỰNG Mễ HèNH PHANH ABS ẵ XE TRONG TRƯỜNG HỢP Ô TÔ CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƯỜNG THẲNG
XÂY DỰNG Mễ HèNH PHANH ABS ẵ XE TRONG TRƯỜNG HỢP ễ Tễ CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƯỜNG THẲNG
3.1 Sơ đồ các lực và mô men tác động lên ô tô khi chuyển động
Hình (3.1) trình bày sơ đồ các lực và mô men tác dụng lên ô tô trong mặt phẳng ngang khi xe chuyển động
Hình 3.1: Các lực và mô men tác dụng lên ô tô trong mặt phẳng ngang
Tọa độ OX0Y0 được xem là tọa độ tuyệt đối, trong khi tọa độ OXY là tọa độ tương đối Khi khảo sát mô hình này, việc sử dụng tọa độ tuyệt đối là cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong quá trình nghiên cứu.
Tại các điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, bánh xe chịu tác động của các lực từ mặt đường, trong đó các lực dọc có hướng đồng nhất với chiều di chuyển của xe.
Hình 3.2: Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô
Các thành phần lực và mô men trong quá trình ô tô chuyển động theo phương dọc và phương ngang, bao gồm:
Các thành phần lực và mô men trong quá trình ô tô chuyển động theo phương dọc và phương ngang, bao gồm:
Trọng tâm ô tô T nằm ở vị trí cách tâm trục cầu trước một khoảng a và cách tâm trục cầu sau một khoảng b, đồng thời có chiều cao hg so với mặt đường.
+ Trọng lực của ô tô G = mg
+ Lực quán tính ly tâm PLT = m = mv( )
+ Lực dọc đặt tại các bánh xe Fi
+ Các phản lực bên Si
+ Phản lực thẳng đứng Zi tại vết bánh xe
Khi thân xe quay, mô men quán tính Jz xuất hiện xung quanh trục Tz đi qua trọng tâm T, với Jz đại diện cho mô men quán tính của ô tô đối với trục Tz Mô men này liên quan đến gia tốc quay của thân xe.
Các thông số hình học trên mô hình:
+ Các kích thước chiều rộng vết lốp cầu trước là tt, của cầu sau là tS
+ Góc lệch hướng chuyển động của thân xe so với hệ trục tọa độ cố định là
+ Các góc quay của bánh xe dẫn hướng t khi chuyển động
Chỉ số i có giá trị từ 1 đến 4, phụ thuộc vào cách đánh số thứ tự của các bánh xe Trong nghiên cứu này, chúng ta chỉ xem xét mô hình xe trong mặt cắt dọc.
Hình 3.3: Mô hình xe trong mặt cắt dọc
3.2 Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học của ô tô khi phanh có ABS 3.2.1 Mô hình nghiên cứu động lực ô tô khi phanh trên đường thẳng
Việc lựa chọn mô hình nghiên cứu quá trình phanh ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả phân tích Để tính toán động học của quá trình phanh, có thể áp dụng các mô hình không gian hoặc mô hình phẳng.
Khi tính toán với mô hình một khối lượng có những nhược điểm sau:
- Không xét được ảnh hưởng của trọng lượng của ô tô khi phanh
- Không xét được ảnh hưởng của phân bố động phần trọng lượng xe ô tô tác dụng lên các trục bánh xe trong quá trình phanh
- Không xét đến sự biến đổi của hệ số bám giữa bánh xe với bề mặt đường trong quá trình phanh
- Không xét được đặc điểm kết cấu và hiệu quả làm việc của các cơ cấu phanh khác nhau (ví dụ: kiểu phanh trống, phanh đĩa, phanh hỗn hợp)
Do những thiếu sót trong các công thức tính toán, trị số quãng đường phanh thường không chính xác so với số liệu thực nghiệm Để cải thiện mô hình phẳng khối lượng, mô hình phẳng hai khối lượng được áp dụng nhằm mô tả quá trình phanh hiệu quả hơn.
Khối lượng M của ô tô được chia thành hai phần M1 và M2, được kết nối bằng một thanh cứng và không có trọng lượng Trong quá trình phanh, khối lượng M1 và M2 sẽ thay đổi, và mức độ biến đổi này phụ thuộc vào gia tốc phanh.
- Các khối lượng M1 và M2 được đặt trên các trục quay của các bánh xe cầu
Trong quá trình phanh ô tô, hệ số bám giữa bánh xe và bề mặt đường thay đổi liên tục, chịu ảnh hưởng bởi tốc độ di chuyển và độ trượt của bánh xe.
Mất ổn định hướng của xe xảy ra khi các bánh xe cầu sau bị hãm cứng, ảnh hưởng đến các bánh xe cầu trước Do đó, có thể lựa chọn mô hình phẳng hai khối lượng để tiến hành khảo sát.
3.2.2 Các lực và mô tác dụng lên bánh xe trong quá trình phanh Để xây dựng mô hình phanh ABS trong trường hợp xe chạy trên đường thẳng ta chọn mô hình phẳng như hình 3.3
Hình 3.4:Các lực và mô men trong quá trình phanh ô tô trên đường thẳng
Mô hình tính toán bánh xe được xây dựng nhằm phân tích và xác định các lực tác động lên bánh xe, từ đó giúp tính toán quỹ đạo chuyển động một cách chính xác.
M qt1 M qt2 của bánh xe dưới tác dụng của lực dọc Các thành phần lực và mô men tác dụng lên bánh xe được thể hiện trong hình
+ Lực pháp tuyến Fz1, Fz2 là các phản lực tác dụng từ mặt đường lên các bánh xe cầu trước và cầu sau
+ Trong trường hợp hợp phanh thì lực dọc bánh xe cầu trước là: Fx1 = PP1 + Ff1
; và bánh xe cầu sau là: Fx2 = PP2 + Ff2
+ Mô men phanh Mp1 , Mp2 là mô men phanh tại bánh trước và bánh sau
+ Mô men quán tính Mqt1 và Mqt2 tại các bánh xe trước và bánh xe sau khi phanh
3.2.3 Các phương trình vi phân mô tả động học quá trình phanh khi xe chuyển động thẳng
Xét cân bằng lực theo phương dọc ta co phương trình :
Xét cân bằng mô men tại các bánh xe trước và sau ta có phương trình:
Phương trình liên hệ giữa quãng đường phanh và vận tốc xe:
Tính các thành phần của hệ phương trình vi phân: (3.1), (3.2),(3.3),(3.4)
- Các phản lực tác dụng thẳng đứng F z1 , F z2
+ Khi xe chuyển động thẳng tải trọng phân bố trên cầu trước và cầu sau:
+ Trong quá trình phanh, do có lực quán tính nên có hiện tượng phân bố lại khối lượng ra cầu trước và cầu sau Xét trong mặt phẳng dọc:
-Mô men phanh tác dụng lên các bánh xe trước và sau
Mô men phanh của cơ cấu phanh sinh ra:
Hình 3.5: Cơ cấu phanh trống guốc
Tỷ số truyền tổng của cơ cấu phanh phụ thuộc vào kiểu dáng và các thông số kết cấu của nó, cùng với hệ số ma sát tương đương Bán kính trống phanh (rt) cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống phanh.
Tổng lực dẫn động tác dụng lên guốc phanh trước và sau của cơ cấu phanh được xác định dựa trên đường kính xy lanh (d1, d) và áp suất dẫn động (p1, p2) Trong các kết cấu thông thường, đường kính xy lanh có thể được coi là bằng nhau (d1 = d2).
Trong quá trình phanh, áp suất trong hệ thống dẫn động phanh tăng từ 0 đến Pmax, với giá trị cực đại và tốc độ tăng phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống, lực tác dụng của người lái lên bàn đạp và nhịp độ đạp phanh Thời gian phanh thường dao động từ 0,4 đến 0,6 giây, trong khi ở hệ thống phanh thủy lực, thời gian này chỉ từ 0,15 đến 0,3 giây Do đó, quy luật tăng của áp suất có thể được coi là hàm bậc nhất theo thời gian.
SỬ DỤNG CÔNG CỤ SIMULINK MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH
SỬ DỤNG CÔNG CỤ SIMULINK MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHANH Ô
TÔ TRÊN ĐƯỜNG THẲNG 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MATLAB VÀ SIMULINKL
Matlab là phần mềm quan trọng trong lĩnh vực toán số, hỗ trợ các nhà khoa học và kỹ sư trong tính toán, khảo sát và phân tích ở nhiều chuyên ngành như cơ khí, điện tử, điều khiển tự động và xử lý toán chuyên dụng Với thư viện hàm toán học phong phú, Matlab giải quyết hiệu quả các bài toán kỹ thuật và kinh tế, bao gồm hệ phương trình vi phân và các bài toán ma trận phức tạp Người dùng có thể mở rộng các hàm toán thông qua các ứng dụng và thư viện hỗ trợ Matlab cho phép lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao, xử lý dữ liệu và biểu diễn đồ họa linh hoạt trong không gian hai và ba chiều, giúp người dùng quan sát kết quả một cách trực quan và đưa ra giải pháp tối ưu.
Simulink là phần mềm mô phỏng động học cho các hệ thống tuyến tính và phi tuyến trong môi trường Matlab, cho phép trao đổi linh hoạt với Matlab Nó cung cấp các công cụ tích hợp dưới dạng sơ đồ chức năng, giúp người dùng dễ dàng lập trình thông qua các khối chức năng trực quan Thay vì xây dựng các phương trình phức tạp, người dùng chỉ cần chọn và kết nối các khối chức năng phù hợp trong Simulink để mô phỏng động học của hệ thống dựa trên các phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyền đạt hoặc sơ đồ cấu trúc.
4.2 SỬ DỤNG CÔNG CỤ SIMULINK TRONG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHANH CÓ
TRANG BỊ ABS KHI XE CHUYỂN ĐỘNG THẲNG
Dựa trên hệ phương trình vi phân nghiên cứu động lực học ô tô khi phanh, chúng tôi đã xây dựng sơ đồ khối mô phỏng quá trình phanh ô tô Từ các phương trình (3.15), (3.16), (3.17), (3.18) cùng với các phương trình liên hệ, điều kiện ban đầu và điều kiện giới hạn về giá trị lớn nhất của lực dọc từ điều kiện bám, chúng tôi xác định được cấu trúc cơ bản cần thiết để mô phỏng hệ thống.
CÁC THÔNG SỐ CỦA XE ĐƯỢC KHẢO SÁT
TT Thông số Ký hiệu Đơn vị tính Giá trị
1 Chiều dài cơ sở L mm 2375
3 Chiều cao trọng tâm hg mm 770
7 Bán kính bánh xe Rb m 0,345
8 Đường kính xilanh phanh bánh xe D m 0,032
9 Bán kính tang trống rt m 0,14
10 Khoảng cách cầu trước đến trọng tâm a m 1,2608
11 Khoảng cách cầu sau đến b m 1,1148
12 Hệ số tăng áp suất cầu trước Kp Mpa/s 45
13 Hệ số tăng áp suất cầu sau Kp Mpa/s 40
14 Tỷ số truyền cơ cấu phanh C 1,57
15 Độ cứng dọc của lốp trước C1 KN/m 15
16 Độ cứng dọc của lốp trước C2 KN/m 30
17 Hệ số bám cực đại muy0 0,8
18 Độ giảm hệ số bám Ax 0,0115
19 Bán kính tang trống trước rt1 m 0,12
20 Bán kính tang trống sau rt2 m 0,14
- Phương trình vi phân mô tả mối quan hệ động lực học khi phanh của các bánh xe cầu trước
- Phương trình vi phân mô tả mối quan hệ động lực học khi phanh của các bánh xe cầu trước
Chúng tôi xác định rằng việc xây dựng cấu trúc mô hình cần dựa trên các khối chức năng, nhằm mô tả các thông số trạng thái của bánh xe cầu trước, cầu sau và tình trạng của thân xe.
Kết quả mô phỏng hoạt động hệ thống phanh sẽ được trình bày dưới dạng đồ thị hoặc số liệu, thể hiện các thông số trạng thái của bánh xe cầu trước, cầu sau và thân xe.
4.2.1 Mô phỏng thông số trạng thái các bánh xe cầu trước
Khối mô phỏng thông số trạng thái cầu trước bao gồm:
- Khối mô phỏng gia tốc góc, vận tốc góc, độ trượt bánh xe cầu trước
- Khối mô phỏng tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước khi phanh
- Khối mô phỏng lực dọc tác dụng lên bánh xe cầu trước
- Khối mô phỏng mô men phanh tác dụng lên cầu trước
Khối mô phỏng gia tốc góc, vận tốc góc và độ trượt bánh xe cầu trước nhận tín hiệu đầu vào từ mô men phanh sinh ra do áp suất trong hệ thống phanh, được giới hạn bởi các điều kiện ban đầu Tín hiệu đầu ra bao gồm gia tốc góc, vận tốc góc và độ trượt của các bánh xe cầu trước.
- Mô phỏng gia tốc góc, vận tốc góc, độ trượt bánh xe cầu trước theo phương trình vi phân sau
Hình 4.1: Sơ đồ khối gia tốc góc, vận tốc góc, độ trượt bánh xe cầu trước
- Mô phỏng tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước khi phanh theo phương trình
Khối mô phỏng phản lực thẳng đứng Fz1 như sau:
Hình 4.2: Sơ đồ khối phản lực thẳng đứng hệ số bám và lực bám bánh xe trước
- Mô phỏng lực dọc tác dụng lên bánh xe cầu trước theo phương trình
Lực dọc tác dụng lên cầu trước được xác định theo phương trình:
Khối lực dọc tác dụng lên bánh xe cầu trước trong quá trình phanh bao gồm tổng hợp các lực như lực phanh và lực cản lăn của bánh xe, trong khi lực bám ngang được coi là không đáng kể.
Hình 4.3: Sơ đồ khối lực dọc các bánh xe cầu trước
Trong trường hợp xe chạy trên đường thẳng thì các giá trị , y và lực ngang Fy đều coi như bằng không
Mô phỏng mô men phanh trong hai trường hợp có và không có hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) là rất quan trọng Đối với hệ thống phanh không có ABS, mô men phanh được tính toán dựa trên một phương trình cụ thể.
Mô men phanh bánh xe trong trường hợp này được giới hạn bởi lực phanh cực đại và lực bám
Hệ thống phanh không có ABS được mô tả qua sơ đồ khối mô men phanh các bánh xe cầu trước Đối với hệ thống phanh có ABS, mô men phanh được tính toán theo một phương trình cụ thể.
Mô men phanh được tự động điều khiển thể hiện ở khối hình 4.5:
Hình 4.5: Sơ đồ khối mô men phanh các bánh xe cầu trước có ABS
4.2.2 Mô phỏng thông số trạng thái các bánh xe cầu sau
Khối mô phỏng thông số trạng thái các bánh xe cầu sau tương tự như ở bánh xe cầu trước
- Mô phỏng gia tốc góc, vận tốc góc và độ trượt bánh xe cầu sau theo phương trình:
Khối tính toán gia tốc góc và độ trượt bánh xe cầu sau:
Hình 4.6: Sơ đồ khối gia tốc góc, vận tốc góc và độ trượt bánh xe cầu sau
- Mô phỏng phản lực thẳng đứng bánh xe sau theo phương trình
Khối mô phỏng phản lực thẳng đứng Fz2 như sau:
Hình 4.7: Sơ đồ khối phản lực thẳng đứng bánh xe cầu sau
- Khối mô phỏng lực dọc tác dụng lên bánh xe cầu sau theo phương trình
Hình 4.8: Sơ đồ khối lực dọc bánh xe cầu sau
- Mô phỏng mo men phanh bánh sau trong hệ thống phanh không có ABS theo phương trình
Mô men phanh bánh xe trong trường hợp này được giới hạn bởi lực phanh cực đại và lực bám
Khối mô phỏng mô men phanh không có ABS như sau:
Hình 4.9: Sơ đồ khối mô men phanh các bánh xe cầu saucos ABS
- Mô phỏng mo men phanh bánh sau trong hệ thống phanh không có ABS theo phương trình
M K c d r t ở trường hợp này thì mô men phanh được tự động điều chỉnh bởi khối tính toán thể hiện trên hình 4.10:
4.2.3 Mô phỏng giảm tốc, vận tốc, quãng đường phanh khối thân xe
Các thông số trạng thái của thân xe bao gồm giảm tốc, vận tốc và quãng đường phanh Tín hiệu đầu vào là lực dọc tác động lên thân xe qua các bánh xe trước và sau, trong khi tín hiệu ra bao gồm giảm tốc phanh, vận tốc tức thời và quãng đường phanh Khối thân xe mô tả phương trình cân bằng lực dọc tác động lên xe và mối quan hệ giữa gia tốc phanh, vận tốc chuyển động và quãng đường phanh của ô tô.
- Mô phỏng gia tốc, vận tốc, quãng đường phanh theo phương trình:
Khối tính toán gia tốc, vận tốc, quãng đường phanh:
Hình 4.11: Sơ đồ khối gia tốc, vận tốc, quãng đường phanh
4.2.4 Khối hiển thị kết quả
Khối có chức năng xuất kết quả dưới dạng đồ thị hoặc số, đồng thời lưu trữ các trị số của các thông số trạng thái của bánh xe cầu trước, cầu sau và ô tô khi phanh trong bộ nhớ máy tính Đầu vào của khối này là các tín hiệu từ khối thân xe, khối bánh xe cầu trước và khối bánh xe cầu sau.
Hình 4.12: Sơ đồ khối hiển thị kết quả
Phần này đã phân tích các thông số động lực học trong quá trình phanh, bao gồm lực dọc Fx, vận tốc góc, vận tốc phanh và quãng đường phanh Qua đó, bài viết so sánh và nhận xét về hiệu quả của hệ thống phanh thông thường và hệ thống phanh trang bị ABS.
4.3 CÁC KẾT QUẢ KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG PHANH TRANG BỊ ABS
4.3.1 Trường hợp hệ thống phanh không trang bị ABS và chạy với các tốc độ khác nhau 40km/h và 80km/h v = 40 (km/h) v= 80 (km/h)
Hình 4.13:Đồ thị về vận tốc góc khi v= 40 (km/h) và 80 (km/h)
Tại tốc độ 40 km/h, bánh trước có vận tốc góc bằng không sau 1,2 giây phanh, trong khi bánh sau là 1,45 giây; ở tốc độ 80 km/h, bánh sau dừng quay sau 1,4 giây, trong khi bánh trước là 1,6 giây Điều này cho thấy rằng trong hệ thống phanh, vận tốc góc của bánh xe sau luôn nhỏ hơn bánh xe trước, và bánh xe sau dừng quay trước bánh xe trước Hơn nữa, vận tốc góc của bánh xe khi phanh tỷ lệ thuận với tốc độ của xe trước khi phanh.
Hình 4.14: Hai đồ thị về độ trượt khi v = 40 (km/h) và 80 (km/h)
Khi xe phanh không có hệ thống ABS, hệ số trượt phụ thuộc vào vận tốc Cụ thể, ở vận tốc cao (80 km/h), thời gian bắt đầu trượt hoàn toàn kéo dài hơn so với khi xe di chuyển với vận tốc thấp (40 km/h) Điều này dẫn đến việc bánh xe sau thường trượt trước, gây mất ổn định cho xe trong quá trình phanh.
Hình 4.15: Đồ thị về quãng đường phanh vận tốc phanh: v= 40 (km/h) và 80 (km/h)
-Đối với quãng đường phanh của xe khi phanh không có ABS: vận tốc cao v= 80km/ h thì Sp = 55m, vận tốc thấp v= 40km/h thì Sp = 16m Như vậy quãng
Trong quá trình phanh, vận tốc của xe sẽ giảm dần, tuy nhiên, xe có vận tốc cao sẽ giảm tốc chậm hơn so với xe có vận tốc thấp Cụ thể, thời gian giảm vận tốc của xe chạy ở tốc độ 80 km/h sẽ dài hơn so với xe chạy ở tốc độ 40 km/h.
Hình 4.16: Đồ thị lực dọc và lực bám của xe khi v = 40 và 80 km/h
