Bộ giáo dục đào tạo Bộ quốc phòng Học viện kü thuËt qu©n sù phan đình lý Tên đề tài luận văn : Khảo sát phơng pháp thiết kế kết cấu hệ thèng phanh chèng h·m cøng b¸nh xe ( ABS ) ôtô đại Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà nội- năm 2004 Bộ giáo dục đào tạo Bộ quốc phòng Học viện kỹ thuật quân phan đình lý Tên đề tài luận văn : Khảo sát phơng pháp thiết kÕ vµ kÕt cÊu cđa hƯ thèng phanh chèng h·m cứng bánh xe ( ABS ) ôtô đại Chuyên ngành : kỹ thuật khí- chế tạo máy Mà số : 2.01.05 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ngời hớng dẫn khoa học: TS Trần khắc Thiêm Hà nội Năm 2004 Bộ giáo dục đào tạo Bộ quốc phòng Học viện kỹ thuật quân Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Tên đề tài : Khảo sát phơng pháp thiết kế kết cấu hệ thống phanh chống hÃm cứng bánh xe ( ABS ) ôtô đại Chuyên ngành Mà số Ngày giao đề tài luận văn Ngày hoàn thành luận văn : Kỹ thuật khí chế tạo máy : 2.01.05 : 24/10/2003 : 24/05/2004 Ngời thực : Họ tên : KS phan đình lý Lớp : Xe quân K14 Hệ đào tạo : Tập chung Giáo viên hớng dẫn Họ tên Học hàm, học vị Đơn vị công tác Cấp bậc : Thiếu tá : : trần khắc thiêm Cấp bậc : Đại tá : Tiến sĩ : Học viện kỹ thuật quân Hà nội năm 2004 Các ký hiệu sử dụng luận văn Tên gọi TT đơn vị Ký hiệu m a m/s2 ax Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trớc Gia tốc theo phơng chuyển động Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau m b Lực cản không khí N DA Gia tốc phanh m/s2 Dx Lùc phanh ë cÇu tr−íc N Fxf Lùc phanh ë cÇu sau N Fxs HƯ sè cản lăn Gia tốc trọng trờng fr m/s2 g 10 ChiỊu cao träng t©m m h 11 ChiỊu cao lực cản không khí m hA 12 Chiều dài së m L 13 Lùc ngang N Yk 14 Thêi gian phanh s t 15 Vận tốc bắt đầu phanh m/s V0 16 Vận tốc kết thúc trình phanh m/s Vf m x 17 QuÃng đờng phanh 18 Tải trọng động Wd 19 Trọng lợng đặt lên bánh xe Wwh 20 Gãc lƯch cđa xe phanh ®é β 21 Góc nghiêng đờng độ 22 Hệ số bám dọc, bám ngang x, y chữ viÕt t¾t ABS - (Anti – lock brake System): HƯ thèng chèng h·m cøng b¸nh xe ASC - (Automatic Stability Control): Tự động điều khiển ổn định CAN- (Controlled Area Network): Mạng điều khiển nội DME - (Digital Motor Electronics): Bộ điều khiển mô tơ kỹ thuật số DSC - (Dynamic Stability Control): Điều khiển ổn định động EML- (Electronic output control): Bộ điều khiển điện tử công suất ®éng c¬ ECT - (Electronic Controlled Transmission): Bé ®iỊu khiĨn hép sè tù ®éng ECU - (Electric Control Unit): Bé ®iỊu khiĨn ®iƯn tư TRC - (Traction Control System): HƯ thèng ®iỊu khiĨn lùc kÐo 4WD- (4 Wheels Drive): Xe hai cầu chủ động FWD- (Front Wheels Drive): Xe cầu trớc chủ động RWD- (Rear Wheels Drive): Xe cầu sau chủ động FF - Động đặt phía trớc, bánh trớc chủ động FR - Động đặt phía trớc, bánh sau chủ động Mục lục Trang Trang nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp Danh mục chữ viết tắt Danh mục ký hiệu Danh mục bảng biểu, hình vẽ Mục lục Mở đầu Chơng I - Tổng quan điều khiển trình phanh ôtô 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.2 Lý thuyết điều khiển trình phanh ôtô 1.2.1 Phơng trình động lực học phanh 1.2.2 Quan hệ lực bánh xe mặt đờng 1.2.3 Lực phanh sinh bánh xe 11 1.2.4 Nguyên lý xây dựng hệ thống điều chỉnh lực phanh 18 1.2.5 Điều khiển lực kéo bánh xe bị trợt quay 24 1.2.5.1 Điều khiển lực kéo 1.2.5.2 Các phơng pháp điều khiển mô men truyền động 27 1.2.6 Ôn định động học xe quay vòng 28 Chơng II Kết cấu sơ đồ hệ thống phanh ABS điển hình 31 2.1 Sự phát triển hệ thống phanh ABS 2.2 Phân loại hệ thống phanh ABS 33 2.3 KÕt cÊu c¸c bé phËn hƯ thèng phanh chức chúng 34 2.3.1 Cảm biến tốc độ bánh xe 35 2.3.2 Cảm biến gia tốc 37 2.3.3 Cơ cấu chấp hành 40 2.3.4 Bé ®iỊu khiĨn ®iƯn tư 45 2.4 50 Mét số hệ thống phanh ABS điển hình 2.4.1 Hệ thống ®iỊu khiĨn lùc kÐo TRC 52 2.4.1.1 C¸c bé phËn hệ thống điều khiển lực kéo 2.4.1.2 Cơ cấu chấp hành bớm ga phụ 55 2.4.1.3 Cảm biến vị trí bớm ga phụ 56 2.4.1.4 Bộ điều khiĨn ®iƯn tư (ECU ABS & TRC ) 56 2.4.1.5 Quá trình điều khiển lực phanh 59 2.4.2 Hệ thống điều khiển ổn định động xe quay vòng DSC 62 2.4.2.1 HƯ thèng thủ lùc cđa DSC 63 2.4.2.2 Hoạt động DSC xe quay vòng thừa 65 2.4.2.3 Hoạt động DSC xe quay vòng thiếu 70 Chơng III Sơ đồ thuật toán trình điều khiển xác định hiệu phanh phơng pháp mô máy tính 3.1 Sơ đồ thuật toán trình điều khiển 3.2 Các tiêu đánh giá hiệu phanh 74 76 3.2.1 Gia tèc phanh 78 3.2.2 Thêi gian phanh 79 3.2.3 Qu·ng đờng phanh 80 3.2.4 Lực phanh lực phanh riêng 81 3.2.5 Giản đồ phanh tiêu phanh thực tế 82 3.2.6 Các tiêu đánh giá tính ổn định hớng ôtô phanh 88 3.3 89 Xác định hiệu phanh phơng pháp mô 3.3.1 Xây dựng mô hình toán 90 3.3.2 Mô hệ thèng phanh ABS 92 KÕt luËn 99 Phô lôc - File liệu Phụ lục File chơng trình chạy Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] TS Nguyễn phúc Hiểu, TS Vũ đức Lập (2002), Lý thuyết ôtô quân [2] TS Đào hoa Việt, Đặng sỹ Vạc (2002), ứng dụng kỹ thuật tự động xe [3] Nguyễn Hữu Cẩn, Cơ sở khoa học thành tựu phanh ô tô [4] Tài liệu đào tạo TOYOTA, (ABS) Hệ thống điều khiển lực kéo [5] Nguyễn tăng Cờng (1998), SIMULINK Mô hệ động học [6] Nguyễn thành Trí, Châu ngọc Thạch (2002), Hệ thống thắng xe ôtô [7] Nguyễn Khắc Trai (1997), Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động củaôtô [8] BMW Service Training (1996), Dynamic Stability Control DSC [9] Roneld K.Jurgen, Automotive Electronics Handbook (2nd Edition) [10] Tom Denton (2000), Automobile Electrical and Electronic systems (2nd Edition) [11] Manfred Burckhardt (1995), Fahrwerktechnik: Radschlupf – Regelsysteme Phơ lơc File d÷ liƯu %DATA Data la file du lieu de chay chuong trinh mo phong %trong moi truong MatLab Simulink % Xem them file Run fprintf('Nap du lieu cho mo hinh phanh ABS ') g = 9.81; v0 = 88; Rk =0.22 % Ban kinh banh xe Kf = 1; m = 50; PBmax = 1500; TB = 0.01; I = 5; % % Do truot tuong doi % slip = (0:.05:1.0); mu = [0 97 1.0 98 96 94 92 88 855 83 81 79 77 75 73 72 71 7]; ctrl = 1; disp('done.'); return 11 Chế độ Tăng áp Khi đạp ga mạnh đột ngột, (hoặc tất cả) bánh xe chủ động bắt đầu trợt quay, ECU phát tín hiệu để bật tất van điện chấp hành TRC Cùng lúc van điện vị trí chấp hành ABS chuyển sang chế độ tăng áp (cửa A mở, cửa B đóng) chế độ này, van điện cắt xylanh phanh bật (đóng) van điện cắt bình tích bật (mở) Nó làm cho dầu cao áp bình tích tác dụng lên xylanh bánh xe qua van điện cắt bình tích van điện vị trí ABS Khi cảm biến áp suất phát có giảm áp suất bình tích năng, ECU bật bơm TRC để tăng áp suất dầu Công tắc hay cảm Bình tích biến áp suất Van an toàn Bơm TRC M Cửa A Van điện cắt bình chứa(bật) Van điện cắt xylanh (bật) Bơm ABS M Van điện cắt bình tích (bật) (0 A) Cửa B ABS TRC ECU Van điện vị trí ABS Bình chứa Xyalnh bánh sau Hình2.28 Sơ đồ hoạt động hệ thống chế độ tăng áp 12 Chế độ giữ Khi áp suất dầu xylanh bánh xe tăng hay giảm đến giá trị yêu cầu, ECU ABS & TRC cấp dòng điện 2A để van điện vị trí chuyển đến chế độ giữ Van điện cắt xylanh bật (đóng) làm cho dầu từ xylanh không đến đợc xylanh bánh xe, van điện cắt bình tích van điện cắt bình dầu bật (mở) Kết là, áp suất bình tích bị ngăn không cho xả ngoài, giữ nguyên dầu xylanh bánh xe Công tắc hay cảm biến áp suất Bình tích Van an toàn Bơm TRC M Van điện cắt xylanh (bật) Van điện cắt bình chứa (bật) Van điện cắt bình tích (bật) Cửa A M 2A Cửa B Bơm ABS Van điện vị trí ABS ABS TRC ECU Bình chứa Hình2.29 Sơ đồ hoạt động hệ thống chế độ giữ áp Chế độ giảm áp Khi bánh xe có xu hớng bị trợt quay cần phải giảm áp suất dầu xylanh bánh chủ động, ECU ABS & TRC chuyển van điện vị trí chấp hành ABS đến chế độ giảm áp áp suất dầu xylanh bánh xe 13 hồi bình dầu xylanh qua van điện vị trí ABS van điện cắt bình dầu Kết là, áp suất dầu giảm, bơm chấp hành ABS hoạt động Công tắc hay cảm biến áp suất Van an toàn Bình tích Bơm TRC M Van điện cắt xylanh (bật) Cửa A 15 Van điện cắt bình tích (bật) M 5A Cửa B Bơm ABS Van điện vị trí ABS ABS TRC ECU Bình chứa Hình 2.30 Sơ đồ hoạt động hệ thốngở chế độ giảm áp 2.4.2 Hệ thống điều khiển ổn định động (dsc) Khi ô tô chuyển động đờng, quỹ đạo chuyển động phức tạp, trờng hợp chuyển động đờng vòng với tốc độ cao xảy trờng hợp quay vòng thiếu hay quay vòng thừa Khi tợng xảy làm cho ô tô chuyển động ổn định dẫn tới tai nạn đáng tiếc Hệ thống điều khiển ổn định động (DSC) thực chức này, từ tín hiệu đầu vào nh tốc độ bánh xe, góc đánh lái gia tốc lệch bên.Nó tự động điều khiển để đảm bảo chuyển động xe đợc ổn định xe quay vòng kể quay vòng tốc độ cao Nét đặc trng giải pháp công nghệ DSC truyền tải liệu mạng điều khiển nội (CAN bus) Bộ điều khiển DSC đợc nối mạng với điều khiển DME, EML hộp số tự động ECT mạng điều khiển nội CAN Cảm biến góc lái đợc nối với mạng nội Bộ điều khiển hộp số tự động thông báo cho DSC biết chạy tay số nào, mô men chủ động đợc tính toán điều chỉnh hợp lý Các tín hiệu truyền CAN đợc mà hoá với mà khác Khi DSC truyền tín hiệu điều khiển đến cấu chấp hành cấu chấp hành giải mà tín hiệu điều khiển EML DME ECT Cảm biến góc lái Các cảm biến tốc độ bánh xe CAN bus Hệ thống thuỷ lực bơm sơ cấp DSC Cảm biến tốc độ quay Cảm biến gia tốc lệch bên Cảm biến áp suất Phanh bánh xe Hình 2.31 DSC kết nối qua mạng ®iỊu khiĨn néi bé 2.4.2.1 HƯ thèng thủ lùc cđa (DSC) Bơm sơ cấp có nhiệm vụ cấp dầu cho piston sơ cấp phải bảo đảm áp suất cho piston sơ cấp để piston sơ cấp sẵn sàng cung cấp dầu cho phận thủy lực với áp suất ban đầu khoảng 15 bar 16 kG/cm2 (1 bar ≈ 14,7 psi, psi ≈ 0,07 kG/cm2 ) Các van cấp có nhiệm vụ cấp dầu cắt dầu tới xylanh phanh bánh xe Còn van hồi có nhiệm vụ xả dầu từ xylanh bánh xe Các trạng thái đóng, mở van cấp hay van hồi ECU gửi tín hiệu đến cÇn thiÕt 16 16 RR 11 10 12 RL 13 FL 14 15 FR Hình 2.32 Sơ đồ mạch thủy lùc cña DSC Xylanh phanh chÝnh 12 Van håi bánh sau trái Bơm sơ cấp 13 Van hồi bánh sau phải 3.Piston nạp 14 Van hồi bánh trớc trái 4,7 Van sơ cấp 15 Van hồi bánh trớc phải 5,6.Van chuyển đổi 16 Bơm hồi Van cấp sau tr¸i RL B¸nh xe sau tr¸i Van cÊp sau phải RR.Bánh xe sau phải 10 Van cấp trớc trái FL.Bánh xe trớc trái 11 Van cấp trớc phải FR Bánh xe trớc phải 2.4.2.2 Hoạt động (DSC) quay vòng thừa Khi tợng quay vòng thừa xảy ra, phần đuôi xe có xu hớng văng phía bên bánh xe sau có xu hớng bị trợt ngang Hiện tợng tăng mô men dẫn động lớn lực bám ngang xe không đủ để cân với lực ly tâm sinh xe quay vòng Do nhiều lái xe bị bất ngờ hay thiếu kinh nghiệm để đối phó với tình Trong trờng hợp DSC thực hoạt động điều khiển cách tăng lực bám ngang bánh sau Điều thực đợc cách DSC gửi tín hiệu đến DME EML để giảm mô men động Thêm vào phanh bánh sau phía bên để nhanh chóng giảm mô men kéo bánh xe Việc tăng lực bám ngang bánh xe tạo mô men ngợc chiều với mô men gây quay vòng thừa Nếu tợng quay vòng thừa đợc khử điều khiển không đảm bảo, áp suất phanh xác đợc cung cấp tới xy lanh phanh bánh xe trớc bên Lực phanh tác dụng lên bánh xe phía trớc làm giảm tốc độ xe tính ổn định xe đợc đảm bảo áp suất tăng bánh sau/trớc phải xe quay vòng thừa Trong trờng hợp quay vòng trái Nếu điều khiển DSC nhận thấy có xu hớng quay vòng thừa giảm mô men động tác dụng phanh Đầu tiên áp suất đợc tăng lên bánh xe sau phía ngoài, điều đợc thực nhờ hoạt động bơm sơ cấp piston sơ cấp Để ngăn không cho áp suất ban đầu tới xylanh bánh xe sau trái, trớc phải trớc trái van cấp cho bánh đóng lại, van chuyển đổi mạch phanh cầu sau đợc đóng lại, van sơ cấp cho mạch phanh sau đợc mở bơm hồi cấp lợng dầu phanh tới xylanh bánh sau phải qua van cấp lúc mở 16 16 11 10 15 12 RR 13 14 FR RL FL Hình 2.33 Tăng áp suất phanh bánh sau phải 16 16 RR 12 RL 10 13 FR 11 14 FL Hình 2.34 Giữ áp suất phanh bánh sau phải 15 Điều làm giảm mô men truyền tới bánh sau phải làm tăng mô men chống lại mô men quay vòng gây quay vòng thừa trờng hợp áp suất đợc điều chỉnh với độ xác cao bánh xe không bị hÃm cứng trợt, làm cho xe chuyển động ổn định Quá trình điều khiển phanh đợc điều khiển theo chế độ tăng áp, giữ áp, giảm áp thể hình 2.33, 2.34, 2.35 Quá trình kết thúc mô men kéo phù hợp với độ bám bánh xe mặt đờng 16 16 12 RR 11 10 RL 13 FR 14 FL Hình 2.35 Giảm áp suất phanh bánh sau phải 15 16 16 12 RR 11 10 14 13 RL FR FL 15 Hình 2.36 Trạng thái tăng áp phanh trớc sau phải xe quay vòng thừa 16 16 12 RR RL 11 10 13 FR 14 FL H×nh 2.37 Trạng thái giữ áp phanh trớc sau phải xe quay vßng thõa 15 16 16 10 12 RR RL 13 FR 11 14 FL 15 Hình 2.38 Trạng thái giảm áp phanh trớc sau phải xe quay vßng thõa NÕu xe vÉn tiÕp tơc quay vòng thừa mà giảm mô men động tác dụng phanh sau phải cha đủ tác dụng thêm phanh trớc phải để đạt đợc độ ổn định Điều đợc thực cách đóng van chuyển đổi mạch phanh cầu trớc, mở van sơ cấp van cấp cho bánh trớc phải Bơm hồi tăng áp suất cho xylanh bánh xe trớc phải áp suất phanh điều khiển cho bánh sau phải trớc phải xảy ba trạng thái trình DSC điều chỉnh: tăng áp, giữ áp giảm áp, thể hình 2.36, 2.37 2.38 Hiệu việc điều khiển quay vòng thừa DSC đợc thể hình 2.39 Quỹ đạo mong muốn Khi có DSC Không có DSC Fx Fx Yk Hình 2.39 (DSC) điều khiển xe quay vòng thừa Fx- Lực phanh Yk Lực ngang 2.4.2.3 Hoạt động (DSC) xe quay vòng thiếu Khi xe quay vòng đà đánh lái nhng xe có xu hớng thẳng quỹ đạo đờng vòng Nếu ®iỊu khiĨn DSC nhËn thÊy cã xu h−íng quay vßng thiếu (khi đánh lái sang phải), trớc tiên giảm mô men động cơ, cần thiết điều khiển tác dụng phanh bánh sau phải Bằng cách mô men quay vòng tăng Phần đuôi xe văng hớng chuyển động cđa xe sÏ nh− mong mn NÕu bé ®iỊu khiĨn DSC phát xe có xu hớng quay vòng thiếu (khi đánh lái sang trái) điều khiển phải phanh bánh sau trái để tạo mô men chiều với mô men quay vòng trình đợc thực nh sau: Bớc trình điều khiển bắt đầu van cấp cho bánh trớc trái, trớc phải sau phải đợc đóng lại, van cấp xi lanh bánh sau trái đợc mở ra, áp suất dầu phanh ban đầu tăng lên đến 15 bar Nếu xe tiếp tục quay vòng thiếu mà giảm mô men động tác dụng lực phanh không đủ để đạt đợc độ ổn định động đòi hỏi Bộ điều khiển điện tử tiếp tục thực cách đóng van chuyển đổi mạch phanh cầu sau, van sơ cấp mở ra, bơm hồi tăng áp suất cho xi lanh bánh sau trái Có trạng thái điều chỉnh thông thờng: tăng áp, giữ áp giảm áp, điều đảm bảo tối u cho trình tăng mô men chống lại xu hớng quay vòng thiếu 16 16 10 11 15 12 RL RR 13 FR 14 FL H×nh 2.40 Tăng áp suất phanh bánh sau trái Hiệu trình điều khiển quay vòng thiếu hệ thống (DSC) đợc thể hình 2.41 Quỹ đạo mong muốn Không có DSC Có DSC Fx Yk Hình 2.41 (DSC) điều khiển quay vòng thiếu Fx - Lực phanh Yk - Lựcngang Với cách thức điều khiển nh đảm bảo cho ôtô hoạt động ổn định trờng hợp chuyển động Điều tạo điều kiện thuận lợi cho ngời lái xe gặp số tình không mong muốn Điều khiển phanh chuyển động đờng vòng Hệ thống có hiệu gia tốc lệch bên xe lớn 0,6g Khi gia tốc lệch bên vợt 0,6g, lúc gia tốc hớng tâm lớn dẫn đến trợt ngang gây ổn định nghiêm trọng phải tác dụng phanh bánh trớc phải, trớc trái sau phải để giảm tốc độ tạo mômen ngợc chiều với chiều quay vòng để giảm tợng quay vòng thừa xảy ( đạp phanh van cấp cho xi lanh phanh bánh xe phía sau đợc đóng lại, điều ngăn không cho áp suất dầu phanh bánh xe tăng lên ) Nếu xe không đảm bảo chuyển động ổn định, van chuyển đổi mạch sau đợc đóng lại, van sơ cấp đợc mở Bơm hồi tăng áp suất cho xi lanh bánh xe sau phải Sự khác lớn lực phanh hai bánh xe sau sinh mô men ngợc chiều với mô men quay vòng xe, xe giữ đợc ổn định quay vòng với tốc độ cao 16 16 10 12 RR RL 13 FR 11 14 15 FL Hình 2.42 Phanh quay vòng trái gia tốc lệch bên 0,6g Kết luận: Chơng II đà nghiên cứu số kết cấu điển hình sơ đồ hệ thống xe ôtô đại ngày gåm cã: HƯ thèng chèng h·m cøng b¸nh xe phanh (ABS), hệ thống điều khiển ổn định xe tăng tốc khởi hành có tợng trợt quay bánh xe (TRC) hệ thống ổn định động xe quay vòng xảy tợng quay vßng thõa, quay vßng thiÕu (DSC) ... ''Name'',''Toc ABS'' , ''NumberTitle'',''off ''); end figure(h) set(h,''DefaultAxesFontSize'', 8) plot(time,yout(:,1: 2)) title(''Toc cua xe va toc banh xe'' ) ylabel(''Toc do(rad/s) '') xlabel(''Thoi gian(s) '') set(gca,''Position'',[0.1300... bám bánh xe với bề mặt đờng Ví dụ: Trong trờng hợp xe 4WD ( bánh xe hai cầu chủ động ), bánh xe bị hÃm cứng mặt đờng có hệ số bám thấp, bánh xe bị hÃm cứng làm bánh xe khác bị hÃm cứng theo Hiện. .. quÃng đờng phanh nhỏ theo vận tốc 81 3.4 Giản đồ phanh 83 3.5 Sơ đồ mô hệ thống phanh ABS 92 3.6 Các kết thu đợc ( Từ hình 3.6 ữ 3.17 ) 93 ữ 97 Chơng II kết cấu sơ đồ hệ thống phanh (ABS) điển hình