MỤC LỤC
Mục lục.iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt. vi
Danh mục các bảng.viii
Danh mục các hình ảnh, đồ thị . ix
Mở đầu. 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU . 5
1.1. Hệ thống phanh ABS khí nén trên xe ô tô . 5
1.2. Lịch sử phát triển hệ thống ABS khí nén. 6
1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc . 8
1.4. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc. 11
1.5. Đối tƣợng nghiên cứu . 14
1.5.1. Xe nghiên cứu và bố trí hệ thống ABS . 15
1.5.2. Van chấp hành ABS và phƣơng pháp điều khiển. 17
1.6. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu. 19
1.7. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu. 20
1.8. Kết luận chƣơng 1. 21
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 23
2.1. Quy trình nghiên cứu . 23
2.2. Phƣơng pháp điều khiển ABS. 25
2.3. Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén cóABS. 28
2.4. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá trình phanh. 31
2.4.1. Chuyển động của ô tô trong quá trình phanh trên đƣờng bằng phẳng . 31
2.4.2. Động lực học bánh xe trong quá trình phanh . 34
2.4.3. Sự phân bố lại trọng lƣợng khi phanh . 36
2.4.4. Mô hình mô phỏng chuyển động của xe . 36
2.4.5. Mô hình mô phỏng bánh xe. 37iv
2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén. 37
2.5.1. Cơ sở tính toán áp suất và lƣu lƣợng khí nén trong hệ thống phanh. 38
2.5.2. Mô hình mô phỏng van phân phối . 40
2.5.3. Mô hình mô phỏng van xả nhanh ở dòng phanh cầu trƣớc. 42
2.5.4. Mô hình mô phỏng van gia tốc trên dòng phanh cầu sau. 43
2.5.5. Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh. 43
2.6. Kết luận chƣơng 2. 45
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 47
3.1. Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống ABS. 47
3.2. Thuật toán điều khiển hệ thống ABS. 49
3.3. Cảm biến và phƣơng pháp đo vận tốc góc bánh xe . 52
3.3.1. Cảm biến đo vận tốc góc bánh xe . 52
3.3.2. Vành răng cảm biến. 53
3.3.3. Phƣơng pháp xác định vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe. 55
3.4. Mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống ABS. 56
3.4.1. Mô hình mô phỏng van chấp hành ABS . 56
3.4.2. Mô hình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc bánh xe. 58
3.4.3. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển . 59
3.5. Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô khi phanh bởi hệ thống phanh khí nén cóABS. 60
3.6. Nghiên cứu, xác định ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS. 61
3.6.1. Mô phỏng điều khiển theo độ trƣợt bánh xe . 62
3.6.2. Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe. 64
3.6.3. Kết quả mô phỏng . 65
3.7. Kết luận chƣơng 3. 69
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. 70
4.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm . 70
4.2. Nghiên cứu chính xác hóa ngƣỡng điều khiển. 70v
4.2.1. Quy trình mô phỏng thực nghiệm . 70
4.2.2. Thiết bị thử nghiệm . 71
4.2.3. Ngƣỡng điều khiển và hoạt động của hệ thống phanh khí nén có ABS. 76
4.3. Thử nghiệm đánh giá hiệu quả hệ thống. 84
4.4. Kết luận chƣơng 4. 86
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN VÀ KIẾN NGHỊ . 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 89
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 1
PHỤ LỤC . 1
128 trang |
Chia sẻ: lavie11 | Lượt xem: 1748 | Lượt tải: 3
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
yển động của xe theo phƣơng dọc. Các mục 2.4.2 và 2.4.3 sau đây sẽ trình
bày cơ sở để xác định lực phanh này.
- 34 -
2.4.2. Động lực học bánh xe trong quá trình phanh
Khi xe chuyển động, lốp bị biến dạng theo phƣơng hƣớng kính và phƣơng tiếp
tuyến. Phản lực
z
F của đƣờng tác dụng lên lốp bị dịch chuyển một khoảng x so với tâm
vết tiếp xúc giữa lốp và đƣờng nhƣ thể hiện trên Hình 2. 9 [58].
Hình 2. 9. Phân bố ứng suất và phản lực từ đường khi lốp lăn
Lực cản lăn đƣợc xác định theo công thức: z
r
d
F x
F
r
trong đó
d
r là bán kính động
lực học của bánh xe.
Nhƣ đã nêu ở phân trƣớc, trong quá trình phanh, lực cản lăn rất nhỏ so với lực
phanh, và luận án đã giả thiết bỏ qua lực cản lăn của bánh xe. Khi đó phản lực
z
F của
đƣờng lên lốp đƣợc đặt trên trục đối xứng của bánh xe, tại vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt
đƣờng (Hình 2. 10).
Khi phanh, bánh xe chuyển dịch theo phƣơng dọc x, chuyển dịch theo phƣơng
thẳng đứng , chuyển động quay góc chịu tác dụng của các lực và mô men nhƣ Hình 2.
10 [10], [57], [58].
Mặt đƣờng
- 35 -
Hình 2. 10. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh
Trong đó:
x
F là phản lực từ mặt đƣờng theo phƣơng dọc, do mô men phanh
b
M sinh ra;
kx
F là lực tác dụng từ khung xe thông qua hệ thống treo theo phƣơng dọc;
A
m x lực quán tính của khối lƣợng không đƣợc treo theo phƣơng dọc;
z
F
là phản lực thẳng đứng từ đƣờng lên bánh xe;
ky
F là lực tác dụng từ khung xe thông qua hệ thống treo theo phƣơng thẳng đứng;
m là lực quán tính của khối lƣợng không đƣợc treo theo phƣơng thẳng đứng;
bx
J là mô men quán tính của bánh xe;
Chuyển động thẳng đứng đƣợc bỏ qua do giả thiết bỏ qua hệ thống treo, chuyển
động x là chuyển động theo thân xe và đƣợc xác định theo công thức (2.11). Cùng
với chuyển động x, chuyển động cần đƣợc xác định để làm cơ sở xác định độ
trƣợt của bánh xe và phản lực dọc của mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe.
Với giả thiết bỏ qua lực cản lăn, phƣơng trình chuyển động quay của bánh xe khi
phanh đƣợc xác định nhƣ sau [57], [58], [64]:
bx b x d
J M F r (2.12)
Trong đó:
b
M là mô men phanh do cơ cấu phanh sinh ra;
bx
J là mô men quán tính khối lƣợng quay của bánh xe;
y
x
d
- 36 -
d
r là bán kính động lực học của bánh xe.
x
F là lực phanh theo phƣơng dọc, đƣợc xác định theo công thức (2.1):
Từ đó, nếu biết mô men phanh
b
M , phản lực dọc của mặt đƣờng tác dụng lên bánh
xe
x
F (trong quá trình phanh chính là lực phanh) và các thông số mô men quán tính và bán
kính của bánh xe, có thể xác định đƣợc giá trị gia tốc góc và vận tốc góc của bánh xe.
2.4.3. Sự phân bố lại trọng lƣợng khi phanh
Trọng lƣợng phân bố lên cầu xe cần phải đƣợc xác định để có thể tính toán lực
phanh tác dụng lên bánh xe. Trong quá trình phanh, trọng lƣợng của xe phân bố lên các cầu
biến đổi theo gia tốc chậm dần x của xe, đƣợc xác định theo các công thức:
Phân bố trên cầu trƣớc: zf g
m
F gb xh
L
(2.13)
Phân bố trên cầu sau: zr g
m
F ga xh
L
(2.14)
Trong đó:
a: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu trƣớc [m];
b: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu sau [m];
g
h : Khoảng cách từ trọng tâm của xe đến mặt đƣờng [m];
L : Chiều dài cơ sở của xe [m].
2.4.4. Mô hình mô phỏng chuyển động của xe
Khi mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô trong quá trình phanh trên đƣờng bằng,
phẳng, luận án áp dụng phƣơng trình chuyển động của ô tô.
Từ phƣơng trình (2.11) xác định đƣợc vận tốc dọc của ô tô nhƣ sau:
0
0
t
bf br
x
F F
v dt v
m
(2.15)
Trong đó vo là vận tốc ban đầu (trƣớc khi phanh) của ô tô.
- 37 -
Trong quá trình phanh, trọng lƣợng của xe phân bố lên các cầu biến đổi theo gia tốc
chậm dần x của ô tô. Trọng lƣợng phân bố lên cầu trƣớc
zf
F và cầu sau zrF đƣợc xác định
lần lƣợt theo phƣơng trình (2.13) và (2.14) là cơ sở để xác định các lực
bf
F và brF .
2.4.5. Mô hình mô phỏng bánh xe
Khi mô phỏng chuyển động quay của bánh xe, luận án sử dụng phƣơng trình
chuyển động quay của bánh xe khi phanh (2.12).
Gia tốc góc của bánh xe đƣợc xác định từ công thức (2.12):
b x d
bx
M F r
J
(2.16)
Từ đó, vận tốc góc của bánh xe đƣợc xác định theo công thức :
0
0
t
b x bx
bx
M F r
J
(2.17)
Các thông số
x
v xác định theo công thức (2.15) và xác định theo công thức
(2.17) là cơ sở để xác định độ trƣợt của bánh xe theo phƣơng trình (2.5).
2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén
Hệ thống phanh chính trên xe ô tô sử dụng hệ thống phanh khí nén có ABS thƣờng
gồm các bộ phận chính: Máy nén khí, các bình chứa khí nén, van phân phối, van xả nhanh
ở dòng phanh cầu trƣớc, van gia tốc ở dòng phanh cầu sau, van chấp hành ABS cho từng
bầu phanh, các bầu phanh, các đƣờng ống dẫn khí nén và cơ cấu phanh ở mỗi bánh xe.
Sơ đồ hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe ô tô thông thƣờng nhƣ trên Hình 2.
11 [20].
- 38 -
Hình 2. 11. Sơ đồ hệ thống phanh khí nén trên ô tô
Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén trên xe ô tô tải đƣợc xây dựng trong
môi trƣờng Matlab – Simulink. Các bộ phận thuộc ABS (van chấp hành ABS, cảm biến, bộ
điều khiển) đƣợc xây dựng mô hình mô phỏng trong môi trƣờng Matlab – Simulink và
Matlab –State-Flow, sau đó nhúng vào mô hình mô phỏng hệ thống phanh để tạo mô hình
mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS. Mô hình mô phỏng các bộ phận này đƣợc trình
bày ở mục 3.4.
Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén trên xe ô tô tải sử dụng các giả thiết:
Lực đạp phanh của ngƣời lái đủ để van phân phối mở hoàn toàn tại thời điểm
bắt đầu mô phỏng;
Áp suất khí nén trong các bình chứa không thay đổi trong quá trình phanh, có
giá trị bằng nhau và bằng 0,8 MPa;
2.5.1. Cơ sở tính toán áp suất và lƣu lƣợng khí nén trong hệ thống phanh
Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng ở trạng thái đẳng nhiệt:
pV nRT (2.18)
Cảm biến và
vành răng
Van phân phối
Van ABS
Van ABS
Van ABS
Van ABS
Trống phanh
Các bình chứa khí nén
ECU
Van xả nhanh
Van gia tốc
Bầu phanh
Bầu
phanh
Cảm biến và
vành răng
- 39 -
Trong đó:
p là áp suất chất khí [N/m2];
V là thể tích bình chứa [m3];
n là khối lƣợng mol phân tử [mol];
T là nhiệt độ của chất khí [K];
R là hằng số chất khí (theo hệ đo lƣờng quốc tế, R = 8314 [Jmol-1 K-1]).
Phƣơng trình trạng thái này là cơ sở để xác định áp suất khí nén trong hệ thống khi
biết lƣu lƣợng đến các dung tích trong hệ thống.
Lƣu lƣợng của dòng khí là đại lƣợng quan trọng trong mô hình mô phỏng hệ thống
phanh khí nén. Do khí nén là môi chất có khả năng nén cao, nên lƣu lƣợng khối thƣờng
đƣợc sử dụng để tính toán thay cho lƣu lƣợng thể tích. Lƣu lƣợng khối của dòng khí đƣợc
xác định nhƣ sau [38]:
w
Q uA (2.19)
Trong đó:
γ là trọng lƣợng riêng của chất khí, γ = ρg [N/m3];
ρ là khối lƣợng riêng của chất khí kg/m3];
g là gia tốc trọng trƣờng m/s2];
u là vận tốc chuyển động của khí nén [m/s];
A là tiết diện dòng chảy [m2].
Lƣu lƣợng khối của chất khí chảy qua một tiết lƣu có thể xác định theo công thức
[38]:
w
d a
v g
u
p p p
Q C K
G T
(2.20)
Trong đó:
Cv là hệ số tiết lƣu;
g
K là hệ số chuyển đổi (theo hệ SI, 114, 5
g
K );
p là độ chênh lệch áp suất giữa điểm trƣớc và sau tiết lƣu;
G là trọng lƣợng riêng trung bình của chất khí (với không khí, G = 1);
d
p là áp suất sau tiết lƣu [N/m2];
- 40 -
a
p là áp suất khí trời (
a
p = 10
5
N/m
2
);
Tu là nhiệt độ của khí nén.
Khi có lƣu lƣợng khí nén đi vào và đi ra khỏi một dung tích, áp suất trong dung tích
đó thay đổi và có thể đƣợc mô tả nhƣ sau [38]:
w , w ,
1
d
in out
n
dp
Q Q
dt C
(2.21)
Trong đó:
d
p là áp suất khí nén trong dung tích N/m2];
n
C
là khí dung của chất khí – thể hiện tính chịu nén của chất khí;
w , w ,
,
in out
Q Q lần lƣợt là lƣu lƣợng khí nén đi vào và đi ra khỏi dung tích
[m
3
/s].
Khí dung của chất khí (
n
C ) đƣợc xác định theo hai trƣờng hợp. Trƣờng hợp áp suất
khí nén thay đổi nhanh đƣợc tính theo công thức [38]:
n
gV
C
kR T
(2.22)
Trƣờng hợp áp suất khí nén thay đổi chậm đƣợc tính theo công thức [38]:
n
gV
C
R T
(2.23)
Trong đó: k là nhiệt trị riêng (với không khí, k = 1,4).
Trong mục này, luận án sẽ trình bày phƣơng trình mô tả quan hệ của áp suất và lƣu
lƣợng khí nén đi vào và đi ra khỏi các phần tử trong hệ thống phanh khí nén có ABS trên
xe nghiên cứu. Các phƣơng trình này là cơ sở để xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống
ABS khí nén.
2.5.2. Mô hình mô phỏng van phân phối
Van phân phối khí nén bao gồm 2 khoang, dẫn động độc lập cho hai dòng dẫn động
phanh cầu trƣớc và cầu sau. Sơ đồ van phân phối nhƣ Hình 2. 12.
- 41 -
Hình 2. 12. Sơ đồ van phân phối trong hệ thống phanh khí nén
Hệ số tiết lƣu của van nạp khoang trên và van nạp khoang dƣới van phân phối phụ
thuộc vào tiết diện thông qua khi mở van. Khi ngƣời lái đạp phanh, khí nén từ bình chứa
thứ nhất (Rear axle reservoir) có áp suất
1Tank
p đi qua van phân phối đến điều khiển van gia
tốc ở dòng phanh cầu sau; khí nén từ bình chứa thứ hai (Front axle reservoir) có áp suất
2Tank
p đi qua van phân phối đến các bầu phanh cầu trƣớc. Lƣu lƣợng khí nén đi qua
khoang dƣới ra cầu trƣớc là Q1, đi qua khoang phía trên ra cầu sau là Q2. Áp dụng công
thức (2.20), các lƣu lƣợng này đƣợc xác định nhƣ sau:
2 1 1
1 1
( )( )
Tank a
v g
u
p p p p
Q C K
GT
(2.24)
1 2 2
2 2
( )( )
Tank a
v g
u
p p p p
Q C K
GT
(2.25)
Trong đó:
1 2
, ,
a
p p p lần lƣợt là áp suất khí nén tại cửa ra khoang dƣới của van
phân phối, áp suất tại cửa ra khoang trên của van phân phối, áp suất khí trời [N/m2];
1 2
,
v v
C C lần lƣợt là hệ số tiết lƣu của khoang dƣới, khoang trên van phân phối.
Giả thiết áp suất khí nén trong hai bình chứa bằng nhau và bằng áp suất khí nén
trong bình cung cấp (Supply reservoir).
1 2
0, 8 (M Pa )
Tank Tank Tank
p p p
(2.26)
Cæng cÊp khÝ
nÐn phÝa trªn
Cæng cÊp khÝ
nÐn phÝa d-íi
Fbd.ibd
Cöa x¶
Cæng cÊp khÝ nÐn
®iÒu khiÓn dßng
phanh cÇu sau
Cæng ph©n phèi
khÝ nÐn cho dßng
phanh cÇu tr-íc
Piston ®iÒu khiÓn
tïy ®éng
Piston ®iÒu
khiÓn
PTank1
PTank2
P2
P1
Q2
Q1
- 42 -
2.5.3. Mô hình mô phỏng van xả nhanh ở dòng phanh cầu trƣớc
Van xả nhanh trên dòng phanh cầu trƣớc có nhiệm vụ chia dòng khí nén đi từ van
phân phối đến các bầu phanh ở cầu trƣớc trong quá trình phanh và xả nhanh khí nén trong
các bầu phanh ở cầu trƣớc trong quá trình nhả phanh.
Van xả nhanh là phần tử giúp nối chung hai
đƣờng ống dẫn tới hai bầu phanh bên phải và bên trái
của cầu trƣớc với đƣờng ống dẫn khí nén từ van phân
phối.
Trong quá trình phanh, van xả nhanh đóng cửa
xả khí và phân chia khí nén đến các bầu phanh ở cầu
trƣớc. Ký hiệu các lƣu lƣợng vào van 1Q và ra khỏi
van đến các bầu phanh 11 12,Q Q , áp suất khí nén tại
các đƣờng vào và ra của van 1 11 12, ,P P P nhƣ Hình 2. 13:
Áp dụng phƣơng trình bảo toàn lƣu lƣợng có:
1 11 12
Q Q Q (2.27)
Áp dụng công thức (2.20) có thể xác định đƣợc các lƣu lƣợng khí nén đi ra khỏi
van xả nhanh đến các bầu phanh nhƣ sau:
1 11 11
11
( )( )
a
g v
u
p p p p
Q K C
GT
(2.28)
1 12 12
12
( )( )
a
g v
u
p p p p
Q K C
GT
(2.29)
Áp dụng công thức (2.21), biến thiên áp suất khí nén
1
p tại cửa vào van nhƣ sau:
1
1 11 12
1
( )
n
dp
Q Q Q
dt C
(2.30)
Trong đó hệ số Cn đƣợc xác định theo công thức (2.22) với
V là thể tích đƣờng ống
dẫn khí nén [m3].
Q11
Q12
Q1
P12
P11
P1
Hình 2. 13. Sơ đồ nút chia khí nén
đến các bầu phanh
- 43 -
2.5.4. Mô hình mô phỏng van gia tốc trên dòng phanh cầu sau
Sơ đồ của van gia tốc đƣợc thể hiện nhƣ trên Hình 2. 14. Khi đạp phanh, khí nén đi
từ van phân phối đến điều khiển mở van gia tốc. Khí nén trong bình chứa
1Tank
p đi qua van
gia tốc đến các bầu phanh phía sau. Khí nén đến bầu phanh phía sau bên trái có lƣu lƣợng
21
Q , áp suất
21
p . Khí nén đến bầu phanh phía sau bên phải có lƣu lƣợng
22
Q , áp suất
22
p .
Hình 2. 14. Sơ đồ van gia tốc trên dòng phanh cầu sau
Áp dụng phƣơng trình (2.20), phƣơng trình xác định các đại lƣợng
21
Q
và
22
Q khi
van gia tốc mở hoàn toàn nhƣ sau:
1 21 1 21
21
Tank Tank
g v
u
p p p p
Q K C
G T
(2.31)
1 22 1 22
22
Tank Tank
g v
u
p p p p
Q K C
GT
(2.32)
2.5.5. Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh
Phương trình mô tả bầu phanh
Bầu phanh là nơi tiếp nhận khí nén và tạo áp suất
cha
p tác dụng lên màng bầu
phanh và đẩy màng chuyển động. Sơ đồ mô tả bầu phanh nhƣ Hình 2. 15:
PTank1
KhÝ nÐn tõ
b×nh chøa
KhÝ nÐn ®iÒu khiÓn
tõ van ph©n phèi
Pcrv
KhÝ nÐn ®Õn bÇu
phanh sau bªn tr¸i
KhÝ nÐn ®Õn bÇu
phanh sau bªn ph¶i
Q21
Q22
P21
P22
Cöa x¶
Piston ®iÒu
khiÓn
- 44 -
Hình 2. 15. Sơ đồ mô tả bầu phanh
Hệ thống có bốn bầu phanh tƣơng ứng với bốn bánh xe, phƣơng trình mô tả các bầu
phanh này đều tƣơng tự nhau.
Khi có lƣu lƣợng khí nén
cha
Q [m
3/s] đi vào bầu phanh, áp suất khí nén
cha
p trong
bầu phanh tăng lên. Áp dụng phƣơng trình (2.21) với lƣu ý thể tích bầu phanh thay đổi do
màng bầu phanh dịch chuyển có đƣợc phƣơng trình xác định biến thiên áp suất nhƣ sau
[8]:
( )
Cha Cha
Cha
o
dP p FkRT dy
Q
dt g yF V kRT dt
(2.33)
Trong đó:
F: Diện tích màng piston trong bầu phanh [m2];
y: Dịch chuyển của màng bầu phanh và cần đẩy [m];
V0: Thể tích ban đầu của bầu phanh [m
3
].
Màng bầu phanh và cần đẩy chuyển động do chịu tác dụng của các lực sau đây:
Lực do khí nén sinh ra: C ha
p F
Lực của lò xo hồi vị: lx lxF yC
Lực cản do ma sát trong bầu phanh:
m s
F
Phản lực từ cơ cấu phanh: ccpF C y
Trong đó: C là độ cứng tƣơng đƣơng của hệ guốc phanh và trống phanh, y là
biến dạng của hệ guốc phanh và trống phanh.
§-êng cÊp
khÝ nÐn
Mµng piston trong
bÇu phanh
CÇn ®Èy
Lß xo håi vÞ
Pcha.F Fccp
Flx
- 45 -
0
y yi y với y0 là khe hở ban đầu giữa guốc phanh và trống phanh, i
là tỉ số truyền chuyển động từ đầu cần đẩy của bầu phanh đến guốc
phanh.
Phƣơng trình chuyển động của màng bầu phanh và cần đẩy nhƣ sau::
2
2
( )
Cha o lx
d y dy
m p F yi y C yC b
dt dt
(2.34)
Trong đó: m là khối lƣợng quy đổi về cần đẩy của hệ màng bầu phanh, cần đẩy và
các chi tiết liên quan gắn với nó.
Phương trình mô tả cơ cấu phanh
Mô men phanh tại các bánh xe đƣợc xác định theo công thức sau:
'
0
M yi y C r (2.35)
Trong đó: 'C là hệ số mô men của cơ cấu phanh [N/m]; r: Bán kính của trống
phanh [m].
Hệ thống phanh đƣợc xây dựng có tính chất đối xứng nên mô hình mô phỏng các
bầu phanh và cơ cấu phanh còn lại đƣợc thực hiện tƣơng tự.
2.6. Kết luận chƣơng 2
Điều khiển quá trình phanh để duy trì độ trƣợt trong khoảng nhất định sẽ giúp duy
trì giá trị hệ số bám dọc và hệ số bám ngang cao, nhờ đó nâng cao tính ổn định hƣớng
chuyển động và hiệu quả phanh của ô tô. Tuy nhiên, độ trƣợt của bánh xe khi phanh là đại
lƣợng rất khó xác định chính xác nên khó thực hiện điều khiển hệ thống căn cứ theo độ
trƣợt của bánh xe. Trong khi đó, gia tốc góc của bánh xe thể hiện xu hƣớng bó cứng của
bánh xe khi phanh. Hơn nữa, gia tốc góc có thể xác định dễ dàng thông qua cảm biến đo
vận tốc góc bánh xe. Do đó luận án chọn phƣơng pháp điều khiển ABS theo gia tốc góc
bánh xe.
Việc xác định khả năng đáp ứng tần số điều khiển của đối tƣợng điều khiển là cần
thiết và có ý nghĩa quan trọng đối với việc đề xuất thuật toán và các thông số điều khiển
khác.
Việc xác định ngƣỡng điều khiển là quá trình phức tạp. Để giảm thời gian và chi
phí nghiên cứu, luận án tiến hành nghiên cứu thông qua các bƣớc: mô phỏng trên máy tính
- 46 -
để điều chỉnh thuật toán điều khiển và xác định sơ bộ ngƣỡng điều khiển; nghiên cứu thực
nghiệm trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết nhằm chính xác hóa các thông số cần xác
định. Để có cơ sở thực hiện mô phỏng trên máy tính, luận án đã xây dựng mô hình mô
phỏng chuyển động của ô tô, kết hợp với mô hình mô phỏng của hệ thống phanh và hệ
thống ABS để có đƣợc đối tƣợng nghiên cứu hoàn chỉnh.
Equation Chapter (Next) Section 1
- 47 -
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ABS
DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN
Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của đối tƣợng điều khiển là đặc tính quan
trọng, quyết định đến phƣơng pháp và thuật toán điều khiển. Do đó, để xây dựng đƣợc
phƣơng pháp và thuật toán điều khiển hệ thống ABS, cần thiết phải nghiên cứu khả năng
đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS.
Trên cơ sở phân tích khả năng đáp ứng tần số điều khiển và các đặc điểm của các
phƣơng pháp điều khiển ABS, luận án đề xuất thuật toán điều khiển ABS trong hệ thống
phanh khí nén trên xe nghiên cứu.
Hoạt động của hệ thống ABS dựa trên thông tin về sự lăn trƣợt của các bánh xe, do
đó cần nghiên cứu đặc tính của cảm biến đo vận tốc góc bánh xe và phƣơng pháp xác định
gia tốc góc các bánh xe để làm thông số đầu vào cho bộ điều khiển điện tử.
Để có thể thực hiện quá trình mô phỏng lý thuyết, luận án cần xây dựng mô hình
mô phỏng chuyển động của xe trên đƣờng thẳng kết hợp mô hình mô phỏng hệ thống
phanh khí nén có ABS. Phân tích kết quả mô phỏng để xác định ngƣỡng điều khiển theo
gia tốc góc bánh xe. Quá trình mô phỏng thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh bộ giá trị ngƣỡng
điều khiển đƣợc trình bày trong Chƣơng 4.
3.1. Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống ABS
Thực hiện nội dung nghiên cứu đã trình bày ở mục 2.3 với dãy xung điều khiển có
tần số thay đổi lần lƣợt từ 0,5 Hz, 1 Hz, 10 Hz để điều khiển van chấp hành ABS hoạt
động ở chế độ tăng áp và giảm áp luân phiên nhau với tỉ lệ thời gian tăng áp/giảm áp là
60/40 %. Sự biến thiên áp suất khí nén trong bầu phanh và trong bình chứa đƣợc đo ghi lại
đầy đủ. Hình 3. 1 thể hiện đồ thị biến thiên áp suất trong bình chứa khí và trong bầu phanh
khi van chấp hành ABS đƣợc điều khiển bởi dãy xung có tần số 0,5 Hz và 5 Hz. Quy luật
biến thiên áp suất khi van chấp hành ABS đƣợc điều khiển bởi các dãy xung có tần số khác
đƣợc đề cập trong Phụ lục 1.
- 48 -
Hình 3. 1. Quy luật biến thiên của áp suất khí nén trong bầu phanh khi điều khiển ở tần số 0,5 Hz
(bên trái) và 5 Hz (bên phải)
Thống kê lại giá trị áp suất khí nén trong bình chứa và giá trị áp suất cao nhất và
thấp nhất trong bầu phanh phía sau theo tần số của xung điều khiển, luận án xây dựng đƣợc
đồ thị nhƣ Hình 3. 2.
Hình 3. 2. Quy luật biến thiên giá trị áp suất cao nhất và thấp nhất trong bầu phanh phía sau theo tần số của
xung điều khiển
Từ đồ thị thu đƣợc này, có thể nhận thấy, khi tần số điều khiển tăng dần và lớn hơn
1 Hz, giá trị áp suất cao nhất giảm dần, giá trị áp suất thấp nhất tăng dần, cụ thể nhƣ sau:
Khi tần số điều khiển hệ thống tăng và giảm áp là 0,5 Hz và 1 Hz, áp suất khí nén
trong bầu phanh đủ thời gian để tăng/giảm đến giá trị ổn định, giá trị lớn nhất đạt khoảng
0,72 MPa (khi áp suất bình chứa khoảng 0,79 MPa), giá trị nhỏ nhất xấp xỉ 0 MPa. Khi
tăng tần số điều khiển hệ thống đến 2 Hz, giá trị áp suất cao nhất trong bầu phanh bắt đầu
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Tan so dieu khien [Hz]
A
p
s
u
a
t
k
h
i
n
e
n
[
M
P
a
]
Ap suat binh chua
Ap suat bau phanh cao nhat
Ap suat bau phanh thap nhat
Áp suất bình chứa
Áp suất bầu phanh
Áp suất bình chứa
Áp suất bầu
phanh
- 49 -
giảm, chỉ còn đạt khoảng 0,69 MPa, giá trị áp suất khí nén thấp nhất trong bầu phanh bắt
đầu tăng lên làm giảm độ chênh lệch giữa giá trị áp suất lớn nhất và giá trị áp suất nhỏ
nhất.
Khi tần số điều khiển hệ thống tăng đến 4 Hz, giá trị áp suất trong bầu phanh cao
nhất chỉ còn đạt đƣợc 0,59 MPa và giá trị áp suất thấp nhất trong bầu phanh tăng đến 0,22
MPa. Độ chênh lệch áp suất cao nhất và thấp nhất trong bầu phanh trƣờng hợp này là 0,59
– 0,22 = 0,37 (MPa).
Với tần số điều khiển hệ thống là 5 Hz, giá trị áp suất cao nhất trong bầu phanh chỉ
còn khoảng 0,52 MPa, bằng 0,52/0,72 = 72% giá trị áp suất cao nhất khi tần số điều khiển
thấp (0,5 Hz hoặc 1 Hz). Giá trị thấp nhất của áp suất khí nén trong bầu phanh tăng lên đến
0,28 MPa. Độ chênh lệch áp suất cao nhất và thấp nhất ứng với tần số này chỉ còn khoảng
0,24 MPa. Với giá trị áp suất trong bầu phanh nhƣ vậy, mô men phanh do cơ cấu phanh
sinh ra chỉ biến thiên trong phạm vi hẹp.
Từ đó có thể nhận định rằng, khi tần số điều khiển từ 5 Hz trở lên, giá trị cao nhất
của áp suất trong bầu phanh không lớn, áp suất biến thiên trong phạm vi nhỏ làm giảm ý
nghĩa của ABS. Từ đó, khi thiết kế bộ điều khiển ABS, không nhất thiết phải lấy mẫu tín
hiệu từ các cảm biến đo vận tốc góc bánh xe với tần số quá cao và chƣơng trình điều khiển
của bộ điều khiển cần thiết kế để phù hợp với khả năng đáp ứng của hệ thống.
3.2. Thuật toán điều khiển hệ thống ABS
Qua phân tích tại mục 2.2, luận án chọn phƣơng pháp điều khiển ABS theo gia tốc
góc bánh xe. Các tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển gồm: trạng thái công tắc đèn báo
phanh (đƣợc sử dụng để xác định trạng thái phanh); vận tốc ban đầu của ô tô trƣớc khi
phanh (nhằm xác định trạng thái kích hoạt ABS hay không) và gia tốc góc của các bánh xe
(để điều khiển thay đổi áp suất trong bầu phanh trong quá trình phanh).
Khi cấp nguồn điện, bộ điều khiển làm việc và liên tục theo dõi vận tốc góc, gia tốc
góc của các bánh xe và ở trạng thái chờ. Khi ngƣời lái đạp phanh (có tín hiệu từ công tắc
đèn báo phanh), bộ điều khiển lập tức chuyển sang chế độ hoạt động. Lúc này bộ điều
khiển tính toán vận tốc dài của ô tô (v) và so sánh với giá trị đƣợc đặt trƣớc (
0
v ). Nếu vận
tốc dài của ô tô nhỏ hơn 0v v , hệ thống phanh không kích hoạt chế độ có điều khiển
của ABS mà chỉ hoạt động nhƣ trạng thái phanh bình thƣờng. Nếu vận tốc dài của ô tô lớn
hơn 0v v , bộ điều khiển sẽ chạy chƣơng trình điều khiển ABS đã đƣợc lập trình sẵn.
- 50 -
Pha hoạt động mặc định đầu tiên của chu trình điều khiển là pha tăng áp. Khi đó áp
suất khí nén trong bầu phanh tăng dần, mô men phanh tăng theo làm gia tốc góc của bánh
xe giảm dần. Khi gia tốc góc giảm đến giá trị nhỏ hơn giá trị ngƣỡng 1 1 , ECU điều
khiển chuyển sang trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh. Nếu gia tốc góc của
bánh xe chƣa giảm quá giá trị ngƣỡng 1 1 , ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt
động ở trạng thái tăng áp suất trong bầu phanh.
Áp suất trong bầu phanh duy trì ở mức cao khiến gia tốc góc bánh xe tiếp tục
giảm, khi gia tốc góc giảm đến giá trị nhỏ hơn giá trị ngƣỡng 2 2 thì ECU điều khiển
giảm áp suất trong bầu phanh. Nếu gia tốc góc của bánh xe chƣa giảm quá giá trị ngƣỡng
2 2 , ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giữ nguyên áp suất
trong bầu phanh.
Khi ECU điều khiển chuyển sang trạng thái giảm áp, áp suất trong bầu phanh giảm,
mô men phanh giảm theo làm gia tốc góc của bánh xe tăng dần. Khi gia tốc góc bánh xe
tăng vƣợt quá giá trị ngƣỡng 3 3 thì ECU điều khiển chuyển sang pha giữ nguyên áp
suất. Nếu quá trình giảm áp chƣa đủ để gia tốc góc bánh xe tăng vƣợt quá giá trị ngƣỡng
3 3 thì ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giảm áp suất trong
bầu phanh.
Theo quán tính, gia tốc góc bánh xe tiếp tục tăng, và khi tăng vƣợt quá giá trị
ngƣỡng 4 4 , ECU sẽ điều khiển chuyển sang pha tăng áp suất trong bầu phanh. Nếu
quá trình giữ áp chƣa đủ để gia tốc góc bánh xe tăng vƣợt quá giá trị ngƣỡng 4 4 thì
ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu
phanh.
Chu trình điều khiển đƣợc lặp lại nhƣ vậy cho đến khi vận tốc dài của ô tô giảm
xuống thấp hơn mức đƣợc đặt trƣớc (v1) thì chuyển quá trình phanh sang kiểu phanh bình
thƣờng (van chấp hành ABS liên tục ở trạng thái tăng áp) cho đến khi kết thúc quá trình
phanh.
Để hệ thống làm việc nhƣ đã mô tả, luận án đề xuất thuật toán điều khiển ABS nhƣ
lƣu đồ trên Hình 3. 3:
- 51 -
Hình 3. 3. Lưu đồ thuật toán điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe
Dựa trên lƣu đồ thuật toán điều khiển này, luận án tiến hành lập chƣơng trình điều
khiển và nạp vào bộ điều khiển điện tử để thực hiện các mô phỏng thực nghiệm nhằm hiệu
chỉnh ngƣỡng điều khiển.
- 52 -
3.3. Cảm biến và phƣơng pháp đo vận tốc góc bánh xe
Xe nghiên cứu là xe tải sử dụng hệ thống phanh khí nén không có ABS. Do đó đề
tài KC.03.05/11-15 cần phân tích đặc điểm kết cấu của xe nghiên cứu để chọn phƣơng án
lắp đặt vành răng đo vận tốc góc bánh xe, tính chọn cảm biến và tính số răng của vành răng
để đảm bảo hệ thống ABS làm việc ổn định. Đây là cơ sở để luận án nghiên cứu, đề xuất
thuật toán điều khiển hệ thống và nghiên cứu xác định các ngƣỡng điều khiển.
3.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- tv_nghien_cuu_he_thong_abs_dan_dong_khi_nen_4624_1917295.pdf