Đặt vấn đề nghiên cứu Khi ô tô phanh gấp hay phanh trên các loại đường có hệ số bám thấp như đường trơn, đường đóng băng tuyết thì dễ xảy ra hiện tượng sớm bị hãm cứng bánh xe, tức là hiện tượng bánh xe bị trượt lết trên đường khi phanh. Khi đó quãng đường phanh sẽ kéo dài hơn, tức hiệu quả phanh thấp đi, đồng thời dẫn tới tình trạng mất ổn định và khả năng điều khiển của xe. Nếu các bánh trước bị hãm cứng sẽ làm cho xe không di chuyển hướng theo sự điều khiển được, nếu các bánh sau bị hãm cứng do sự khác nhau về hệ số bám giữa bánh trái và bánh phải với mặt đường sẽ làm cho đuôi xe bị lạng, xe bị trượt ngang và chuyển động lệch hướng so với lúc trước bắt đầu phanh. Trong trường hợp xe phanh khi quay vòng, hiện tượng trượt ngang của các bánh xe dễ dẫn tới hiện tượng quay vòng thiếu hay quay vòng thừa làm mất tính ổn định khi xe quay vòng.
Để giải quyết vấn đề trên thì hầu hết các ô tô hiện nay đều trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh có tên là Anti-Lock Braking System thường được viết tắt là ABS. Hệ thống phanh ABS hoạt động bằng cách thay đổi áp suất dầu tác dụng lên các xylanh bánh xe để ngăn không cho các bánh xe bị hãm cứng khi phanh trên đường trơn hay khi phanh gấp, đảm bảo tính hiệu quả và tính ổn định của ô tô trong quá trình phanh. Hệ số bám và lực bám có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn chuyển động của ô tô, nó có liên quan chặt chẽ đến tính chất động lực học của ô tô, đến hiệu quả phanh và độ ổn định khi phanh, tính năng dẫn hướng… Hệ thống phanh ABS được thiết kế dựa trên cơ sở phân tích và xử lý để đạt được các giá trị tối ưu này. Giới hạn đề tài Do thời gian thực hiện đề tài tương đối ngắn nên nhóm chỉ nghiên cứu thi công mô hình về phanh ABS thủy lực.
1 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về phanh ABS 2. Đặc tính trượt của bánh xe khi phanh Trong tính toán động lực học của quá trình phanh ô tô thường sử dụng giá trị hệ số bám cho trong các bảng. Các hệ số này được xác định bằng thực nghiệm theo phương pháp kéo bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn, nghĩa là khi bánh xe bị trượt lê 100%.
Trong quá trình phanh ô tô thường xảy ra sự trượt bánh xe tương đối với mặt đường, mà hệ số bám của bánh xe với mặt đường lại phụ thuộc rất nhiều bởi độ trượt này, do đó làm ảnh hưởng đến chất lượng phanh.1 trình bày đồ thị thực nghiệm chỉ sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy của bánh xe với mặt đường theo độ trượt tương đối λ giữa bánh xe và mặt đường. Độ trượt tương đối λ được xác định theo biểu thức: 𝑣 − 𝜔𝑏𝑥 𝑟𝑏𝑥 𝜆= 𝑣 Với: v: vận tốc của ô tô. ωbx: vận tốc góc của bánh xe. rbx: bán kính làm việc của bánh xe.
1: Đồ thị thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy của bánh xe với mặt đường theo độ trượt tương đối λ của bánh xe khi phanh. Hệ số bám dọc được hiểu là tỷ số của lực phanh tiếp tuyến Pp trên tải trọng Gb tác dụng lên bánh xe. Pp φx = Gb 2 Với khái niệm như trên thì hệ số bám dọc bằng không khi lực phanh tiếp tuyến bằng không, nghĩa là ứng với lúc chưa phanh.1 thấy rằng hệ số bám dọc có giá trị cực đại φmax ở giá trị độ trượt tối ưu λo. Thực nghiệm chứng tỏ rằng giá trị φmax thường ứng với λ trong khoảng 10 - 30%.
Ở giá trị độ trượt tối ưu λo không những đảm bảo hệ số bám dọc có giá trị cực đại mà hệ số bám ngang cũng có giá trị khá cao. Như vậy nếu giữ cho quá trình phanh xảy ra ở vùng trượt tối ưu của bánh xe là λo thì sẽ đạt được lực phanh cực đại Ppmax = φxmaxGb, nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất, đồng thời đảm bảo tốt tính ổn định hướng và tính dẫn hướng khi phanh do hệ số bám ngang có giá trị cao. Hệ thống chống hãm cứng bánh xe là một trong những hệ thống an toàn chủ động của ô tô hiện đại. Nó góp phần giảm thiểu các tai nạn giao thông nhờ điều khiển quá trình phanh một cách tối ưu.
Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe được nghiên cứu ở Đức ngay từ những năm đầu thế kỷ XX. Tiếng Đức lúc đó gọi là Anti-blockier sytem viết tắt là ABS. 2: Quá trình phanh có và không có ABS trên đoạn đường cong. 3: Sự thay đổi thông số Mp khi phanh có ABS.
Trong quá trình điều khiển, bánh xe lúc thì tăng tốc lúc thì giảm tốc và buộc Mφ phải thay đổi theo chu trình kín 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 1, giữ cho độ trượt của bánh xe dao động trong giới hạn λ1 ÷ λ2 (hình 2.3), đảm bảo cho hệ số bám có giá trị gần với cực đại nhất. Để thấy rõ vai trò của ABS có thể tham khảo số liệu trong bảng 2.1 nhận được khi thử nghiệm xe du lịch trong hai trường hợp có và không có ABS và đồ thị quá trình phanh trên hình 2. 1: Kết quả thí nghiệm khi phanh ô tô du lịch có trang bị ABS Tốc độ bắt đầu Quảng đường phanh Sp(m) Mức tăng hiệu Loại đường phanh V(m/s) Có ABS Không ABS quả phanh (%) Đường bêtông khô 13,88 10,6 13,1 19,1 Đường bêtông ướt 13,88 18,7 23,7 21,1 Đường bêtông khô 27,77 41,1 50,0 17,8 Đường bêtông ướt 27,77 62,5 100,0 37,5. 4: Quá trình phanh điển hình trên mặt đường trơn không có ABS.
5: Quá trình phanh điển hình của ô tô có trang bị ABS. Sơ đồ khối tổng quát của ABS Trên hình 2.6 trình bày sơ đồ của ABS với bộ điều khiển điện tử - thủy lực. 6: Sơ đồ của ABS với bộ điều khiển điện tử - thủy lực. 1-Cảm biến tốc độ, 2- Bộ phận điều khiển, 3- Cơ cấu thực hiện, 4- Nguồn năng lượng, 5- Xylanh chính, 6- Xylanh bánh xe.
Cảm biến 1 sẽ nhạy cảm với thông số được chọn (tùy theo nguyên lý điều khiển, chẳng hạn với vận tốc góc của bánh xe ωb) rồi truyền tín hiệu đến bộ điều khiển 2. Bộ điều khiển sẽ xử lý tín hiệu của cảm biến 1 rồi truyền lệnh đến bộ thực hiện 3 để tiến hành việc giảm hoặc tăng áp suất trong dẫn động phanh. Chất lỏng được truyền từ xylanh chính 5 qua bộ thực hiện 3 đến các xylanh bánh xe 6 để ép các guốc phanh và tiến hành sự phanh. Nguồn năng lượng 4 đảm bảo cho bộ thực hiện 3 làm việc để tiến hành sự phanh bánh xe.
Chúng ta sẽ xem xét sự làm việc của hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh bằng nguyên lý điều chỉnh theo gia tốc chậm dần. Nguyên lý điều chỉnh này cho kết quả điều chỉnh tốt với đường bằng phẳng và đồng nhất theo khả năng bám, nghĩa là đối với đa số trường hợp sử dụng ô tô trên đường. Tín hiệu của các bộ ABS này thường do cảm biến vận tốc góc đặt ở các bánh xe phát ra. Phương trình chuyển động của bánh xe được phanh có dạng sau đây: Jbx εbx = Mp – Mφ (2.1) trong đó: J bx – mô men quán tính bánh xe.
εbx – gia tốc góc của bánh xe. Mp – mô men phanh tạo bởi cơ cấu phanh. 6 Mφ – mô men phanh theo khả năng bám của bánh xe với mặt đường. Sử dụng phương trình (2.1) có thể xây dựng đồ thị biểu thị quá trình làm việc của ABS theo gia tốc chậm dần.
Gia tốc chậm dần của bánh xe εbx được xác định: Mp – Mφ εbx = Jbx 2. Sự cần thiết phải chống hãm cứng bánh xe khi phanh Ở hệ thống phanh thường khi gặp nguy hiểm người lái phanh gấp, lực phanh tăng quá lớn hoặc phanh trên đường trơn xấu có hệ số bám nhỏ thì lực phanh sẽ vượt quá lực bám dọc ở các bánh xe. Khi lực phanh lớn hơn lực bám, các bánh xe bị hãm cứng, độ trượt λ sẽ là 100% (theo đồ thị ở hình 2.1), lúc đó φx giảm nhanh, làm cho lực bám dọc giảm, khi lực bám dọc giảm thì lực phanh giảm theo và quãng đường phanh kéo dài ra, làm cho hiệu quả phanh bị giảm. Đặc biệt nguy hiểm là khi bánh xe bị hãm cứng, λ = 100% thì hệ số bám ngang φy ≈ 0, cho nên các phản lực ngang dưới các bánh xe Yb ≈ 0, lúc này chỉ cần có lực ngang tác dụng lên thân xe là các bánh xe sẽ trượt ngang.
Đây là hiện tượng rất nguy hiểm vì khi các bánh xe trượt ngang thì xe sẽ không còn chuyển động ổn định, không còn chuyển động đúng quỹ đạo của đường. Nếu các bánh xe cầu trước bị trượt ngang thì xe sẽ mất tính dẫn hướng (tức là xe không thể điều khiển thông qua hệ thống lái theo ý muốn người lái). Đây cũng là trạng thái chuyển động không ổn định. Nếu các bánh xe cầu sau bị hãm cứng và có lực ngang tác dụng.
Lực ngang xuất hiện ở 3 trường hợp sau: - Khi xe chuyển động trên đường cong, lực ngang là lực quán tính ly tâm. - Khi mặt đường có góc nghiêng ngang β >0o, lúc đó lực ngang là Gsinβ (G là trọng lượng toàn bộ của xe) - Khi có gió thổi tạt ngang xe khá mạnh. Ở 3 trường hợp trên, nếu phanh mà các bánh xe cầu sau bị hãm cứng thì do có lực ngang Y tác dụng, lập tức các bánh xe cầu sau trượt ngang do φy ≈ 0. Nếu mức độ trượt ngang quá lớn và cường độ phanh quá lớn, lực quán tính Fj đạt cực đại và có khả năng làm lật xe.
Đây là trạng thái phanh vô cùng nguy hiểm. Qua phân tích trạng thái phanh ở trên, chúng ta thấy khi phanh mà các bánh xe bị hãm cứng và có lực ngang tác dụng lên thân xe thì làm cho hiệu quả phanh giảm, xe chuyển động không ổn định, xe không thể điều khiển theo ý muốn người lái. Xe có thể quay ngang và lật xe. Đây là trạng thái chuyển động rất nguy hiểm thường gặp ở hệ thống phanh thường (không có trang bị ABS).
Bởi vậy, để tránh được trạng thái phanh nguy hiểm nêu trên, bắt buộc chúng ta phải chống hãm cứng bánh xe khi phanh.