Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, để sở hữu được một chiếc xe ô tô là một việc không còn quá xa vời với người dân Việt Nam. Trong năm 2021, tổng số xe đã được bán ra là khoảng 410.000, theo Báo Thanh niên [1].
Qua đó, cho thấy người dân ngày càng ưa chuộng loại phương tiện này, nhờ vào sự tiện nghi, thoải mái mà xe mang lại khi phải di chuyển dưới thời tiết khắc nghiệt tại Việt Nam. Tuy nhiên, song song với số lượng xe bán ra được nêu trên, số vụ tai nạn giao thông xảy ra vẫn còn nằm ở một con số đáng lo ngại. Điều này khiến nhiều người hoài nghi về sự an toàn mà các phương tiện này mang lại. Chính vì thế, nhóm chúng tôi đã quyết định nghiên cứu đề tài “Các hệ thống hỗ trợ an toàn và ổn định ô tô trang bị tích hợp trên hệ thống phanh”.
Đề tài được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu và tổng hợp các tài liệu có liên quan đến các hệ thống an toàn và ổn định ô tô được đề cập đến trong bài báo cáo, cụ thể là Hệ thống phanh chống bó cứng – ABS, Hệ thống tăng cường lực kéo – TCS, Hệ thống cân bằng điện tử - ESP và một số hệ thống an toàn khác. Bài báo cáo sẽ là một nguồn thông tin tổng hợp đáng tin cậy dành cho các đối tượng đang có nhu cầu tìm kiếm thông tin về các hệ thống trên ô tô. Nội dung nghiên cứu Bài báo cáo tập trung nghiên cứu các hệ thống an toàn và ổn định trên xe ô tô. Các nghiên cứu này xoay quanh cấu tạo và nguyên lí làm việc của các hệ thống.
Từ đó nhận ra vai trò cụ thể của từng hệ thống trong việc tác động lên quá trình điều khiển phương tiện của người lái hằng ngày, đảm bảo cho người lái có được trải nghiệm tốt nhất và an toàn nhất. Đặc biệt là trong các tình huống nguy hiểm gây mất an toàn và ổn định của xe, ưu điểm của các hệ thống này càng trở nên nổi bật và cụ thể hơn nữa. Đối tượng nghiên cứu Bài báo cáo được thực hiện trong khoảng thời gian 4 tháng, từ tháng 4 đến tháng 7 năm 2022. Dựa trên các hệ thống đã và đang được trang bị trên các phương tiện giao thông hiện nay, cụ thể là trên xe ô tô.
1 Đối tượng mà nhóm nghiên cứu đang hướng đến là các hệ thống an toàn và ổn định trên ô tô. Phân tích tình huống nguy hiểm thường gặp trong quá trình lái xe dẫn đến những ảnh huởng không đáng có. Sau đó, nhóm hướng đến phân tích hoạt động của các hệ thống khi xe gặp phải tình huống trên. Phương pháp nghiên cứu Nhóm nghiên cứu sử dụng 2 phương pháp chính: - Phương pháp phân tích và tổng hợp: phân tích các tài liệu có liên quan đến đề tài và tổng hợp có chọn lọc các nội dung để đưa vào bài báo cáo - Phương pháp phân loại và hệ thống hóa: phân loại các chức năng, cấu tạo, hoạt động của từng hệ thống, hệ thống hóa các nội dung đưa vào để bố cục bài viết được chặt chẽ và hệ thống hơn.
Kết quả cần đạt Để đánh giá một bài nghiên cứu cần dựa trên nhiều yếu tố. Và sau đây là một số kết quả mà nhóm thực hiện mong muốn đạt được: - Hoàn thành bài báo cáo, - Các kiến thức liên quan được tổng hợp đầy đủ trong bài báo cáo, - Có được những hiểu biết nhất định về các hệ thống an toàn trên ô tô sau khi bài báo cáo kết thúc. HỆ THỐNG PHANH CHỐNG BÓ CỨNG (ANTI- LOCK BRAKING SYSTEMS – ABS) 2. Hiện tượng và nguyên nhân gây bó cứng bánh xe khi phanh Khi điều khiển phương tiện di chuyển ở tốc độ cao hoặc đang di chuyển trên mặt đường có hệ số bám thấp (đường mưa trơn trượt hoặc đường đóng băng, tuyết…) và đạp phanh đột ngột, bánh xe sẽ bị hãm cứng không còn quay nữa mà chuyển sang trượt lết trên mặt đường do lực quán tính.
Kết quả là xe vẫn bị trượt về phía trước dù đã đạp phanh. Khi đó quãng đường phanh sẽ kéo dài hơn thông thường và hiệu quả phanh cũng thấp đi. Xe trở nên mất ổn định và người lái gần như không thể kiểm soát được chiếc xe của mình. Đây gọi là hiện tượng bó cứng bánh xe khi phanh.
Để giải thích nguyên nhân gây ra hiện tượng này, đầu tiên ta xét điều kiện để bánh xe không bị trượt lết khi phanh: ! ≤ "!" [2]. Trong đó: ! là lực phanh cực đại ở bánh xe (N) "!" là lực bám giữa bánh xe với mặt đường (N) Theo công thức trên, để bánh xe không bị trượt lết khi phanh thì lực phanh cực đại ở bánh xe phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc. Lực bám dọc " và lực bám ngang " được xác định bằng công thức: !" # "!" = #$. Trong đó: % – phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe (N).
#$ – là hệ số bám giữa bánh xe chủ động đến mặt đường theo phương dọc. & – là hệ số bám giữa bánh xe chủ động đến mặt đường theo phương ngang. Hệ số bám này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu đường, nguyên liệu chế tạo lốp xe, tình trạng và kết cấu mặt đường, tải trọng tác dụng lên xe… Các tính toán động lực học trong quá trình phanh thường sử dụng các hệ số bám được xác định bằng thực nghiệm, bằng cách kéo bánh xe bị hãm cứng và trượt lết hoàn toàn. Trong quá trình phanh ô tô, hệ số bám của bánh xe phụ thuộc rất nhiều vào sự trượt tương đối giữa bánh xe đối với mặt đường.
Dưới đây là đồ thị thực nghiệm mô tả sự thay đổi hệ số bám dọc 3 #$ và hệ số bám ngang & của bánh xe theo độ trượt tương đối giữa bánh xe với mặt đường. Đường cong được chia thành một vùng ổn định và một vùng không ổn định có sự tăng liên tục. Một đường thẳng giả định cho trường hợp phanh khẩn cấp.1: Đặc tính trượt của bánh xe. Trong đó: a – vùng ổn định b – vùng không ổn định α – góc trượt A – bánh xe quay B – bánh xe bị bó cứng Ta có thể thấy, khi tốc độ của xe tăng lên, độ trượt tương đối cũng tăng làm cho hệ số bám dọc #$ giảm.
Khi đó lực bám của bánh xe lên mặt đường "!" cũng giảm xuống, lực phanh sẽ lớn hơn lực bám của bánh xe ! ≥ "!" làm cho các bánh xe bị hãm cứng và trượt lết trên mặt đường, quãng đường phanh tăng lên. Ngoài ra, khi độ trượt tăng cũng làm cho hệ số bám ngang & giảm xuống, dẫn đến việc xe sẽ mất tính ổn định và tính dẫn hướng khi lái. Đến một lúc khi hệ số bám ngang giảm về không, xe sẽ mất hoàn toàn khả năng đánh lái. Xét trường hợp hệ số bám dọc #$ đạt giá trị cực đại, độ trượt lúc này đạt giá trị tối ưu.
Lực phanh khi đó sẽ đạt giá trị cực đại !'() = #$'(). Có thể thấy, khi này hiệu quả phanh cao nhất. Không những vậy, hệ số bám ngang cũng đạt giá trị cao giúp đảm bảo tính dẫn hướng và ổn định hướng của xe. Thông qua thực nghiệm, giá trị cực đại của hệ số bám dọc tương ứng với độ trượt nằm trong khoảng 10 – 30% [4].
4 Vì thế các xe hiện đại được trang bị hệ thống ABS để điều chỉnh độ trượt của xe nằm trong khoảng tối ưu này. Hệ thống này ngăn tình trạng bánh xe bị bó cứng và xe bị mất kiểm soát khi phanh gấp, bằng cách phát hiện các dấu hiệu bó cứng một hay toàn bộ bánh xe và tăng giảm áp suất phanh phù hợp. Đảm bảo sự ổn định khi lái và giảm nguy cơ bánh xe bị trượt lết. Cơ sở lý thuyết về điều hòa lực phanh chống bó cứng trên xe Hình dưới đây cho thấy mối quan hệ giữa moment phanh M B (moment tạo ra bởi phanh thông qua lốp xe) hoặc moment ma sát mặt đường M R (moment tác động lên bánh xe thông qua lực ma sát giữa lốp xe và mặt đường) và thời gian t, cũng như mối liên hệ giữa sự giảm tốc của bánh xe (-a) và thời gian t, nhờ đó mà moment phanh tăng tuyến tính theo thời gian.2: Đồ thị moment phanh của xe ban đầu.
Trong đó: (-a): Độ giảm tốc của bánh xe (-amax): Độ giảm tốc cực đại của bánh xe MB: Moment phanh MR: Moment bám của mặt đường 5 MRmax: Moment bám cực đại T: Thời gian trễ Moment bám của mặt đường trễ hơn so với moment phanh một khoảng thời gian T, miễn là phanh luôn nằm trong khoảng ổn định trên đường cong lực ma sát so với trượt phanh. Sau khoảng 130ms, đường còn đạt đến giá trị µ Hfmax. Từ điểm này, đường cong không đổi trong khi MB vẫn tăng đều, moment ma sát mặt đường M R không thể tăng hơn nữa mà vẫn giữ một giá trị cố định. Trong vùng từ 130ms đến 240ms (khi bánh xe bị bó cứng), chênh lệch moment MB – MR đang ở trong khoảng ổn định tăng cao nhanh chóng.
Sự chênh lệch moment này đo chính xác sự giảm tốc của bánh xe (-a) của bánh xe đang phanh. Trong khoảng ổn định, sự giảm tốc này bị giới hạn ở một giá trị nhỏ, trong khi ở khoảng không ổn định, giá trị tăng nhanh chóng. Do đó, đường cong này cho thấy các điểm đối lập giữa khoảng ổn định với khoảng không ổn định. Và phanh ABS cũng khai thác vào các đặc điểm đối lập này.
Một yếu tố quan trọng trong việc xác định độ hiệu quả của hệ thống điều khiển ABS là lựa chọn các trị số điều chỉnh. Lựa chọn cơ bản nhất là tín hiệu từ cảm biến bánh xe mà ECU tính toán sự tăng/giảm tốc của bánh xe, trượt phanh, tốc độ tham chiếu và sự giảm tốc của xe. Kể cả sự tăng/giảm tốc của bánh xe hay trượt phanh đều có thể làm trị số điều chỉnh, vì khi phanh bánh xe chủ động sẽ có chuyển động hoàn toàn khác so với bánh xe không chủ động. Tuy nhiên, kết hợp tất cả các trị số này một cách hợp lí, ta vẫn có thể thu được một kết quả tốt.
Vì độ trượt phanh không thể đo trực tiếp nên ECU tính toán một đại lượng khác tương ứng với nó. Cơ sở để tính toán là tốc độ tham chiếu, đại diện cho tốc độ ở điều kiện phanh lí tưởng (độ trượt phanh tối ưu).