Đồ án: Mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe Hyundai Kona 2.0 AT 2019

Nghiên cứu chi tiết mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe Toyota Vios 2018. Phân tích nguyên lý, cấu tạo và đánh giá hiệu quả hoạt động.

• Tác giả: Nguyễn Văn Quyết
• Người hướng dẫn: TS. Đinh Xuân Thành
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Ô tô
• Đề tài: Mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe Hyundai Kona 2.0 AT 2019
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phanh ABS trên Hyundai Kona 2019

Hệ thống phanh ABS (Anti-lock Braking System) là công nghệ chống bó cứng bánh xe hiện đại, giúp đảm bảo an toàn khi phanh khẩn cấp. Trên xe Hyundai Kona 2.0 AT 2019, hệ thống này được tích hợp để ngăn chặn bánh xe bị khóa cứng trong quá trình phanh, cho phép lái xe duy trì khả năng điều khiển hướng xe. Với sự phát triển của công nghệ ô tô hiện đại, phanh ABS không chỉ là trang bị cao cấp mà còn là tiêu chuẩn bắt buộc trên các dòng xe du lịch. Hệ thống này hoạt động tự động mà không cần can thiệp từ người lái, cải thiện đáng kể hiệu quả phanh và độ ổn định của xe, đặc biệt trên các mặt đường trơn hoặc trong tình huống phanh khẩn cấp.

1.1. Lịch sử ra đời của công nghệ phanh ABS

Phanh ABS được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1970 cho máy bay, sau đó được ứng dụng trên ô tô. Công nghệ này giải quyết vấn đề bó cứng bánh xe khi phanh khẩn cấp, giúp tăng cường độ an toàn giao thông. Các nhà sản xuất như Bosch đã hoàn thiện hệ thống này, và ngày nay nó trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trên hầu hết các loại xe ô tô.

1.2. Ứng dụng trên Hyundai Kona 2019

Hyundai Kona 2.0 AT 2019 được trang bị hệ thống phanh ABS tiên tiến nhằm nâng cao tính an toàn cho người lái. Hệ thống này hoạt động một cách tự động và liên tục, kiểm soát áp lực phanh trên từng bánh xe để tối ưu hóa lực bám dọc. Công nghệ này giúp lái xe có thể duy trì khả năng điều khiển hướng ngay cả trong tình huống phanh khẩn cấp.

II. Cơ sở lý thuyết về hoạt động phanh ABS

Nguyên lý hoạt động của phanh ABS dựa trên kiểm soát áp lực phanh động để ngăn chặn bánh xe bị khóa cứng. Khi lực bám dọc đạt giới hạn, bánh xe có xu hướng bó cứng, dẫn đến mất khả năng điều khiển. Hệ thống ABS sử dụng các cảm biến để phát hiện tình huống này và tự động giảm áp lực phanh liên tục. Quá trình này xảy ra hàng chục lần mỗi giây, tạo ra cảm giác rung rẩy ở bàn đạp phanh. Mô phỏng hệ thống phanh ABS trên Hyundai Kona 2019 giúp hiểu rõ hơn về động lực học bánh xe và tối ưu hóa hiệu suất phanh. Qua mô phỏng, ta có thể đánh giá chất lượng phanh trong các điều kiện khác nhau.

2.1. Cảm biến tốc độ bánh xe

Cảm biến tốc độ là thành phần quan trọng trong hệ thống ABS, được đặt trên mỗi bánh xe của Hyundai Kona. Cảm biến này phát hiện tốc độ quay của bánh xe và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển ECU. Dựa trên thông tin tốc độ thời gian thực, ECU có thể quyết định khi nào cần giảm áp lực phanh để ngăn chặn bó cứng bánh xe.

2.2. Bộ chấp hành ABS và điều khiển áp lực

Bộ chấp hành ABS bao gồm các van điều khiển solenoid và bơm áp lực được điều khiển bởi ECU. Khi phát hiện bánh xe có dấu hiệu bó cứng, van solenoid hoạt động để giảm hoặc tăng áp lực phanh nhanh chóng. Quá trình này tự động và liên tục để đảm bảo lực bám tối ưu giữa lốp xe và mặt đường.

III. Mô phỏng hệ thống phanh ABS trên Matlab Simulink

Mô phỏng hệ thống phanh ABS trên Hyundai Kona 2019 được thực hiện bằng phần mềm Matlab-Simulink, một công cụ mạnh mẽ trong mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống động học. Simulink cho phép xây dựng mô hình toán học của hệ thống phanh, bao gồm động lực học bánh xe, cảm biến tốc độ, bộ điều khiển ABS, và các yếu tố khác. Thông qua mô phỏng, ta có thể phân tích hoạt động của hệ thống trong các tình huống phanh khác nhau. Mô hình mô phỏng giúp các kỹ sư đánh giá hiệu quả phanh, độ ổn định hướng xe, và tối ưu hóa các tham số điều khiển trước khi áp dụng trên thực tế.

3.1. Xây dựng mô hình toán học ABS

Mô hình toán học của hệ thống phanh ABS bao gồm các phương trình vi phân mô tả chuyển động bánh xe, lực ma sát, và áp lực phanh. Các thông số của Hyundai Kona 2019 như khối lượng xe, bán kính bánh xe, hệ số ma sát lốp được nhập vào mô hình. Mô hình này cho phép mô phỏng chuyển động xe khi phanh bình thường và khi phanh gấp với hệ thống ABS hoạt động.

3.2. Kịch bản mô phỏng và phân tích kết quả

Các kịch bản mô phỏng bao gồm phanh bình thường, phanh khẩn cấp trên các mặt đường khác nhau (ẩm, khô, trơn trượt). Kết quả mô phỏng cho thấy hoạt động của ABS trong việc giảm độ trượt bánh xe và cải thiện khả năng điều khiển. Những dữ liệu này có giá trị trong nghiên cứu an toàn ô tô.

IV. Kết quả đánh giá và ý nghĩa thực tiễn

Kết quả mô phỏng hệ thống phanh ABS trên Hyundai Kona 2019 cho thấy hiệu quả rõ rệt của công nghệ này trong đảm bảo an toàn giao thông. Khi so sánh phanh không có ABS với phanh có ABS, ta thấy rõ sự khác biệt về quãng đường phanh, độ ổn định hướng xe, và lực bám của bánh xe. Hệ thống ABS giúp giảm quãng đường phanh trên các mặt đường trơn và duy trì khả năng điều khiển hướng trong tình huống phanh khẩn cấp. Những kết quả này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong thiết kế, cải tiến, và đánh giá hiệu suất của các hệ thống phanh hiện đại trên ô tô.

4.1. So sánh hiệu quả phanh ABS và không ABS

Mô phỏng cho thấy khi phanh khẩn cấp trên mặt đường ẩm, quãng đường phanh với ABS ngắn hơn 15-20% so với phanh không ABS. Độ ổn định hướng xe cũng được cải thiện đáng kể, giúp lái xe duy trì khả năng điều khiển. Hệ số ma sát lốp-mặt đường được tối ưu hóa tốt hơn nhờ hệ thống ABS hoạt động.

4.2. Ý nghĩa của nghiên cứu mô phỏng ABS

Nghiên cứu mô phỏng này cung cấp dữ liệu quan trọng cho các kỹ sư thiết kế hệ thống phanh. Kết quả có thể áp dụng để tối ưu hóa các tham số điều khiển ABS trên Hyundai Kona và các mẫu xe khác. Điều này giúp nâng cao tiêu chuẩn an toàn và hiệu suất phanh trong ngành công nghiệp ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG BÁNH XE ABS (ANTI-LOCK BRAKING SYSTEM).1 Sự ra đời của phanh ABS. Với sự hiểu biết đơn giản và kinh nghiệm, tránh hiện tượng các bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe trên đường trơn trượt, người lái xe đạp phanh bằng cách nhấn liên tục lên bàn đạp phanh để duy trì lực bám ngăn không cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển được hướng chuyển động của xe. Về cơ bản chức năng của cơ cấu phanh ABS cũng giống như vậy nhưng hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn. Cơ cấu phanh ABS được sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm 1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh.

Với công nghệ thời đó, kết cấu của cơ cấu ABS còn cồng kềnh, hoạt động không tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi tình huống. Trong quá trình phát triển ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay là điện tử. Vào thập niên 60, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử ra đời, giúp cơ cấu ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô vào năm 1969, sau đó cơ cấu ABS được nhiều công ty sản xuất ô tô nghiên cứu và đưa vào ứng dụng vào năm 1971, đây là cơ cấu ABS một kênh điều khiển đồng thời hai bánh sau. Nhưng phải đến thập niên 80 cơ cấu này mới được phát triển mạnh nhờ cơ cấu điều khiển kỹ thuật số, vi sử lý thay cho các cơ cấu điều khiển tương tự đơn giản trước đó.

Lúc đầu cơ cấu ABS chỉ được lắp ráp trên các xe du lịch mới, đắt tiền, được trang bị theo yêu cầu và theo thị trường. Dần dần cơ cấu này được đưa vào sử dụng rộng rãi hơn, đến nay ABS gần như trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đường băng, tuyết dễ trơn trượt. Ngày nay cơ cấu ABS không chỉ được thiết kế trên các cơ cấu phanh thủy lực mà còn ứng dụng rộng rãi trên các cơ cấu phanh khí nén của các xe tải và xe khách lớn. 4 Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động như khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với tốc độ cao, khi phanh trong những trường hợp khẩn cấp.

Cơ cấu phanh ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều cơ cấu khác. Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu kiểm soát lực kéo Traction Control (hay ASR) làm giảm bởi công suất động cơ và phanh các bánh xe để tránh hiện tượng các bánh xe bị trượt lăn tại chỗ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, bởi điều này làm tổn hao vô ích một phần công suất của động cơ và mất tính ổn định chuyển động của ô tô. Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu phân phối lực phanh bằng điện tử EBD (Electronic Break force Distribution) nhằm phân phối áp suất dầu phanh đến các bánh xe phù hợp các chế độ tải trọng và các chế độ chạy của xe. Cơ cấu ABS kết hợp với BAS (Break Assist System) làm tăng thêm lực phanh ở các bánh xe để quãng đường phanh là ngắn nhất trong trường hợp phanh khẩn cấp.

Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu ổn định ô tô bằng điện tử (ESP) không chỉ có tác dụng trong khi dừng xe, mà còn can thiệp vào cả quá trình tăng tốc và chuyển động quay vòng của ô tô, giúp nâng cao hiệu quả chuyển động của ô tô trong mọi trường hợp. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kỹ thuật điện tử của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều khiển mở, điều khiển thông minh, tối ưu hóa quá trình điều khiển ABS. Các công ty như BOSCH, AISIN, DENCO, BENDI là những công ty đi đầu trong việc nghiên cứu, cải tiến và chế tạo các cơ cấu ABS và cung cấp cho các công ty sản xuất ô tô trên toàn thế giới.2 Kết cấu của hệ thống phanh ABS. Gồm các bộ phận chính: 5 +Cảm biến tốc độ.

+Cảm biến giảm tốc. +Bộ chấp hành ABS.1 Vị trí các bộ phận của hệ thống phanh ABS đặt trên xe.1 Cảm biến tốc độ. Cảm biến tốc độ bánh xe trước và sau bao gồm một nam châm vĩnh cữu, cuộn dây và lõi từ.Vị trí lắp cảm biến tốc độ hay rôto cảm biến cũng như số lượng răng của rôto cảm biến thay đổi theo kiểu xe.2 Kết cấu cảm biến tốc độ. Vành ngoài của các rôto có các răng, khi xe chuyển động các bánh xe dẫn động rôto quay, sinh ra một điện áp xoay chiều có tần số tỷ lệ với tốc độ quay của rôto.3 Kết cấu và vị trí đặt cảm biến tốc độ.

Điện áp AC này báo cho ABS ECU biết tốc độ bánh xe.4 Tín hiệu phản hồi từ cảm biến tốc độ gửi đến ECU.2 Cảm biến giảm tốc. Việc sử dụng cảm biến giảm tố cho phép ABS đo trực tiếp sự giảm tốc của bánh xe trong quá trình phanh. Nhờ đó biết được trạng thái mặt đường, qua đó điều chỉnh áp suất dầu phanh hợp lý.5 Cảm đặt dọc sử dụng Transistor quang. Trên xe có 2 loại: cảm biến giảm tốc đặt dọc và cảm biến giảm tốc đặt ngang.

Cảm biến giảm tốc bao gồm hai cặp đèn Led và Transistor quang, một đĩa xẻ rãnh và một mạch biến đổi tín hiệu. Khi thực hiện quá trình phanh gấp, tốc độ bánh xe hạ thấp đột ngột, theo quán tính thì thân xe sẽ bị chúi về phía trước làm cho 2 đĩa cảm biến bị lắc theo chiều dọc/ngang của thân xe, nếu dao động mạnh thì đĩa sẽ che ánh sáng từ Led đến Transistor quang và làm Transistor quang đóng/mở, lúc này cảm biến giảm tốc sẽ chia làm 4 mức và gửi tín hiệu về ECU.6 Các cấp tín hiệu từ Transistor quang.7 Cảm biến bán dẫn. Ngoài ra, cảm biến kiểu bán dẫn cũng được sử dụng để đo sự giảm tốc, do nó có thể đo được cả gia tốc ngang và gia tốc dọc.3 Bộ chấp hành ABS. Bộ chấp hành thủy lực có chức năng cung cấp một áp suất dầu tối ưu đến các xy lanh phanh bánh xe theo sự điều khiển của ABS ECU, tránh hiện tượng bị bó cứng bánh xe khi phanh.8 Kết cấu bộ chấp hành thủy lực.9 Vị trí bộ chấp hành.10 Sơ đồ bộ chấp hành thủy lực loại van điện ba vị trí.

Cấu tạo của một bộ chấp hành thủy lực gồm có các bộ phận chính sau: các van điện từ, motor điện dẫn động bơm dầu, bơm dầu và bình tích áp. +Van điện từ: Van điện từ trong bộ chấp hành có hai loại (2 vị trí và 3 vị trí). Cấu tạo chung của van điện gồm có một cuộn dây điện, lõi van, các cửa van và van một chiều. Van điện từ có chức năng đóng mở các cửa van theo sự điều khiển của ECU để điều chỉnh áp suất dầu đến các xy lanh bánh xe.

+Motor điện và bơm dầu: Một bơm dầu kiểu piston được dẫn động bởi một motor điện, có chức năng đưa ngược dầu từ bình tích áp về xylanh chính trong các chế độ giảm và giữ áp. Bơm được chia ra làm hai buồng làm việc độc lập thông qua hai piston trái và phải được điều khiển bằng cam lệch tâm. Các van một chiều chỉ cho dòng dầu đi từ bơm về xy lanh chính. +Bình tích áp: Chứa dầu hồi về từ xy lanh phanh bánh xe, nhất thời làm giảm áp suất dầu ở xy lanh phanh bánh xe.

Chúng ta có thể phân loại ABS (Van điện 2 vị trí có van điều khiển lưu lượng, Van điện 2 vị trí có van điều khiển tăng áp, Van điện 3 vị trí có van cơ khí, 11 Van điện 3 vị trí) cũng như nhận biết ABS hoạt động có bao nhiêu kênh điều khiển dựa vào đường dầu vào và đường dầu ra. Chức năng của hộp điều khiển ABS (ECU): +Nhận biết thông tin về tốc độ góc các bánh xe, từ đó tính toán ra tốc độ bánh xe và sự tăng giảm tốc của nó, xác định tốc độ bánh xe, tốc độ chuẩn của bánh xe và ngưỡng trượt để nhận biết nguy cơ bị hãm cứng của bánh xe. +Cung cấp tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thủy lực. +Thực hiện chế độ kiểm tra, chuẩn đoán, lưu giữ mã code hư hỏng và chế độ an toàn.

Cấu tạo của ECU là một tổ hợp các vi xử lý, được chia thành 4 cụm chính đảm nhận các vai trò khác nhau. +Phần xử lý tín hiệu. +Bộ phận an toàn. +Bộ chuẩn đoán và lưu giữ mã lỗi.11 Sơ đồ cấu tạo hộp điều khiển ECU.

Chu trình điều khiển dầu phanh: Hình 1.12 Sơ đồ hoạt động chu trình điều khiển dầu phanh.13 Các giai đoạn điều khiển của ECU. +Giai đoạn A: ECU đặt van điện 3 ở chế độ giảm áp theo mức độ giảm tốc của bánh xe, vì vậy giảm áp suất dầu trong xy lanh của mỗi xy lanh phanh bánh xe. Sau khi áp suất giảm, ECU chuyển van điện 3 vị trí sang chết độ giữ để theo dõi sự thay đổi về tốc độ của bánh xe. Nếu ECU thấy áp suất dầu cần giảm hơn nữa nó sẽ lại giảm áp suất.

+Giai đoạn B: Nó cho phép bánh xe gần bị bó cứng lại tăng tốc độ. Tuy nhiên, nếu áp suất dầu giảm, lực phanh tác dụng lên bánh xe trở lên quá nhỏ. Để tránh hiện tượng này, ECU liên tục đặt van điện 3 vị trí lần lượt ở các chế độ tăng áp và chế độ giữ khi bánh xe gần bị bó cứng phục hồi tốc độ. +Giai đoạn C: Khi áp suất dầu bên trong xy lanh bánh xe tăng từ từ bởi ECU, bánh xa lại có xu hướng lại bị bó cứng.

14 Vì vậy, ECU lại chuyển ban điện 3 vị trí đến chế độ giảm áp để giảm áp suất dầu bên trong xy lanh bánh xe. +Giai đoạn D: Do áp suất dầu bên trong xy lanh bánh xe lại giảm, ECU bắt đầu lại tăng áp như giai đoạn B.3 Phân loại hệ thống ABS theo điều khiển.1 Điều khiển theo ngưỡng trượt. Điều khiển theo ngưỡng trượt thấp: Ví dụ: Khi các bánh xe trái và phải chạy trên các phần đường có hệ số bám khác nhau. ECU chọn thời điểm bắt đầu bị hãm cứng của bánh xe có khả năng bám thấp, để điều khiển áp suất phanh chung cho cả cầu xe.