Nghiên cứu và thi công hệ thống điều khiển mô hình phanh ABS (Đồ án tốt nghiệp)

Tài liệu đồ án tốt nghiệp hệ thống phanh ABS. Trình bày chi tiết quá trình nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình điều khiển thực tế, đầy đủ.

• Tác giả: Hoàng Lê Chí Thịnh
• Người hướng dẫn: Th.S. Thái Huy Phát
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu thi công hệ thống điều khiển mô hình phanh ABS
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Tốt Nghiệp Hệ Thống Phanh ABS

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu và thi công mô hình phanh ABS là một dự án khoa học quan trọng được thực hiện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM, Khoa Cơ Khí Động Lực. Đây là bước đầu tiên để các sinh viên kỹ sư áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật. Hệ thống phanh ABS (Anti-lock Braking System) là một công nghệ tiên tiến trong ngành ô tô hiện đại, giúp cải thiện độ an toàn và hiệu suất động lực của phương tiện. Mục đích chính của đồ án là thiết kế, thi công và kiểm tra một mô hình hoạt động của hệ thống điều khiển phanh ABS, từ đó giúp sinh viên hiểu sâu hơn về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng thực tế của công nghệ này trong lĩnh vực giao thông vận tải.

1.1. Lý Do Chọn Đề Tài Nghiên Cứu

Phanh ABS là hệ thống an toàn không thể thiếu trên các xe ô tô hiện đại. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống này giúp các kỹ sư tương lai nắm vững kiến thức chuyên ngành. Trang thiết bị thực hành còn hạn chế khiến sinh viên khó tiếp xúc trực tiếp với các thiết bị thực tế, do đó xây dựng một mô hình phanh ABS là giải pháp hữu ích để học tập và nghiên cứu.

1.2. Mục Đích Và Phạm Vi Nghiên Cứu

Mục đích chính là thiết kế và thi công một mô hình phanh ABS hoàn chỉnh, có khả năng mô phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển phanh trên ô tô thực tế. Phạm vi nghiên cứu bao gồm: phân tích lý thuyết hệ thống phanh, nguyên lý hoạt động của ABS, thiết kế cấu trúc mô hình, lắp ráp và kiểm tra các bộ phận, đồng thời hướng dẫn sử dụng và chẩn đoán hỏng hóc trên mô hình.

II. Hệ Thống Phanh ABS Trên Ô Tô Khái Niệm Và Nguyên Lý

Hệ thống phanh ABS (Anti-lock Braking System) là một công nghệ điều khiển tự động nhằm ngăn chặn bánh xe bị khóa khi phanh gấp trên những bề mặt có độ bám thấp. ABS hoạt động bằng cách điều chỉnh áp lực phanh liên tục để duy trì độ bám của lốp xe với mặt đường, giúp tài xế kiểm soát xe tốt hơn và rút ngắn quãng đường phanh. Khác biệt giữa hệ thống phanh có ABS và không có ABS là ở khả năng phòng chống bánh xe khóa cứng. Khi phanh bình thường, ABS không can thiệp; khi phanh gấp, các cảm biến tốc độ phát hiện bánh sắp bị khóa, khi đó ECU của ABS sẽ điều khiển bộ chấp hành để giảm áp lực phanh một cách chu kỳ, giúp bánh xe duy trì lực bám tối ưu.

2.1. Cấu Tạo Và Cơ Sở Phát Triển ABS

Hệ thống ABS bao gồm các thành phần chính: cảm biến tốc độ, ECU (bộ điều khiển), bộ chấp hành, bầu trợ lực chân không, xy-lanh phanh chính và cơ cấu phanh tang trống. Sự phát triển của ABS xuất phát từ nhu cầu nâng cao an toàn giao thông, đặc biệt là trên các điều kiện đường xấu. Công nghệ này được áp dụng rộng rãi từ những năm 1970 và đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trên nhiều xe hạng cao.

2.2. Nguyên Lý Hoạt Động Của ABS

Khi phanh bình thường, hệ thống ABS không hoạt động, tín hiệu cảm biến được giám sát nhưng không can thiệp. Khi phanh gấp, các cảm biến tốc độ liên tục theo dõi vận tốc của từng bánh xe. Nếu một bánh sắp bị khóa (tốc độ giảm quá nhanh), ECU lập tức phát lệnh cho bộ chấp hành giảm áp lực phanh tạm thời, cho phép bánh quay trở lại. Quá trình này lặp lại hàng trăm lần mỗi giây, tạo cảm giác xung động ở bàn đạp phanh.

III. Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Hệ Thống Phanh ABS

Thi công mô hình phanh ABS yêu cầu kế hoạch chi tiết từ khâu thiết kế đến lắp ráp. Phương án thiết kế được xây dựng dựa trên nguyên lý hoạt động thực tế của ABS, nhưng được đơn giản hóa để phù hợp với điều kiện thực hành tại trường. Mô hình bao gồm các cụm chính: cơ cấu điều khiển cảm biến tốc độ, hệ thống dẫn động thủy lực, bộ phận hiển thị trạng thái hoạt động, và ECU điều khiển. Trước khi tiến hành thi công, cần chuẩn bị kỹ lưỡng các trang thiết bị, dụng cụ, và lựa chọn vật liệu phù hợp. Qui trình thi công bao gồm: chuẩn bị các bộ phận, gia công cơ khí nếu cần, lắp ráp khung chính, lắp đặt các thiết bị điều khiển, đấu nối hệ thống thủy lực, kiểm tra kỹ thuật và chạy thử nghiệm.

3.1. Phương Án Thiết Kế Mô Hình

Ý tưởng thiết kế dựa trên mô hình đơn giản hóa của hệ thống phanh ABS thực tế. Mô hình được thiết kế với khả năng mô phỏng các chức năng chính: phát hiện tốc độ bánh xe, phát hiện tình huống phanh gấp, điều khiển áp lực phanh. Các bộ phận được chọn lựa sao cho dễ quan sát hoạt động, giúp người học hiểu rõ từng bước của quá trình điều khiển ABS.

3.2. Qui Trình Thi Công Và Lắp Ráp

Qui trình thi công bắt đầu bằng chuẩn bị không gian làm việc và kiểm tra đủ dụng cụ, thiết bị. Tiếp theo là gia công các bộ phận cơ khí (nếu cần), lắp đặt khung chính, gắn các thiết bị điều khiển lên mô hình. Sau đó, thực hiện đấu nối hệ thống thủy lực, kiểm tra tính kín và áp suất. Cuối cùng, lắp đặt hệ thống điện-điện tử, cảm biến, và tiến hành kiểm tra toàn bộ trước khi chạy thử.

IV. Hướng Dẫn Sử Dụng Mô Hình Và Phương Pháp Chẩn Đoán

Sau khi thi công hoàn tất, mô hình phanh ABS cần được sử dụng đúng cách để đạt hiệu quả giảng dạy tối đa. Trước khi khởi động, cần thực hiện kiểm tra sơ bộ: kiểm tra mức dầu phanh, kiểm tra hệ thống điện, kiểm tra các đấu nối. Trong quá trình sử dụng, theo dõi đèn báo ABS trên mô hình và quan sát các thông số hiển thị. Để chẩn đoán hỏng hóc trên hệ thống phanh ABS, sử dụng các thiết bị kiểm tra chuyên dụng như bộ chẩn đoán ABS, đồng hồ đo áp lực, và thiết bị đo tín hiệu cảm biến. Phương pháp chẩn đoán bao gồm kiểm tra chức năng ban đầu, kiểm tra đèn báo ABS, đo tín hiệu cảm biến tốc độ, và kiểm tra bộ phận chấp hành để xác định nguyên nhân lỗi.

4.1. Các Bước Sử Dụng Và Vận Hành Mô Hình

Bước 1: Kiểm tra sơ bộ tất cả các hệ thống trước khi khởi động. Bước 2: Khởi động mô hình theo đúng thứ tự: kích hoạt nguồn điện, kiểm tra ECU phản ứng. Bước 3: Mô phỏng tình huống phanh bình thường để quan sát hệ thống ABS không hoạt động. Bước 4: Mô phỏng tình huống phanh gấp để quan sát ABS hoạt động, phát hiện sự thay đổi áp lực và tín hiệu cảm biến.

4.2. Phương Pháp Kiểm Tra Và Chẩn Đoán Hỏng Hóc

Kiểm tra hệ thống chẩn đoán bao gồm: (1) Kiểm tra chức năng ban đầu - kiểm tra xem ECU hoạt động bình thường; (2) Kiểm tra tín hiệu cảm biến - đo điện áp và tần số từ cảm biến tốc độ; (3) Kiểm tra bộ phận chấp hành - kiểm tra phản ứng khi nhận lệnh từ ECU; (4) Kiểm tra đèn báo ABS - đảm bảo sáng khi hệ thống hoạt động. Sử dụng dụng cụ chẩn đoán chuyên dụng để đọc mã lỗi và xác định sự cố chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Lý do chọn đề tài. Nền công nghiệp ô tô ngày càng phát triển mạnh, số lượng ô tô ngày càng nhiều, mật độ ô tô ngày càng nhiều. Vì vậy một chiếc xe phải có nhiều tiêu chuẩn như: kiểu dáng đẹp, tính năng kinh tế, khả năng vận hành, các hệ thống tiện nghi và đặc biệt là các hệ thống an toàn bảo vệ ô tô và hành khách ngồi trên ô tô.

Hệ thống phanh là một hệ thống an toàn chủ động quan trọng trên ô tô, dùng để giảm tốc hay dừng hay đỗ ô tô trong những trường hợp cần thiết. Chất lượng của một hệ thống phanh trên ô tô được đánh giá qua hiệu quả phanh bao gồm: quãng đường phanh, gia tốc chậm dần khi phanh, thời gian và lực phanh. Bên cạnh đó phải đảm bảo sự ổn định của ô tô trong quá trình phanh. Hệ thống ABS (Anti-lock Braking Systen) là hệ thống ra đời để giải quyết vấn đề trên giúp tăng hiệu quả phanh và tính ổn định của ô tô khi phanh Nhận thấy hệ thống phanh ABS là hệ thống quan trọng yêu cầu nhiều kỹ thuật cũng như kỹ năng và hiểu biết nên chúng em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thi công hê ̣ thố ng điề u khiể n mô hình phanh ABS” Mô hình thể hiện được cấu tạo các bộ phanh trên hệ thống cũng như quá trình điều khiển của một hệ thống ABS trên xe thực tế.

Mục đích nghiên cứu. Hệ thống phanh trên ô tô là một trong những hệ thống phải làm việc thường xuyên trên ô tô. Nó đảm bảo tính năng an toàn và khả năng vận hành trên ô tô nên phải đạt độ tin cậy, tuổi thọ làm việc cao nên phải bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên theo định kỳ, quá trình này phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, tính cẩn thận cao. Công việc nghiên cứu hệ thống phanh nhằm nâng cao hiệu quả và hiệu suất làm việc của hệ thống, đảm bảo hệ thống làm việc lâu dài.

Ngày nay hệ thống phanh được trang bị thêm hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) giúp tăng cao độ an toàn. Bên cạnh đó thì vấn đề bảo dưỡng sửa chữa phức tạp hơn, yêu cầu kỹ thuật, trình độ chuyên môn cao hơn. Công việc thi công mô hình điều khiển hệ thống phanh ABS trên ô tô giúp chúng ta có thể hiểu rõ hơn, dễ dàng hơn quá trình làm việc của hệ thống trên mô hình. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn.

Nghiên cứu hệ thống phanh ABS trên ô tô bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách đọc các mã lỗi trên hệ thống. Giới hạn đề tài: không nghiên cứu, chế tạo mạch điều khiển hệ thống ABS. Nội dụng nghiên cứu. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống phanh và quá trình chống bó cứng bánh xe khi phanh.

Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận, cách bố trí các bộ phận đó trên xe ô tô. 3 CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ 2. Công dụng, phân loại và yêu cầu. Hệ thống phanh có chức năng giảm tốc độ xe đến một tốc độ cần thiết hay giảm tốc đến khi xe dừng hẳn.

Ngoài ra hệ thống phanh còn sử dụng để xe dừng ở trên đường dốc. Đối với ô tô hệ thống phanh là một trong những hệ thống quan trọng, bởi nó đảm bảo cho xe ô tô an toàn ở các dải tốc độ đặc biệt là ở tốc độ cao. Hệ thống phanh gồm có cơ cấu phanh để hãm trực tiếp tốc độ bánh xe hoặc hãm một trục trong hệ thống truyền lực và truyền động phanh để dẫn động cơ cấu phanh. Ngoài ra còn có các cơ cấu trợ lực hay hệ thống chống bó cứng phanh (Anti-Lock Braking System) để tăng hiệu quả phanh và tính an toàn.

Phân loại  Theo cách bố trí cơ cấu phanh ở các bánh xe hoặc ở trục của hệ thống truyền lực: - Phanh bánh xe - Phanh truyền lực.  Theo cơ cấu phanh đặt ở bánh xe: - Phanh tang trống - thường dùng trên ô tô khách, ô tô tải trung bình và lớn. - Phanh đĩa - thường dùng trên ô tô du lịch nhỏ. - Phanh dải - dùng trong hệ thống phanh truyền lực  Theo hệ thống truyền động: - Truyền động thủy lực - dùng trên ô tô du lịch, ô tô tải nhỏ.

- Truyền động khí nén - thường dùng trên ô tô khách, ô tô tải lớn. - Truyền động hỗn hợp dùng cả thủy lực và khí nén. - Truyền động cơ khí - dùng ở cơ cấu phanh tay.  Một số kiểu phân loại khác: - Có trợ lực phanh.

- Có trang bị hệ thống chống bó cứng phanh ABS. Để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả hệ thống phanh phải đảm bảo các yêu cầu sau: Quãng đường phanh ngắn nhất khi phanh đột ngột trong trường hợp khẩn cấp. Muốn quãng đường phanh ngắn nhất thì phải đảm bảo gia tốc chậm dần lớn nhất. 4 Phanh êm dịu trong bất kỳ trường hợp nào để đảm bảo sự ổn định ô tô khi phanh.

Quá trình điều khiển nhẹ nhàng, lực tác dụng lên bàn đạp phanh hay cẩn điều khiển không quá lớn. Độ nhạy khi phanh cao, nghĩa là truyền động có độ chính xác cao. Có tuổi thọ và độ bền cao, hệ thống phanh phải sử dụng ổn định trong thời gian dài. Với cơ cấu phanh tay phải giữ được xe đứng trên dốc ở thời gian dài.

Các kiểu dẫn động hệ thống phanh trên ô tô. Trên ô tô hệ thống phanh gồm có cơ cấu phanh chính (phanh chân) và cơ cấu phanh phụ (phanh tay). Hai cơ cấu phanh này đảm bảo an toàn khi ô tô chuyển động và đứng yên phanh chân và phanh tay có thể dùng chung guốc phanh và trống phanh hoặc đĩa phanh với phanh hành trình nhưng tác động riêng biệt. Ngoài ra cơ cấu điều khiển của phanh tay không liên hệ với hoạt động của phanh chính.

Ở hệ thống phanh chính có nhiều kiểu dẫn động chính như phanh thủy lực, phanh khí hay hổn hợp thủy khí. Phanh phụ thì sử dụng cơ khí. Phanh thủy lực (phanh dầu). Ở hệ thống phanh thủy lực, lực tác dụng từ bàn đạp phanh đến cơ cấu phanh thông qua dầu thủy lực ở các đường ống.

Khi tác dụng lực lên bàn đạp phanh thì áp suất dầu truyền lực đến các xy-lanh bánh xe làm việc như nhau. Lực trên các má phanh phụ thuộc vào đường kính piston các xy-lanh bánh xe làm việc. Để có momen phanh ở các bánh xe khác nhau thì cần làm đường kính piston ở các xy-lanh bánh xe khác nhau. Đặc điểm quan trọng của hệ thống phanh dầu là các bánh xe được phanh cùng một lúc vì áp suất trong đường ống chỉ bắt đầu tăng khi tất cả má phanh ép vào trống phanh không phụ thuộc vào xy-lanh làm việc và khe hở giữa trống phanh và má phanh.

 Ưu điểm hệ thống phanh dẫn động thủy lực - Phanh đồng thời các bánh xe. - Hiệu suất cao. - Độ nhạy cao, thiết kế đơn giản. - Có khả năng dùng trên nhiều loại ô tô khác nhau, chỉ cần thay đổi cơ cấu phanh.

 Nhược điểm của hệ thống phanh dẫn động thủy lực. - Lực phanh không lớn vì vậy chỉ được dùng trên ô tô du lịch và ô tô tải nhỏ. - Nếu bị rò rỉ dầu thì hiệu quả phanh thấp gần như không thể làm việc được. Phanh khí nén.

Hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén sử dụng năng lượng của khí nén để tiến hành phanh, người lái không cần mất nhiều lực để điều khiển phanh mà chỉ cần một lực thắng lực lò xo ở van phân phối để điều khiển việc cung cấp khí nén hoặc làm thoát khí ở bộ phận làm việc. Nhờ vậy mà hệ thống phanh khí điều khiển nhẹ nhàng.  Ưu điểm của hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén. - Lực tác dụng lên bàn đạp phanh nhỏ nhưng sinh ra lực phanh lớn.

- Có khả năng cơ khí hóa quá trình điều khiển ô tô và có thể sử dụng khí nén cho các bộ phận làm việc như hệ thống treo khí…  Nhược điểm của hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén - Kết cấu phức tạp, giá thành cao, được dùng trên xe tải lớn, xe kéo rơ-móoc - Độ nhạy thấp, thời gian hệ thống làm việc từ khí đạp phanh khá lớn. Phanh thủy khí. Phanh thủy khí thường dùng trên ô tô tải trọng trung bình và lớn. Nó kết hợp ưu điểm của hệ thống phanh khí và hệ thống phanh thủy lực, cụ thể là lực tác dụng lên bàn đạp phanh nhỏ, độ nhạy cao, hiệu quả cao, có thể sử dụng cơ cấu nhiều loại phanh khác nhau.

Phanh thủy khí chưa được sử dụng rộng rãi do phần truyền động thủy lực có nhược điểm: ở nhiệt độ thấp thì hiệu suất giảm, quá trình bảo dưỡng chăm sóc phức tạp như kiểm tra mức dầu và thoái khí ở hệ thống truyền động. Hệ thống phanh tay hay còn gọi là phanh đỗ xe, được dẫn động bằng cơ khí, có chức năng giữ cho xe đứng yên mỗi khi đậu xe ở những nơi có độ dốc khác nhau. Những nơi có độ ma sát giữa vỏ xe và mặt đường kém, phanh đậu xe sẽ giữ không cho bánh xe quay. Cơ cấu phanh tay phải có khóa cài kiểu cơ cấu bánh cóc để duy trì vị trí phanh của nó.

Phanh tay dùng chung guốc phanh và trống phanh hoặc đĩa phanh với phanh hành trình nhưng tác động riêng biệt. Ngoài ra cơ cấu điều khiển của phanh tay phải không liên hệ với hoạt động của phanh chính. 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. (jp) Gia tốc chậm dần khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả phanh. Để xác định gia tốc chậm dần khi phanh ta viết phương trình cân bằng lực phanh của ô tô trong trường hợp tổng quát như sau: Ff  Fi  Fw  Fm  Fp  Fms  Fj  0  2 .1 Trong đó: Ff: Lực cản lăn. Fi: Lực cản dốc.

Fw: Lực cản không khí. Fm: Lực kéo rơ-moóc Fp: Lực phanh sinh ra ở các bánh xe. Fms: Lực cản ma sát trong hệ thống truyền động Fj: Lực quán tính sinh ra khi phanh ô tô. Thực nghiệm cho thấy các lực Ff, Fw, Fms cản lại chuyển động của ô tô có giá trị rất nhỏ so với lực phanh Fp.

Trong quá trình phanh ô tô thì lực phanh Fp chiếm khoảng 98% của tổng các lực có xu hướng cản lại chuyển động của ô tô.