Đồ án: Mô phỏng hệ thống phanh ABS và EBD trên xe BMW X7 và 320i

Đồ án tốt nghiệp mô phỏng chi tiết hệ thống phanh ABS và EBD trên xe BMW X7, 320i. Phân tích kết quả và thuật toán bằng Matlab Simulink và Carsim.

• Tác giả: Trần Hải Đăng
• Người hướng dẫn: ThS. Thái Huy Phát
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế mô phỏng hệ thống phanh ABS và EBD trên xe BMW X7 và BMW 320i bằng phần mềm Matlab Simulink và Carsim
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Phanh ABS và EBD trên BMW

Hệ thống phanh ABS (Anti-lock Braking System) và EBD (Electronic Brake force Distribution) là những công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Trên các dòng xe BMW như X7 và 320i, những hệ thống này đóng vai trò không thể thiếu trong việc đảm bảo an toàn khi phanh. ABS ngăn chặn bánh xe bị khóa cứng khi phanh gấp, giúp lái xe duy trì khả năng điều khiển. EBD tự động phân phối lực phanh giữa các bánh xe một cách tối ưu dựa trên điều kiện đường xá và tải trọng xe. Việc nghiên cứu và mô phỏng các hệ thống này bằng Matlab Simulink và Carsim giúp kỹ sư tối ưu hóa hiệu suất phanh và đảm bảo độ tin cậy của xe.

1.1. Định nghĩa hệ thống ABS

ABS là hệ thống chống phanh bó cứng sử dụng các cảm biến để phát hiện khi bánh xe sắp khóa. Hệ thống sẽ tự động giảm áp lực phanh để duy trì lực ma sát tối đa giữa lốp xe và mặt đường. Điều này cho phép lái xe tiếp tục điều khiển xe trong tình huống phanh khẩn cấp.

1.2. Vai trò của hệ thống EBD

EBD phân phối lực phanh giữa trục trước và trục sau dựa trên tốc độ bánh xe, gia tốc và các thông số khác. Hệ thống này giúp cải thiện hiệu suất phanh, giảm khoảng cách phanh và tăng sự ổn định của xe trong các tình huống khẩn cấp.

II. Cơ sở Lý thuyết Mô phỏng Phanh trong Matlab Simulink

Matlab Simulink là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các hệ thống điều khiển phức tạp như ABS và EBD. Nó cho phép kỹ sư xây dựng các mô hình toán học chi tiết của hệ thống phanh, bao gồm động lực học bánh xe, áp lực phanh, và lực ma sát. Bằng cách sử dụng các khối (blocks) được thiết kế sẵn, người dùng có thể mô phỏng hành vi của hệ thống dưới các điều kiện khác nhau. Matlab Simulink cung cấp khả năng tích hợp các thuật toán điều khiển PID, fuzzy logic, hoặc neural network để điều khiển các van solenoid trong hệ thống ABS. Kết quả mô phỏng có thể được trực quan hóa thông qua các đồ thị, giúp phân tích hiệu suất phanh và tối ưu hóa các thông số điều khiển.

2.1. Mô hình toán học hệ thống phanh

Mô hình toán học hệ thống phanh bao gồm các phương trình động lực học bánh xe, quan hệ giữa áp lực phanh và lực ma sát. Các phương trình này mô tả quá trình giảm tốc độ bánh xe khi lực phanh được tác dụng. Matlab Simulink sử dụng các phương trình vi phân để mô phỏng chính xác hành vi của hệ thống.

2.2. Thuật toán điều khiển ABS trong Simulink

Thuật toán điều khiển ABS giám sát tốc độ bánh xe và phát hiện khi bánh sắp khóa. Khi phát hiện, hệ thống sẽ giảm áp lực phanh tự động. Trong Matlab Simulink, thuật toán này được lập trình bằng các khối logic để điều khiển các van solenoid một cách hiệu quả.

III. Ứng dụng Carsim trong Mô phỏng Hệ thống Phanh BMW

Carsim là phần mềm chuyên dụng được thiết kế để mô phỏng động lực học toàn bộ xe ô tô, bao gồm hệ thống phanh. Với Carsim, kỹ sư có thể mô phỏng hành vi của ABS và EBD trên các dòng xe BMW X7 và 320i trong các tình huống phanh khác nhau. Carsim cung cấp mô hình chi tiết về lốp xe, hệ thống treo, hệ thống lái và hệ thống phanh. Phần mềm cho phép tích hợp các thuật toán điều khiển từ Matlab Simulink qua giao diện Simulink-Carsim. Kết quả mô phỏng có thể được xuất ra dưới dạng video hoặc dữ liệu số, cho phép phân tích chi tiết hiệu suất phanh trong các điều kiện đường xá khác nhau.

3.1. Mô hình xe BMW trong Carsim

Carsim cung cấp mô hình chi tiết về cấu trúc máy, trọng lượng, và các thông số động lực học của BMW X7 và 320i. Các thông số này được sử dụng để tính toán chính xác phản ứng của xe khi hệ thống phanh hoạt động, giúp kỹ sư đánh giá hiệu suất thực tế.

3.2. Kịch bản phanh khẩn cấp và thử nghiệm

Trong Carsim, có thể tạo ra các kịch bản phanh khẩn cấp khác nhau như phanh trên đường ướt, phanh trên mặt đường không đều. Các kịch bản này giúp đánh giá khả năng hoạt động của ABS và EBD trong các tình huống thực tế, từ đó tối ưu hóa các thuật toán điều khiển.

IV. Kết quả Mô phỏng và Phân tích Hiệu suất

Kết quả mô phỏng ABS và EBD bằng Matlab Simulink và Carsim cung cấp những thông tin quý báu về hiệu suất phanh. Qua các đồ thị khoảng cách phanh, tốc độ bánh xe, áp lực phanh theo thời gian, kỹ sư có thể đánh giá hiệu quả của hệ thống. Kết quả cho thấy ABS giúp giảm khoảng cách phanh trên các bề mặt đường khác nhau, đặc biệt là trên đường ướt. EBD cải thiện sự phân bổ lực phanh tối ưu giữa trục trước và trục sau, tăng tính ổn định của xe. Video mô phỏng cho thấy quỹ đạo chuyển động của xe, độ trượt bánh xe, và hành vi điều khiển trong các tình huống khẩn cấp. Những kết quả này xác nhận hiệu quả của các thuật toán điều khiển và cơ sở lý thuyết được áp dụng.

4.1. Phân tích đồ thị mô phỏng ABS

Đồ thị mô phỏng ABS cho thấy sự thay đổi tốc độ bánh xe, áp lực phanh, và hệ số ma sát theo thời gian. Khi ABS hoạt động, áp lực phanh sẽ dao động để duy trì lực ma sát tối đa, ngăn chặn bánh xe khóa cứng. Phân tích này giúp xác nhận hiệu suất của hệ thống.

4.2. Đánh giá hiệu quả EBD trên các loại đường

Mô phỏng EBD trên các loại đường khác nhau (khô, ướt, có cát) cho thấy hệ thống tự động điều chỉnh phân phối lực phanh một cách hiệu quả. Khoảng cách phanh giảm đáng kể khi EBD hoạt động, chứng minh giá trị thực tế của công nghệ này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Lý do chọn đề tài Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã tác động mạnh đến ngành công nghệ kỹ thuật ô tô trên toàn thế giới. Sự phát triển của khoa học công nghệ đã và đang ứng dụng rất nhiều trên ô tô với các tính năng an toàn và giải trí hoạt động một cách tự động. Một trong những tính năng an toàn rất quan trọng trên xe ô tô được kể đến đó là hệ thống phanh ABS và EBD.

Các hệ thống này sẽ giải quyết được vấn đề xe bị mất kiểm soát khi phanh trên hầu hết các điều kiện đường xá với các tốc độ khác nhau. Ngày xưa, tính cấp thiết của hệ thống ABS trên là rất cao vì tai nạn trên đường cao tốc, đường mưa, băng tuyết, phanh gấp là rất nhiều nếu như không có phanh ABS. Hiện nay, hệ thống phanh ABS vẫn là một hệ thống an toàn hàng đầu về an toàn khi lái xe tham gia giao thông với mật độ xe ô tô ngày càng nhiều không chỉ riêng ở Việt Nam mà trên toàn thế giới. Đa số các nhà sản xuất xe hơi hiện nay đều trang bị hệ thống phanh này và một số quốc gia yêu cầu xe bắt buộc phải có phanh ABS thì mới được lưu thông trên đường cũng như sẽ được kiểm định.

Những chiếc xe tốc độ cao được tung ra thị trường ngày càng nhiều cùng với mật độ xe hiện tại thì tai nạn là khó lường trước được. Chính vì thế, một chiếc xe có thể vận hành hết công suất thì bắt buộc phải có một hệ thống phanh tốt thì độ tin cậy mới cao cho người vận hành. Một hãng xe mà chúng em muốn đề cập đến sử dụng hai hệ thống ABS và EBD đó là hãng xe BMW xuất xứ từ Đức. Với slogan của hãng “The Ultimate Driving Machine” – Cỗ máy lái xe tối thượng (Ô tô của dân thể thao).

Một hãng xe với độ tin cậy về an toàn rất cao cũng như phong cách cực kì mạnh mẽ, quyền lực và hiện đại. Với tính cấp thiết của vấn đề và tính thiết thực việc nghiên cứu về hệ thống phanh ABS, EBD đối với chúng em nói riêng và các kỹ sư, sinh viên trong ngành công nghệ kỹ thuật ô tô nói chung. Chúng em đã chọn đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế mô phỏng hệ thống phanh ABS và EBD trên xe BMW X7 và BMW 320i bằng phần mềm Matlab Simulink và Carsim”. Mục đích của việc nghiên cứu đề tài Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phanh ô tô: - Lực phanh và momen phanh cần thiết trên ô tô.

1 - Lực phanh và momen phanh tác dụng lên bánh xe khi phanh. - Lực phanh ô tô và điều kiện đảm bảo phanh tối ưu. - Tính toán phân bổ lực phanh và momen phanh. - Tính toán được momen phanh tại các cơ cấu phanh.

- Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh. - Ổn định của ô tô khi phanh. - Các yếu tố ảnh hưởng đến phanh ô tô (hệ số trượt, hệ số bám, vận tốc, góc lái, tải trọng, phản lực tại các bánh xe, độ trễ của hệ thống,…). Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS và EBD trên xe du lịch (khả năng nâng cao hiệu quả phanh và ổn định khi phanh).

Nghiên cứu đặc điểm và các thông số kỹ thuật của xe BMW X7 G07 phân khúc SUV cỡ lớn và BMW 320i G20 phân khúc sedan cỡ trung (hạng D) (các thông số sẽ được thiết lập vào phần mềm mô phỏng). Thành thạo về việc sử dụng phần mềm Carsim để mô phỏng phanh với các điều kiện thử phanh khác nhau. Hiểu rõ hơn quá trình phanh diễn ra như thế nào một cách trực quan nhất qua video và các đồ thị mô phỏng. Thành thạo sử dụng phần mềm Simulink liên kết với Carsim để tạo sơ đồ khối điều khiển một hệ thống, một chu trình vòng lặp kín.

Nghiên cứu thiết lập và mô phỏng các phương pháp điều khiển tự động trong phanh ABS bao gồm On/Off và PID (được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp). Đánh giá hiệu suất của hệ thống qua các phương pháp điều khiển với các điều kiện mô phỏng khác nhau. So sánh hiệu suất phanh của hai phân khúc và phân tích kết quả đồ thị. Đánh giá được một cách trực quan các yếu tố làm ảnh hưởng đến các điều kiện phanh.

Từ đó, đánh giá được sự cần thiết của hệ thống EBD (bù đắp những thiếu sót của hệ thống ABS). Phạm vi nghiên cứu Toàn bộ các đối tượng nghiên cứu đều được xây dựng bằng cách mô phỏng với các thông số thực tế từ nhà sản xuất. Tuy nhiên bị hạn chế về kinh phí cũng như điều kiện thời 2 gian, kiến thức thì chưa thể thử nghiệm thực tế với hai chiếc xe này. Nên chỉ mô phỏng hoàn toàn bằng phần mềm Matlab Simulink và Carsim.

Phương pháp nghiên cứu Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế mô phỏng hệ thống phanh ABS và EBD trên xe BMW X7 và BMW 320i bằng phần mềm Matlab Simulink và Carsim” sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu từ các nguồn tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến mô phỏng phanh ABS. Biên dịch và tổng hợp những tài liệu (thông tin) cần thiết. Phương pháp thực nghiệm mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink và Carsim để có thể so sánh và đánh giá hiệu quả phanh. Xem các video hướng dẫn lý thuyết về các cách điều khiển của các kỹ sư nước ngoài từ đó hiểu và áp dụng đúng với thực tế nhất có thể.

Tổng quan về lý thuyết phanh ô tô 2. Lực phanh và momen phanh cần thiết trên ô tô 2. Lực phanh và các momen tác dụng lên bánh xe khi phanh Hình 2. Sơ đồ lực và momen tác dụng lên bánh xe khi phanh Khi người lái xe đạp bàn đạp phanh, cùng lúc thời điểm đó các cụm cơ cấu phanh tạo ra một momen ma sát còn được gọi là momen phanh (Mp), ở điểm tiếp xúc giữa mặt đường và bánh xe xuất hiện lực phanh (Fp) ngược với chiều chuyển động của xe ô tô.

Lực phanh lúc này được tính theo công thức dưới đây: 𝑀𝑝 𝐹𝑝 = (2.1) 𝑟𝑏 Trong đó: Mp: Momen phanh tác dụng lên bánh xe. Fp: Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa mặt đường và bánh xe rb: Bán kính tính toán của bánh xe. Ta thấy được Mp tỉ lệ thuận với Fp, nhưng lực phanh cực đại bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường theo công thức: 𝐹𝑝𝑚𝑎𝑥 = 𝐹𝜑 = 𝑍𝑏 × 𝜑 (2.2) Trong đó: Fφ: Lực bám dọc giữa mặt đường với bánh xe. 4 Zb: Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe.

φ: Hệ số bám dọc giữa mặt đường với bánh xe. Khi phanh, momen quán tính Mjb và momen cản lăn Mf cũng tác dụng lên bánh xe cùng với momen phanh. Do đó lực hãm tổng cộng tác dụng lên bánh xe sẽ là: 𝑀𝑓 − 𝑀𝑗𝑏 𝐹ℎ = 𝐹𝑝 + (2.3) 𝑟𝑏 Trong quá trình phanh, khi momen phanh tăng, lực phanh cũng tăng theo, và đến một thời điểm nào đó, lực phanh sẽ đạt đến mức tối đa. Khi đó, bánh xe có thể bắt đầu trượt lết, khiến hiệu suất phanh giảm đi do hệ số bám (φ) giảm xuống mức tối thiểu (φmin).

Đặc biệt, nếu trượt lết xảy ra ở bánh xe trước, tính khả năng kiểm soát của xe sẽ giảm đi đáng kể, còn ở bánh xe sau, tính ổn định của xe cũng bị ảnh hưởng do sự trượt lết, dẫn đến khả năng trượt ngang khi có lực nhỏ tác động lên xe. Sự trượt lết này không chỉ làm giảm hiệu suất phanh mà còn làm tăng độ mòn của lốp, đồng thời gây ra hiện tượng trượt dọc và ảnh hưởng xấu đến tính ổn định ngang của xe. Lực phanh ô tô và điều kiện đảm bảo phanh tối ưu a) Lực phanh ô tô Những lực tác dụng lên xe ô tô khi đang phanh: - Trọng lượng của ô tô (G). - Lực cản lăn của các bánh xe trước và bánh xe sau (Ff1 và Ff2).

- Phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe trước và sau (Z1 và Z2). - Lực phanh ở các bánh xe trước và sau (Fp1 và Fp2). - Lực cản không khí (Fω). - Lực quán tính Fj do khi phanh có gia tốc chậm dần.

Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh 5 Lực Fj này được xác định theo biểu thức sau: 𝐺 𝐹𝑗 = × 𝑗𝑝 (2.4) 𝑔 Trong đó: g: Gia tốc trọng trường. jp: Gia tốc chậm dần khi phanh. Bỏ qua sai số của lực cản không khí và lực cản lăn khi phanh vì không đáng kể. Xét cân bằng momen của các lực tác dụng lên xe lúc phanh tại điểm E, F.

Phản lực thẳng góc tác dụng lên mỗi bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau là: 𝐺𝑏 + 𝐹𝑗 × ℎ𝑔 𝑍1 = = 𝐺1 (2.6) 𝐿 Trong đó: a, b, hg: Tọa độ trọng tâm của ô tô. G1, G2: Tải trọng tác dụng lên các bánh xe khi phanh. Thay Fj ở biểu thức (2.4) vào Z1 và Z2 ta được: 𝑍1 = 𝑍1𝑡 × 𝑚1𝑝 = 𝐺1𝑡 × 𝑚1𝑝 (2.8) Trong đó: 𝐺𝑏 𝐺𝑎 𝑍1𝑡 = ; 𝑍2𝑡 = 𝐿 𝐿 𝑗𝑝 × ℎ𝑔 𝑗𝑝 × ℎ𝑔 𝑚1𝑝 = 1 + ; 𝑚2𝑝 = 1 − 𝑔𝑏 𝑔𝑎 Với: Z1t, Z2t: Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe ở hai cầu trên mặt phẳng ngang. m1p, m2p: Hệ số thay đổi tải trọng khi phanh (cầu trước và sau).

G1t, G2t: Tải trọng tĩnh tác dụng lên bánh xe ở hai cầu trước và cầu sau. Các lực phanh sinh ra ở bán xe cầu trước và cầu sau là: 𝐺 𝑗𝑝 ℎ𝑔 𝐹𝑝1 = 𝐹𝜑1 = 𝑍1 𝜑 = (𝑏 + )𝜑 (2.10) 𝐿 𝑔 Để tận dụng hết trọng lượng bám của ô tô thì cơ cấu phanh được bố trí ở tất cả các bánh xe và lực phanh lớn nhất là: 𝐹𝑝𝑚𝑎𝑥 = 𝐺𝜑 (2.11) b) Điều kiện đảm bảo cho phanh tối ưu Phanh tối ưu đề cập đến việc quá trình phanh đạt được hiệu suất cao nhất, tức là quãng đường phanh, thời gian phanh và gia tốc phanh đều được giảm xuống mức thấp nhất có thể. Để đảm bảo hiệu suất phanh cao nhất, lực phanh cần tỉ lệ thuận với tải trọng của xe. Tuy nhiên, tải trọng trên các bánh xe có thể biến đổi do sự ảnh hưởng của lực quán tính Fj.

Để quá trình phanh đạt hiệu suất cao nhất, tỉ lệ lực phanh ở các bánh xe trước và sau cần tuân theo một số điều kiện cụ thể: 𝐹𝑝1 𝜑𝑍1 𝑍1 𝐺𝑏 + 𝐹𝑗 ℎ𝑔 = = = (2.12) 𝐹𝑝2 𝜑𝑍2 𝑍2 𝐺𝑎 − 𝐹𝑗 ℎ𝑔 Bỏ qua lực cản Ff1 và Ff2 khi phanh vì không đáng kể, ta có: 𝐹𝑗 = 𝐹𝑝1 + 𝐹𝑝2 ; 𝐹𝑗𝑚𝑎𝑥 = 𝐹𝑝𝑚𝑎𝑥 = 𝐺𝜑 (2.