Đồ án tốt nghiệp: Tìm hiểu chi tiết về hệ thống phanh ABS khí nén

Đồ án tốt nghiệp phân tích chi tiết hệ thống phanh ABS khí nén về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch và các hư hỏng thường gặp.

• Tác giả: Nguyễn Đình Đức
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Đình Quý
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Tìm Hiểu Hệ Thống Phanh ABS Khí Nén
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ Thống Phanh ABS Khí Nén

Hệ thống phanh ABS khí nén (Anti-lock Braking System) là một công nghệ an toàn quan trọng trên các phương tiện giao thông hiện đại, đặc biệt là xe khách và xe đầu kéo. Hệ thống này được thiết kế để ngăn chặn hiện tượng bánh xe bị khóa cứng khi phanh gấp, từ đó giữ khả năng lái xe và giảm khoảng cách phanh. Theo thống kê của Bộ Giao Thông Vận Tải, với lượng vận tải hành khách lên đến 3.099,2 triệu người hàng năm, việc trang bị hệ thống phanh ABS trở thành yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn. Công nghệ này đã được các hãng lớn như Wabco, Bendix, Bosch phát triển và hoàn thiện trong nhiều thập kỷ, đem lại hiệu quả cao trong phòng chống tai nạn giao thông.

1.1. Lịch sử Phát Triển của Phanh ABS

Hệ thống phanh ABS được phát triển lần đầu tiên vào cuối những năm 1960 và đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trên ô tô con, xe du lịch và xe tải hiện nay. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử đã giúp hệ thống ABS khí nén ngày càng hiện đại hơn, tích hợp thêm các tính năng như chống trượt TCS, phân bố lực phanh EBD, phanh khẩn cấp BAS và ổn định điện tử ESP, nâng cao đáng kể sự an toàn cho người lái xe.

1.2. Tại Sao Cần Áp Dụng Phanh ABS Khí Nén

Với sự tăng trưởng nhanh của ngành vận tải hành khách và hàng hóa, các phương tiện cần phát triển tải trọng và tốc độ cao hơn. Tuy nhiên, sự gia tăng này đòi hỏi phải chú ý đến tính an toàn của xe. Phanh ABS khí nén giải quyết vấn đề này bằng cách ngăn chặn khóa bánh xe, cải thiện khả năng điều khiển và rút ngắn khoảng cách phanh, đặc biệt trên các đường với điều kiện lái khó khăn.

II. Cấu Tạo Chi Tiết của Hệ Thống Phanh ABS Khí Nén

Hệ thống phanh ABS khí nén bao gồm nhiều thành phần quan trọng benh phối với nhau để tạo nên một cơ chế an toàn hiệu quả. Các thành phần chính gồm: máy nén khí, bầu phanh, van điều khiển, cảm biến tốc độ bánh xe, van chấp hành ABS và bộ điều khiển điện tử (ECU). Mỗi linh kiện đóng vai trò cụ thể trong quá trình hoạt động của hệ thống. Máy nén khí cung cấp áp lực khí cần thiết; bầu phanh trữ khí nén; van điều khiển phân phối áp lực; cảm biến tốc độ giám sát chuyển động bánh xe; van chấp hành điều chỉnh áp lực theo lệnh từ bộ điều khiển, và ECU xử lý dữ liệu để đưa ra quyết định điều khiển chính xác.

2.1. Các Linh Kiện Chính của Hệ Thống ABS

Máy nén khí là trái tim của hệ thống, cung cấp áp lực khí từ 7-10 bar. Bầu phanh bao gồm bầu lọc và tách ẩm, bầu phanh trước và sau, đảm bảo áp lực khí đủ cho hoạt động. Van rơ-le kích hoạt van chấp hành ABS khi nhận tín hiệu từ bộ điều khiển. Cảm biến tốc độ bánh xe sử dụng công nghệ từ để phát hiện và truyền tín hiệu tốc độ chính xác đến ECU.

2.2. Nguyên Lý Hoạt Động của Van Chấp Hành ABS

Van chấp hành là cơ cấu then chốt, có ba chế độ hoạt động: tăng áp (tăng lực phanh), giữ áp (duy trì lực phanh) và giảm áp (giảm lực phanh). Bộ điều khiển ECU điều khiển van này với tần số khoảng 5-10 Hz, giúp bánh xe không bị khóa cứng. Quá trình này lặp lại nhanh chóng, cho phép lái xe vẫn có khả năng điều khiển xe thậm chí khi phanh mạnh trên đường ướt hay trơn.

III. Nguyên Lý Hoạt Động của Phanh ABS Khí Nén

Nguyên lý hoạt động của phanh ABS khí nén dựa trên việc giám sát liên tục tốc độ của các bánh xe thông qua cảm biến tốc độ. Khi lái xe phanh gấp, nếu phát hiện có bánh xe có xu hướng bị khóa cứng (tốc độ giảm quá nhanh so với tốc độ xe), bộ điều khiển ECU sẽ tự động điều khiển van chấp hành để giảm áp lực phanh tại bánh xe đó. Quá trình này xảy ra rất nhanh, tạo ra cảm giác rung trên bàn đạp phanh. Hệ thống phanh ABS không làm giảm khoảng cách phanh trên đường khô, nhưng cải thiện đáng kể trên đường ướt, cát hoặc trơn. Ngoài ra, phanh ABS giúp xe dễ dàng thay đổi hướng ngay cả khi phanh mạnh, tăng cường khả năng kiểm soát và an toàn lái xe.

3.1. Quá Trình Điều Khiển của ABS

Quá trình điều khiển của hệ thống ABS bao gồm ba giai đoạn: khi xe bắt đầu giảm tốc, bộ điều khiển tăng áp phanh; khi phát hiện bánh xe bị khóa, ECU chuyển sang giữ áp hoặc giảm áp; khi tốc độ xe ổn định trở lại, hệ thống chuyển sang tăng áp tiếp tục. Logic điều khiển này được thực hiện tự động mà không cần can thiệp từ lái xe, đảm bảo phản ứng nhanh nhất.

3.2. Phương Pháp Điều Khiển Áp Lực Phanh

Phương pháp điều khiển sử dụng van chấp hành ba chiều để quản lý áp lực khí nén. Van tăng áp cho phép khí vào buồng phanh, van giữ áp cắt nguồn khí, và van giảm áp xả khí từ buồng phanh. Bộ điều khiển ECU phát lệnh theo tần số cao (5-10 Hz), tạo ra sự thay đổi áp lực liên tục, ngăn chặn hiện tượng bánh xe trượt hoặc khóa cứng.

IV. Ứng Dụng Phanh ABS Khí Nén trên Xe Hiện Nay

Phanh ABS khí nén được áp dụng rộng rãi trên các loại phương tiện giao thông vận tải, từ xe khách đến xe đầu kéo. Ở Việt Nam, nhiều dòng xe khách như Hyundai Universe và Thaco Mobihome đều được trang bị hệ thống này. Ngoài ra, hệ thống ABS khí nén trên xe rơ moóc có cấu tạo đặc biệt, bao gồm van kiểm tra 2 chiều để đảm bảo rơ moóc phanh đồng bộ với xe đầu kéo, tránh hiện tượng xe chồng nhau hay lật khi phanh gấp. Bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống này đòi hỏi kỹ thuật chuyên biệt, bao gồm kiểm tra cảm biến tốc độ, van chấp hành, và chẩn đoán lỗi thông qua bộ điều khiển điện tử.

4.1. Ứng Dụng Trên Xe Khách và Xe Tải

Xe khách Hyundai Universe được trang bị hệ thống phanh ABS khí nén hiện đại với van chấp hành phía trước và phía sau. Thaco Mobihome cũng sử dụng công nghệ tương tự, được bố trí trên cầu trước và cầu sau để kiểm soát lực phanh toàn diện. Cấu trúc bầu lọc, tách ẩm, cảm biến tốc độ bánh xe được lắp đặt chinh xác, đảm bảo hiệu suất phanh ABS tối ưu trên các điều kiện đường khác nhau.

4.2. Bảo Dưỡng Sửa Chữa và Chẩn Đoán Hỏng Hóc

Bảo dưỡng hệ thống phanh ABS khí nén bao gồm kiểm tra định kỳ bầu lọc, tách ẩm, cảm biến tốc độ và van chấp hành. Triệu chứng hư hỏng như cảnh báo đèn ABS sáng, phanh không hoạt động đầy đủ, hoặc rung tay lái cần được chẩn đoán qua bộ điều khiển ECU. Sửa chữa van chấp hành đòi hỏi tháo lắp chính xác và hiệu chuẩn lại hệ thống để đảm bảo an toàn tối đa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHANH CHỐNG HÃM CỨNG ABS 1. Lịch sử phát triển Các chuyên gia đã phát triển lĩnh vực này thông qua chế tạo ra hệ thống ABS cơ bản đầu tiên và được áp dụng trong ngành công nghiệp hàng không vào năm 1930.[10] Năm 1945, bộ phận phanh ABS đầu tiên được lắp đặt trên một chiếc Boening B-47 để trách những va chạm và nổ lốp. Sau đó vào những năm 1950, phanh ABS được lắp đặt vào máy bay.

Nhưng năm 1960, các mẫu xe cao cấp được trạng bị hệ thống ABS ở bánh sau [10]. Với sự phát triển nhanh chóng của ngàng công nghệ điện tử và máy tính có xu hướng bùng nổ. Năm 1978, hệ thống ABS được hãng Bosch trạng bị trên xe MercedesBen S-Class. Đây là chiếc xe đầu tiên trạng bị ABS trên bốn bánh.

Hãng sản xuất phanh của Nhật đã giới thiệu phanh ABS dựa trên hệ thống Bosch cũng như thiết kế của họ vào giữa những năm 1980. Hệ thống của Bosch được sử dụng trong năm 1986 trên xe Corvette và Cadillac Allante, tiếp theo là Ford cũng trạng bị phanh ABS cho xe của họ vào năm 1987. Kể từ cuối thập niên 1980 và đầu những năm 90, hệ thống ABS đã được tìm thấy trên hầu hết các xe hàng đầu của mỗi hãng sản xuất. Vào cuối những năm 1990, thực tế tất cả các xe chở khách và xe tải nhẹ đều được trang bị hệ thống ABS bốn bánh [2] Hệ thống ABS được công nhận đóng góp quan trọng cho an toàn đường bộ vì nó được thiết kế để giữ cho chiếc xe có thể lại và ổn định trong khi phanh gấp.

Khi phanh gấp, bánh xe dễ bị trượt và bị khóa hay phanh trên đường trơn trượt ( đường ướt , đường tuyến…). Điều này gây ra quãng đường phanh dài và mất ổn định của tay lái. Mục tiêu của hệ thống ABS là điều khiển các bánh xe để đạt độ bám tối đa và ổn định lái được duy trì. Nghĩa là, làm cho chiếc xe dừng lại trong thời gian ngắn nhất và duy trì sự kiểm soát hướng.

Cơ sở chung của hệ thống ABS 1. Sự trượt của bánh xe a. Khái niệm trượt 4 Để ô tô có thể chuyển động được thì vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có một hệ số bám nhất định. Sự bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bằng hệ số bám.

Về cơ bản, có thể xem hệ số bám tương tự như hệ số ma sát giữa hai vật thể cơ học. Nếu hệ số bám thấp thì xe bị trượt quay, lúc đó xe khó chuyển động về phía trước. Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường được chia thành hai thành phần: Hệ số bám trong mặt phẳng dọc, tức là trong mặt phẳng chuyển động của ô tô được gọi là hệ số bám dọc x. Ngoài ra còn hệ số bám trong mặt phẳng ngang vuông góc với mặt phẳng dọc và được gọi là hệ số bám ngang y.

Hệ số bám dọc và hệ số bám ngang được xác định lần lượt theo công thức. Fx x  Fz Fy y  Fz Trong đó : Fx là lực phanh theo phương x Fz là phản lực pháp tuyến giữa bánh xe với mặt đường b. Đặc tính trượt Đặc tính trượt là đường cong biểu diễn mỗi quan hệ của hệ số bám và độ trượt. Tại  0 thì hệ số bám dọc cao và hệ số bám ngang cao.

Đây là vùng ổn định giúp xe trong quá trình phanh có thể đạt hiệu quả phanh cao nhất và có thể dẫn hướng được thể hiện trên hình 1.1 : Đường đặc tính trượt Giá trị trượt của bánh xe được xác định bằng công thức sau:  Hình  0 2.2: Đặc tính trượt ứng với các loại đường   khác nhauHình 2.1 : Đường đặc tính trượt Với:  0  b rd Hình 1.2: Đặc tính trượt ứng với các loại đường Trong đó :  : Vận tốc dọc thực tế của bánh xe và bằng với vận tốc dọc của xe khác nhau  0 : Vận tốc dọc lý thuyết của bánh xe b : Vận Hình 2.3:của tốc góc Động bánhlực xe.học của ô tô khi phanhHình 2.2: Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhauHình rd :1.1 Bán kính động : Đường đặc lực tínhhọc của bánh xe. trượt 6 Hình 2.2: Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhauHình 2.1 : Đường đặc tính trượt Độ trượt được tính tương đối với công thức:   0   b rd  .100%   Trong quá trình phanh, hệ số bám thay đổi. Đối với các loại đường khác nhau (khô, ướt, băng tuyết) thì hệ số bám khác nhau bên cạch đó hệ số bám còn phụ thuộc vào độ trượt  khi phanh. Thực nghiệm mô tả sự phụ thuộc này thông qua đặc tính trượt có dạng như hình 1.2: Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhau Từ hình 1.2 ta có những nhận xét sau:  Hệ số bám dọc x và hệ số ngang y thay đổi theo độ trượt .

Ban đầu, khi độ trượt Hình 2.3: Động lực học của ô tô khi phanhHình 2.2: Đặc tính tăng thì hệ số bám dọc tăng lên và nhanh chóng đạt được giá trị cực đại trong khoảng trượt ứng với các loại đường khác nhau độ trượt (10-30%). Nếu độ trượt tiếp tục tăng thì  x giảm, khi độ trượt  =100% (lốp 7 Hình 1.3: Thời điểm quay gây ra bởi sự khác biệt lớn trong hệ số bámHình 1.2: Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhau xe bị trượt lết hoàn toàn khi phanh) thì hệ số bám dọc  x giảm (20-30%) so với hệ số bám cực đại, khi đường ướt còn giảm nhiều hơn nữa(50-60%). Đối với hệ số bám ngang  y sẽ giảm nhanh khi độ trượt tăng, ở trạng thái trượt lết hoàn toàn thì giảm xuống gần bằng không.  Trong hệ thống phanh cổ điển ( phanh không có ABS) bánh xe bị bó cứng trong khi phanh lúc đó độ trượt   100%.

Điều này không tốt do chưa tận dụng hết khả năng bám hay khả năng tiếp nhận phản lực tiếp tuyến.  Ở hệ thống phanh thường, hệ số bám ngang y khi phanh ở giá trị cực đại , độ trượt   100% thì hệ số bám ngang gần bằng không nên khả năng bám ngang không còn nữa khiến cho xe dễ bị trượt ngang. Dẫn tới không tốt về phương diện ổn định khi phanh. Mục tiêu của hệ thống ABS Hệ thống ABS được xây dựng trên ba mục tiêu chính là giảm tối thiểu quãng đường phanh, khả năng điểu khiển hướng và khả năng ổn định của xe.

Theo [2] - Quãng đường phanh ( Sp ) : Bằng cách tối đa hóa khả năng bám dọc của bánh xe để giảm tối thiểu quãng đường phanh. - Ổn định hướng : Khi phanh gấp, bánh xe bị khóa cứng dẫn tới bánh xe bị trượt, lúc này lực bám ngang gần như mất đi làm cho khả năng điều khiển hướng của người lái xe không còn dễ xảy ra tại nạn trong khi phanh. Vì vậy, hệ thống ABS phải duy trì đủ lực bám ngang để đảm bảo được khả năng điều khiển hướng trong quá trình phanh. - Ổn định của xe : Lực bám tại các bánh xe không phải lúc nào cũng như bằng nhau, đặc biệt là những thay đổi đột ngột của hệ số bám tại từng loại mặt đường là không đồng đều.

Sự không cân bằng lực phanh của bánh xe trái và phải sẽ tạo ra một mô men quay M yaw gây mất ổn định của xe. Được mô tả qua hình 1. Vì vậy, hệ thống ABS phải cân bằng lực phanh tại bánh xe trái và bánh xe phải, ngay khi lực phanh tổng là tối đa.3: Thời điểm quay gây ra bởi sự khác biệt lớn trong hệ số bám 1.3 Quá trình điều khiển của ABS Hình 1.4: Thời điểm quay gây ra bởi sự khác biệt lớn trong hệ số bámHình 1.3: Trên đồ thị biểu điễn một quá trình điều khiển của cơ cấu ABS. Đường  biểu diễn tốc Thời điểm quay gây ra bởi sự khác biệt lớn trong hệ số bám độ xe giảm dần khi phanh; đường ref là tốc độ chuẩn của bánh xe; b thể hiện tốc độ thực tế của bánh xe khi phanh; đường 1 là ngưỡng trượt được xác định từ tốc độ chuẩn ref.

Mục là điều tiêu của ABS Hình khiển 1.3: điểm Thờisao choquay tronggây quáratrình phanh bởi sự khácgiá biệttrịlớn độ thực tốctrong bámbánh xe b tế của hệ số càng sát với tốc độ chuẩn ref càng tốt (chú ý rằng ref là tốc độ bánh xe khi phanh dưới điều kiện phanh tối ưu), tức nó phải nằm trên ngưỡng trượt 1 Hình 1.4: Thời điểm quay gây ra bởi sự khác biệt lớn trong hệ số bámHình 1.3: Tốc độ chuẩn điểm Thờicủa quay bánh xe gây khi phanh ( ref ra bởi sự khác) làbiệt tốc lớn trong hệ độ tương ứngsốvới bámtốc độ bánh xe dưới điều kiện phanh tối ưu (có độ trượt tối ưu). Để xác định tốc độ chuẩn này, các cảm biến tốc độ bánh xe liên tục gửi về ECU tín hiệu tốc độ của cả 4 bánh xe. ECU chọn những giá trị chéo, 9 ví dụ bánh trước phải và bánh sau trái, căn cứ vào các giá trị này ECU làm phép so sánh và tính tốc độ chuẩn.4: Thời điểm quay gây ra bởi sự khác biệt lớn trong hệ số bám Trong đó:  là vận tốc xe  là Hình ref 1.4: vận tốc điểm Thời chuẩnquay gây raxebởi sự khác biệt lớn trong hệ số bám của bánh b là vận tốc thực tế của bánh xe Hình 1.4: Thời điểm quay gây ra bởi sự khác biệt lớn trong hệ số bám 1 giá trị độ trượt +A, +a,-a, -A là giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe Trong giai đoạnHình đầu1.4: củaThời điểm phanh, quá trình áp ra quay gây suất bởiphanh trong sự khác biệthệ trongphanh lớnthống hệ số tăng bám lên làm cho gia tốc góc bánh xe giảm dần. Giai đoạn này ứng với vùng ổn định (a) của độ thì đặc tính trượt( hình 1.

Lúc này độ trượt được đảm bảo nằm trọng giới hạn cho phép. 10 Khi tiếp tục tăng áp suất phanh thì gia tốc bánh xe giảm dần cho đến khi gia tốc góc bánh xe giảm quá giá trị (-a) thì ECU kích hoạt trạng thái giữ áp (cuối giai đoạn 1). ECU điều khiển van chấp hành ABS đóng đường dẫn áp suất phanh tới bầu phanh, làm cho áp suất trong bầu phanh không đổi nhưng do sự trể của quá trình điều khiển nên áp suất chưa giảm ngay làm cho gia tốc bánh xe tiếp tục giảm. Ở giai đoạn 2, gia tốc góc bánh xe tiếp tục giảm cho đến khi vượt qua ngưỡng (-A).