Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại Việt Nam, xe máy là phương tiện giao thông đường bộ chủ yếu, chiếm hơn 85% tổng số phương tiện đang lưu hành nhờ tính cơ động, linh hoạt và chi phí vận hành phù hợp. Tuy nhiên, theo số liệu từ Ủy ban An toàn Giao thông Quốc gia được trích dẫn trong đồ án, xe máy cũng liên quan trực tiếp đến hơn 70% tổng số vụ tai nạn giao thông đường bộ trên cả nước. Trong điều kiện vận hành khẩn cấp hoặc di chuyển trên các bề mặt đường có hệ số bám thấp (đường trơn trượt, bùn lầy, ẩm ướt), thao tác phanh gấp dễ dẫn đến hiện tượng bánh xe bị hãm cứng (bó cứng), làm mất ma sát bám ngang và gây trượt lết. Đối với xe hai bánh, hiện tượng bó cứng bánh trước khiến người lái mất hoàn toàn khả năng kiểm soát hướng lái; trong khi bó cứng bánh sau dễ gây hiện tượng lạng đuôi xe và trượt ngang, dẫn đến nguy cơ ngã xe và tai nạn nghiêm trọng.

Hệ thống chống bó cứng phanh (Anti-lock Braking System - ABS) là giải pháp an toàn chủ động được ứng dụng nhằm kiểm soát áp suất dầu phanh tác dụng lên các bánh xe, duy trì độ trượt trong vùng tối ưu để ngăn ngừa hiện tượng khóa bánh, bảo đảm tính ổn định hướng và hiệu quả phanh. Dù ABS đã trở thành trang bị tiêu chuẩn phổ biến trên ô tô và một số dòng xe máy cao cấp tại các thị trường phát triển, đa số các dòng xe gắn máy phổ thông tại Việt Nam vẫn chưa được trang bị do chi phí sản xuất và nâng cấp còn cao. Đề tài "Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phanh ABS cho xe gắn máy" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Huỳnh Phi Thắng, Mai Xuân Tùng và Trần Văn Tùng dưới sự hướng dẫn của Th.S Đỗ Phú Ngưu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (năm 2021) nhằm giải quyết bài toán tiếp cận kỹ thuật và kiểm chứng hiệu quả của hệ thống ABS trên mô hình thực nghiệm.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động lực học phanh, hiện tượng trượt lết bánh xe và nguyên lý điều khiển của hệ thống phanh chống bó cứng ABS.
  2. Tính toán các thông số động lực học phanh (mômen phanh yêu cầu, mômen phanh thực tế sinh ra, lực tác dụng tay phanh, hành trình tay phanh, áp suất dầu phanh và các chỉ tiêu gia tốc, quãng đường, thời gian phanh) trên một mẫu xe máy tham chiếu.
  3. Thiết kế, gia công kết cấu khung gá và lắp đặt hoàn thiện mô hình sa bàn hệ thống phanh ABS với đầy đủ các cụm cơ điện tử và thủy lực.
  4. Vận hành thử nghiệm mô hình thực nghiệm, tiến hành đo đạc các thông số về áp suất dầu phanh và thời gian phanh để đánh giá, so sánh hiệu quả phanh giữa hai trạng thái có trang bị và không trang bị hệ thống ABS.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở lý thuyết động lực học phanh xe gắn máy và mô hình thực nghiệm hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán thiết kế cơ cấu phanh trước (phanh đĩa thủy lực), cơ cấu phanh sau (phanh tang trống guốc cam) và lắp đặt bộ chấp hành thủy lực ABS; chế tạo mô hình tĩnh trong phòng thí nghiệm; thực nghiệm đo đạc áp suất dầu và thời gian phanh trong khoảng thời gian nghiên cứu 4 tháng (hoàn thành tháng 06/2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về mặt lý luận, đồ án xây dựng cơ sở tính toán dựa trên các phương trình động lực học chuyển động và quá trình phanh của xe hai bánh:

  • Phương trình cân bằng lực phanh và lực quán tính khi phanh trên đường bằng:

$$P_j = P_p$$

  • Điều kiện bám cực đại giữa bánh xe và mặt đường:

$$P_{p\max} \le P_{\varphi} \le G \cdot \varphi$$

  • Gia tốc chậm dần cực đại khi phanh ($j_{p\max}$), thời gian phanh nhỏ nhất ($t_p$) và quãng đường phanh nhỏ nhất ($S_{p\min}$):

$$j_{p\max} = \frac{\varphi \cdot g}{\delta_i}$$

$$S_{p\min} = \frac{\delta_i}{2 \cdot \varphi \cdot g} (v_1^2 - v_2^2)$$

Trong đó: $\varphi$ là hệ số bám giữa lốp và mặt đường; $g$ là gia tốc trọng trường ($g = 9{,}81 \text{ m/s}^2$); $\delta_i$ là hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay; $v_1, v_2$ lần lượt là vận tốc tại thời điểm bắt đầu và kết thúc phanh.

Nguyên lý điều khiển ABS dựa trên việc kiểm soát hệ số trượt dọc ($\lambda$) của bánh xe quanh vùng giá trị tối ưu ($\lambda = 10% \div 30%$), tương ứng với vùng hệ số bám dọc cực đại ($\varphi_{x\max}$). Chu trình điều chỉnh áp suất dầu của ABS diễn ra theo vòng lặp khép kín với chu kỳ khoảng 0,1 giây (1/10 s) thông qua 3 pha:

  • Pha I (Tăng áp): Áp suất dầu cấp trực tiếp từ xy lanh chính tới xy lanh bánh xe làm tăng mômen phanh.
  • Pha II (Giảm áp): Khi bánh xe có xu hướng bó cứng vượt ngưỡng gia tốc giới hạn, van điện từ đóng đường cấp dầu và mở đường xả về bình tích áp, bơm dầu hồi dầu về xy lanh chính để giảm áp lực phanh.
  • Pha III (Giữ áp): Van điện từ duy trì áp suất dầu trong xy lanh bánh xe không đổi để ổn định vận tốc góc của bánh xe trước khi chuyển sang chu kỳ tiếp theo.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa nghiên cứu lý luận, tính toán giải tích kỹ thuật và thực nghiệm chế tạo:

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Tổng hợp tài liệu chuyên ngành về hệ thống phanh thủy lực và hệ thống ABS trên ô tô, mô tô; phân tích sơ đồ động lực học và các chế độ làm việc của bộ chấp hành thủy lực.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật: Tính toán phân bố tải trọng tĩnh và động tác dụng lên cầu trước và cầu sau khi phanh, xác định mômen phanh yêu cầu, thiết lập thông số hình học đĩa phanh, đường kính xy lanh công tác và áp suất làm việc của dầu phanh.
  • Phương pháp thiết kế, chế tạo thực nghiệm: Cắt, hàn, mài khung sắt để dựng khung giá mô hình; bố trí các cụm chi tiết thực tế gồm tay phanh, xy lanh chính, cụm chấp hành ABS, hộp điều khiển ECU, cảm biến tốc độ bánh xe, đĩa phanh và cụm đo áp suất; chạy thử nghiệm để kiểm chứng tính năng.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các giáo trình, tài liệu chuyên ngành kỹ thuật ô tô, thông số kỹ thuật xe máy thực tế và các dữ liệu đo đạc thực nghiệm trực tiếp từ mô hình sa bàn.

Thiết kế và triển khai mô hình kỹ thuật

Hệ thống phanh ABS được tích hợp trên nền tảng dẫn động phanh thủy lực với cấu trúc phần cứng gồm 3 khối chính:

[Khối cảm biến tốc độ] ---> [Khối điều khiển điện tử (ABS ECU)] ---> [Bộ chấp hành thủy lực (HCU)] ---> [Xy lanh bánh xe]
  1. Cụm tín hiệu đầu vào (Cảm biến tốc độ): Sử dụng cảm biến loại điện từ gá trên đế đĩa phanh, đặt hướng vuông góc với vành răng xung (rotor) gắn đồng trục với bánh xe. Khi vành răng quay cắt qua từ trường của nam châm vĩnh cửu trong cảm biến, cuộn dây xuất hiện sức điện động xoay chiều hình sin với tần số và biên độ tỷ lệ thuận với tốc độ góc của bánh xe (điện áp xung tạo ra biến thiên từ dưới 100 mV ở tốc độ thấp đến trên 100 mV ở tốc độ cao). Khe hở không khí kỹ thuật giữa đầu lõi từ và vành răng được duy trì tiêu chuẩn ở mức 1 mm.
  2. Khối điều khiển điện tử (ABS ECU): Bao gồm 2 vi mạch xử lý chuyên dụng làm việc song song để tiếp nhận tín hiệu tần số xung từ cảm biến, tính toán gia tốc chậm dần và độ trượt bánh xe. Khi phát hiện xu hướng bó cứng, ECU cung cấp tín hiệu điều khiển điện áp 12V tới các van điện từ. Khối ECU tích hợp cơ chế tự chẩn đoán (fail-safe); nếu phát hiện sự cố mạch điện hoặc cảm biến, hệ thống sẽ tự động chuyển sang chế độ phanh thủy lực thông thường.
  3. Bộ chấp hành thủy lực (Hydraulic Control Unit - HCU): Gồm cụm van điện từ (loại 2 vị trí hoặc 3 vị trí) điều khiển đóng/mở các cổng dầu $A$ (đường tới) và $B$ (đường về), motor điện một chiều dẫn động bơm piston 2 buồng độc lập có cam lệch tâm, bình tích năng (bình tích áp thấp) và van một chiều. Ở chế độ giữ áp, cuộn dây van điện từ được cấp dòng điện khoảng 2A để đóng cả cổng $A$ và cổng $B$.
Cụm bộ phận Thông số kỹ thuật / Đặc tính kết cấu Chức năng kỹ thuật
Khung giá mô hình Khung thép hộp hàn gia công, sơn tĩnh điện Định vị các cụm chi tiết phanh, ECU, động cơ dẫn động và đồng hồ đo
Bánh trước tham chiếu Lốp 70/90-17MC 33P, bán kính làm việc $r_{bx1} = 275{,}187 \text{ mm}$ Cơ cấu phanh đĩa thủy lực 2 piston ($d = 25 \text{ mm}$), $R_1=0{,}1\text{m}, R_2=0{,}13\text{m}$
Bánh sau tham chiếu Lốp 80/90-17MC 43P Cơ cấu phanh tang trống guốc cam, bán kính tang trống $r_t = 65 \text{ mm}$
Bộ chấp hành ABS Cụm van điện từ, bơm dầu piston cam lệch tâm, bình tích áp Điều biến áp suất dầu thủy lực (tăng áp, giữ áp, giảm áp)
Cảm biến tốc độ Loại điện từ, khe hở từ tiêu chuẩn $1 \text{ mm}$ Tạo xung điện áp hình sin tỷ lệ với vận tốc góc bánh xe
ABS ECU Mạch vi xử lý kép, nguồn nuôi 12V Xử lý thuật toán chống bó cứng và kích hoạt van điện từ

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về hệ thống phanh và hệ thống ABS

Chương 1 trình bày lịch sử tiến hóa của hệ thống phanh trên xe hai bánh và quá trình hình thành công nghệ phanh chống bó cứng ABS:

  • Lịch sử phanh xe máy: Bắt đầu từ chiếc xe đạp gắn động cơ hơi nước của Michaux-Perreaux (1868) chưa có phanh; đến xe gắn máy của Steffey Motor Motorcycle (1902) sử dụng phanh vành bánh trước làm từ da, cao su hoặc nút chai; phanh tang trống xuất hiện thập niên 1920; phanh đĩa hiện đại điều khiển bằng cáp lần đầu xuất hiện trên Lambretta TV125 Series 3 (1965) và phanh đĩa thủy lực thương mại số lượng lớn trên Honda CB750 (1969).
  • Quá trình phát triển hệ thống ABS: Ứng dụng đầu tiên trên máy bay tại Pháp (1929) và hệ thống Maxaret của Dunlop trên máy bay thương mại thập niên 1960; Chrysler và Bendix giới thiệu hệ thống phanh Sure-Brake 3 kênh điều khiển máy tính năm 1971; Bosch và Daimler-Benz hoàn thiện ABS 4 kênh điện tử trên Mercedes-Benz W116 S-Class (1978); ứng dụng trên mô tô bắt đầu từ BMW K100 LT (1989), Honda ST1100 (1992), Suzuki GSF1200SA (1997), Harley-Davidson (2005) và Yamaha (2006).

Chương 2. Cơ sở lí thuyết

Chương 2 tập trung vào việc mô hình hóa toán học các chỉ tiêu phanh và tính toán chi tiết hệ thống phanh cho một mẫu xe máy tham chiếu cụ thể:

  • Thiết lập thông số hình học và tải trọng xe: Trọng lượng không tải 96 kg, trọng lượng đầy tải 230 kg ($G \approx 2256{,}3 \text{ N}$); chiều dài cơ sở $L = 1200 \text{ mm}$; chiều cao trọng tâm $h_g = 600 \text{ mm}$; khoảng cách từ trọng tâm đến trục trước $a = 700 \text{ mm}$, đến trục sau $b = 500 \text{ mm}$; hệ số bám giả định $\varphi = 0{,}6$; hệ số biến dạng lốp $\lambda = 0{,}93$.
  • Tính toán phản lực pháp tuyến và mômen phanh yêu cầu:
    • Bánh trước: Phản lực pháp tuyến động $Z_1$, lực phanh yêu cầu $P_{p1} = 937{,}58 \text{ N}$, mômen phanh yêu cầu $M_{p1} = 257{,}96 \text{ Nm}$.
    • Bánh sau: Phản lực pháp tuyến động $Z_2$, lực phanh yêu cầu $P_{p2} = 383{,}57 \text{ N}$, mômen phanh yêu cầu $M_{p2} = 105{,}54 \text{ Nm}$.
  • Tính toán khả năng sinh mômen của cơ cấu phanh:
    • Phanh đĩa trước: Sử dụng 2 piston thủy lực đường kính $d = 25 \text{ mm}$ ($0{,}025 \text{ m}$), bán kính đĩa ma sát trong $R_1 = 0{,}1 \text{ m}$, bán kính ngoài $R_2 = 0{,}13 \text{ m}$, hệ số ma sát má phanh $\mu = 0{,}3$.
    • Phanh tang trống sau: Bán kính tang trống $r_t = 65 \text{ mm}$, khoảng cách điểm tỳ $h = 0{,}104 \text{ m}$, hệ số ma sát guốc phanh $\mu = 0{,}3$.

Chương 3. Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống phanh ABS

Chương 3 mô tả chi tiết quá trình gia công cơ khí và lắp ráp các cụm hệ thống lên sa bàn:

  • Chế tạo khung gá: Cắt thép hộp theo kích thước thiết kế, hàn liên kết các thanh giằng chịu lực, mài nhẵn mối hàn và xử lý bề mặt khung.
  • Bố trí và tích hợp thiết bị: Lắp đặt cơ cấu dẫn động tay phanh, xy lanh chính, cụm đĩa phanh và đĩa xung tín hiệu lên trục quay mô phỏng; lắp đặt bộ chấp hành thủy lực HCU; định vị cảm biến tốc độ bảo đảm khe hở từ $1 \text{ mm}$; kết nối đường ống dầu cao áp và hệ thống dây dẫn điện điều khiển nối về ABS ECU.

Chương 4. Kiểm nghiệm

Chương 4 thực hiện các bài thử nghiệm đo đạc các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống phanh trên mô hình:

  • Thiết lập quy trình thử nghiệm: Vận hành động cơ kéo dẫn động bánh xe/đĩa phanh đạt vận tốc quy định, tác động phanh khẩn cấp ở hai trạng thái (không kích hoạt ABS và có kích hoạt ABS).
  • Thu thập dữ liệu: Ghi nhận sự biến thiên của áp suất dầu phanh trong đường ống dẫn động và thời gian phanh từ thời điểm tác động tay phanh đến khi bánh xe dừng quay hoàn toàn; so sánh và đánh giá hiệu quả chống bó cứng bánh xe trên sa bàn thực nghiệm.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật đặt ra và đạt được các kết quả cụ thể:

  1. Kết quả tính toán giải tích hệ thống phanh trên xe tham chiếu:
Đại lượng tính toán Ký hiệu / Đơn vị Giá trị tính toán bánh trước Giá trị tính toán bánh sau
Bán kính làm việc bánh xe $r_{bx}$ (mm) 275,187 —
Lực phanh yêu cầu lớn nhất $P_{p}$ (N) 937,58 383,57
Mômen phanh yêu cầu $M_p$ (Nm) 257,96 105,54
Đường kính / Bán kính cơ cấu $d$ hoặc $r_t$ (mm) $d = 25$ (2 piston đĩa) $r_t = 65$ (tang trống)
Hệ số ma sát bề mặt công tác $\mu$ 0,30 0,30
  1. Kết quả chế tạo và thử nghiệm thực tế:
  • Hoàn thiện mô hình sa bàn hệ thống phanh ABS hoạt động ổn định, thể hiện trực quan các pha tăng áp, giảm áp và giữ áp của bộ chấp hành thủy lực khi phanh gấp.
  • Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy khi hệ thống ABS hoạt động, áp suất dầu phanh được điều biến nhấp nhả tự động, loại bỏ trạng thái khóa cứng đĩa phanh đột ngột và tối ưu hóa thời gian phanh so với trạng thái phanh thường.

Đóng góp của đề tài thể hiện ở việc cụ thể hóa lý thuyết điều khiển ABS vào một mô hình thực hành vật lý hoàn chỉnh, cung cấp tài liệu kỹ thuật có phương pháp tính toán rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành động lực trong việc nghiên cứu trang bị an toàn chủ động cho xe hai bánh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Mô hình được nghiên cứu và chế tạo trong phạm vi 4 tháng, chủ yếu vận hành dạng sa bàn tĩnh mô phỏng cơ cấu chấp hành trong phòng thí nghiệm; chưa được thử nghiệm thực tế trên xe chạy ngoài đường với các điều kiện tải trọng, gia tốc và chất lượng mặt đường đa dạng.
  • Khối điều khiển điện tử ECU và bộ chấp hành sử dụng các linh kiện tiêu chuẩn có sẵn, chưa can thiệp sâu vào việc lập trình viết lại thuật toán nhúng trực tiếp trên vi điều khiển.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại (như điều khiển mờ - Fuzzy Logic Control, điều khiển tối ưu thông minh) vào chương trình vi xử lý của ECU để tăng độ nhạy và tính thích nghi của hệ thống.
  • Chế tạo và thử nghiệm hệ thống ABS hoàn chỉnh trên xe gắn máy thực tế trong điều kiện đường chạy thực tế tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực tham khảo trong các môn học: Lý thuyết Ô tô - Xe chuyên dùng, Hệ thống Điều khiển Điện tử trên Ô tô/Xe máy, và Học phần Đồ án tốt nghiệp động lực.
  • Sinh viên thực hiện các đề tài nghiên cứu khoa học, đồ án thiết kế mô hình dạy học và thiết bị thực tập chuyên ngành cơ khí - điện tử.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất bao gồm: Phương pháp thiết lập phương trình động lực học phanh và phân bố lực phanh hai cầu; công thức xác định mômen phanh của cơ cấu phanh đĩa thủy lực 2 piston và phanh tang trống guốc cam; sơ đồ nguyên lý 3 pha làm việc của bộ chấp hành thủy lực ABS.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao lực phanh yêu cầu ở bánh trước (937,58 N) lại lớn hơn nhiều so với bánh sau (383,57 N)?

Trong quá trình phanh, lực quán tính $P_j$ hướng về phía trước tạo ra mômen quay quanh điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường, làm tải trọng của xe bị dồn mạnh về cầu trước (tăng phản lực pháp tuyến $Z_1$) và giảm tải trọng ở cầu sau (giảm $Z_2$). Do lực bám cực đại tỷ lệ thuận với phản lực pháp tuyến ($P_{\varphi} = \varphi \cdot Z$), bánh trước có khả năng bám đường cao hơn và cần mômen phanh lớn hơn để đạt hiệu quả giảm tốc tối đa.

2. Cảm biến tốc độ trên mô hình phanh ABS hoạt động theo nguyên lý nào và yêu cầu khe hở lắp đặt là bao nhiêu?

Hệ thống sử dụng cảm biến tốc độ loại điện từ gồm nam châm vĩnh cửu và cuộn dây quấn quanh lõi từ. Khi vành răng xung (rotor) quay cùng bánh xe cắt qua từ trường, từ thông biến thiên tạo ra suất điện động xoay chiều dạng hình sin gửi về ECU. Khoảng cách khe hở không khí giữa đầu lõi từ và đỉnh răng của vành xung bắt buộc phải đạt giá trị tiêu chuẩn khoảng 1 mm để tín hiệu xung điện áp không bị sai lệch.

3. Tần số và thời gian của một chu kỳ điều khiển ABS diễn ra như thế nào?

Theo cơ sở lý thuyết của đồ án, một chu kỳ điều khiển hoàn chỉnh của ABS (gồm chuỗi pha tăng áp, giảm áp và giữ áp) diễn ra trong khoảng 0,1 giây (1/10 s). Tần số điều biến áp suất nhanh này tương đương với thao tác nhấp nhả phanh liên tục của người lái nhưng đạt độ chính xác và tốc độ phản hồi cao hơn nhiều lần.

4. Hệ thống ABS xử lý như thế nào khi phát hiện có sự cố ở cảm biến hoặc đường dây điện?

Khối điều khiển điện tử ABS ECU được tích hợp chức năng tự chẩn đoán. Khi phát hiện tín hiệu bất thường hoặc lỗi phần cứng (như mất tín hiệu cảm biến, đứt dây, lỗi van), ECU sẽ ngắt tín hiệu điều khiển van điện từ và tự động đưa hệ thống về trạng thái làm việc như phanh thủy lực thông thường, đảm bảo xe vẫn có khả năng giảm tốc an toàn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phanh ABS cho xe gắn máy" đã giải quyết thành công các bài toán động lực học phanh, tính toán kết cấu phanh đĩa trước và phanh tang trống sau trên mẫu xe tham chiếu có tổng khối lượng 230 kg. Nhóm tác giả đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình sa bàn thực nghiệm tích hợp đầy đủ cảm biến điện từ, bộ chấp hành thủy lực và ECU điều khiển. Kết quả thử nghiệm trên mô hình khẳng định tính hiệu quả của cơ chế điều biến áp suất 3 pha trong việc chống bó cứng bánh xe, rút ngắn thời gian phanh và nâng cao độ an toàn cho phương tiện. Đề tài cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cho công tác đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và nghiên cứu ứng dụng phanh an toàn trên xe hai bánh.