1 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỬ PHANH Ô TÔ Investigation and realization of a model of brake test system for automobiles Sinh viên: Nguyễn Viết Luân – Vũ Trung Kiên Cán bộ hướng dẫn: Lê Cung, Nguyễn Thế Tranh Chương trình ðào tạo Kỹ sư Chất lượng cao PFIEV-ðà Nẵng TÓM TẮT: ðề tài nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thử phanh ô tô kiểu con lăn quán tính, ñiều khiển tự ñộng sử dụng vi ñiều khiển PIC18F4550, ñồng thời xây dựng chương trình tính toán lực phanh bằng ngôn ngữ Visual Basic. ABSTRACT: This article presents the investigation and the realisation of a model of automatic brake test system using microcontroller PIC18F4550, and the elaboration of a program on Visual Basic language for calculating automobile brake system factors. I. Mở ñầu: 1. Lý do chọn ñề tài và ý nghĩa thực tiễn: Cùng với sự phát triển nền kinh tế, ôtô ngày càng ñóng vai trò quan trọng trong vận chuyển trên toàn thế giới. Các nhà thiết kế ôtô ngày càng chú trọng ñến vấn ñề kiểm tra, bảo dưỡng thường xuyên nhằm ñảm bảo an toàn trong lưu thông, trong ñó hiệu quả phanh là yếu tố quan trọng ñược quan tâm nghiên cứu. Ở nước ta hiện nay ñã tồn tại nhiều hệ thống thử phanh hoạt ñộng với nhiều nguyên lý khác nhau. Tại công ty Máy ñộng lực và nông nghiệp, nhà máy Ôtô VEAM (Thanh Hóa) có trang bị hệ thống thử phanh BEP3600 kiểu con lăn quán tính hoạt ñộng với nguyên lý khác hẳn với những hệ thống cũ và thể hiện những ưu ñiểm nổi trội. Tuy vậy, hệ thống này ñã bị hư hỏng, không hoạt ñộng ñược, cần ñược phục hồi. Chính vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt ñộng của hệ thống thử phanh BEP3600, xây dựng mô hình mô phỏng và chương trình ñiều khiển hệ thống, tính toán lực phanh… Sau khi nghiên cứu hoàn chỉnh trên mô hình thực nghiệm, sẽ tiến tới áp dụng vào việc sửa chữa khôi phục hệ thống thử phanh tại nhà máy Ôtô Veam Thanh Hóa. 2. Mục ñích và phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý làm việc của hệ thống thử phanh BEP3600 trang bị tại nhà máy Ôtô Veam Thanh Hóa, nghiên cứu lý thuyết các phương pháp tính toán lực phanh. - Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống thử phanh, thiết kế vi mạch ñiều khiển hệ thống thử phanh sử dụng PIC18F4550, xây dựng chương trình ñiều khiển hệ thống và tính toán lực phanh. Trên cơ sở thành công của việc ñiều khiển trên mô hình, sẽ ứng dụng vào việc ñiều khiển hệ thống thử phanh thực tế BEP3600. Hệ thống thử phanh BEP3600 có thể thực hiện ñược rất nhiều ứng dụng như ño lực phanh tay, kiểm tra tốc ñộ ñồng hồ kilomét, ño lực phanh khi phanh xe, do vận tốc bánh xe khi phanh…. Tuy nhiên, ñề tài chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp ño lực phanh, vận tốc bánh xe khi phanh (phanh chính và phanh tay) và giới thiệu ba ứng dụng cơ bản của hệ thống thử phanh. 3. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu các phương pháp lý thuyết hay thực nghiệm ñể xác ñịnh lực phanh, quãng ñường phanh, vận tốc phanh. 2 - Nghiên cứu thực nghiệm dựa trên việc chế tạo mô hình hệ thống thử phanh, lập trình ñiều khiển mô hình nhằm kiểm chứng các phương pháp lý thuyết. Sau ñó áp dụng chương trình ñiều khiển vào ñiều khiển hệ thống phanh thực tế tại nhà máy Ôtô VEAM Thanh Hóa. II. Tổng quan: Hiện nay ở nước ta, số lượng các băng thử phanh trong các xí nghiệp sửa chữa, trạm kiểm ñịnh cũng như ở các trường ðại học Kỹ thuật ngày càng tăng cùng với yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lượng kiểm tra. ðiển hình là hệ thống thử phanh AHS của hãng AHS Wildau GmdH+ Co. KG Bussinesspark Berlin Windau ðức ñược lắp ñặt tại trường ðại học Bách khoa ðà Nẵng, hệ thống thử phanh RAVAGLIOLI của hãng Pontecchi Marconi Bologna Italia Via Maggio Italia tại Công ty Ô tô Trường Hải, hệ thống thử phanh Micro Brake 6000 của hãng Biess Marth Automobil-Servicegerate ðức tại Garage Sài Gòn, Long An, hệ thống thử phanh của hãng Nissan Nhật Bản ñược lắp tại nhà máy Cơ khí Ô tô ðà Nẵng . Mỗi hệ thống ñều sử dụng nguyên lý tính toán lực phanh riêng và có những ưu khuyết ñiểm nhất ñịnh. Nhược ñiểm cơ bản mà hầu hết các hệ thống phanh thường gặp là vận hành chế ñộ thử ở vận tốc tĩnh (2,3-5km/h) và vì vậy không giống với ñiều kiện thực tế của xe chạy trên ñường. Hệ thống thử phanh BEP3600 khắc phục ñược nhược ñiểm ñó, có thể vận hành ở chế ñộ ñộng với vận tốc có thể lên tới 180 km/h ở chế ñộ thử vận tốc. Hơn nữa, hệ thống này ñược tích hợp nhiều chức năng cho phép xác ñịnh ñược nhiều yếu tố ñánh giá hiệu quả phanh, ño ñược giá trị quãng ñường phanh, lực phanh… của mỗi bánh xe. III. Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm: 1. Nguyên lý xác dịnh lực phanh của ô tô: Hình 1 trình bày mô hình nhằm xác ñịnh lực phanh trên bánh xe. Bánh xe ñược ñặt trên một rulô dưới một áp lực nhất ñịnh. Khi cho rulô quay, bánh xe sẽ quay theo. Khi rulô và bánh xe ñạt ñược vận tốc góc ổn ñịnh, tài xế ñạp phanh, tạo ra momen phanh tác ñộng lên bánh xe, làm bánh xe dừng lại, ñồng thời tạo nên một lực phanh phanh F tác ñộng lên rulô làm rulô chuyển ñộng chậm dần. Phương trình chuyển ñộng của ru lô như sau: 2 can phanh M M mR ω + = ∑ & (1) Trong ñó: 2 mRJ = và ω & lần lượt là mômen quán tính và gia tốc góc của rulô; R và m: bán kính và khối lượng của ru lô, can M ∑ : tổng các thành phần momen cản tác ñộng lên rulô, không kế momen phanh M do lực phanh F tác ñộng lên rulô. Từ (1), có thế suy ra công thức tính toán lực phanh: v can phanh d F F m dt + = ∑ , với v là vận tốc tiếp tuyến trên bánh xe: v R ω = . Như vậy, ñể xác ñịnh lực phanh, cần thiết phải xác ñịnh gia tốc tiếp tuyến dv/dt của rulô. 2. Sơ ñồ nguyên lý làm việc hệ thống thử phanh BEP3600: Khi xe vào vị trí thử phanh, bốn bánh xe ô tô ñược ñặt trên bốn rulô. Bốn ñộng cơ sẽ kéo bốn ru lô chuyển ñộng, tương ứng làm bốn bánh xe quay theo. Khi các rulô ñạt ñược tốc ñộ ổn ñịnh (vận tốc thử), bốn ñộng cơ ñược ngắt khỏi nguồn ñiện và các rulô sẽ quay tự do. Kể từ lúc ngắt ñiện ñến thời ñiểm ñược cài ñặt trước, chương trình sẽ tính toán lực cản của xe. Sau ñó, hệ thống thông báo ñể tài xế ñạp phanh, chương trình bắt ñầu thực hiện việc ño lực phanh. Do tác Hình 1 Bánh xe Rulô phanh F r 3 ñộng của lực cản của xe và của momen phanh, rulô chuyển ñộng chậm dần. Bốn encoder ñược bố trí nhằm xác ñịnh gia tốc góc của các rulô, từ ñó xác ñịnh ñược lực cản và lực phanh. Các biến tần ñược bố trí nhằm ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ, khi cần thử phanh ở các chế ñộ khác nhau (hình 2). Hình 2 : Sơ ñồ nguyên lý mô hình hệ thống thử phanh BEP3600 tại nhà máy ôtô Veam Thanh Hóa Bánh ñà 1 ðộng cơ 2 Encoder 3 Mạch ñiều khiển 4 Máy tính 5 Hình 3 : Mô hình thực nghiệm hệ thống thử phanh Khởi ñộng ñộng cơ V = V thử Dừng ñộng cơ Xác ñịnh gia tốc rulô F ti = m.dv/dt F t = Max(F ti ) Bắt ñầu Kết thúc Hình 4 : Khởi ñộng ñộng cơ V = V thử Dừng ñộng cơ. Gốc thời gian t = 0. Xác ñịnh gia tốc của rulô F ci = m.dv/dt - F t t = t 1 ? F c = Max (F ci ) Bắt ñầu S ð A ð Hình 5 ðạp phanh F pi = m.dv/dt – F c - F t V = 0 ? F p = Max (F pi ) Kết thúc S ð A 4 3. Sơ ñồ nguyên lý làm việc của mô hình hệ thống thử phanh: ðể tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trước khi áp dụng vào ñiểu khiển và xác ñịnh lực phanh trên hệ thống thử phanh thực tế, chúng em xây dựng mô hình thực nghiệm như trên hình 3. Hai bánh ñà (1) mô phỏng hai rulô trước của hệ thống thử phanh. Khi ñộng cơ (2) quay sẽ làm quay các bánh ñà. Tín hiệu từ encoder ñưa về mạch ñiều khiển, mạch này sẽ tính toán và truyền lên máy tính giá trị vận tốc góc, gia tốc góc của bánh ñà, ñồng thời mạch này cũng ñóng, ngắt và ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ, thực hiện các chế ñộ thử ở vận tốc khác nhau. Quá trình vận hành ñược ñiều khiển trên máy tính, các lệnh ñiều khiển ñược truyền xuống mạch ñiện ñể ñiều khiển trạng thái ñộng cơ. 4. Phương pháp thực nghiệm xác ñịnh lực phanh: Trước hết cần xác ñịnh lực cản F t của hệ thống, lực này ñược xác ñịnh khi không có xe trên bệ thử. Hình 4 trình bày sơ ñồ thuật toán xác ñịnh lực cản F t của hệ thống. Sau ñó, xác ñịnh lực cản F c của xe và lực phanh F p , theo sơ ñồ thuật toán cho trên hình 5. Vận tốc và gia tốc rulô ñược xác ñịnh theo phương pháp như sau: Giá trị vận tốc ñược lấy mẫu với chu kỳ 140ms, cùng với thời gian tương ứng và ñược lưu vào mảng hai chiều. Bằng cách xem như vận tốc là tuyến tính theo thời gian trong khoảng giữa hai lần lấy mẫu, có thể tính toán ñược gia tốc rulô như sau: 1 1 v vv n n n n d dt t t + + − = − , trong ñó t n , t n+1 : thời ñiểm lấy mẫu liên tiếp thứ n và n+1 với vận tốc tương ứng là v n , v n+1 với 1 v v v n n+ ≤ ≤ . 5. Quy trình thử phanh: Quá trình thử phanh bao gồm thử phanh chính (gọi tắt là thử phanh) và thử phanh tay. Quy trình vận hành ñược mô tả ở sơ ñồ cho trên hình 6. 6. Chương trình ñiều khiển hệ thống và tính toán lực phanh: ðể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ quay rulô, thu nhận tín hiệu từ encoder…, chúng em ñã thiết kế và chế tạo bộ vi mạch ñiều khiển sử dụng PIC18F4550, ñồng thời xây dựng chương trình ñiều khiển, tính toán xác ñịnh vận tốc xe khi phanh, xác ñịnh gia tốc rulô (hay bánh xe), xác ñịnh lực phanh. Chương trình ñược viết trên ngôn ngữ Visual Basic. Giao diện chính của chương trình ñiều khiển ñược trình bày trên hình 7 bao gồm: Hình 6 THỬ PHANH Ru lô quay ñến vận tốc thử, bánh xe quay theo Cắt nguồn ñộng cơ, ru lô quay tự do Từ lúc cắt nguồn t = 0 ñến thời ñiểm cài ñặt trước t = t 1 : Tính lực cản Tại t = t 1 , bắt ñầu ñạp phanh Từ t = t 1 ñến khi V = 0: Tính lực phanh Bắt ñầu THỬ PHANH TAY Tương tự chế ñộ THỬ PHANH, nhưng chỉ có 2 rulô sau quay, dùng phanh tay Tiếp tục Thử lại 5 Nút CÀI ðẶT: thiết lập các thông số ban ñầu như vận tốc thử phanh, các hệ số hiệu chỉnh . Nút BẮT ðẦU: bắt ñầu thử phanh, toàn bộ quá trình thử ñều thực hiện tự ñộng. Nút BIỂU ðỒ: hiển thị ñồ thị sau mỗi quá trình thử phanh. Nút STOP: dừng ñộng cơ. Nút EXIT: thoát khỏi chương trình. Trên màn hình giao diện hiển thị bằng số một số kết quả như: vận tốc bánh xe, lực cản tác ñộng lên hệ thống, lực phanh… Kết quả xác ñịnh vận tốc và lực phanh (tại thời ñiểm phanh) ñược hiển thị bằng số trên màn hình giao diện (hình 7) và ñược biểu diễn bằng ñồ thị như trên hình 8 và hình 9. Hình 8 : ðồ thị vận tốc xe Hình 9 : ðồ thị lực phanh Hình 7 : Giao diện chính của chương trình ñiều khiển 6 IV. ðánh giá kết quả: Sau thời gian nghiên cứu thực hiện ñề tài, chúng em ñã ñạt ñược các kết quả sau ñây: Nắm vững ñược cấu tạo, nguyên lý hoạt ñộng của hệ thống thử phanh BEP3600. Thiết kế, chế tạo, vận hành thành công mô hình hệ thống thử phanh, xây dựng ñược chương trình ñiều khiển hệ thống và tính toán ñược các chỉ tiêu cơ bản của hệ thống thử phanh (vận tốc bánh xe, lực phanh…). Mô hình và chương trình ñiều khiển hoạt ñộng ổn ñịnh, các số liệu ño ñạc ñược thể hiện ñúng theo quy luật, giao diện thuận lợi, chương trình ứng dụng cho phép lưu trữ kết quả dễ dàng, thuận tiện cho việc theo dõi, từ ñó có thể cải tiến về thuật toán chương trình ñể giảm sai số ño lường. Với thành công của việc thử nghiệm trên mô hình, ñề tài ñang tiếp tục nghiên cứu và triển khai ứng dụng vào hệ thống thử phanh BEP3600 thực tế tại nhà máy ôtô Veam Thanh Hóa. V. Kết luận: ðề tài nghiên cứu cơ bản ñã thành công trên mô hình thực nghiệm và có thể ñược triển khai mở rộng ứng dụng thực tế nhằm ñiều khiển hệ thống thử phanh BEP3600 tại nhà máy ôtô Veam Thanh Hóa. Các ứng dụng khác của hệ thống thử phanh như kiểm tra ABS (hệ thống chống bó phanh) cần ñược tiếp tục nghiên cứu thực hiện bằng cách phát triển phương pháp vi phân ñồ thị. Lời cảm ơn: Chúng em chân thành cảm ơn thầy Lê Cung, thầy Nguyễn Thế Tranh, ông Trần Hoàn, Giám ñốc Công ty Cơ khí tự ñộng hóa DAMECO ðà Nẵng, ñã tận tình hướng dẫn và tạo ñiều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành các nghiên cứu ứng dụng của mình. Tài liệu tham khảo: [1] Công ty Cơ khí tự ñộng hóa DAMECO, Hệ thống thử phanh BTS3000C, ðà Nẵng 2005. [2] Ngô Diên Tập, Lập trình ghép nối máy tính trong Windows, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội 2002. [3] Ngô Diên Tập, Vi ñiều khiển với lập trình C, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội 2002. [4] Nguyễn Tiến, Ngô Quốc Việt, Phạm Nguyễn Tuấn Kỳ, Kỹ thuật lập trình Visual Basic - Tự học trong 21 ngày, Nhà xuất bản Giáo dục Hà Nội 1997. [5] Nguyễn Hữu Cẩn, Phanh Ôtô (Cơ sở khoa học và thành tựu mới), Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội 2004. . phương pháp tính toán lực phanh. - Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống thử phanh, thiết kế vi mạch ñiều khiển hệ thống thử phanh sử dụng PIC18F4550, xây. Tranh Chương trình ðào tạo Kỹ sư Chất lượng cao PFIEV-ðà Nẵng TÓM TẮT: ðề tài nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thử phanh ô tô kiểu con lăn quán