ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÔ ĐUN ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH HỆ THỐNG ...

MỤC LỤC

Mục lục....1

Chương I :Tổng quan về hệ thống ABS ...3

1.1- Đặt vấn đề. 3

1.2- Lịch sử phát triển của hệ thống ABS. 5

1.3- Mục đích xây dựng mô hình. 6

Chương II :  Lý thuyết điều khiển của ABS

2.1 - Yêu cầu của hệ thống phanh chống hãm  cứng (ABS). 7

2.2 - Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS. 7

2.3 - Đặc tính lý tưởng. 8

2.4 - Chu trình điều chỉnh của ABS. 10

2.5 - Tín hiệu điều khiển ABS. 13

2.6 - Quá trình điều khiển của ABS. 13

2.7 - Các phương án bố trí hệ thống điều khiển của ABS. 15

2.7.1 - Phân loại các phương pháp điều khiển của ABS. 15

2.7.2 - Các phương án bố trí hệ thống điều khiển của ABS. 16

Chương III: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS 

3.1- Giới thiệu chung. 19

3.2- Cấu tạo, nguyên lý làm việc của cụm chi tiết, hệ thống ABS. 21

3.2.1- Cảm biến tốc độ bánh xe. 21

3.2.2- Cảm biến giảm tốc. 23

3.2.3- Cảm biến gia tốc ngang. 24

3.2.4- Hộp điều khiển điện tử ( ECU). 25

3.2.5- Bộ phận chấp hành thuỷ lực. 30

Chương IV : Thiết kế ECU mô hình hệ thống phanh ABS  37

4.1- yêu cầu đối với mô hình. 37

4.2- Phương án thiết kế. 37

4.3- giới thiệu mô hình. 42

4.3.1- Các linh kiện sủ dụng trên mô hình. 42

4.3.2- Các thông số cơ bản của mô hình. 43

4.4- Thiết kế ECU - ABS. 45

4.4.1- Thiết kế cảm bộ biến tốc độ bánh xe. 48

4.4.2- Tính toán thiết kế mạch công suất 51

Kết luận. 55

Tài liệu tham khảo. 56

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ABS

1.1- ĐẶT VẤN ĐỀ.

Các chính sách ưu tiên phát triển ngành công nghiệp ôtô của nước ta đã bước đầu nội địa hóa các chi tiết, các cụm chi tiết và các hệ thống trên ôtô. Tuy nhiên, để có thể nội địa hoá một phần hay hoàn toàn ôtô trong tương lai cần phải có những đầu tư nghiên cứu một cách kỹ lưỡng hơn, cả về lý thuyết cũng như ứng dụng thực tế. Trên thực tế hiện nay, một số chi tiết trên ôtô đã được nội địa hoá nhưng phần lớn các chi tiết không quan trọng và chủ yếu là làm theo mẫu đặt hàng.

Một vấn đề lớn và quan trọng cần phải giải quyết đối với hoạt động của hệ thống phanh, đó là khi ô tô phanh gấp hay phanh trên các loại đường có hệ số bám j thấp như đường trơn, đường đóng băng, tuyết thì dễ xảy ra hiện tượng sớm bị hãm cứng bánh xe, tức là hiện tượng bánh xe bị trượt lết trên đường khi phanh. Khi đó quãng đường phanh sẽ kéo dài hơn, tức hiệu quả phanh thấp đi, đồng thời dẫn đến tình trạng mất tính ổn định hướng và khả năng điều khiển của ô tô. Nếu các bánh xe trước bị bó cứng thì  làm cho xe không thể chuyển hướng theo sự điều khiển của người lái được, còn nếu các bánh sau bị bó cứng, do sự khác nhau về hệ số bám giữa bánh trái và bánh phải với mặt đường nên sẽ làm cho đuôi xe bị lạng, xe bị trượt ngang. Trong trường hợp xe phanh khi đang quay vòng, hiện tượng trượt ngang của các bánh xe dễ dẫn đến các hiện tượng quay vòng thiếu hay quay vòng thừa làm mất ổn định khi xe quay vòng.

Để giải quyết bài toán về vấn đề hiệu quả và tính ổn định khi phanh này, phần lớn các ô tô hiện nay đều được trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh, gọi là hệ thống "Anti-lock Braking System" và  thường được viết tắt là hệ thống ABS. Hệ thống hoạt động chống hiện tượng bị hãm cứng của bánh xe bằng cách điều khiển thay đổi áp suất dầu tác dụng lên cơ cấu phanh ở các bánh xe để ngăn không cho nó bị hãm cứng khi phanh trên đường trơn hay khi phanh gấp, đảm bảo hiệu quả và tính ổn định của ô tô trong quá trình phanh.

Ngày nay, hệ thống ABS đã giữ một vai trò quan trọng không thể thiếu trong các hệ thống phanh hiện đại, trở thành tiêu chuẩn an toàn bắt buộc ở phần lớn các nước trên thế giới. Tại thị trường Việt Nam, cùng với một lượng lớn các xe nhập cũ đã qua sử dụng, một số loại xe được lắp ráp trong nước cũng đã trang bị hệ thống này. Ngoài ra, các nhà quản lý kỹ thuật và các chuyên gia đầu ngành cũng đề xuất đến vấn đề ban hành các tiêu chuẩn quy định về việc sử dụng ô tô có trang bị hệ thống ABS với các mốc thời gian cụ thể.

Để sử dụng và khai thác có hiệu quả tất cả các tính năng ưu việt của hệ thống ABS nói riêng và của ô tô nói chung, việc nghiên cứu và nắm vững hệ thống này là cần thiết. Hệ thống ABS đã được một số trường đại học, cao đẳng chuyên ngành, các trung tâm đào tạo nghề đưa vào nghiên cứu và giảng dạy trong nhiều năm qua. Nhưng còn gặp không ít khó khăn như tài liệu tham khảo về hệ thống ABS thiếu tính hệ thống, các mô hình, thiết bị về hệ thống ABS .

1.2- LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ABS.

      Hệ thống ABS được sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm 1949 nhằm chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh. Với các công nghệ thời đó, kết cấu của hệ thống ABS còn cồng kềnh, hoạt động không tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi tình huống. Trong quá trình phát triển, ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay là loại điện tử.

      Vào thập niên 1960, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử (microchip) ra đời, hệ thống ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô vào những năm 1969.  Sau đó, hệ thống ABS đã được nhiều công ty sản suất ô tô nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ những năm 1970 trở đi. Công ty Toyota sử dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật từ năm 1971, đây là hệ thống ABS có 1 kênh điều khiển đồng thời hai bánh sau. Nhưng phải đến thập niên 1980s hệ thống này mới được phát triển mạnh nhờ hệ thống điều khiển kỹ thuật số, vi xử lý (digital microprocessors/microcontrollers) thay thế cho các hệ thống điều khiển tương tự (analog) đơn giản trước đó.

          Lúc đầu hệ thống ABS chỉ được lắp trên các xe du lịch cao cấp, đắt tiền, được trang bị theo yêu cầu và theo thị trường. Dần dần hệ thống này được đưa vào sử dụng rộng rãi hơn, ABS gần như đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đường băng, tuyết dễ trơn trượt. Ngày nay, hệ thống ABS không chỉ được thiết kế trên các hệ thống phanh thuỷ lực, mà còn ứng dụng rộng rãi trên các hệ thống phanh khí nén của các xe tải và xe khách lớn.

          Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động như khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với tốc độ cao, khi phanh trong những trường hợp khẩn cấp…hệ thống ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều hệ thống khác trên xe.

Các công ty như BOSCH, AISIN, DENSO, BENDIX là những công ty đi đầu trong việc nghiên cứu, cải tiến, chế tạo các hệ thống ABS và cung cấp cho các công ty sản xuất ô tô trên toàn thế giới.

1.3- MỤC ĐÍCH XÂY DỰNG MÔ HÌNH

          Từ nhiệm vụ chính được đặt ra của đề tài là chế tạo mô hình hệ thống phanh ABS kết nối được với máy vi tính, mô hình chế tạo phải có phương án thiết kế khả thi và chế tạo nên sản phẩm hoàn chỉnh là một mô hình hệ thống ABS dựa trên các thiết bị của một hệ thống ABS trên xe. Mô hình phải hoạt động tốt, thể hiện rõ chức năng làm việc của hệ thống ABS và phục vụ tốt cho công tác học và nghiên cứu cho các đối tượng là sinh viên, học sinh chuyên ngành cơ khí ô tô của các trường đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp.

Chương 2

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN CỦA ABS

2.1 - YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG PHANH CHỐNG HÃM CỨNG (ABS).

Một hệ thống ABS hoạt động tối ưu, đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng phanh của ô tô phải thoả mãn đồng thời các yêu cầu sau:

-         An toàn liên quan đến động lực học của hệ thống phanh và chuyển động.

-         Hệ thống phải làm việc ổn định và có khả năng thích ứng cao, điều khiển trong suốt dải tốc độ của xe và ở bất kỳ loại đường nào.

-         Khai thác một cách tối ưu khả năng phanh của các bánh xe trên đường, do đó giữ tính ổn định điều khiển và giảm  quãng đường phanh.

-         Duy trì độ ổn định và khả năng lái khi phanh trong lúc đang quay vòng.

-         Hệ thống phải có chế độ tự kiểm tra, chẩn đoán và an toàn.

2.2 - PHẠM VI ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG ABS.

          Mục tiêu của hệ thống ABS là giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị lo (l = 10 ¸ 30%, trên đồ thị đặc tính trượt), gọi là phạm vi điều khiển của hệ thống phanh ABS.

...............................................................................................................

 Trên hình 2.1 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc jx và độ trượt l ứng với các loại lốp khác nhau chạy trên các loại đường có hệ số bám khác nhau. Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS ứng với từng điều kiện cụ thể là khác nhau.

Khi phanh trên đường vòng, xe chịu sự tác động của lực ngang nên các bánh xe sẽ có một góc trượt a. Đồ thị hình 2.2 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám  dọc jx và hệ số bám ngang  jy  với độ trượt l ứng với góc trượt a = 20 và a = 100.

2.3 - ĐẶC TÍNH LÝ TƯỞNG.

Hình 2.3 biểu diễn đường đặc tính lý tưởng khi phanh. Trong vùng ổn định (a) hệ số bám dọc tăng tuyến tính và đạt giá trị cực đại jxmax tại l0. Trong vùng không ổn định (b), hệ số bám dọc vẫn được duy trì với giá trị cực đại, nhờ vậy sẽ tận dụng được hết khả năng bám giữa bánh xe và mặt đường để được lực phanh tối ưu.  Đây là cơ sở để thiết kế hoạt động của hệ thống ABS.

...............................................................................................................

Trên hình 2.4 thể hiện mối quan hệ giữa mô men phanh Mp (mô men phanh do cơ cấu phanh tạo ra) và mô men bám của bánh xe MR (là mô men tác động ngược của mặt đường đối với bánh xe) với thời gian t (hình trên), cũng như sự giảm  tốc của bánh xe ( -a) với thời gian t.

2.4 - CHU TRÌNH ĐIỀU CHỈNH CỦA ABS

...............................................................................................................

          Quá trình điều khiển của hệ thống ABS được thực hiện theo một chu trình kín như Hình 2.5. Các cụm của chu trình bao gồm:

-       Tín hiệu vào là lực tác dụng lên bàn đạp phanh của người lái xe, thể hiện qua áp suất dầu tạo ra trong xy lanh phanh chính.

-       Tín hiệu điều khiển bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe và hộp điều khiển (ECU).

-       Tín hiệu tác động được thực hiện bởi bộ chấp hành, thay đổi áp suất dầu cấp đến các xy lanh làm việc ở các cơ cấu phanh bánh xe.

-       Đối tượng điều khiển: Là lực phanh giữa bánh xe và mặt đường.

-       Các nhân tố ảnh hưởng như: điều kiện mặt đường, tình trạng phanh, tải trọng của xe, và tình trạng của lốp (áp suất, độ mòn,…)

Quá trình điều khiển của ABS được trình bày dưới dạng sơ đồ trạng thái không gian như Hình 2.6 thay cho cách biểu diễn sơ đồ khối dạng các khâu P-I-D giải thích các chế độ hoạt động của một hệ thống ABS đơn giản.

          Khi phanh chậm, sự giảm tốc của xe thay đổi chậm và nhỏ thì hoạt động của hệ thống phanh là bình thường, hệ thống ABS không can thiệp. Khi phanh gấp hay phanh trên đường trơn, gia tốc chậm dần của bánh xe tăng nhanh, có hiện tượng bị hãm cứng ở các bánh xe, thì ABS sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển giảm áp suất phanh để chống lại sự hãm cứng các bánh xe. Sau đó áp suất phanh sẽ được điều khiển ở các chế độ giữ áp hoặc tăng áp/giảm áp, thực hiện chế độ tăng áp chậm hay tăng áp nhanh để duy trì độ trượt khi phanh nằm trong khoảng tối ưu. Chu kỳ giảm áp - giữ áp - tăng áp được điều khiển lặp lại phụ thuộc vào tình trạng trượt của bánh xe, kết quả là giữ cho tốc độ bánh xe có dạng như Hình 2.8 và sau đó kết thúc trở về trạng thái bình thường. Tuỳ vào điều kiện của bề mặt đường, số chu kỳ điều khiển sẽ dao động từ 4 ¸10 lần trong vòng một giây. ABS đạt được tốc độ điều khiển nhanh này nhờ những tín hiệu điện tử và khả năng đáp ứng, xử lý nhanh của các bộ vi xử lý trong ECU.

	Hình 2.7: Vòng lặp hoạt động của ABS

Lưu đồ thuật toán chỉ sự hoạt động của hệ thống ABS theo một vòng lặp kín như sơ đồ Hình 2.7. Sau khi kiểm tra và kích hoạt các giữ liệu của hệ thống, hệ thống vi xử lý bắt đầu điều khiển hoạt động của hệ thống theo một vòng lặp, tiến trình tính toán tốc độ bánh xe, tốc độ xe, kiểm tra tình trạng, khả năng đáp ứng của bộ điều khiển và hệ thống, chọn chế độ làm việc có hay không có sự can thiệp của ABS. Khi ABS hoạt động sẽ tiến hành phân tích diễn biến của quá trình phanh thông qua các tín hiệu vào, xác định cách ứng xử và tiến hành điều khiển các bộ phận chấp hành làm việc theo một chu trình vòng lặp kín.

2.5 - TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN ABS.

          Việc lựa chọn các tín hiệu điều khiển thích hợp là nhân tố chính trong việc quyết định tính hiệu quả của quá trình điều khiển ABS. Trên tất cả các xe hiện nay đều sử dụng các cảm biến tốc độ bánh xe để tạo ra tín hiệu điều khiển chính và cơ bản nhất cho việc điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống ABS. Sử dụng những tín hiệu này, hộp điều khiển (ECU) sẽ tính ra được tốc độ của mỗi bánh xe, sự giảm tốc và tăng tốc của nó, tính được tốc độ chuẩn của bánh xe, tốc độ xe và độ trượt khi phanh.

          Sự thay đổi gia tốc của bánh xe là một tín hiệu chính, đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình điều khiển của ABS. ECU sẽ tính toán và xác định các giá trị giới hạn của sự giảm tốc (-a) và tăng tốc (+a) cho phép của xe để điều khiển các chế độ hoạt động của các van điện trong bộ chấp hành.

          Độ trượt khi phanh là giá trị không thể đo được một cách trực tiếp nên sử dụng một tín hiệu tương tự được tính toán trong ECU, gọi là ngưỡng trượt l1 (đây là một giá trị vận tốc). Tốc độ chuẩn của bánh xe được sử dụng làm cơ sở cho tín hiêu này.

2.6 - QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CỦA ABS.

          Trên đồ thị Hình 2.8 biểu diễn một quá trình điều khiển điển hình của hệ thống ABS. Đường vF biểu diễn tốc độ xe giảm dần khi phanh, đường vRe¦ là tốc độ chuẩn của bánh xe, vR thể hiện tốc độ thực tế của bánh xe khi phanh, đường l1 là ngưỡng trượt được xác định từ tốc độ chuẩn vRe¦. Mục tiêu của ABS là điều khiển sao cho trong quá trình phanh giá trị tốc độ thực tế của bánh xe vR càng sát với tốc độ chuẩn vRe¦ càng tốt (nhớ rằng vRe¦ là tốc độ bánh xe khi phanh dưới điều kiện phanh tối ưu), tức nó phải nằm trên ngưỡng trượt l1.

          Trong giai đoạn đầu của quá trình phanh, áp suất dầu ở các xy lanh bánh xe tăng lên và sự giảm tốc của các bánh xe cũng tăng lên.

          Ở cuối giai đoạn 1, sự giảm tốc của bánh xe bắt đầu thấp hơn ngưỡng đã chọn (-a). Lập tức các van điện trong bộ chấp hành ABS chuyển sang chế độ giữ áp suất. Áp suất dầu trong các xy lanh phanh bánh xe chưa giảm ngay vì sự trễ trong quá trình điều khiển nên sự giảm tốc tiếp tục vượt qua ngưỡng (-a).

Ở cuối giai đoạn 2, tốc độ của bánh xe vR giảm xuống với ngưỡng l1. Van điện trong bộ phận chấp hành chuyển sang chế độ giảm áp, kết quả là áp suất phanh giảm cho đến khi bánh xe tăng tốc trở lại lên gần ngưỡng (-a).

   Ở cuối giai đoạn 3, gia tốc của bánh xe vượt lên trên ngưỡng (-a) một lần nữa, van điện trong bộ chấp hành lại chuyển sang chế độ giữ áp với thời gian dài hơn. Do đó thời điểm này, gia tốc của xe tăng lên và vượt qua ngưỡng (+a), áp suất phanh vẫn giữ không đổi.

Ở cuối giai đoạn 4, gia tốc của xe vượt qua ngưỡng giới hạn (+a), lập tức hộp ECU điều khiển van điện chuyển sang chế độ tăng áp trong giai đoạn 5.

Trong giai đoạn 6, áp suất phanh được giữ không đổi một lần nữa vì gia tốc bánh xe vẫn còn trên ngưỡng (+a). Ở cuối giai đoạn này gia tốc của bánh xe xuống dưới ngưỡng (+a), điều này cho thấy các bánh xe đã đi vào vùng ổn định của đường cong đặc tính trượt, tức đã nằm trên ngưỡng trượt l1.

          Áp suất phanh được tiếp tục tăng lên từng nấc một trong giai đoạn 7 để giảm tốc độ của xe cho đến khi gia tốc giảm dần của bánh xe xuống dưới ngưỡng (-a) ở cuối giai đoạn 7. Lúc này áp suất phanh giảm ngay tức thì mà không cần tín hiệu l1 điều khiển. Các chu kỳ mới được tiếp tục điều khiển theo nguyên lý như trên cho đến khi kết thúc quá trình phanh. 

2.7 - CÁC PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA ABS.

2.7.1 - Phân loại các phương pháp điều khiển của ABS.

          ABS được điều khiển theo các phương pháp sau:

a) Điều khiển theo ngưỡng trượt:

          - Điều khiển theo ngưỡng trượt thấp, cách này cho tính ổn định cao nhưng hiệu quả phanh thấp vì lực phanh nhỏ.

          - Điều khiển theo ngưỡng trượt cao, cách này cho hiệu quả phanh cao vì tận dụng hết khả năng bám của các bánh xe nhưng tính ổn định kém.

b) Điều khiển độc lập hay phụ thuộc:

          - Trong loại điều khiển độc lập, bánh xe nào đạt tới ngưỡng trượt, tức bắt đầu có xu hướng bị bó cứng thì điều khiển riêng bánh đó.

          - Trong loại điều khiển phụ thuộc, ABS  điều khiển áp suất phanh chung cho hai bánh xe trên một cầu hay cả xe theo một tín hiệu chung, có thể theo ngưỡng trượt thấp hay ngưỡng trượt cao.

c) Điều khiển theo kênh.

          - Loại 1 kênh: Hai bánh sau được điều khiển chung (có ở ABS thế hệ đầu, chỉ tranh bị ABS cho hai bánh sau vì dễ bị hãm cứng hơn hai bánh trước khi phanh).

          - Loại 2 kênh: Một kênh điều khiển chung cho hai bánh xe trước, một kênh điều khiển chung cho hai bánh xe sau. Hoặc một kênh điều khiển cho hai bánh chéo nhau.

          - Loại 3 kênh: Hai kênh điều khiển độc lập cho hai bánh trước, kênh còn lại điều khiển chung cho hai bánh sau.

          - Loại 4 kênh: Bốn kênh điều khiển riêng rẽ cho 4 bánh.

          Hiện nay loại ABS điều khiển theo 3 và 4 kênh được sử dụng rộng rãi. Ưu và nhược điểm của từng loại được thể hiện qua các phương án bố trí sau.

2.7.2 - Các phương án bố trí hệ thống điều khiển của ABS.

Việc bố trí sơ đồ điều khiển của ABS phải thoả mãn đồng thời hai yếu tố:

          - Tận dụng được khả năng bám cực đại giữa bánh xe với mặt đường trong quá trình phanh, nhờ vậy làm tăng hiệu quả phanh, tức là làm giảm quãng đường phanh.

          - Duy trì khả năng bám ngang trong vùng có giá trị đủ lớn nhờ vậy làm tăng tính ổn định chuyển động và ổn định quay vòng của xe khi phanh.

 Dưới đây trình bày 6 phương án bố trí hệ thống điều khiển của ABS tại các bánh xe (Hình 2.10) và những phân tích theo quan điểm hiệu quả và ổn định khi phanh.

a) Phương án 1: ABS có 4 kênh với các bánh xe được điều khiển độc lập.

          ABS có 4 cảm biến bố trí ở bốn bánh xe và 4 van điều khiển độc lập, sử dụng cho hệ thống phanh bố trí dạng mạch thường (một mạch dẫn động cho hai bánh xe cầu trước, một mạch dẫn động cho hai bánh xe cầu sau). b) Phương án 2: ABS có 4 kênh điều khiển và mạch phanh bố trí chéo.

          Sử dụng cho hệ thống phanh có dạng bố trí mạch chéo (một buồng của xy lanh phanh chính phân bố cho một bánh trước và một bánh sau chéo nhau). ABS có 4 cảm biến bố trí ở các bánh xe và 4 van điều khiển.

c) Phương án 3: ABS có 3 kênh điều khiển.

          Trong trường hợp này thì 2 bánh xe sau được điều khiển theo ngưỡng trượt thấp, còn ở cầu trước chủ động có thể có hai phương án sau:

          - Đối với những xe có chiều dài cơ sở lớn và mô men quán tính đối với trục đứng đi qua trọng tâm xe cao - tức là có nhiều khả năng cản trở độ lệch hướng khi phanh, thì chỉ cần sử dụng một van điều khiển chung cho cầu trước và một cảm biến tốc độ đặt tại vi sai. Lực phanh trên hai bánh xe cầu trước sẽ bằng nhau và được điều chỉnh theo ngưỡng trượt thấp. Hệ thống như vậy cho tính ổn định phanh rất cao nhưng hiệu quả phanh lại thấp.

          - Đối với những xe có chiều dài cơ sở nhỏ và mô men quán tính thấp thì để tăng hiệu quả phanh mà vẫn đảm bảo tính ổn định, người ta để cho hai bánh trước điều khiển độc lập. Tuy nhiên phải sử dụng bộ phận làm chậm sự gia tăng mô men xoay xe. Khi đó sử dụng 4 cảm biến tốc độ đặt tại 4 bánh xe.

d) Các phương án 4, 5, 6: Đều là loại có hai kênh điều khiển. Trong đó:

          - Phương án 4 tương tự như phương án 3. Tuy nhiên cầu trước chủ động được điều khiển theo phương thức chọn cao, tức là áp suất phanh được điều chỉnh theo ngưỡng của bánh xe bám tốt hơn. Điều này tuy làm tăng hiệu quả phanh nhưng hính ổn định lại kém hơn do mô men xoay xe khá hơn.

          - Phương án 5 là trên mỗi cầu chỉ có một cảm biến đặt tại 2 bánh xe chéo nhau để điều khiển áp suất phanh chung cho cả cầu. Cầu trước được điều khiển theo ngưỡng trượt cao, còn cầu sau được điều khiển theo ngưỡng trượt thấp.

          - Phương án 6 sử dụng cho loại mạch chéo. Với hai cảm biến tốc độ đặt tại cầu sau, áp suất phanh trên các bánh xe chéo nhau sẽ bằng nhau. Ngoài ra các bánh xe cầu sau được điều khiển chung theo ngưỡng trượt thấp. Hệ thống này tạo độ ổn định cao nhưng hiệu quả phanh sẽ thấp.

Chương 3

CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ABS

3.1- GIỚI THIỆU CHUNG.

          Hệ thống ABS được thiết kế dựa trên cấu tạo của một hệ thống phanh thường. Ngoài các cụm bộ phận chính của một hệ thống phanh như cụm xy lanh chính, bầu trợ lực áp thấp, cơ cấu phanh bánh xe, các van điều hoà lực phanh, để thực hiện chức năng chống hãm cứng bánh xe, thì hệ thống ABS cần trang bị thêm các bộ phận như cảm biến tốc độ bánh xe, hộp ECU, bộ chấp hành thuỷ lực, bộ phận chẩn đoán, báo lỗi, hình 3.1 giới thiệu sơ đồ cấu tạo một hệ thống ABS trên xe.

          Một hệ thống ABS  nào cũng bao gồm 3 cụm bộ phận chính:

          - Cụm tín hiệu vào bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến giảm tốc, công tắc báo phanh, có nhiệm vụ gửi tín hiệu tốc độ các bánh xe, tín hiệu phanh về hộp ECU.

          - Hộp điều khiển trung tâm (ECU) có chức năng nhận và xử lý các tín hiệu vào, đưa tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thuỷ lực, điều khiển quá trình phanh chống hãm cứng.

          - Bộ phận chấp hành gồm các bộ điều khiển thuỷ lực, đèn báo ABS, bộ phận kiểm tra, chẩn đoán. Bộ chấp hành thuỷ lực nhận tín hiệu điều khiển từ ECU và thực hiện quá trình phân phối áp suất dầu đến các cơ cấu phanh bánh xe.

          Hình 3.2 thể hiện sơ đồ khối các cụm chức năng của hệ thống ABS.

          *: Chỉ mộ vài loại xe mới có

          Nguyên tắc điều khiển cơ bản của hệ thống ABS như sau ( hình 4.3):

          - Các cảm biến tốc độ bánh xe nhận biết tốc độ góc của các bánh xe và gửi tín hiệu về ECU dưới dạng các xung điện áp xoay chiều.

          - ABS ECU theo dõi tình trạng các bánh xe bằng cách tính tốc độ xe và sự thay đổi tốc độ bánh xe, xác định mức độ trượt dựa trên tốc độ các bánh xe.

          - Khi phanh gấp hay phanh trên những đường ướt, trơn trượt có hệ số bám thấp, ECU điều khiển bộ chấp hành thuỷ lực cung cấp áp suất dầu tối ưu cho mỗi xy lanh phanh bánh xe theo các chế độ tăng áp, giữ áp hay giảm áp để duy trì độ trượt nằm trong giới hạn tốt nhất, tránh bị hãm cứng bánh xe khi phanh.

3.2- CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC CỤM CHI TIẾT VÀ  HỆ THỐNG  ABS

3.2.1- Cảm biến tốc độ bánh xe.

Cảm biến tốc độ bánh xe dùng để đo vận tốc góc của bánh xe và gửi về ECU dưới dạng tín hiệu điện.

Tùy theo cách điều khiển khác nhau, các cảm biến tốc độ bánh xe thường được gắn ở mỗi bánh xe để đo riêng rẽ từng bánh hoặc được gắn ở vỏ bọc của cầu chủ động, đo tốc độ trung bình của hai bánh xe dựa vào tốc độ của bánh răng vành chậu. Ở bánh xe, cảm biến tốc độ được gắn cố định trên các giá đỡ của các bánh xe, vành răng cảm biến được gắn trên đầu ngoài của bán trục, hay trên cụm moay ơ bánh xe, đối diện và cách cảm biến tốc độ một khe hở nhỏ, gọi là khe hở từ.

Cảm biến tốc độ bánh xe có hai loại: cảm biến điện từ và cảm biến Hall. Trong đó loại cảm biến điện từ được sử dụng phổ biến hơn.

Cấu tạo của cảm biến điện từ bao gồm một nam châm vĩnh cửu, một cuộn dây quấn quanh lõi từ, hai đầu cuộn dây được nối với ECU ( hình 3.4).

Khi bánh xe quay, vành răng quay theo, khe hở A giữa đầu lõi từ và vành răng thay đổi, từ thông biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động xoay chiều dạng hình sin có biên độ và tần số thay đổi tỉ lệ theo tốc độ góc của bánh xe (hình 3.5). Tín hiệu này liên tục được gửi về ECU. Tuỳ theo cấu tạo của cảm biến, vành răng và khe hở giữa chúng, các xung điện áp tạo ra có thể nhỏ dưới 100mV ở tốc độ thấp, hoặc cao hơn 100V  ở tốc độ cao.

Khe hở không khí giữa lõi từ và đỉnh răng của vành răng cảm biến chỉ khoảng 1 mm và độ sai lệch phải nằm trong giới hạn cho phép. Hệ thống ABS sẽ không làm việc tốt nếu khe hở nằm ở ngoài giá trị tiêu chuẩn.

Ngoài loại cảm biến tốc độ có nam châm đứng yên như trên, có một loại khác là cảm biến loại nam châm quay, có cấu toạ như hình 4.6, vành răng được thay thế bằng một vòng nam châm có nhiều cực được sắp xếp xen kẽ nhau, nguyên lý làm việc cũng dựa trên hiện tượng biến thiên từ thông như trên và gửi xung điện xoay chiều đến ECU.

3.2.2- Cảm biến giảm tốc

Trên một số xe, ngoài cảm biến tốc độ bánh xe, còn được trang bị thêm một cảm biến giảm tốc cho phép ECU xác định chính xác hơn sự giảm tốc của xe trong quá trình phanh. Kết quả là, mức độ đáp ứng của ABS được cải thiện tốt hơn. Nó thường được sử dụng nhiều trên xe 4WD bởi vì nếu một trong các bánh bị hãm cứng thì các bánh khác cũng có xu hướng bị hãm cứng theo, do tất cả các bánh được nối với hệ thống truyền lực nên có tốc độ ảnh hưởng lẫn nhau. Cảm biến giảm tốc còn gọi là cảm biến “G”.

Cấu tạo của cảm biến giảm tốc như hình 3.7, gồm có 2 cặp đèn LED (light Emited Diod - đi ốt phát quang) và phototransistors (transistor quang), một đĩa xẻ rãnh và một mạch biến đổi tín hiệu. Đặc điểm của đèn LED là phát sáng khi cấp điện và phototransistor là dẫn điện khi có ánh sáng chiều vào. Khi mức độ giảm tốc của xe thay đổi, đĩa xẻ rãnh lắc theo chiều dọc xe tương ứng với mức độ giảm tốc. Các rãnh trên đĩa cắt hay cho ánh sáng từ đèn LED đến phototransistor, làm phototransistor đóng, mở, báo tín hiệu về ECU. ECU nhận tín hiệu này để xác định chính xác tình trạng mặt đường và thực hiện các điều chỉnh thích hợp. Tín hiệu này cũng được dùng để ECU điều khiển chế độ làm chậm sự tăng mô men xoay xe.

Sử dụng hai cặp LED và phototransistors sẽ tạo ra sự đóng và mở các phototransistor, chia mức độ giảm tốc thành 4 mức như hình 4.8.

3.2.3- Cảm biến gia tốc ngang.

          Cảm biến gia tốc ngang được trang bị trên một vài kiểu xe, giúp tăng khả năng ứng xử của xe khi phanh trong lúc đang quay vòng, có tác dụng làm chậm quá trình gia tăng mô men quay xe. Trong quá trình quay vòng, các bánh xe phía trong có xu hướng nhấc lên khỏi mặt đất do lực ly tâm và các yếu tố góc đặt bánh xe. Ngược lại, các bánh xe bên ngoài bị tỳ mạnh xuống mặt đường, đặc biệt là các bánh xe phía trước bên phải. Vì vậy các bánh xe phía trong có xu hướng bó cứng dễ dàng hơn so với các bánh xe phía ngoài. Cảm biến gia tốc ngang có nhiệm vụ xác định gia tốc ngang của xe khi quay vòng và gửi tín hiệu về cho ECU. Trong trường hợp này, một cảm biến kiểu phototransistor giống như cảm biến giảm tốc được gắn theo trục ngang của xe hay một cảm biến kiểu bán dẫn được sử dụng để đo gia tốc ngang. Ngoài ra, cảm  biến kiểu bán dẫn cũng được sử dụng để đo sự giảm tốc, do nó có thể đo được cả gia tốc ngang và gia tốc dọc ( hình3.9).

3.2.4- Hộp điều khiển điện tử ( ECU).

     Chức năng của hộp điều khiển ABS - ECU:

       - Nhận biết thống tin về tốc độ các bánh xe, từ đó tính toán ra tốc độ bánh xe và sự tăng giảm tốc của nó, xác định tốc độ xe, tốc độ chuẩn của bánh xe và ngưỡng trượt để nhận biết nguy cơ bị hãm cứng của bánh xe.

       - Cung cấp tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thuỷ lực.

       - Thực hiện chế độ kiểm tra, chẩn đoán, lưu giữ mã code những hư hỏng và chế độ an toàn.

          Cấu tạo của ECU là một tổ hợp các vi xử lý, được chia thành 4 cụm chính đảm nhận các vai trò khác nhau ( hình 4.10):

          - Phần xử lý tín hiệu.

          - Phần lôgíc.

          - Bộ phận an toàn.

          - Bộ phận chẩn đoán và lưu giữ mã lỗi.

a) Phần xử lý tín hiệu.

       Trong phần này các tín hiệu được cung cấp đến bởi các cảm biến tốc độ bánh xe sẽ được biến đổi thành dạng thích hợp để sử dụng cho phần lôgic điều khiển.

        Để ngăn ngừa sự trục trặc khi đo tốc độ các bánh xe, sự giảm tốc của xe,… có thể phát sinh trong quá trình thiết kế và vận hành của xe, thì các tín hiệu vào được lọc trước khi sử dụng. Các tín hiệu được xử lý xong được chuyển qua phần lôgíc điều khiển.

b) Phần lôgíc điều khiển.

          Dựa trên các tín hiệu vào, phần lôgíc tiến hành tính toán để xác định các thông số cơ bản như gia tốc của bánh xe, tốc độ chuẩn, ngưỡng trượt, gia tốc ngang.

          Các tín hiệu ra từ phần lôgíc điều khiển các van điện từ trong bộ chấp hành thuỷ lực, làm thay đổi áp suất dầu cung cấp đến các cơ cấu phanh theo các chế độ tăng, giữ giảm áp suất.

c) Bộ phận an toàn.

          Một mạch an toàn ghi nhận những trục trặc các tín hiệu trong hệ thống cũng như của bên ngoài có liên quan. Nó cũng can thiệp liên tục vào trong quá trình điều khiển của hệ thống. Khi có một lỗi được phát hiện thì hệ thống ABS được ngắt và được báo cho người lái thông qua đèn báo ABS được bật sáng.

          Mạch an toàn liên tục giám sát điện áp bình ác quy, nếu điện áp nhỏ dưới mức quy định ( dưới 9 V hoặc 10 V) thì hệ thống ABS được ngắt cho đến khi điện áp đạt trở lại trong phạm vi quy định, lúc đó hệ thống lại được đặt trong tình trạng sẵn sàng hoạt động.

          Mạch an toàn cũng kết hợp một chu trình kiểm tra được gọi là BITE (buit In Test Equipment). Chu trình này kiểm tra khi xe bắt đầu chạy với tốc độ từ 5 đến 8 km/h, mục tiêu kiểm tra trong giai đoạn này là các tín hiệu điện áp từ các cảm biến tốc độ bánh xe.

d) Bộ phận chẩn đoán và lưu giữ liệu về mã lỗi.

          Để giúp cho việc kiểm tra và sửa chữa được nhanh chóng và chính xác, ECU sẽ tiến hành kiểm tra ban đầu và trong quá trình xe chạy của hệ thống ABS, ghi và lưu lại các lỗi hư hỏng trong bộ nhớ dưới dạng các mã lỗi hư hỏng. Một mã lỗi có thể tự xoá khi đã khắc phục xong lỗi hư hỏng, nhưng cũng có những mã lỗi không tự xoá được kể cả khi tháo ác quy. Trong trường hợp này, sau khi sửa chữa xong phải tiến hành xoá mã lỗi hư hỏng theo quy trình của nhà chế tạo.

          Quá trình điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi phanh:

          ECU điều khiển các van điện trong bộ chấp hành thuỷ lực đóng mở các cửa van, thực hiện các chu kỳ tăng, giữ và giảm áp suất ở các xy lanh làm việc ở các bánh xe, giữ cho các bánh xe không bị bó cứng bằng các tín hiệu điện. Có hai phương pháp điều khiển:

          - Điều khiển bằng cường độ dòng điện cấp đến các van điện, phương pháp này sử dụng đối với các van điện 3 vị trí (van có 3 trạng thái đóng mở của van điện). Phần lớn hiện nay đang điều khiển ở 3 mức của cường độ dòng điện: 0,2 và 5 A tương ứng với các chế độ tăng, giữ và giảm áp suất.

          - Điều khiển bằng 12 V cấp đến các van điện, phương pháp này sử dụng đối với các van điện 2 vị trí.

Mặc dù tín hiệu đến van điện là khác nhau đối với từng loại xe, nhưng việc điều khiển tốc độ các bánh xe về cơ bản là như nhau. Các giai đoạn điều khiển được thể hiện trên hình 3.12

Khi phanh, áp suất dầu trong mỗi xy lanh bánh xe tăng lên và tốc độ xe giảm xuống. Nếu có bánh xe nào đó sắp bị bó cứng, ECU sẽ điều khiển giảm áp suất dầu ở bánh xe đó.

          Giai đoạn A: ECU điều khiển van điện ở chế độ giữ áp, vì vậy giảm áp suất dầu ở các bánh xe. Sau đó ECU chuyển các van điện sang chế độ giữ áp để theo dõi sự thay đổi về tốc độ của xe, nếu thấy cần giảm thêm áp suất dầu thì nó sẽ điều khiển giảm áp tiếp.

          Giai đoạn B: Tuy nhiên khi giảm áp suất dầu, lực phanh tác dụng lên bánh xe lại nhỏ đi, không đủ hãm xe dừng lại. Nên ECU liên tục điều khiển các van chuyển sang chế độ tăng áp và giữ áp.

          Giai đoạn C: Khi áp suất dầu tăng từ từ như trên làm bánh xe có xu hướng lại bị bó cứng, vì vậy các van điện lại được điều khiển sang chế độ giảm áp.

          Giai đoạn D: Do áp suất trong xy lanh bánh xe lại giảm ( giai đoạn C), ECU lại bắt đầu điều khiển tăng áp như giai đoạn B. Chu kỳ được lập lại cho đến khi xe dừng hẳn.

3.2.5- Bộ phận chấp hành thuỷ lực.

          3.2.5.1-  Cấu tạo.

Bộ chấp hành thuỷ lực ( hình 3.13) có chức năng cung cấp một áp suất dầu tối ưu đến các xy lanh phanh bánh xe theo sự điều khiển của ABS-ECU, tránh hiện tượng bánh xe bị bó cứng khi phanh.

          Cấu tạo của bộ phận chấp hành thủy lực gồm có các bộ phận chính thức sau: các van điện từ, mô tơ điện dẫn động bơm dầu, bơm dầu và bình tích áp.

a) Van điện từ: Van điện từ trong bộ chấp hành có 2 loại, loại 2 vị trí và loại 3 vị trí. Cấu tạo chung của một van điện từ gồm có một cuộn dầy điện, lõi van, các cửa van và van một chiều. Van điện từ có chức năng đóng mở các cửa van theo sự điều khiển của ECU để điều chỉnh áp suất dầu đến các xy lanh bánh xe.

b) Motor điện và bơm dầu: Một bơm dầu kiểu piston được dẫn động bởi một motor điện, có chức năng đưa ngược dầu từ bình tích áp về xy lanh chính hoặc bầu chứa dầu phanh trong các chế độ giảm và giữ áp. Bơm được chia ra hai buồng làm việc độc lập thông qua hai piston trái và phải được điều khiển bằng cam lệch tâm. Các van một chiều chỉ cho dòng dầu đi từ bơm về xy lanh chính.

c) Bình tích áp: Chứa dầu hồi về từ xy lanh phanh bánh xe, nhất thời làm giảm áp suất dầu ở xy lanh phanh bánh xe.

3.2.5.2- Nguyên lý hoạt động.

          Sơ đồ hình 3.14 thể hiện sơ đồ hoạt động của một bộ chấp hành thuỷ lực loại 4 van điện từ 3 vị trí điều khiển độc lập bốn bánh của xe .

Ta lấy ví dụ hoạt động của một bánh trước (hình 3.15).

a)  Khi phanh bình thường ( ABS không hoạt động).

Khi phanh xe ở tốc dộ chậm ( dưới 8 km/h hay 12,25 km/h, tuỳ loại xe) hay rà phanh, ABS không hoạt động và ECU không gửi dòng điện đến cuộn dây của van điện. Do đó, van điên 3 vị trí bị ấn xuống bởi lò xo hồi vị và cửa A vẫn mở trong khi cửa B vẫn đóng (hình 3.15). Dầu phanh từ xy lanh phanh chính qua cửa A đến cửa C trong van điện 3 vị trí rồi tới xy lanh phanh bánh xe. Dầu phanh không vào được bơm bởi van một chiều số 1 được lắp trong mạch bơm. Khi nhả chân phanh, dầu phanh hồi từ xy lanh bánh xe về xy lanh phanh chính qua cửa C đến cửa A và van một chiều số 3 trong van điện 3 vị trí.

b) Khi phanh gấp (ABS hoạt động).Nếu có bất kỳ bánh xe nào gần bị bó cứng khi phanh gấp, bộ chấp hành thủy lực điều khiển giảm áp suất dầu phanh tác dụng lên xy lanh bánh xe đó theo tín hiệu từ ECU. Vì vậy bánh xe không bị hãm cứng.

Chế độ giảm áp. (hình 3.16): Khi một bánh xe gần bị hãm cứng, ECU gửi dòng điện (5A) đến cuộn dây của van điện từ, làm sinh ra một lực mạnh. Van 3 vị trí chuyển động lên phía trên đóng cửa A và làm mở cửa B. Kết quả là dầu phanh từ xy lanh bánh xe qua cửa C tới cửa B trong van điện 3 vị trí chảy về bình tích áp. Cùng lúc đó motor bơm hoạt động nhờ tín hiệu điện áp 12V từ ECU, hút ngược dầu phanh từ bình tích áp về xy lanh chính.

Mặt khác, cửa A đóng ngăn không cho dầu phanh từ xy lanh chính vào van điện 3 vị trí và van một chiều số 1, số 3. Kết quả là áp suất dầu bên trong xy lanh bánh xe giảm, ngăn không cho bánh xe bị hãm cứng, mức độ giảm áp suất dầu được điều chỉnh bằng cách lập lại các chế độ “giảm áp” và “giữ áp”.

Chế độ giữ áp. (hình 3.17): Khi áp suất trong xy lanh bánh xe giảm hay tăng, cảm biến tốc độ gửi tín hiệu báo rằng tốc độ bánh xe đạt tới giá trị mong muốn, ECU cấp dòng điện (2A) đến cuộn dây của van điện để giữ áp suất trong xy lanh bánh xe không đổi.

Khi dòng điện cấp cho cuộn dây của van điện bị giảm từ 5 A (ở chế độ giảm áp) xuống còn 2 A ( ở chế độ giữ áp) lực từ sinh ra trong cuộn dây cũng giảm. Van điện 3 vị trí dịch chuyển xuống vị trí giữa nhờ lực của lò xo hồi vị làm cửa A và cửa B đều đóng. Lúc này bơm dầu vẫn còn làm việc.

Chế độ “tăng áp” ( hình 3.18): Khi cần tăng áp suất trong xy lanh bánh xe để tạo lực phanh lớn lên, ECU ngắt dòng điện, không cấp cho cuộn dây van điện. Vì vậy cửa A của van điện 3 vị trí mở và cửa B đóng. Nó cho phép dầu trong xy lanh phanh chính chảy qua cửa C trong van điện 3 vị trí đến xy lanh bánh xe, mức tăng áp suất dầu được điều khiển các chế độ “tăng” và “giữ áp”.

Như vây, khi hệ thống ABS làm việc, bánh xe sẽ có hiện tượng nhấp nhả khí phanh và có sự rung động nhẹ của xe, đồng thời ở bàn đạp phanh có sự rung động do dầu phanh hồi về từ bơm dầu. Đây là các trạng thái bình thường khi ABS làm việc.

Van điện 3 vị trí như trên được sử dụng nhiều trên các xe trước đây, ngày nay kiểu van điện hai vị trí được dùng phổ biến hơn. Hình 3.19 là sơ đồ bộ chấp hành ABS sử dụng 8 van điện 2 vị trí, bao gồm 4 van giữ áp  suất và 4 van giảm áp suất. Hoạt động cơ bản của bộ chấp hành thuỷ lực kiểu này giống như kiểu van điện 3 vị trí. Tín hiệu điều khiển từ ECU đến các van điện dưới dạng điện áp. Ngoài ra bộ phận chấp hành phanh ABS của các xe ngày nay cũng có cải tiến thành rất nhiều loại khác nhau.

Trạng thái làm việc của mỗi cửa van và bơm dầu như bảng 3.1.

Bảng 3.1

Chương 4

THIẾT KẾ ECU MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH ABS

          4.1- YÊU CẦU ĐỐI VỚI MÔ HÌNH.

          Để thực hiện chế tạo một mô hình hoạt động của hệ thống ABS có giá trị sử dụng cao, phục vụ thiết thực cho việc nghiên cứu và học tập cần phải đảm  bảo các yêu cầu được đặt ra.

          - Các hệ thống thiết kế bổ sung như thiết bị đo, chế độ kết nối với máy tính để hiển thị các thông số và các trạng thái làm việc của hệ thống giúp cho việc nghiên cứu, học tập được trực quan và dễ hiểu hơn.

          - Mô hình phải hoạt động tốt như một hệ thống phanh có ABS thật trên xe, làm việc có tính ổn định cao. Có thể thử nghiệm hệ thống làm việc ở hai trạng thái là phanh thường và phanh có ABS.

          - Mô hình phải có tính cơ động, linh hoạt, độ cứng vững và an toàn.

          - Mô hình phải mang tính khoa học và thẩm mỹ.

          - Giá thành chế tạo thấp.

4.2- PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.

          Mô hình được thiết kế trên cơ sở các cụm chi tiết thật của hệ thống phanh có ABS trên xe. Ta chọn hệ thống phanh ABS 3 kênh ( hai kênh điều khiển độc lập hai bánh trước, kênh còn lại điều khiển hai bánh sau) được trang bị trên các xe Toyota Celica, Camry đời 1990 đến 1995 (hình 4.1). Đây là các loại xe vẫn còn đang lưu thông nhiều ở nước ta hiện nay. Kết cấu này cũng được sử dụng nhiều trên các xe của các hãng như Nissan, BMW, Honda, Mercedes.

Hình 4.1 : Sơ đồ hệ thống phanh ABS 3 kênh

Các hệ thống phanh có ABS thế hệ mới có cải tiến nhiều về kết cấu, có

nhiều ưu điểm hơn, nhưng về nguyên lý cấu tạo chung và hoạt động, chức năng là tương tự. Vì vậy, với mô hình được thiết kế trên cơ sở các thiết bị sẵn có trên thị trường là phù hợp với yêu cầu. Tuy nhiên, có một số chi tiết không sẵn có trên thị trường như cảm biến tốc độ bánh xe, ECU và mạch công suất thì ta nghiên cứu chế tạo, nhưng phải đảm bảo tính năng và công dụng như chi tiết thực trên xe.

          Hệ thống bao gồm: cụm xy lanh phanh chính và 4 bánh xe có đầy đủ cơ cấu phanh (loại cơ cấu phanh tang trống và phanh đĩa), bộ phận chấp hành loại 8 van điện 2 vị trí, các đồng hồ đo áp suất dầu phanh của các bánh xe (sẵn có) và các cảm biến tốc độ bánh xe, hộp  điều khiển trung tâm ECU, mạch công suất.

Hình 4.1 : Thiết kế mô hình 3D hệ thống ABS

Toàn bộ hệ thống được thiết kế trên một khung sắt di động được nhờ các bánh xe. Khung có độ cững vững tốt vì đỡ toàn bộ khối lượng tương đối lớn (khoảng 300 kg) và phải chịu một tải trọng động vì các chi tiết quay với khối lượng quán tính lớn và tốc độ cao. Hình 4.2 là sơ đồ phác thảo của mô hình, trên đó xác định vị trí các cụm  chi tiết và bộ phận chính.

          Trên mô hình thiết kế 4 bánh xe thật có đầy đủ cơ cấu phanh, hai bánh trước được dẫn động độc lập, hai bánh sau phụ thuộc. Nhưng trên cơ cấu phanh không có vành, lốp và thay vào đó là một bánh đà để làm khối lượng quán tính của bánh xe. Bánh xe được dẫn động bởi một bánh cao su tiếp xúc với quả lô (giả tưởng mặt đường) và có thể thay đổi được hệ số bám. Trên các bánh xe có lắp các cảm biến đo tốc độ bánh xe. Các quả lô được dẫn động bởi bộ truyền đai từ khối lượng quán tính trung tâm (giả tưởng là khối lượng quán tính của xe). Khối lượng quán tính trung tâm là một trục trung tâm có lắp một  bánh đà trên trục mà có khối lượng khá lớn và được dẫn động bởi một động cơ một pha 2,2 KW thông qua bộ truyền truyền đai. Trên trục trung tâm có lắp một cảm biến đo tốc độ, giả thiết đây là tốc độ của xe.

          Trên bảng điều khiển có lắp 4 đồng hồ đo áp suất dầu của hệ thống phanh. Một đồng hồ chính đo áp suất dầu của xy lanh phanh chính, 2 đồng hồ đo áp suất dầu phanh của hai bánh trước độc lập và một đồng hồ đo áp suất dầu phanh bánh sau phụ thuộc. Ngoài ra trên bảng điều khiển còn lắp các công tắc điều khiển, hệ thống đèn báo hiệu, sơ đồ mạch thuỷ lực của hệ thống phanh, ECU của hệ thống, cổng kết nối máy vi tính.

          Động cơ điện một pha có công suất 2,2 KW, tốc độ 2800 v/phút, dẫn động trục trung tâm thông qua bộ truyền đai giảm tốc với tỷ số truyền 3:1, khi đó tốc độ của trục trung tâm còn 933 v/phút. Từ trục tuyền trung tâm được dẫn động ra hai trục quả lô trước và sau thông qua bộ truyền đai với tỷ số truyền giảm tốc 1:0,8. Khi đó tốc độ của quả lô đạt khoảng 750 v/phút. Quả lô lại dẫn động ma sát đối với các bánh cao su có đường kính 220 mm, khi đó tốc độ của bánh xe giảm xuống chỉ còn 700 v/phút.  Việc chọn đường kính vành và  lốp cho một xe điển hình nào đó sẽ cho ta vận tốc thực của xe. Ví dụ trong mô hình tính chọn lốp của một loại xe có đường kính là 600 mm, thì sẽ cho ta vận tốc của xe tương ứng là 69 km/h. Ở các xe hiện nay, hệ thống ABS sẵn sàng làm việc khi xe đạt tốc độ 8 km/h. Nhưng để hệ thống ABS làm việc hiệu quả thì vận tốc của xe đạt trên 30 km/h. Việc chọn số vòng quay của bánh xe trên mô hình quá cao thì việc chọn động cơ điện và cân bằng động các chi tiết quay là rất khó khăn, mô hình làm việc sẽ bị rung động mạnh. Do đó việc chọn tốc độ như trên là hợp lý đảm bảo cho ABS hoạt động có hiệu quả.

          Các con lăn đóng vai trò là mặt đường, mặc dù khác xa với thực tế, nhưng vẫn đảm bảo vấn đề cơ bản về sự bám của bánh xe và hoạt động của hệ thống. Để đảm bảo hoạt động của hệ thống giống như thực tế thì ba vấn đề cần quan tâm là tải trọng tác dụng lên bánh xe, khối lượng quán tính của bánh xe và khối lượng quán tính của toàn xe. Phương án giải quyết trên mô hình như sau:

          + Tạo tải trọng tác dụng lên bánh xe bằng cách thay đổi lực ép của quả lô lên con lăn, sử dụng giá đỡ quả lô có thể thay đổi được góc độ truyền thông qua các lò xo (hình 4.3). Lực ép lớn nhất có thể đạt được khoảng 1.500N, tương đương với một phần tư trọng lượng của xe tác dụng lên một bánh xe (thực tế lớn hơn). Ta biết rằng giá trị phanh cực đại bị giới hạn bởi điều kiện bám (Ppmax = Z. jx). Ở đây xem như hệ số bám jx giữa bánh xe và con lăn có giá trị không đổi, vậy tải trọng Z thay đổi sẽ ảnh hưởng lớn đến giá trị Ppmax. Khi cho giá trị Z tăng thì hiện tượng trượt của bánh xe khi phanh khó xảy ra hơn, phạm vi điều khiển của ABS cũng khác đi. Khảo sát quá trình phanh khi thay đổi tải trọng sẽ thấy rõ ảnh hưởng của điều khiện bám đối với lực phanh.

          + Trên trống phanh của bánh xe có lắp một bánh đà để tạo mô men  quá tính của bánh xe. Khi phanh, cắt nguồn điện của động cơ điện dẫn động bánh xe (tương tự như khi phanh có cắt ly hợp), bánh xe chỉ quay nhờ mô men khối lượng quán tính của bánh đà. Nếu khối lượng quán tính của bánh xe quá nhỏ thì lực cản của cơ cấu truyền động và một lực phanh rất nhỏ cũng đủ làm cho bánh xe dừng lại ngay sau khi cắt nguồn dẫn động. Với khối lượng quán tính đủ lớn, bánh xe sẽ còn quay nhanh khi bắt dầu phanh. Do đó, cơ cấu phanh phải cần một mô men phanh lớn mới làm dừng bánh xe được, thời gian phanh kéo dài, giúp cho việc khảo sát hoạt động của quá trình phanh ABS rõ ràng hơn, điều này phù hợp với thực tế hơn.

          + Để tạo ra khối lượng quán tính tượng tự như khối lượng quán tính của xe thì tại trục trung tâm có lắp một bánh đà dạng chậu với đường kính 370 mm, trọng lượng  70 kg, ngoài ra còn có một pu ly dạng vành có đường kính 300mm, trọng lượng 10 kg. Đây làm  hai khối lượng quá tính để tạo ra mô men quán tính để dẫn động cho các quả lô khi cắt nguồn lực từ động cơ điện.

4.3- GIỚI THIỆU MÔ HÌNH.

Trong phạm vi giới hạn của để tài, nội dung phần này không trình bày hết các tính toán thiết kế, ví dụ như tính công suất của động cơ điện, hiệu suất truyền động, khả năng chịu tải trọng của các ô đỡ trục, …và qúa trình thực hiện các bước gia công. Mà chỉ liệt kê giới thiệu các thông số của các chi tiết.

Hình 4.4 giới thiệu mô hình hoàn chỉnh.

4.3.1- Các linh kiện sủ dụng trên mô hình.

          - 01 cụm xy lanh phanh chính loại kép (2 dòng) và bầu trợ lực chân không.

          - 01 cơ cấu chấp hành thuỷ lực (loại 8 van điện 2 vị trí).

         - 01 hộp điều khiển ECU có kết nối với máy vi tính qua cổng COM (tự chế tạo).

          - 04 cảm biến tốc độ bánh xe loại cảm biến quang (tự chế tạo).

          - 04 đồng hồ đo áp suất dầu phanh.

          - 01 động cơ điện môt pha.

          - 04 pu ly và đai truyền.

          - 04 cơ cấu phanh loại tang trống và moay ơ.

          - 03 bánh cao su dẫn động các bánh xe.

          - 04 bánh đà (khối lượng quán tính).

          - 04 trục truyền.

          - 02 cụm con lăn (quả lô) và 06 gối đỡ.

          - 02 cơ cấu thay đổi tải trọng.

          - 01 bản điều khiển.

          - 01 Sơ đồ mạch điều khiển thuỷ lực.

          - Phần mềm hiển thị các thông số trên máy vi tính (tự thiết kế).

          - 01 máy vi tính.

- 01 bình ác quy 12 V.

          - 01 khung mô hình + 04 bánh xe có thể di chuyển được.

4.3.2- Các thông số cơ bản của mô hình.

- Kích thước khung: 1,2 x 0,8 x 1,3 m.

- Động cơ điện dẫn động các bánh xe:

          + Nguồn điện: 1 pha, điện thế 220 -250 V.

          + Công suất 2,2 KW ( 3 HP).

          + Số vòng quay định mức: nmax = 2800 vòng/phút.

- Bánh đà 1 (khối lượng quán tính của xe).

          + Đường kính: DB1 = 370 mm.

          + Khối lượng: mB1 = 70 kg.

- Bánh đà 2, 3, 4 (khối lượng quán tính các bánh xe).

          + Đường kính: DB2 = DB3 = DB4 = 360 mm.

          + Khối lượng: mB2 = mB3 = mB4 = 15 kg.

- Con lăn (quả lô).

          + Đường kính: DL = 135 mm.

          + Khối lượng: mL = 1,5 kg.

- Bánh cao su dẫn động bánh xe.

          + Đường kính: DCS = 220 mm.

          + Trọng lượng: mCS = 2 kg.

- Cụm cơ cấu phanh:

          + Đường kính: Dbx = 280 mm.

          + Trọng lượng: mbx = 8, 5 kg.

- Kích thước pu ly:             pu- ly 1 ( dẫn động)              pu-ly 2 ( bị động)

          + Cấp truyền 1:              100 mm                         300 mm.

          + Cấp truyền 2:              130 mm                         160 mm.

Hình 4.4 : Mô hình hệ thống phanh ABS kết nối với máy tính

4.4- THIẾT KẾ ECU- ABS.

          ECU là bộ não chỉ huy hoạt động của hệ thống phanh có ABS, thực chất ECU- ABS là một máy vi tính nhỏ chuyên dùng vào việc điều khiển hệ thống phanh. ECU nhận các tín hiệu đầu vào là các cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến giảm tốc, cảm biến chân phanh để tính toán, phân tích và đưa ra lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành để điều chỉnh áp lực dầu phanh tới các bánh xe, đảm bảo tối ưu hoá lực bám giữa lốp và mặt đường sao cho lực phanh và mô men phanh là lớn nhất, không cho phép bánh xe bị bó cứng trong thời gian dài, tạo ra hiệu quả phanh và tính ổn định lái trong quá trình phanh.

          ECU trong mô hình bao gồm có hai mạch chính, đó là mạch điều khiển (hình 4.5) và mạch công suất. Để thiết kế các bảng mạch điện tử ta phải sử dụng phần mềm chuyên dùng thiết kế mạch điện tử OrCAD.

Đây là loại bảng mạch được thiết kế mạch trên hai lớp, đường mạch rất nhỏ được chế tạo một cách chuyên nghiệp. Bảng mạch cũng thiết kế thêm một số cổng dự phòng để có thể mở rộng các ứng dụng khác.

     Trong mạch điều khiển và công suất có sử dụng các linh kiện sau:

          + 44 điện trở loại 3,3 K.

          + 12 điện trở loại 2,2 K

          + 13 đi ôt LED.

          + 21 Transistor loại C828.

          + 12 Phototransistor loại PC871.

          + 6 Tụ hoá loại 10 mF.

          + 01 Tụ hoá loại 1000 mF.

          + 01 IC ổn áp loại LM7805C/TO3.

          + 01 IC loại MAX 232 để kết nối với máy vi tính qua cổng COM.

          + 01 IC loại AT mega 16 của hãng ATMEL để làm bộ vi xử lý.

          + 02 Cổng Reset.

          + 01 Thạch anh có xung nhịp đồng hồ 11.000 MHz

          + 08 Transistor trường (MOSFETs) loại IRF 540.

          + 01 Cổng COM nối với máy vi tính.

    Loại IC ATmega 16 của hãng ATmet là loại IC có 40 chân (hình 4.6). IC ATmega 16 là một loại vi xử lý trong đó có cấu thành các bộ phận như bộ xử lý tín hiệu vào, ra, bộ nhớ ROM, bộ xử lý lôgíc, các thanh ghi.

Phần chính và là quan trọng nhất của bảng mạch điều khiển ECU là phần vi xử lý trung tâm. Đây là phần mềm mà ta phải lập trình trên máy vi tính với phần mềm chuyên dùng sau đó nạp vào cho IC Atmega 16. Phầm mềm để lập trình (viết code)  cho IC có rất nhiều loại nhưng trong đề tài này tác giả đã sử dụng phần mềm CodeVisionAVR của hãng ATmet, để viết mã cho IC. Sau đó, dùng phần mền AVR Studio 4 và mạch nạp chuyên dùng để nạp chương trình cho IC ATmega 16.

4.4.1- Thiết kế cảm bộ biến tốc độ bánh xe.

          a, Công dụng :

    Đây là bộ phận tạo tín hiệu vào cơ bản của hệ thống phanh ABS. Bộ phận  này nhận biết tốc độ quay vòng của bánh xe thông qua cảm  biến tốc độ sau đó gửi tín hiệu về ECU, từ tín hiệu này ECU tính toán điều khiển đóng mở các các van điện tử qua đó điều khiển áp suất dầu đến các xy lanh phanh.

 Cảm biến bao gồm một đĩa xung có đường kính 100 mm, xẻ 90 rãnh với kích thước rãnh là 0,3 x5 mm xung quanh mép đĩa. Vật liệu chế tạo đĩa xung là thép 45 được gia công với độ chính xác cao bằng phương pháp cắt dây.

Thiết bị đọc tín hiệu xung ở đây ta dùng loại phototransistor có ký hiệu “BH-1071-2”. Cấu tạo như ( Hình 4.8):

b, Sơ đồ mạch điện

Trên mô hình sử dụng cảm  biến quang học để nhận biết tốc độ quay của bánh xe, ưu điểm  của loại này là dễ chế tạo, tính chính xác cao, chi phí thấp, nhưng không chịu được môi trường rung động và bụi bẩn rất thích hợp với các mô hình nghiên cứu. Sơ đồ mạch cảm biến tốc độ:

Hình 4.9: Sơ đồ mạch cảm biến tốc độ

c, Tính toán chọn các linh kiện

Việc tính toán thiết kế mang tính thử nghiệm nên phải thoả mãn các yêu cầu về tính khoa học, tính an toàn, tính kinh tế. Điều ấy có nghĩa là các  công thức tính toán phải linh hoạt phù hợp với thực tế thí nghiệm, linh kiện được chọn phải có điện áp, dòng định mức lớn hơn so với yêu cầu.

   - Căn cứ vào dòng và điên áp của mạch điều khiển ta chọn :

     Transistor loại C828 có các thông số kỹ thuật :

 UCE ≤ 30 (v) ; ICE ≤ 50 (mA) ; R CE =  0,04 Ω, UBE = 0,7 (v).

     Các Diode thu, phát quang PHOTODIODE và OED-El có các thông số kỹ thuật: 

U ≤ 30 (V); I ≤ 40 (mA); RD = 100 Ω; sụt áp ở Phototransistor UD = 0,75 (V)

- Tính toán xác định các điện trở R1, R2,R3.

 Tính R1

  Khi transistor ở trang thái mở dòng sẽ chạy từ cực dương tới chân C qua transistor sang chân E, đến đây dòng này tách thành 2 nhánh, một đi tới vi xử lý và một qua điẹn trở R1 về âm nguồn. Trong quá trình lắp mạch thí nghiệm  nếu vì một lý do nào đó mà bị đoản mạch về vi xử lý, khi đó dòng chi qua transistor và điện trở R1. Vì REC rất nhỏ ( REC = 0,04Ω) nên có thể bỏ qua, mặt khác dòng qua Transistor C828 tối đa là 50 (mA), nên ta có:

                 Ta chọn R1 = 560 Ω

Tính R2

Từ sơ đồ mạch ta có hệ phương trình:

Từ phương trình thứ nhất ta có

Dòng ID qua Phototransistor

Tính I2  từ phương trình thứ 2

Và U2 từ phương trình thứ 3

Theo định luật ôm ta có:

               Ta chọn R2 = 330 Ω

Tính R3

          Ta tính R3 theo dòng tối đa và điện áp đặt của Diode quang OED- EL

Theo định luật ôm  ta có:

Ta có            

Nên

          Ta chọn  R3 = 220 Ω.

4.4.2- Tính toán thiết kế mạch công suất

    a, Công dụng

Để điều khiển 8 van điện từ trên hệ thống ABS cần công suất khá lớn, nhưng trên thực tế mạch điều khiển có công suất nhỏ không đáp ứng yêu cầu đóng mở dứt khoát các van điện từ của hệ thống. Vì vậy cần phải thiết kế một mạch công suất nhận tín hiệu từ vi xử lý thông qua Phototransistor loại PC817 để trực tiếp điều khiển đóng mở các van điện từ làm thay đổi áp suất dầu trong các xy lanh phanh.

b, Sơ đồ mạch điện

Hình 4.10: Sơ đồ mạch công suất

c, Tính toán chọn các linh kiện       

   Điện áp mạch công suất ,

   Điện trở dây cuốn van điện từ ,

  Dòng qua Transistor dự tính là:

Căn cứ vào điện áp và dòng qua Transistor  của mạch công suất ta chọn các linh kiên như sau:

* Transistor trường (MOSFETS) loại IRF 540 có các thông số kỹ thuật:

 *  Phototransistor loại PC817 có các thông số kỹ thuật:

Tính R5

Ta có hệ phương trình:

Ở chế độ    thì :

Thay vào hệ phương trình ta có :

Chọn R5 = 1000 Ω

Tính R6  tương tự như tính R2

Từ sơ đồ mạch ta có hệ phương trình:

Từ phương trình thứ nhất ta có

Dòng ID qua Phototransistor

Tính I2  từ phương trình thứ 2

Và U2 từ phương trình thứ 3

Theo định luật ôm ta có:

Ta chọn R6 = 2000 Ω

Tính R4 như tính R3  , do co cùng điện áp nên chọn R4 = R3 =330 Ω

KẾT LUẬN

    Sau một thời gian học tập nghiên cứu, tính toán thiết kế em đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp. Kết quả đạt được như sau: Đã nghiên cứu về lý thuyết và chế độ điều khiển của ABS trên cơ sở các tài liệu và hệ thống thực tế trên xe ô tô hiện nay. Đã thiết kế và chế tạo thành công mô đun điều khiển mô hình hệ thống phanh ABS. Mô hình thể hiện đúng nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS  như trên xe thực tế, có kết nối với máy tính làm sáng tỏ hiệu quả phanh của hệ thống. Mô hình này có thể dùng để nghiên cứu học tập về hệ thống ABS  ở các trường Trung cấp, Cao đẳng và Đại học.

   Tuy nhiên, do thời gian, kinh phí và trình độ về lĩnh vực nghiên cứu có hạn nên mô hình còn tồn tại một số hạn chế sau đây: Các linh kiện sử dụng trên mô hình chưa có độ bền cao khi khai thác trong môi trường thực tế làm việc của xe. ABS -ECU mới được thiết kế ở dạng điều khiển cơ bản, chưa đầy đủ các tính năng như một ABS -ECU thực.

    Để đạt được kết quả như trên, em đã cố gắng làm việc nghiêm túc trong thời gian dài, đặc biệt em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn: TS ……………., Mô hình hệ thống phanh thông thường của: Ths................., giảng viên trường ĐH Bách Khoa Hà Nội và sự cộng tác của bạn, người thiết kế phần mềm điều khiển mô hình. Em xin chân thành cảm  ơn các thầy và các bạn đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài này.

                                                                                       Hà nội, ngày ... tháng ... năm 

                                                                                          Sinh viên thực hiện:

                                                                                          …………………

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Hữu Cẩn - Dư Quốc Thịnh - Phạm Minh Thái - Nguyễn Văn Tài - Lê Thị Vàng. “Lý thuyết ôtô máy kéo”. NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội; 1998.

[2]. Nguyễn Hoàng Việt. “Kết cấu và tính toán ôtô”. Tài liệu lưu hành nội bộ   khoa Cơ Khí Giao Thông; Đại Học Đà Nẵng; Đà Nẵng 1998.

[3. Nguyễn Hữu Cẩn - Phan Ðình Kiên. “Thiết kế và tính toán ôtô máy kéo” NXB Ðại học và trung học chuyên nghiệp - Hà Nội; 1985.

[4]. Nguyễn Hoàng Việt. “Bộ điều chỉnh lực phanh -hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh ABS”. Tài liệu lưu hành nội bộ của khoa cơ khí Giao Thông; Ðại Học Ðà Nẵng; Ðà Nẵng 2003.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"