CHÖÔNG 5: HEÄ THOÁNG PHANH ÑIEÀU KHIEÅN ÑIEÄN TÖÛ 5.1 ÑAÏI CÖÔNG VEÀ HEÄ THOÁNG PHANH CHOÁNG BOÙ CÖÙNG BAÙNH XE ABS: 5.1 Toång quan: Heä thoáng phanh (Brake System) laø cô caáu an toaøn chuû ñoäng cuûa oâtoâ, duøng ñeå giaûm toác ñoä hay döøng vaø ñoã oâtoâ trong nhöõng tröôøng hôïp caàn thieát. Noù laø moät trong nhöõng cuïm toång thaønh chính vaø ñoùng vai troø quan troïng trong vieäc ñieàu khieån oâtoâ treân ñöôøng. Chaát löôïng cuûa moät heä thoáng phanh treân oâtoâ ñöôïc ñaùnh giaù thoâng qua tính hieäu quaû phanh (theå hieän qua caùc chæ tieâu nhö quaõng ñöôøng phanh, gia toác chaäm daàn, thôøi gian phanh vaø löïc phanh), ñoàng thôøi ñaûm baûo tính oån ñònh chuyeån ñoäng cuûa oâtoâ khi phanh. Khi oâtoâ phanh gaáp hay phanh treân caùc loaïi ñöôøng coù heä soá baùm thaáp nhö ñöôøng trôn, ñöôøng ñoùng baêng, tuyeát thì deã xaûy ra hieän töôïng sôùm bò haõm cöùng baùnh xe, töùc hieän töôïng baùnh xe bò tröôït leát treân ñöôøng khi phanh.
Khi ñoù, quaõng ñöôøng phanh seõ daøi hôn, töùc hieäu quaû phanh thaáp ñi, ñoàng thôøi, daãn ñeán tình traïng maát tính oån ñònh höôùng vaø khaû naêng ñieàu khieån cuûa oâtoâ. Neáu caùc baùnh xe tröôùc sôùm bò boù cöùng, xe khoâng theå chuyeån höôùng theo söï ñieàu khieån cuûa taøi xeá; neáu caùc baùnh sau bò boù cöùng, söï khaùc nhau veà heä soá baùm giöõa baùnh traùi vaø baùnh phaûi vôùi maët ñöôøng seõ laøm cho ñuoâi xe bò laïng, xe bò tröôït ngang. Trong tröôøng hôïp xe phanh khi ñang quay voøng, hieän töôïng tröôït ngang cuûa caùc baùnh xe deã daãn ñeán caùc hieän töôïng quay voøng thieáu hay quay voøng thöøa laøm maát tính oån ñònh khi xe quay voøng. Ñeå giaûi quyeát vaán ñeà neâu treân, phaàn lôùn caùc oâ toâ hieän nay ñeàu ñöôïc trang bò heä thoáng choáng haõm cöùng baùnh xe khi phanh, goïi laø heä thoáng “Anti-lock Braking System” - ABS.
Heä thoáng naøy choáng hieän töôïng bò haõm cöùng cuûa baùnh xe baèng caùch ñieàu khieån thay ñoåi aùp suaát daàu taùc duïng leân caùc cô caáu phanh ôû caùc baùnh xe ñeå ngaên khoâng cho chuùng bò haõm cöùng khi phanh treân ñöôøng trôn hay khi phanh gaáp, ñaûm baûo tính hieäu quaû vaø tính oån ñònh cuûa oâtoâ trong quaù trình phanh. Ngaøy nay, heä thoáng ABS ñaõ giöõ moät vai troø quan troïng khoâng theå thieáu trong caùc heä thoáng phanh hieän ñaïi, ñaõ trôû thaønh tieâu chuaån baét buoäc ñoái vôùi phaàn lôùn caùc nöôùc treân theá giôùi.2 Lòch söû phaùt trieån: Ñeå traùnh hieän töôïng caùc baùnh xe bò haõm cöùng trong quaù trình phanh khi laùi xe treân ñöôøng trôn, ngöôøi laùi xe ñaïp phanh baèng caùch nhòp lieân tuïc leân baøn ñaïp phanh ñeå duy trì löïc baùm, ngaên khoâng cho baùnh xe bò tröôït leát vaø ñoàng thôøi 1 coù theå ñieàu khieån ñöôïc höôùng chuyeån ñoäng cuûa xe. Veà cô baûn, chöùc naêng cuûa heä thoáng phanh ABS cuõng gioáng nhö vaäy nhöng hieäu quaû, ñoä chính xaùc vaø an toaøn cao hôn. ABS ñöôïc söû duïng laàn ñaàu tieân treân caùc maùy bay thöông maïi vaøo naêm 1949, choáng hieän töôïng tröôït ra khoûi ñöôøng baêng khi maùy bay haï caùnh.
Tuy nhieân, keát caáu cuûa ABS luùc ñoù coøn coàng keành, hoaït ñoäng khoâng tin caäy vaø khoâng taùc ñoäng ñuû nhanh trong moïi tình huoáng. Trong quaù trình phaùt trieån, ABS ñaõ ñöôïc caûi tieán töø loaïi cô khí sang loaïi ñieän vaø hieän nay laø loaïi ñieän töû. Vaøo thaäp nieân 1960, nhôø kyõ thuaät ñieän töû phaùt trieån, caùc vi maïch ñieän töû (microchip) ra ñôøi, giuùp heä thoáng ABS laàn ñaàu tieân ñöôïc laép treân oâtoâ vaøo naêm 1969. Sau ñoù, heä thoáng ABS ñaõ ñöôïc nhieàu coâng ty saûn xuaát oâtoâ nghieân cöùu vaø ñöa vaøo öùng duïng töø nhöõng naêm 1970s.
Coâng ty Toyota söû duïng laàn ñaàu tieân cho caùc xe taïi Nhaät töø naêm 1971, ñaây laø heä thoáng ABS 1 keânh ñieàu khieån ñoàng thôøi hai baùnh sau. Nhöng phaûi ñeán thaäp nieân 1980s heä thoáng naøy môùi ñöôïc phaùt trieån maïnh nhôø heä thoáng ñieàu khieån kyõ thuaät soá, vi xöû lyù (digital microprocessors/microcontrollers) thay cho caùc heä thoáng ñieàu khieån töông töï (analog) ñôn giaûn tröôùc ñoù. Luùc ñaàu heä thoáng ABS chæ ñöôïc laép treân caùc xe du lòch cao caáp, ñaét tieàn, ñöôïc trang bò theo yeâu caàu vaø theo thò tröôøng. Daàn daàn heä thoáng naøy ñöôïc ñöa vaøo söû duïng roäng raõi hôn, ñeán nay ABS gaàn nhö ñaõ trôû thaønh tieâu chuaån baét buoäc cho taát caû caùc loaïi xe taûi, moät soá xe du lòch vaø cho phaàn lôùn caùc loaïi xe hoaït ñoäng ôû nhöõng vuøng coù ñöôøng baêng, tuyeát deã trôn tröôït.
Heä thoáng ABS khoâng chæ ñöôïc thieát keá treân caùc heä thoáng phanh thuûy löïc, maø coøn öùng duïng roäng raõi treân caùc heä thoáng phanh khí neùn cuûa caùc xe taûi vaø xe khaùch lôùn. Nhaèm naâng cao tính oån ñònh vaø tính an toaøn cuûa xe trong moïi cheá ñoä hoaït ñoäng nhö khi xe khôûi haønh hay taêng toác ñoät ngoät, khi ñi vaøo ñöôøng voøng vôùi toác ñoä cao, khi phanh trong nhöõng tröôøng hôïp khaån caáp,… heä thoáng ABS coøn ñöôïc thieát keá keát hôïp vôùi nhieàu heä thoáng khaùc: Heä thoáng ABS keát hôïp vôùi heä thoáng kieåm soaùt löïc keùo - Traction control (hay ASR) laøm giaûm bôùt coâng suaát ñoäng cô vaø phanh caùc baùnh xe ñeå choáng hieän töôïng caùc baùnh xe bò tröôït laên taïi choã khi xe khôûi haønh hay taêng toác ñoät ngoät, bôõi ñieàu naøy laøm toån hao voâ ích moät phaàn coâng suaát cuûa ñoäng cô vaø maát tính oån ñònh chuyeån ñoäng cuûa oâtoâ. Heä thoáng ABS keát hôïp vôùi heä thoáng phaân phoái löïc phanh baèng ñieän töû EBD (Electronic Brake force Distribution) nhaèm phaân phoái aùp suaát daàu phanh ñeán caùc baùnh xe phuø hôïp vôùi caùc cheá ñoä taûi troïng vaø cheá ñoä chaïy cuûa xe. Heä thoáng ABS keát hôïp vôùi heä thoáng hoã trôï phanh khaån caáp BAS (Brake Assist System) laøm taêng theâm löïc phanh ôû caùc baùnh xe ñeå coù quaõng ñöôøng phanh laø ngaén nhaát trong tröôøng hôïp phanh khaån caáp.
Heä thoáng ABS keát hôïp vôùi heä thoáng oån ñònh oâtoâ baèng ñieän töû (ESP), khoâng chæ coù taùc duïng trong khi 2 döøng xe, maø coøn can thieäp vaøo caû quaù trình taêng toác vaø chuyeån ñoäng quay voøng cuûa oâtoâ, giuùp naâng cao hieäu suaát chuyeån ñoäng cuûa oâtoâ trong moïi tröôøng hôïp. Ngaøy nay, vôùi söï phaùt trieån vöôït baäc vaø hoã trôï raát lôùn cuûa kyõ thuaät ñieän töû, cuûa ngaønh ñieàu khieån töï ñoäng vaø caùc phaàn meàm tính toaùn, laäp trình cöïc maïnh ñaõ cho pheùp nghieân cöùu vaø ñöa vaøo öùng duïng caùc phöông phaùp ñieàu khieån môùi trong ABS nhö ñieàu khieån môø, ñieàu khieån thoâng minh, toái öu hoùa quaù trình ñieàu khieån ABS. Caùc coâng ty nhö BOSCH, AISIN, DENSO, BENDIX laø nhöõng coâng ty ñi ñaàu trong vieäc nghieân cöùu, caûi tieán vaø cheá taïo caùc heä thoáng ABS cho oâ toâ.2 PHAÂN LOAÏI HEÄ THOÁNG ABS THEO KIEÅU ÑIEÀU KHIEÅN ABS ñöôïc ñieàu khieån theo caùc phöông phaùp sau: 5.1 Ñieàu khieån theo ngöôõng tröôït: - Ñieàu khieån theo ngöôõng tröôït thaáp (slow mode): Ví duï: khi caùc baùnh xe traùi vaø phaûi chaïy treân caùc phaàn ñöôøng coù heä soá baùm khaùc nhau. ECU choïn thôøi ñieåm baét ñaàu bò haõm cöùng cuûa baùnh xe coù khaû naêng baùm thaáp, ñeå ñieàu khieån aùp suaát phanh chung cho caû caàu xe.
Luùc naøy, löïc phanh ôû caùc baùnh xe laø baèng nhau, baèng chính giaù trò löïc phanh cöïc ñaïi cuûa baùnh xe coù heä soá baùm thaáp. Baùnh xe beân phaàn ñöôøng coù heä soá baùm cao vaãn coøn naèm trong vuøng oån ñònh cuûa ñöôøng ñaëc tính tröôït vaø löïc phanh chöa ñaït cöïc ñaïi. Vì vaäy, caùch naøy cho tính oån ñònh cao, nhöng hieäu quaû phanh thaáp vì löïc phanh nhoû. - Ñieàu khieån theo ngöôõng tröôït cao (high mode): ECU choïn thôøi ñieåm baùnh xe coù khaû naêng baùm cao bò haõm cöùng ñeå ñieàu khieån chung cho caû caàu xe.
Tröôùc ñoù, baùnh xe ôû phaàn ñöôøng coù heä soá baùm thaáp ñaõ bò haõm cöùng khi phanh. Caùch naøy cho hieäu quaû phanh cao vì taän duïng heát khaû naêng baùm cuûa caùc baùnh xe, nhöng tính oån ñònh keùm.2 Ñieàu khieån ñoäc laäp hay phuï thuoäc: - Trong loaïi ñieàu khieån ñoäc laäp, baùnh xe naøo ñaït tôùi ngöôõng tröôït, töùc baét ñaàu coù xu höôùng bò boù cöùng thì ñieàu khieån rieâng baùnh ñoù. - Trong loaïi ñieàu khieån phuï thuoäc, ABS ñieàu khieån aùp suaát phanh chung cho hai baùnh xe treân moät caàu hay caû xe theo moät tín hieäu chung, coù theå theo ngöôõng tröôït thaáp hay ngöôõng tröôït cao.3 Ñieàu khieån theo keânh: - Loaïi 1 keânh: Hai baùnh sau ñöôïc ñieàu khieån chung (coù ôû ABS theá heä ñaàu, chæ trang bò ABS cho hai baùnh sau vì deã bò haõm cöùng hôn hai baùnh tröôùc khi phanh). - Loaïi 2 keânh: Moät keânh ñieàu khieån chung cho hai baùnh xe tröôùc, moät keânh ñieàu khieån chung cho hai baùnh xe sau.
Hoaëc moät keânh ñieàu khieån cho hai baùnh cheùo nhau. - Loaïi 3 keânh: Hai keânh ñieàu khieån ñoäc laäp cho hai baùnh tröôùc, keânh coøn laïi ñieàu khieån chung cho hai baùnh sau. 3 - Loaïi 4 keânh: Boán keânh ñieàu khieån rieâng reõ cho 4 baùnh. Hieän nay loaïi ABS ñieàu khieån theo 3 vaø 4 keânh ñöôïc söû duïng roäng raõi.
Öu vaø nhöôïc ñieåm cuûa töøng loaïi ñöôïc theå hieän qua caùc phöông aùn boá trí sau.3 CAÙC PHÖÔNG AÙN BOÁ TRÍ HEÄ THOÁNG ÑIEÀU KHIEÅN CUÛA ABS Vieäc boá trí sô ñoà ñieàu khieån cuûa ABS phaûi thoûa maõn ñoàng thôøi hai yeáu toá: - Taän duïng ñöôïc khaû naêng baùm cöïc ñaïi giöõa baùnh xe vôùi maët ñöôøng trong quaù trình phanh, nhôø vaäy laøm taêng hieâäu quaû phanh töùc laø laøm giaûm quaõng ñöôøng phanh. - Duy trì khaû naêng baùm ngang trong vuøng coù giaù trò ñuû lôùn nhôø vaäy laøm taêng tính oån ñònh chuyeån ñoäng (driving stability) vaø oån ñònh quay voøng (steering stability) cuûa xe khi phanh (xeùt theo quan ñieåm veà ñoä tröôït). Keát quaû phaân tích lyù thuyeát vaø thöïc nghieäm cho thaáy: ñoái vôùi ABS, hieäu quaû phanh vaø oån ñònh khi phanh phuï thuoäc chuû yeáu vaøo vieäc löïa choïn sô ñoà phaân phoái caùc maïch ñieàu khieån vaø möùc ñoä ñoäc laäp hay phuï thuoäc cuûa vieäc ñieàu khieån löïc phanh taïi caùc baùnh xe. Söï thoûa maõn ñoàng thôøi hai chæ tieâu hieäu quaû phanh vaø tính oån ñònh phanh cuûa xe laø khaù phöùc taïp, tuøy theo phaïm vi vaø ñieàu kieän söû duïng maø choïn caùc phöông aùn ñieàu khieån khaùc nhau.
Hình 5-1 trình baøy 6 phöông aùn boá trí heä thoáng ñieàu khieån cuûa ABS taïi caùc baùnh xe vaø nhöõng phaân tích theo quan ñieåm hieäu quaû vaø oån ñònh khi phanh.1 Phöông aùn 1: ABS coù 4 keânh vôùi caùc baùnh xe ñöôïc ñieàu khieån ñoäc laäp. ABS coù 4 caûm bieán boá trí ôû boán baùnh xe vaø 4 van ñieàu khieån ñoäc laäp, söû duïng cho heä thoáng phanh boá trí daïng maïch thöôøng ( moät maïch daãn ñoäng cho hai baùnh xe caàu tröôùc, moät maïch ñaãn ñoäng cho hai baùnh xe caàu sau).