Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển của ngành công nghiệp ô tô thế giới, xu hướng nâng cao công suất động cơ và vận tốc vận hành đặt ra các đòi hỏi khắt khe về an toàn giao thông. Phanh là hệ thống an toàn chủ động thiết yếu, quyết định khả năng kiểm soát phương tiện khi xảy ra sự cố. Trong các tình huống phanh khẩn cấp hoặc di chuyển trên mặt đường trơn trượt có hệ số bám thấp, thao tác đạp phanh gấp ở các hệ thống phanh truyền thống thường dẫn đến hiện tượng bó cứng bánh xe. Hiện tượng này làm má phanh dính chặt vào đĩa phanh, khiến bánh xe ngừng quay và trượt lết trên mặt đường, dẫn đến việc triệt tiêu khả năng bám ngang, mất khả năng dẫn hướng của hệ thống lái, gia tăng quãng đường phanh và gây nguy cơ tai nạn nghiêm trọng. Số liệu thống kê năm 2010 tại Việt Nam ghi nhận 14.685 vụ tai nạn giao thông, phản ánh tính cấp thiết của việc áp dụng các cơ chế an toàn tiên tiến nhằm giảm thiểu tai nạn. Hệ thống chống bó cứng phanh (Anti-lock Braking System - ABS) được phát triển nhằm tự động điều tiết áp suất dầu phanh, duy trì sự quay có kiểm soát của bánh xe trong khi phanh, bảo đảm tính ổn định hướng và rút ngắn quãng đường dừng xe. Đồ án tốt nghiệp thực hiện nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống ABS tích hợp trên mẫu xe thể thao đa dụng Mazda CX-5 đời 2013.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lịch sử phát triển, nhiệm vụ, yêu cầu và các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật đối với hệ thống phanh trên ô tô hiện đại.
  2. Phân tích cơ sở lý thuyết động lực học phanh ô tô, các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh và nguyên lý điều khiển chống bó cứng bánh xe.
  3. Nghiên cứu cấu tạo, vị trí lắp đặt và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết thuộc hệ thống ABS và các hệ thống an toàn chủ động tích hợp (EBD, TCS, DSC) trên xe Mazda CX-5 2013.
  4. Xây dựng quy trình kỹ thuật về kiểm tra, chẩn đoán, phát hiện hư hỏng và sửa chữa hệ thống ABS/DSC trên xe Mazda CX-5 2013 bằng thiết bị chẩn đoán chuyên dụng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chống bó cứng phanh ABS kết hợp hệ thống cân bằng điện tử DSC (Dynamic Stability Control) và các phân hệ hỗ trợ an toàn liên quan trên xe Mazda CX-5 đời 2013 (bao gồm hai cấu hình dẫn động: cầu trước 2WD và bốn bánh toàn thời gian AWD).
  • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết động lực học phanh và khai thác tài liệu kỹ thuật chính hãng của dòng xe Mazda CX-5 2013; khảo sát kết cấu cơ khí, mạng điều khiển điện tử, hệ thống thủy lực và quy trình chẩn đoán mã lỗi thông qua cổng giao tiếp OBD-II. Thời gian thực hiện nhiệm vụ từ ngày 12/06/2017 đến ngày 24/07/2017 tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Chất lượng và tính năng của quá trình phanh ô tô được định lượng thông qua hai nhóm chỉ tiêu chính: Hiệu quả phanh và Tính ổn định khi phanh.

Hiệu quả phanh đánh giá mức độ giảm tốc độ của phương tiện khi người lái tác động lên bàn đạp phanh trong tình huống khẩn cấp, bao gồm các chỉ tiêu:

  • Gia tốc chậm dần cực đại ($j_{p\max}$): Khi phanh trên đường bằng phẳng ($F_i = 0$), bỏ qua lực cản không khí, ma sát cơ khí và cản lăn (mức sai số thực tế chỉ khoảng 1,5 - 2%), phương trình cân bằng lực khi phanh có dạng $F_j = F_p$. Lực phanh cực đại sinh ra tại bánh xe bị giới hạn bởi điều kiện bám: $F_{p\max} = \frac{\delta_j \cdot j_{\max}}{g} \cdot G$. Từ đó xác định gia tốc chậm dần cực đại: $j_{p\max} = \frac{\varphi \cdot g}{\delta_i}$ (trong đó $\delta_i$ là hệ số tính đến các khối lượng quay, $\varphi$ là hệ số bám giữa lốp và mặt đường, $g$ là gia tốc trọng trường). Để gia tăng $j_{p\max}$, người lái cần ngắt ly hợp để giảm $\delta_i$.
  • Thời gian phanh nhỏ nhất ($t_{p\min}$): Được xác định qua vi phân vận tốc, khi ô tô phanh đến khi dừng hẳn ($v_2 = 0$): $t_{p\min} = \frac{\delta_i \cdot v_1}{\varphi \cdot g}$, phụ thuộc trực tiếp vào vận tốc bắt đầu phanh $v_1$ và hệ số bám $\varphi$.
  • Quãng đường phanh nhỏ nhất ($S_{p\min}$): Là chỉ tiêu trực quan quan trọng nhất đối với người lái để xử lý chướng ngại vật: $S_{p\min} = \frac{\delta_i \cdot v_1^2}{2 \varphi \cdot g}$.
  • Lực phanh ($F_p$) và Lực phanh riêng ($F_{pr}$): Lực phanh tính theo mô men phanh $M_p$ và bán kính làm việc trung bình bánh xe $r_b$ ($F_p = \frac{M_p}{r_b}$). Lực phanh riêng $F_{pr} = \frac{F_p}{G}$; về mặt lý thuyết trên mặt đường nhựa khô, lực phanh riêng cực đại có thể đạt 75 - 80%, nhưng trong thực tế vận hành chỉ đạt khoảng 45 - 65%.

Tính ổn định khi phanh phản ánh khả năng duy trì quỹ đạo chuyển động theo ý muốn của người lái. Khi phanh, hợp lực tác dụng giữa mặt đường và bánh xe tuân theo vòng tròn giới hạn bám: $N_b = \sqrt{F_{pb}^2 + Y_b^2} \le N_{b\max} = \varphi \cdot Z_b$ (với $F_{pb}$ là lực phanh, $Y_b$ là phản lực ngang, $Z_b$ là phản lực pháp tuyến). Khi bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn ($F_{pb} = F_{pb\max} = \varphi \cdot Z_b$), phản lực ngang $Y_b$ triệt tiêu về 0:

  • Nếu các bánh xe cầu sau bị hãm cứng: Dưới tác dụng của lực ngang (gió tạt, đường nghiêng, quán tính), các bánh xe cầu sau không còn phản lực ngang ($Y_2 = 0$), tạo ra ngẫu lực sinh mô men quay $M_q = Y_1 \cdot a$ làm tăng góc lệch thân xe, dẫn đến hiện tượng văng đuôi xe, quay vòng mất kiểm soát và nguy cơ lật đổ.
  • Nếu các bánh xe cầu trước bị hãm cứng: Phản lực ngang tại cầu trước triệt tiêu ($Y_1 = 0$), mô men $M_q'$ có xu hướng làm giảm góc lệch giúp xe không bị quay ngang, nhưng xe mất hoàn toàn tính dẫn hướng (hệ thống lái mất tác dụng).
  • Nếu lực phanh phân bố không đều giữa hai bánh xe trên cùng một cầu: Chênh lệch lực phanh tạo ra mô men quay vòng $M_q = (F_{p.p} - F_{p.t}) \cdot \frac{B}{2}$ quanh trọng tâm xe. Tiêu chuẩn kỹ thuật quy định độ chênh lệch lực phanh tối đa giữa hai bánh trên cùng một trục không vượt quá 15% so với lực phanh cực đại của trục đó, và góc lệch thân xe cực đại cho phép không vượt quá $8^\circ$, tính theo biểu thức $\alpha_{\max} = 0,019 \frac{B \cdot G \cdot t_{\max}^2 \cdot \varphi_{\max}}{I_z}$ (với $I_z$ là mô men quán tính khối lượng quanh trục đứng).

Cơ sở lý thuyết của hệ thống phanh ABS dựa trên mối quan hệ giữa hệ số bám dọc $\varphi_x$, hệ số bám ngang $\varphi_y$ và độ trượt tương đối $\lambda_p$: $$\lambda_p = \frac{v - \omega \cdot r_b}{v} \cdot 100%$$ Khi phanh thường bị bó cứng, độ trượt $\lambda_p = 100%$, hệ số bám dọc giảm mạnh và hệ số bám ngang giảm về 0. ABS điều khiển áp suất dầu phanh liên tục để duy trì độ trượt bánh xe dao động trong vùng tối ưu $\lambda_0 = 15 - 25%$ (trong dải hẹp từ 10% đến 30%). Tại dải này, hệ số bám dọc đạt cực đại ($\varphi_x \approx \varphi_{x\max}$) giúp rút ngắn quãng đường phanh, đồng thời hệ số bám ngang $\varphi_y$ duy trì giá trị cao bảo đảm xe không bị trượt ngang và duy trì khả năng điều khiển lái. Chu trình điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe trải qua 3 pha tuần hoàn khép kín:

  • Pha I (Tăng áp suất): Bắt đầu đạp phanh, áp suất dẫn động tăng nhanh, mô men phanh tăng.
  • Pha II (Giảm áp suất): Khi gia tốc góc chậm dần của bánh xe vượt ngưỡng tới hạn báo hiệu nguy cơ bó cứng, bộ điều khiển kích hoạt mở van xả để giảm áp suất dầu trong xy lanh bánh xe.
  • Pha III (Giữ áp suất): Gia tốc góc chậm dần giảm về 0 và bánh xe tăng tốc trở lại tiếp cận vận tốc ô tô, áp suất dầu được giữ cố định cho đến khi hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại để bắt đầu một chu kỳ tăng áp mới.

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, dịch thuật, phân tích và tổng hợp các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành ô tô, sổ tay bảo dưỡng và tài liệu sửa chữa của dòng xe Mazda CX-5 2013 do nhà sản xuất phát hành; kết hợp đối chiếu các công trình nghiên cứu về ABS trong nước (nghiên cứu bộ điều khiển của Nguyễn Thành Tâm năm 2007; động lực học phanh xe nhiều cầu của Hoàng Ngọc Chính; mô hình ABS giao tiếp máy tính của Nguyễn Quang Tuyến năm 2011; nghiên cứu ổn định phanh ABS của Nguyễn Hưng giai đoạn 2010 - 2012).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống chống bó cứng phanh trên xe Mazda CX-5 2013 được tích hợp đồng bộ trong hệ thống cân bằng điện tử DSC. Cấu trúc phần cứng và phương thức bố trí kỹ thuật bao gồm các thành phần:

  1. Cảm biến tốc độ bánh xe (Wheel Speed Sensor):
  • Sử dụng cảm biến loại chủ động MRE (Magneto-Resistive Element) gồm vật liệu bán dẫn tích hợp vi mạch xử lý tín hiệu.
  • Vành răng tạo xung (Rotor cảm biến) là một vòng từ tính đa cực cấu tạo từ nhiều nam châm vĩnh cửu xếp vòng tròn trên khung kim loại không có tính từ.
  • Mỗi vòng quay hoàn chỉnh của rotor từ tính, cảm biến xuất ra 44 xung điện áp dạng sóng vuông gửi về cụm điều khiển DSC HU/CM.
  • Vị trí cơ khí: Cảm biến bánh trước được gắn tại khớp dẫn động lái (steering knuckle), vành từ tính rotor tích hợp cố định bên trong cụm moay-ơ bánh trước (khi vành từ hỏng phải thay thế toàn bộ cụm moay-ơ). Cảm biến bánh sau được gắn trên moay-ơ sau; đối với phiên bản 2WD rotor tích hợp trong moay-ơ sau, đối với phiên bản AWD rotor tích hợp trong vòng bi cổ trục bánh xe sau.
  1. Cụm chấp hành và điều khiển DSC HU/CM:
  • Là một khối liên hợp giữa Bộ điều khiển điện tử DSC CM (Dynamic Stability Control Control Module) và Bộ chấp hành thủy lực DSC HU (Dynamic Stability Control Hydraulic Unit).
  • Cảm biến áp suất dầu phanh: Được bố trí tích hợp ngay bên trong DSC HU/CM, có nhiệm vụ giám sát áp suất thủy lực ra từ xy lanh phanh chính để nhận diện tình trạng đạp phanh gấp; hư hỏng cảm biến áp suất bắt buộc phải thay thế toàn bộ khối DSC HU/CM.
  • Cấu trúc thủy lực của DSC HU gồm: 4 van điện từ nạp (van vào - thường mở), 4 van điện từ xả (van ra - thường đóng), các van điện từ kiểm soát lực kéo TCS, các van điện từ ổn định thân xe DSC, bình tích trữ dầu hồi hạ áp, cụm bơm dầu thủy lực cao áp và mô tơ điện điều khiển bơm.

Bảng tổng hợp chức năng các bộ phận chính trong bộ chấp hành thủy lực DSC HU:

Bộ phận Chức năng kỹ thuật
Van điện vào (Inlet valve) Điều chỉnh đóng/mở đường cấp dầu áp suất cao đến từng xy lanh phanh bánh xe theo lệnh của DSC CM
Van điện ra (Outlet valve) Xả dầu phanh từ xy lanh bánh xe về bình chứa hạ áp trong pha giảm áp của chu trình ABS
Van điện hệ thống ổn định xe Điều hướng dòng mạch dầu trong các chế độ phanh thông thường, ABS, EBD, TCS, DSC và hỗ trợ lực phanh khẩn cấp
Van điện điều khiển lực kéo Đóng/mở đường dầu can thiệp chủ động lực phanh chống trượt quay bánh xe dẫn động khi tăng tốc
Bình chứa dầu (Reservoir) Tiếp nhận và dự trữ tạm thời lượng dầu hồi từ xy lanh bánh xe nhằm giảm nhanh áp suất phanh
Bơm dầu thủy lực Hút dầu dự trữ từ bình chứa đẩy ngược về xy lanh chính khi ABS hoạt động; tạo áp suất dầu chủ động khi TCS và DSC kích hoạt
Mô tơ bơm điện Dẫn động cụm bơm dầu theo tín hiệu điều khiển độ rộng xung hoặc đóng/ngắt từ DSC CM

Hệ thống DSC trên Mazda CX-5 2013 vận hành tích hợp đa chức năng:

  • ABS (Anti-lock Braking System): Chống bó cứng bánh xe khi phanh.
  • EBD (Electronic Brakeforce Distribution): Tự động phân phối tỷ lệ lực phanh giữa cầu trước và cầu sau dựa trên tải trọng xe.
  • TCS (Traction Control System): Kiểm soát lực kéo, ngăn ngừa hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động khi tăng tốc trên đường trơn.
  • DSC (Dynamic Stability Control): Can thiệp phanh chủ động từng bánh xe và điều chỉnh mô men động cơ qua mạng CAN để dập tắt hiện tượng quay vòng thiếu (understeer) hoặc quay vòng thừa (oversteer).
  • HLA (Hill Launch Assist): Hỗ trợ khởi hành ngang dốc bằng cách duy trì áp suất phanh ngăn xe trôi lùi.
  • ROM (Roll Over Mitigation): Giảm thiểu nguy cơ lật xe trong các tình huống đánh lái chuyển hướng ngặt.
  • TPMS (Tire Pressure Monitoring System): Giám sát áp suất lốp gián tiếp thông qua độ lệch bán kính lăn được tính toán từ tín hiệu cảm biến tốc độ bánh xe.

Quy trình chẩn đoán và kiểm tra kỹ thuật hệ thống:

  • Sử dụng máy chẩn đoán chuyên dụng chính hãng Mazda M-MDS (Mazda Modular Diagnostic System) kết hợp phần mềm chẩn đoán IDS (Integrated Diagnostic Software) cài đặt trên máy tính chuyên dụng, giao tiếp với xe qua giắc nối chẩn đoán DLC-2 (Data Link Connector) chuẩn 16 chân OBD-II.
  • Hệ thống hỗ trợ truy xuất hai dạng mã lỗi chẩn đoán DTC (Diagnostic Trouble Codes): Mã lỗi lưu trong bộ nhớ liên tục CMDTC (Continuous Memory DTC) và mã lỗi kiểm tra tức thời ODDTC (On-Demand DTC).
  • Quy trình đo đạc vật lý: Kiểm tra khe hở làm việc (air-gap) giữa đầu cảm biến tốc độ và vành từ tính rotor bánh trước, bánh sau (cho cả bản 2WD và AWD); đo kiểm tra giá trị điện áp nguồn cấp ($B+$), chân nối mass và giá trị trở kháng tại các chân giắc nối của DSC HU/CM theo bảng giá trị tiêu chuẩn của nhà sản xuất.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu về hệ thống phanh an toàn trong bối cảnh công nghiệp ô tô tăng trưởng nhanh. Tác giả trích dẫn số liệu thống kê tình hình tai nạn giao thông tại Việt Nam từ năm 2010 đến 2016 (Bảng 1.1), trong đó riêng năm 2010 đã xảy ra 14.685 vụ tai nạn giao thông, nhấn mạnh yêu cầu phải trang bị hệ thống phanh có độ tin cậy và khả năng thích ứng cao. Chương này khái quát lịch sử phát triển của hệ thống ABS trên thế giới: Ý tưởng sơ khai của hãng Bosch thập niên 1930; ứng dụng phanh ABS thủy lực - cơ khí năm 1960 trên máy bay thương mại tải trọng 50 tấn hạ cánh trên đường băng băng tuyết ở tốc độ 210 km/h; sự ra đời của vi mạch điện tử giúp thu nhỏ hệ thống và dẫn đến việc ứng dụng hệ thống ABS điện tử thương mại đầu tiên trên dòng xe Mercedes-Benz S-Class năm 1978; trang bị trên 4 bánh xe năm 1971; sản xuất hàng loạt năm 1978; điều khiển kỹ thuật số năm 1984; quy định bắt buộc trang bị ABS trên ô tô con tại các nước phát triển từ sau năm 1992. Tác giả điểm tên các tập đoàn sản xuất hệ thống ABS hàng đầu gồm Bosch, Aisin, Denso, Bendix, đồng thời điểm luận các đề tài nghiên cứu liên quan đến ABS tại Việt Nam từ năm 2007 đến 2012 của các tác giả Nguyễn Thành Tâm, Hoàng Ngọc Chính, Nguyễn Quang Tuyến và Nguyễn Hưng.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết của quá trình phanh ô tô

Chương 2 thiết lập hệ thống lý thuyết động lực học phanh và an toàn chuyển động. Tác giả tổng hợp 10 yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống phanh hiện đại, đặc biệt nhấn mạnh tiêu chuẩn an toàn dẫn động mạch kép độc lập (khi một mạch bị vỡ/hỏng, mạch còn lại phải bảo đảm hiệu quả phanh không dưới 30% theo tiêu chuẩn chung hoặc không dưới 50% theo tiêu chuẩn Thụy Điển; hệ thống phanh khí nén phải dự trữ đủ năng lượng cho 5 lần phanh liên tiếp khi máy nén ngừng hoạt động). Chương này xây dựng chi tiết các công thức toán học xác định 4 chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh: Gia tốc chậm dần $j_{p\max}$, thời gian phanh nhỏ nhất $t_{p\min}$, quãng đường phanh nhỏ nhất $S_{p\min}$, lực phanh $F_p$ và lực phanh riêng $F_{pr}$ (phân tích sự chênh lệch giữa lực phanh riêng lý thuyết 75 - 80% và thực tế 45 - 65%).

Về tính ổn định khi phanh, chương này phân tích nguyên nhân xuất hiện phản lực ngang theo vòng tròn giới hạn bám $N_b$, chứng minh toán học hiện tượng mất ổn định khi hãm cứng bánh xe cầu sau (sinh mô men quay $M_q$ làm tăng góc lệch $\alpha$ gây văng đuôi xe) và khi hãm cứng bánh xe cầu trước (làm triệt tiêu lực bám ngang khiến mất tính năng dẫn hướng). Khi lực phanh phân bố không đều giữa hai bên, tác giả đưa ra phương trình vi phân chuyển động quanh trục đứng và thiết lập công thức tính góc lệch cực đại: $$\alpha_{\max} = 0,019 \frac{B \cdot G \cdot t_{\max}^2 \cdot \varphi_{\max}}{I_z}$$ giới hạn cho phép $\alpha_{\max} \le 8^\circ$ và độ chênh lệch lực phanh cùng cầu không quá 15%. Cuối chương, tác giả phân tích đặc tính đồ thị hệ số bám $\varphi_x, \varphi_y$ theo độ trượt $\lambda_p$, xác định vùng làm việc tối ưu $\lambda_0 = 15 - 25%$, và phân tích nguyên lý điều khiển áp suất dầu phanh ABS qua 3 pha (Tăng áp - Giảm áp - Giữ áp) dựa trên gia tốc góc chậm dần của bánh xe.

Chương 3. Nghiên cứu hệ thống phanh ABS trên xe Mazda CX-5 2013

Chương 3 là nội dung kỹ thuật trọng tâm của đồ án, phân tích toàn diện hệ thống phanh ABS tích hợp trong hệ thống DSC trên xe Mazda CX-5 2013:

  • Nhiệm vụ và yêu cầu kỹ thuật: Bảo đảm khả năng dẫn hướng, duy trì ổn định khi phanh trong khúc cua và thích ứng trên các bề mặt đường có hệ số bám khác nhau.
  • Bố trí tổng thể: Mô tả sơ đồ vị trí các chi tiết phía trước (DSC HU/CM, cảm biến áp suất dầu phanh, công tắc bàn đạp phanh, đồng hồ táp-lô, cụm cảm biến tốc độ bánh trước) và phía sau xe (cảm biến tốc độ bánh sau).
  • Cảm biến tốc độ bánh xe: Trình bày cấu tạo phần tử MRE bán dẫn, vòng từ tính rotor 44 xung/vòng quay, cơ chế chuyển đổi từ thông biến thiên thành xung điện áp vuông, kết cấu moay-ơ tích hợp bánh trước và bánh sau trên bản 2WD và AWD.
  • Khối DSC HU/CM: Phân tích cấu trúc cơ điện của bộ chấp hành thủy lực DSC HU, vai trò của các van điện từ (van vào, van ra, van TCS, van DSC), mô tơ điện và bơm dầu bánh răng cao áp.
  • Nguyên lý làm việc của mạch thủy lực: Mô tả chi tiết đường đi của dầu phanh trong 4 trạng thái: Phanh thường, Chế độ tăng áp (van nạp mở, van xả đóng), Chế độ giữ áp (van nạp đóng, van xả đóng) và Chế độ giảm áp (van nạp đóng, van xả mở, bơm dầu hoạt động hút dầu trả về).
  • Các hệ thống mở rộng: Phân tích sơ đồ khối điều khiển và nguyên lý làm việc của EBD, TCS và DSC (cơ chế dập tắt hiện tượng quay vòng thừa bằng cách phanh bánh trước phía ngoài vòng cua, và dập tắt quay vòng thiếu bằng cách phanh bánh sau phía trong vòng cua).
  • Sơ đồ mạch điện: Trình bày chi tiết sơ đồ mạng điện hệ thống DSC, kết cấu chân giắc DSC HU/CM, cảm biến tốc độ và giắc kết nối DLC-2.
  • Quy trình chẩn đoán: Giới thiệu thiết bị chẩn đoán chuyên hãng Mazda M-MDS, phần mềm IDS; quy trình đọc và xóa mã lỗi DTC; thông số tiêu chuẩn kiểm tra điện áp/điện trở các chân cực; phương pháp kiểm tra khe hở cơ khí của cảm biến tốc độ bánh trước và bánh sau.

Chương Kết luận và đề nghị

Tổng kết các nội dung lý thuyết và kỹ thuật đã hoàn thành trong đồ án, đánh giá mức độ đáp ứng mục tiêu nghiên cứu và đề xuất hướng khai thác, ứng dụng kết quả đồ án vào thực tế đào tạo và sửa chữa xe.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đồ án:

  • Tổng hợp hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết động lực học phanh và ổn định chuyển động của ô tô; chứng minh bằng toán học các giới hạn an toàn kỹ thuật: Độ chênh lệch lực phanh giữa hai bánh xe trên cùng một cầu không được vượt quá 15%, góc lệch thân xe cho phép khi phanh không vượt quá $8^\circ$, vùng độ trượt tương đối tối ưu $\lambda_0$ của bánh xe khi phanh đạt từ 15% đến 25% (dao động điều khiển thực tế của ABS từ 10% đến 30%).
  • Khảo sát chi tiết đặc tính kỹ thuật của hệ thống phanh ABS trên dòng xe Mazda CX-5 2013: Xác định cảm biến tốc độ bánh xe sử dụng phần tử từ điện trở MRE tạo 44 xung/vòng; phân loại rõ kết cấu rotor tích hợp trong moay-ơ bánh trước, moay-ơ bánh sau (bản 2WD) và vòng bi cổ trục (bản AWD).
  • Làm rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cụm chấp hành tích hợp DSC HU/CM, cảm biến áp suất dầu phanh và mạch điều khiển thủy lực 3 pha (Tăng áp - Giữ áp - Giảm áp).
  • Hệ thống hóa các chức năng an toàn chủ động tích hợp trong hệ thống DSC của xe Mazda CX-5 2013, được tổng hợp trong bảng sau:
Hệ thống tích hợp Tên đầy đủ tiếng Anh Chức năng hoạt động chính trên xe Mazda CX-5 2013
ABS Anti-lock Braking System Chống bó cứng bánh xe khi phanh gấp, duy trì tính dẫn hướng và ổn định
EBD Electronic Brakeforce Distribution Phân phối lực phanh điện tử tối ưu giữa các trục bánh xe theo tải trọng
TCS Traction Control System Kiểm soát lực kéo, chống trượt quay bánh xe dẫn động khi khởi hành/tăng tốc
DSC Dynamic Stability Control Kiểm soát ổn định thân xe, chống hiện tượng quay vòng thừa và quay vòng thiếu
HLA Hill Launch Assist Hỗ trợ khởi hành ngang dốc, duy trì áp suất phanh chống trôi lùi xe
ROM Roll Over Mitigation Giảm thiểu nguy cơ lật xe khi đánh lái gấp ở tốc độ cao
TPMS Tire Pressure Monitoring System Giám sát áp suất lốp gián tiếp qua phân tích tín hiệu tốc độ quay của bánh xe
  • Xây dựng sơ đồ đấu dây mạch điện, bảng chân giắc nối của DSC HU/CM và bảng mã lỗi chẩn đoán DTC (Diagnostic Test Codes) gồm các mã CMDTC và ODDTC.
  • Xây dựng quy trình thao tác chẩn đoán, kiểm tra tín hiệu và sửa chữa hư hỏng bằng thiết bị chuyên dùng M-MDS kết hợp phần mềm IDS.

Giải pháp và đề xuất của tác giả:

  • Sử dụng kết quả nghiên cứu của đồ án làm tài liệu tham khảo phục vụ giảng dạy lý thuyết và thực hành cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
  • Đề xuất ứng dụng quy trình kiểm tra khe hở cảm biến tốc độ và phương pháp tra cứu mã lỗi DTC chuẩn hãng vào công tác chẩn đoán, bảo dưỡng và sửa chữa thực tế tại các garage, trạm dịch vụ ủy quyền.

Đóng góp của đồ án: So với các đề tài nghiên cứu trước đây tại Việt Nam vốn chỉ tập trung vào mô phỏng thuật toán trên phần mềm (như đề tài của Nguyễn Hưng), chế tạo mạch điều khiển thử nghiệm đơn lẻ trên xe Toyota (đề tài của Nguyễn Thành Tâm, Nguyễn Quang Tuyến) hoặc tính toán động lực học phanh trên xe tải nặng nhiều cầu (đề tài của Hoàng Ngọc Chính), đồ án này đi sâu nghiên cứu một hệ thống điều khiển phanh thế hệ mới tích hợp đa chức năng (ABS, EBD, TCS, DSC, HLA, ROM, TPMS) trên một dòng xe du lịch hiện đại cụ thể (Mazda CX-5 đời 2013), cung cấp đầy đủ thông số kỹ thuật, cấu trúc mạch điện và quy trình chẩn đoán mã lỗi thực tế của nhà sản xuất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Do thời gian thực hiện đề tài giới hạn (từ ngày 12/06/2017 đến ngày 24/07/2017) và điều kiện trang thiết bị, phương pháp nghiên cứu của đồ án hoàn toàn dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết qua tài liệu kỹ thuật của xe Mazda CX-5 2013. Đề tài chưa tiến hành các thử nghiệm thực nghiệm đo đạc áp suất dầu và lực phanh thực tế trên bệ thử phanh chuyên dùng (roller brake tester), cũng như chưa kiểm chứng động lực học chuyển động thực tế của xe trên các dạng mặt đường thử nghiệm khác nhau.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Triển khai đo kiểm và thu thập tín hiệu thực nghiệm dạng sóng xung của cảm biến tốc độ MRE và áp suất thủy lực tại các bánh xe trên xe Mazda CX-5 thực tế hoặc trên mô hình sa bàn chẩn đoán.
    2. Nghiên cứu sâu về các thuật toán điều khiển tiên tiến (như điều khiển mờ - Fuzzy logic, điều khiển thông minh tối ưu hóa) ứng dụng trong khối vi điều khiển DSC CM để nâng cao độ chính xác khi can thiệp ổn định chuyển động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và giảng viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, đặc biệt là bộ môn Điện - Điện tử Ô tô và bộ môn Khung gầm ô tô, làm tài liệu học tập, nghiên cứu và biên soạn bài giảng thực hành chẩn đoán hệ thống an toàn chủ động.
  • Kỹ sư, kỹ thuật viên chẩn đoán và thợ sửa chữa ô tô tại các xưởng dịch vụ kỹ thuật, trung tâm bảo dưỡng Mazda và các garage tư nhân cần tài liệu tra cứu về sơ đồ mạch điện, bảng chân giắc DSC HU/CM, thông số khe hở cảm biến và quy trình xử lý mã lỗi DTC của hệ thống ABS/DSC trên dòng xe Mazda CX-5.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:

  • Hệ thống công thức toán học tính toán động lực học phanh và điều kiện ổn định hướng tại Chương 2.
  • Sơ đồ cấu tạo, nguyên lý thủy lực 3 pha của khối chấp hành DSC HU và cấu trúc vành từ tính tích hợp moay-ơ tại Chương 3.
  • Hướng dẫn vận hành thiết bị chẩn đoán M-MDS, phần mềm IDS và bảng mã lỗi DTC chuẩn hãng tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cảm biến tốc độ bánh xe trên xe Mazda CX-5 2013 sử dụng nguyên lý gì và phát ra bao nhiêu xung trong một vòng quay? Cảm biến tốc độ bánh xe trên xe Mazda CX-5 2013 là loại cảm biến chủ động sử dụng phần tử từ điện trở MRE (Magneto-Resistive Element) chứa vi mạch bán dẫn. Vành răng tạo xung (rotor cảm biến) là một vòng từ tính đa cực gồm các nam châm vĩnh cửu. Ứng với mỗi một vòng quay hoàn chỉnh của bánh xe (rotor), cảm biến phát ra đúng 44 xung tín hiệu điện áp dạng sóng vuông gửi về khối DSC HU/CM để tính toán tốc độ góc.

  2. Khi vành từ tính rotor của cảm biến tốc độ bánh xe trên Mazda CX-5 2013 bị hư hỏng thì phương án sửa chữa kỹ thuật được quy định như thế nào? Do rotor cảm biến bánh trước được chế tạo tích hợp nguyên khối bên trong moay-ơ bánh trước, nên khi rotor bị hỏng bắt buộc phải thay thế toàn bộ cụm moay-ơ bánh trước. Đối với bánh sau, trên phiên bản dẫn động 2 bánh (2WD), rotor tích hợp trong cụm moay-ơ sau nên phải thay cụm moay-ơ sau; trên phiên bản dẫn động 4 bánh (AWD), rotor tích hợp trong vòng bi cổ trục bánh sau nên phải thay thế cụm vòng bi cổ trục.

  3. Trong lý thuyết động lực học phanh, vì sao hiện tượng các bánh xe ở cầu sau bị hãm cứng lại nguy hiểm hơn so với khi các bánh xe ở cầu trước bị hãm cứng? Khi các bánh xe cầu sau bị hãm cứng ($F_{p2} = \varphi \cdot Z_2$), phản lực ngang tại cầu sau triệt tiêu ($Y_2 = 0$). Dưới tác dụng của bất kỳ lực ngang nào (gió bên, mặt đường nghiêng, lực quán tính ly tâm), phản lực ngang tại bánh trước $Y_1$ cùng với lực ngang tác dụng tại trọng tâm tạo thành một ngẫu lực sinh mô men quay $M_q = Y_1 \cdot a$. Mô men này làm tăng góc lệch thân xe $\alpha$, dẫn đến việc ngẫu lực tiếp tục tăng, khiến xe bị quay ngang vòng mất kiểm soát (văng đuôi xe) và nguy cơ lật xe rất cao. Trong khi đó, nếu cầu trước bị hãm cứng, mô men sinh ra có xu hướng làm giảm góc lệch giúp xe không bị quay ngang, tuy nhiên xe sẽ bị mất hoàn toàn khả năng điều khiển lái.

  4. Cụm điều khiển thủy lực DSC HU trên xe Mazda CX-5 2013 thực hiện việc giảm áp suất dầu phanh như thế nào trong pha giảm áp của ABS? Trong pha giảm áp của chu trình điều khiển ABS, khối điều khiển DSC CM kích hoạt đóng van điện từ vào (Inlet valve) để ngăn dầu phanh áp suất cao từ xi lanh chính tiếp tục đi vào xy lanh bánh xe, đồng thời mở van điện từ ra (Outlet valve) để dầu phanh từ xy lanh bánh xe xả nhanh về bình chứa hạ áp (Reservoir). Cùng lúc đó, mô tơ điện điều khiển bơm thủy lực hoạt động để bơm lượng dầu dự trữ này từ bình chứa đẩy ngược trở về xy lanh phanh chính, giúp hạ áp suất tại má phanh, cho phép bánh xe tăng tốc trở lại và tránh bị bó cứng.

  5. Thiết bị và phần mềm chuyên dụng nào được sử dụng để chẩn đoán hệ thống DSC trên xe Mazda CX-5 2013, và hệ thống phân loại mã lỗi như thế nào? Hệ thống sử dụng thiết bị chẩn đoán chuyên hãng Mazda M-MDS (Mazda Modular Diagnostic System) kết hợp phần mềm chẩn đoán tích hợp IDS (Integrated Diagnostic Software), kết nối với xe thông qua giắc chẩn đoán chuẩn DLC-2 (chuẩn 16 chân OBD-II). Mã lỗi chẩn đoán DTC trên hệ thống được phân thành hai nhóm: Mã lỗi lưu trữ liên tục trong bộ nhớ (CMDTC - Continuous Memory Diagnostic Test Code) ghi lại các sự cố xảy ra trong quá trình vận hành, và mã lỗi kiểm tra tức thời theo yêu cầu (ODDTC - On-Demand Diagnostic Test Code) phục vụ quá trình kiểm tra chủ động của kỹ thuật viên.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hệ thống chống bó cứng phanh trên xe Mazda CX-5 2013" của sinh viên Nguyễn Gia Sang và Nguyễn Quốc Đức Thịnh đã giải quyết trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu lý thuyết động lực học phanh và phân tích kết cấu cơ điện tử của hệ thống phanh an toàn hiện đại. Công trình làm rõ bản chất chu trình điều khiển thủy lực 3 pha của ABS, cơ chế tích hợp đa hệ thống an toàn (ABS, EBD, TCS, DSC, HLA, ROM, TPMS) và đặc tính kỹ thuật của cụm DSC HU/CM cùng cảm biến tốc độ MRE 44 xung/vòng. Đồ án xây dựng thành công quy trình chẩn đoán mã lỗi bằng thiết bị chuyên dùng M-MDS và phần mềm IDS, cung cấp nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật chính xác cho công tác đào tạo chuyên ngành ô tô cũng như công tác sửa chữa thực tế.