Nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô hình hệ thống phanh ABS trên ô tô

Đồ án tốt nghiệp hệ thống phanh ABS. Tổng quan lý thuyết, cấu tạo, nguyên lý và hướng dẫn thiết kế, thi công mô hình phanh ABS trên ô tô.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Minh
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Thình
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên cứu lý thuyết, thực hiện mô hình hệ thống phanh ABS trên ô tô đời mới
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phanh ABS trên ô tô đời mới

Hệ thống phanh ABS (Anti-lock Braking System) là công nghệ an toàn quan trọng trên các ô tô đời mới, giúp ngăn chặn bánh xe bị khóa khi phanh gấp. Đây là một hệ thống phanh tiên tiến được phát triển để cải thiện độ an toàn và khả năng kiểm soát hướng của xe khi phanh khẩn cấp. Hệ thống ABS hoạt động bằng cách giám sát tốc độ quay của từng bánh xe thông qua các cảm biến, sau đó điều chỉnh áp lực phanh một cách tự động để duy trì lực kéo tối ưu giữa lốp và mặt đường. Công nghệ này đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trên hầu hết các xe hiện đại vì khả năng giảm quãng đường phanh, cải thiện ổn định hướng và ngăn ngừa tình trạng trượt nguy hiểm. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cấu tạo của phanh ABS là rất cần thiết cho các kỹ sư ô tô và những người quan tâm đến an toàn giao thông.

1.1. Khái niệm và mục đích của hệ thống phanh ABS

Phanh ABS là hệ thống ngăn chặn bánh xe bị khóa hoàn toàn khi phanh, duy trì khả năng lái xe và rút ngắn quãng đường dừng. Mục đích chính của hệ thống này là nâng cao an toàn giao thông bằng cách cho phép lái xe duy trì kiểm soát hướng ngay cả trong tình huống phanh khẩn cấp. Hệ thống phanh ABS giúp giảm nguy cơ trượt, mất ổn định hướng và bảo vệ hành khách khỏi các tai nạn giao thông.

1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ ABS

Công nghệ phanh ABS được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1930 cho máy bay, sau đó được áp dụng vào ô tô từ những năm 1970. Những hệ thống ABS ban đầu khá đơn sơ và chỉ được trang bị trên các mẫu xe cao cấp. Đến những năm 1990, công nghệ này đã được cải tiến đáng kể và trở thành tiêu chuẩn trên hầu hết các xe hạng C trở lên. Hiện nay, hệ thống phanh ABS là một trong những trang bị an toàn bắt buộc trên mọi loại xe ô tô.

II. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS

Hệ thống phanh ABS bao gồm các thành phần chính như cảm biến tốc độ bánh xe, khối điều khiển điện tử (ECU), các van điều khiển solenoid và bộ chấp hành thủy lực. Các cảm biến tốc độ được gắn trên từng bánh xe để giám sát tốc độ quay liên tục. Khối ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến, phân tích dữ liệu và quyết định khi nào cần can thiệp. Các van solenoid điều khiển dòng chất lỏng phanh theo lệnh từ ECU. Khi phanh bình thường, hệ thống ABS không can thiệp. Tuy nhiên, khi phát hiện bánh xe sắp bị khóa, hệ thống sẽ tự động giảm áp lực phanh để duy trì lực kéo tối ưu. Quá trình này lặp lại hàng chục lần mỗi giây, tạo ra hiệu ứng phanh liên tục nhằm đạt được hiệu quả phanh tốt nhất.

2.1. Các thành phần cấu tạo hệ thống ABS

Hệ thống ABS gồm: (1) Cảm biến tốc độ bánh xe - đo tốc độ quay của lốp; (2) Khối ECU - bộ não điều khiển hệ thống; (3) Van solenoid - điều khiển áp lực chất lỏng phanh; (4) Bộ chấp hành thủy lực - thực hiện lệnh từ ECU. Mỗi thành phần đều quan trọng để đảm bảo hệ thống phanh ABS hoạt động hiệu quả.

2.2. Quy trình hoạt động của ABS khi phanh gấp

Khi lái xe đạp phanh gấp, các cảm biến tốc độ liên tục gửi thông tin đến ECU. Nếu phát hiện bánh xe bị khóa, hệ thống ABS sẽ giảm áp lực phanh một chút, sau đó tăng lại. Chu kỳ này lặp lại hàng chục lần/giây. Quá trình phanh ABS cho phép lốp duy trì độ bám và giúp lái xe kiểm soát hướng tốt hơn trong tình huống khẩn cấp.

III. Thiết kế và mô hình thực hành hệ thống phanh ABS

Mô hình hệ thống phanh ABS được thiết kế nhằm mục đích giáo dục và nghiên cứu, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS thực tế. Mô hình này sử dụng các phần mềm chuyên dụng như SolidWorks để thiết kế 3D và Arduino để lập trình điều khiển. Mô hình phanh ABS được trang bị các cảm biến tốc độ, động cơ điện, màn hình LCD và các van solenoid thu nhỏ. Những thành phần này được kết nối với khối điều khiển ECU để mô phỏng hoạt động của hệ thống thực. Bằng cách sử dụng mô hình thực hành, sinh viên có thể quan sát trực tiếp cách hệ thống ABS điều chỉnh áp lực phanh và duy trì ổn định. Mô hình này cũng cho phép thực hiện các bài tập đo đạc, kiểm tra lỗi và xóa lỗi cảm biến.

3.1. Công cụ phần mềm dùng trong thiết kế mô hình ABS

SolidWorks được sử dụng để thiết kế 3D các bộ phận của mô hình, từ khung xe đến các chi tiết nhỏ. Arduino là nền tảng lập trình điều khiển cho hệ thống ABS mô hình, cho phép lập trình các thuật toán điều khiển. Kết hợp SolidWorks và Arduino, đội ngũ có thể tạo ra một mô hình ABS chức năng đầy đủ.

3.2. Thiết bị điện tử chính trong mô hình thực hành

Mô hình ABS được trang bị: Motor Encoder GA25-371 (12V, 977RPM), màn hình LCD 1602 với I2C, mạch điều khiển tốc độ 3A, hộp ECU ABS Lexus RX300, bộ chấp hành ABS, cảm biến tốc độ với vòng răng cảm biến, relay motor và relay solenoid. Các thiết bị này hoạt động phối hợp để tái hiện hoàn toàn quá trình phanh ABS trên xe thực.

IV. Các bài tập thực hành và ứng dụng của mô hình ABS

Các bài tập thực hành trên mô hình hệ thống phanh ABS giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng liên quan đến hệ thống này. Những bài tập bao gồm đo kiểm các thông số điện của hệ thống, chẩn đoán lỗi cảm biến, thử nghiệm hoạt động các van solenoid và relay. Mô hình thực hành cho phép sinh viên thực hiện các công việc như ngắt pan tạo lỗi cảm biến, xóa lỗi từ hộp ECU, đo điện áp tại các chân kết nối và kiểm tra điện trở của các cuộn dây. Các bài tập này không chỉ giúp hiểu rõ hệ thống ABS mà còn phát triển kỹ năng chẩn đoán và sửa chữa của sinh viên. Ứng dụng thực tế của mô hình ABS rất rộng, từ giáo dục kỹ thuật ô tô đến nghiên cứu cải tiến hệ thống phanh.

4.1. Các phương pháp đo kiểm trên mô hình ABS

Đo kiểm mô hình ABS bao gồm: đo điện trở giữa các cảm biến tốc độ, đo điện trở các van solenoid, đo điện trở cuộn dây relay, và đo điện áp tại các chân của hộp ECU. Những phép đo này giúp xác định tình trạng hoạt động của hệ thống ABS và phát hiện các lỗi tiềm ẩn trước khi chúng gây ra sự cố.

4.2. Chẩn đoán lỗi và xóa lỗi trên mô hình

Chẩn đoán lỗi ABS bao gồm việc ngắt pan cảm biến để tạo lỗi và quan sát phản ứng của hệ thống. Sinh viên học cách sử dụng thiết bị chẩn đoán để đọc mã lỗi từ hộp ECU, sau đó sửa chữa sự cố và xóa lỗi. Kỹ năng này rất thiết thực cho công việc bảo dưỡng và sửa chữa ô tô chuyên nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ 1. Công dụng, phân loại và yêu cầu 1. Công dụng Hệ thống phanh của ô tô dùng để giảm tốc độ chuyển động của xe hoặc dừng xe khẩn cấp. Hệ thống phanh còn giữ cho xe đỗ an toàn, không bị trôi trên đường, kể cả trên dốc.

Đối với ô tô, hệ thống phanh là một trong những cụm quan trọng nhất. Nhờ có hệ thống phanh mà người lái có thể chạy xe an toàn ở tốc độ cao, do đó nâng cao năng suất vận chuyển và hiệu quả xe. Trên xe thường bố trí hai hệ thống phanh hoạt động độc lập là phanh chân (điều khiển bàn đạp bằng chân) và phanh tay (điều khiển cần kéo phanh bằng tay). Phanh tay thường có cơ cấu hãm cần kéo phanh cho phép duy trì sự hãm xe mà không cần phải giữ cần phanh khi kéo, phanh chân chỉ hoạt động khi đạp chân lên bàn đạp phanh, nhả chân ra khỏi bàn đạp là nhả phanh.

Phanh chân thường dùng cơ cấu hãm bánh xe, phanh tay dừng dùng cơ cấu hãm trục chuyển động. Phân loại • Theo công dụng: - Hệ thống phanh chính (phanh chân). - Hệ thống phanh dừng (phanh tay). • Theo dẫn động phanh: - Hệ thống phanh dẫn động cơ khí.

- Hệ thống phanh dẫn động thủy lực. - Hệ thống phanh dẫn động khí nén. - Hệ thống phanh dẫn động thủy khí. • Theo cơ cấu phanh: - Phanh tang trống – thường dùng trên ô tô khách, ô tô tải trung bình và lớn.

- Phanh dĩa – thường dùng trên ô tô du lịch nhỏ. 4 - Phanh dải – dùng trong hệ thống phanh truyền lực. • Theo trợ lực phanh: - Trợ lực phanh chân không. - Trợ lực phanh khí nén.

- Trợ lực phanh thủy lực. Yêu cầu của hệ thống phanh Để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả khi phanh cần đảm bảo các yêu cầu chính sau: - Làm việc bền vững, tin cậy. - Có hiệu quả phanh cao khi phanh đột ngột với cường độ lớn trong trường hợp nguy hiểm. - Phanh êm dịu trong những trường hợp khác, để đảm bảo tiện nghi và an toàn cho hành khách và hàng hoá.

- Giữ cho ô tô máy kéo đứng yên khi cần thiết, trong thời gian không hạn chế. - Đảm bảo tính ổn định và điều khiển của ô tô máy kéo khi phanh. - Không có hiện tượng tự phanh khi các bánh xe dịch chuyển thẳng đứng và khi quay vòng. - Hệ số ma sát giữa má phanh với trống phanh cao và ổn định trong mọi điều kiện sử dụng.

- Có khả năng thoát nhiệt tốt. - Điều khiển nhẹ nhàng thuận tiện, lực cần thiết tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển nhỏ. - Để có độ tin cậy cao, đảm bảo an toàn chuyển động trong mọi trường hợp, hệ thống phanh của ô tô máy kéo bao giờ cũng phải có tối thiểu ba loại phanh là: + Phanh làm việc (Phanh chính- Phanh chân): được sử dụng thường xuyên ở tất cả mọi chế độ chuyển động. 5 + Phanh dự trữ: Dùng để phanh ô tô máy kéo trong trường hợp phanh chính hỏng.

+ Phanh dừng (Phanh phụ- Phanh tay): dùng để giữ cho ô tô máy kéo đứng yên tại chỗ khi dừng xe hoặc khi không làm việc. Ngoài ra còn có phanh chậm dần: Trên các ô tô máy kéo tải trọng lớn (như xe tải trọng lượng toàn bộ lớn hơn 12 tấn, xe khách lớn hơn 5 tấn) hoặc làm việc ở vùng đồi núi, thường xuyên phải chuyển động lên xuống các dốc dài còn phải có loại phanh thứ tư là phanh chậm dần, dùng để phanh liên tục, giữ cho tốc độ của ô tô máy kéo không tăng quá giới hạn cho phép khi xuống dốc để giảm dần tốc độ của ô tô máy kéo trước khi dừng hẳn. Cơ sở đánh giá chất lượng của một hệ thống phanh trên ô tô Các tiêu chí đánh giá hiệu quả của một hệ thống phanh bao gồm: gia tốc chậm dần khi phanh, thời gian phanh, quãng đường phanh, lực phanh và lực phanh riêng. Gia tốc chậm dần khi phanh Gia tốc chậm dần đều khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh và là đại lượng đặc trưng cho mức độ giảm tốc độ của ôtô trong quá trình phanh.

Khi phân tích các lực tác dụng lên ôtô, có thể viết phương trình cân bằng lực kéo khi phanh ôtô như sau: Pj = Pp  Pf + P + P  Pi (2.1) Trong đó: Pj: Lực quán tính sinh ra khi phanh ôtô. PP: Lực phanh sinh ra ở các bánh xe. Pf: Lực cản lăn. Pω: Lực cản không khí.

Pi: Lực cản lên dốc. Pη: Lực để thắng tiêu hao ω cho ma sát cơ khí. Theo điều kiện bám nên ta có Ppmax < P  <G  nên ta có:  i .2) g 6 Trong đó: δj: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các trọng khối quay của ô tô Jpmax: Gia tốc chậm dần khi phanh g: Gia tốc trọng trường Từ biểu thức (2.2) có thể xác định gia tốc chậm dần cực đại khi phanh:  .3) j Nhận xét: Để tăng gia tốc chậm dần khi phanh cần phải giảm hệ số  j và tăng  .Vì vậy khi phanh đột ngột người lái cần tắt ly hợp để tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực lức đó δj sẽ giảm còn Jpmax tăng. Gia tốc chậm dần cực đại khi phanh còn phụ thuộc vào hệ số bám  của lốp với mặt đường (mà giá trị của hệ số bám lớn nhất  max =0.8 trên đường nhựa tốt).

Thời gian phanh Thời gian phanh là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh. Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt. Trong trường hợp tổng quát ta có: v1 dv tp =  (2.4) j v2 p j Trong trường hợp phanh khẩn cấp: dt =  dv (2.5) g Muốn xác định thời gian phanh nhỏ nhất chỉ cần tích phân dt trong giới hạn từ thời điểm ứng với vận tốc ban đầu v1 tới thời điểm ứng với v2 ở cuối quá trình phanh. Khi ô tô phanh đến lúc dừng hẳn thì v2= 0, do đó: v .6) 7 Trong đó: v1 - vận tốc của xe tại thời điểm bắt đầu phanh, v2 - vận tốc của xe tại thời điểm kết thúc phanh.

Từ biểu thức (2.6) ta thấy rằng thời gian phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc bắt đầu phanh của ôtô, phụ thuộc vào hệ số δj và hệ số bám ϕ giữa bánh xe với mặt đường. Để thời gian phanh nhỏ cần giảm δj, vì vậy người lái xe cần cắt ly hợp khi phanh. Quãng đường phanh Quãng đường phanh (Sp) là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng phanh của ôtô. Vì vậy trong tính năng kỹ thuật của ô tô, các nhà chế tạo cho biết quãng đường phanh của ô tô ứng với vận tốc bắt đầu phanh đã định.

So với các chỉ tiêu khác thì quãng đường phanh là chỉ tiêu mà người lái xe có thể nhận thức được một cách trực quan, dễ dàng tạo điều kiện cho người lái xe xử lý tốt trong khi phanh ôtô trên đường. Để xác định quãng đường phanh nhỏ nhất, có thể sử dụng biểu thức sau: dv   g j p.7) dt j Rồi nhân cả 2 vế phương trình trên với dSp ta có: j j  (v12 − v22 ) v1 S p min =   v  dv = (2.8) v2 g 2  g Khi phanh ôtô đến dừng hẳn thì v2 = 0, ta có: j S p min =  v12 (2.9) 2  g Từ biểu thức trên ta thấy quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào: - Vận tốc chuyển động của ôtô lúc bắt đầu phanh v1. - Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay δj. 8 Spmin phụ thuộc vào trọng lượng toàn bộ của ôtô.

Ta có đồ thị thể hiện sự thay đổi của quãng đường phanh nhỏ nhất theo vận tốc bắt đầu phanh v1 và theo giá trị hệ số bám như sau: Sp [ m] 120 80 40 0 5,5 11,1 16,6 22,2 v1 [m/s] Hình 1. Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo v1 và hệ số bám Từ đồ thị thấy rằng: Ở vận tốc bắt đầu phanh v1 càng cao thì quãng đường phanh S càng lớn vì quãng đường phanh phụ thuộc bậc 2 vào v1 và hệ số bám càng cao thì quãng đường phanh S càng giảm. Lực phanh và lực phanh riêng (Fpr) Lực phanh và lực phanh riêng cũng là chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh. Chỉ tiêu này được dùng thuận lợi nhất là khi thử phanh ôtô trên bệ thử.

Lực phanh sinh ra ở bánh xe được xác định theo biểu thức sau: Mp Pp = r b (2.10) Trong đó: Pp là lực phanh của ôtô. Mp là mô men của các cơ cấu phanh. rb là bán kính làm việc trung bình của bánh xe. Lực phanh riêng P lớn nhất khi lực phanh Pp cực đại: Pp max  G Pp max = = = (2.11) G G 9 Khi đánh giá chất lượng phanh của ôtô có thể sử dụng một trong bốn chỉ tiêu trên.

Trong đó quãng đường phanh là đặc trưng nhất, vì nó cho phép người lái hình dung được vị trí xe sẽ dừng trước một chướng ngại vật mà họ phải xử lý để tránh khỏi xẩy ra tai nạn khi người lái phanh ở một vị trí nào đấy. Do đó chỉ tiêu này thường dùng để đánh giá hiệu quả tác động của phanh. Lực phanh và lực phanh riêng thuận lợi khi đánh giá chất lượng phanh trên bệ thử. Tính ổn định hướng ô tô khi phanh Trong thực tế, cuối quá trình phanh thì trục dọc của ô tô có thể bị lệch đi một góc  so với hướng chuyển động ban đầu trục X (Hình 1.

Nguyên nhân là do tổng lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên phải khác với tổng lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên trái và tạo ra momen quay vòng Mq quanh trục thẳng đứng Z đi qua trọng tâm của ô tô. Nếu góc lệch  quá lớn sẽ ảnh hưởng đến an toàn chuyển động trên đường. Như vậy, tính ổn định hướng của ô tô khi phanh là khả năng ô tô giữ được quỹ đạo chuyển động như ý muốn của người điều khiển trong quá trình phanh. Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh mà ô tô bị quay góc β Khi phanh mà ôtô bị quay đi một góc quá mức quy định sẽ ảnh hưởng đến an toàn chuyển động trên đường.

Vậy tính ổn đinh khi phanh là khả năng ôtô giữ được quỹ đạo chuyển động như ý muốn của người lái trong quá trình phanh. Giả sử ôtô chuyển động theo hướng trục X nhưng sau khi phanh ôtô bị lệch đi một góc .