Tổng quan luận án

Vấn đề an toàn giao thông đối với phương tiện xe máy tại Việt Nam mang tính cấp thiết cao do số lượng phương tiện chiếm tỷ lệ áp đảo. Tính đến hết năm 2016, Việt Nam có gần 45 triệu xe máy lưu hành và trong năm 2017 có thêm 3,2 triệu xe được bán ra. Phần lớn người điều khiển xe máy chỉ trang bị mũ bảo hiểm và có mức độ chấn thương khi xảy ra va chạm cao hơn nhiều so với người ngồi trong ô tô. Trong quá trình phanh xe máy, nếu xảy ra hiện tượng trượt lết bánh xe, hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường suy giảm nghiêm trọng. Khi bánh xe trượt lết hoàn toàn, hệ số bám ngang giảm về giá trị không đáng kể, làm xuất hiện nguy cơ mất ổn định hướng, quay ngang thân xe và ngã đổ khi có lực ngang hoặc mô men quán tính tác động.

Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS) đã được áp dụng phổ biến trên ô tô và một số dòng xe máy phân khối lớn đắt tiền. Tuy nhiên, các dòng xe máy phổ thông tại Việt Nam (dung tích nhỏ, vận tốc thấp) chưa được trang bị hệ thống này do giá thành cao và cấu tạo cồng kềnh. Đồng thời, tài liệu kỹ thuật của các hãng sản xuất xe máy mang tính bí mật công nghệ, không công bố chi tiết nguyên lý và thuật toán điều khiển. Trong nước chưa có công trình khoa học nào công bố về việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống tương tự dành riêng cho xe máy phổ thông. Xuất phát từ thực tế đó, luận án thực hiện đề tài: "Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy".

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu, tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đánh giá hệ thống phanh có khả năng điều chỉnh áp suất nhằm hạn chế trượt lết bánh xe cho xe máy.

Đối tượng nghiên cứu là xe máy có hệ thống phanh trước và phanh sau đều là phanh đĩa dẫn động thủy lực nguyên bản, chưa trang bị hệ thống ABS.

Nhóm thông số Thông số kỹ thuật cụ thể Giá trị
Khối lượng Khối lượng bản thân 95 kg
Khối lượng đầy tải 225 kg
Kích thước Dài x Rộng x Cao 1905 x 650 x 1050 mm
Chiều dài cơ sở 1200 mm
Chiều cao yên xe 750 mm
Lốp xe Cỡ lốp bánh trước 2.50/17-4PR
Cỡ lốp bánh sau 2.75/17-4PR
Hệ thống phanh Cơ cấu phanh trước Phanh đĩa (dẫn động thủy lực)
Cơ cấu phanh sau Phanh đĩa (dẫn động thủy lực)

Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau:

  • Khảo sát quá trình phanh khi xe máy chuyển động thẳng trên mặt đường bằng phẳng; thân xe giữ ở trạng thái thẳng đứng, không nghiêng về hai bên.
  • Bỏ qua các thành phần lực tác dụng bên (lực ngang), mô men cản lăn, lực cản không khí, tính đàn hồi của lốp và sự thay đổi chiều cao trọng tâm trong quá trình phanh.
  • Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống phanh hạn chế trượt lết lắp đặt riêng cho bánh xe phía sau (do trong quá trình phanh, hiện tượng dồn tải trọng về phía trước làm giảm tải trọng tác dụng lên bánh sau, khiến bánh sau dễ bị trượt lết hơn).
  • Thực nghiệm kiểm chứng được tiến hành trên hai loại mặt đường: đường asphalt khô và đường asphalt phủ bùn sét ở dải vận tốc ban đầu từ 30 km/h đến 50 km/h.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các nghiên cứu về hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS) trên thế giới đã phát triển từ lâu. Về mặt lý thuyết, mối quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt dọc được phát hiện từ những năm 1950, nhưng đến năm 1978 hệ thống ABS thương mại mới bắt đầu trang bị trên ô tô, tiếp đó là các hệ thống tích cực như ASR, TCS (1989), EBD, BAS (giữa thập niên 1990), và ESP (1995).

Các công trình nghiên cứu quốc tế tiêu biểu về điều khiển ABS trên ô tô gồm:

  • Rengaraj, Chandrasekaran, Adgar, Adam, Cox, Chris S và Crolla, David A (2006) kết hợp mô hình hóa trên Matlab-Simulink và mô phỏng trong môi trường SimCar.
  • Cem Unsal và Pushkin Kachroo (1999) đề xuất giải thuật điều khiển trượt phi tuyến kết hợp bộ lọc Kalman để loại bỏ nhiễu.
  • Ming-Chin Wu và Ming-Chang Shih (2001) nghiên cứu phối hợp điều khiển độ rộng xung PWM và điều khiển trượt trên băng thử.
  • M. El Hajjaji (2007) phát triển phương pháp điều khiển trượt mờ (Robust Fuzzy Sliding Mode) để ước lượng thông số đầu vào chưa biết của ECU.
  • Hyeongcheol Lee và Masayoshi Tomizuka (1995) ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để chống trượt bánh xe.
  • Morton (2004) khảo sát các chế độ hạn chế trượt lết trên mô hình xe tự hành thu nhỏ.
  • Kou và Yeh (2001) xây dựng thuật toán điều khiển ABS theo bốn pha dựa trên tín hiệu gia tốc góc bánh xe (bổ sung thêm pha giữ áp thấp bên cạnh ba pha truyền thống: tăng áp, giữ áp cao, giảm áp).
  • Mark Denny (2005) nghiên cứu động lực học hệ thống ABS trên mô hình lý thuyết 1/4 xe với tương tác phi tuyến lốp - mặt đường và xác định hai ngưỡng gia tốc chậm dần.

Đối với xe máy, ABS thương mại xuất hiện lần đầu trên mẫu BMW K100 (1988), tiếp theo là Honda ST110 (1992), Suzuki GSF1200SA (2007), Harley Davidson (2008), Honda CBR 1000RR, và Apache RTR ABS (180cc, 250cc). Các sáng chế và công trình nghiên cứu cơ cấu chấp hành cho xe máy bao gồm:

  • Takefumi Sato, Tenri và Japan (1978) đề xuất 2 trường hợp: trường hợp 1 dùng chênh lệch áp suất chân không và màng ngăn đàn hồi; trường hợp 2 dùng van điện từ hồi dầu về bình chứa gắn trên xi lanh phanh chính.
  • Pickenhahn Josef, Barr Stephen P., Beuerle Christoph, Glasmacher Klaus, Weidele Alois và Fischer Martin (1991, 1993) đề xuất đo phản lực mặt đường và góc nghiêng thân xe bằng hệ thống sóng siêu âm phát - thu tại bánh xe.
  • Chen Po-Hsi, Hwu Long-Cherng và Juang Puu-An (2004) nghiên cứu hệ thống ABS thủy lực gồm hai dòng độc lập trên xe gắn máy 150 cc, thử nghiệm trên đường nhựa (hệ số bám 0,81) và đường đá cẩm thạch (hệ số bám 0,41), đánh giá qua tỷ lệ phanh $Z = 0,56/t$.
  • Hamm Markus (2007) đề xuất hệ thống phanh tích hợp có nút gạt bật/tắt ABS tùy chọn cho từng bánh xe.
  • Ito Shinji và Haraguchi Kenji (2009) nghiên cứu giải pháp bố trí đường ống dẫn dầu ABS trên xe máy phân khối lớn.
  • Chun-Kuei HUANG và Ming-Chang SHIH (2010) thiết kế bộ điều áp thủy lực dẫn động bằng mô tơ kết hợp bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic) và mô phỏng thực nghiệm phần cứng trong vòng lặp (HIL).
  • Takenouchi Kazuya, Nakayama Masanobu, Takahashi Hideo, Tani Kazuhiko, Kato Masaie và Nishikawa Yutaka (2011) đề xuất hệ thống gồm ba van điện từ on-off (V1, V2, V3), hai cảm biến áp suất và cơ cấu cam dẫn động xi lanh tăng/giảm áp.
  • Eckert Alfred, Olejnik Peter và Reviol Ralf (2012) đề xuất phương pháp điều chỉnh lực phanh tích hợp giữa bánh trước và bánh sau.
  • Hãng Motorino công bố hệ thống ABS sử dụng khối điều khiển thủy lực (HCU) hoạt động ở chế độ giữ áp.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về hệ thống ABS trên ô tô gồm:

  • Nguyễn Văn Tiềm (2009) nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động thích nghi dựa trên logic mờ và mạng nơ-ron trên mô hình 1/4 xe.
  • Nguyễn Thanh Tùng (2011) nghiên cứu kỹ thuật điều khiển đạt lực phanh lớn nhất trên mô hình 1/4 xe.
  • Lại Năng Vũ (2012) nghiên cứu hệ thống điều khiển phanh thủy lực trợ lực chân không bằng logic mờ, thử nghiệm trên xe Toyota Camry LE.
  • Hồ Hữu Hùng (2016) nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén trên ô tô tải, khảo sát đáp ứng tần số và ngưỡng điều khiển gia tốc góc.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Các hệ thống ABS xe máy thương mại trên thế giới có kết cấu phức tạp, giá thành cao và giữ kín bí quyết công nghệ; các công trình nghiên cứu trên thế giới đa phần dừng lại ở mức đăng ký sáng chế hoặc mô phỏng trên phần mềm. Trong nước hoàn toàn chưa có công trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh cơ cấu điều chỉnh áp suất và bộ điều khiển điện tử (ECU) chuyên biệt cho xe máy phân khối nhỏ phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Độ trượt tương đối của bánh xe khi phanh được xác định theo biểu thức: $$s = \frac{v - r_{bx}\omega}{v} \times 100%$$

Trong đó:

  • $v$: Vận tốc dài tịnh tiến của trục bánh xe (m/s).
  • $\omega$: Vận tốc góc quay của bánh xe (rad/s).
  • $r_{bx}$: Bán kính lăn của bánh xe (m).

Quan hệ giữa hệ số bám dọc $\phi_x$, hệ số bám ngang $\phi_y$ với độ trượt $s$ được chia thành 3 vùng làm việc:

  • Vùng I ($s < 15%$): Lực phanh và độ trượt tăng dần từ 0, hệ số bám ngang $\phi_y$ suy giảm chậm. Khả năng truyền lực dọc và tính ổn định hướng của xe được duy trì.
  • Vùng II ($s \approx 15% - 25%$): Vùng trượt tối ưu. Hệ số bám dọc $\phi_x$ đạt giá trị cực đại ($\phi_{x\text{max}}$), khả năng truyền lực phanh lớn nhất; hệ số bám ngang $\phi_y$ tuy có suy giảm nhưng vẫn ở mức tương đối cao, đảm bảo xe giữ được tính ổn định chuyển động.
  • Vùng III ($s > 25%$ đến $s = 100%$): Hệ số bám dọc giảm mạnh, khi bánh xe trượt lết hoàn toàn ($s = 1$), $\phi_x$ chỉ còn khoảng xấp xỉ $0,6\phi_{x\text{max}}$. Hệ số bám ngang $\phi_y$ suy giảm nghiêm trọng về gần bằng 0, làm mất hoàn toàn khả năng ổn định hướng khi có lực ngang tác động.

Phương trình vi phân chuyển động quay của bánh xe khi phanh có dạng: $$J_{bx}\dot{\omega} = M_b - M_\phi = M_b - F_x r_{bx} - F_z e_x$$

Trong đó: $J_{bx}$ là mô men quán tính của bánh xe; $\dot{\omega}$ là gia tốc góc bánh xe; $M_b$ là mô men phanh; $M_\phi$ là mô men do lực bám sinh ra ($F_x r_{bx}$); $F_z$ là phản lực pháp tuyến từ mặt đường; $e_x$ là độ dịch chuyển điểm đặt lực $F_z$.

Phương pháp nghiên cứu và điều khiển

Luận án phân tích hai phương pháp điều khiển:

  1. Điều khiển theo độ trượt định trước ($s$): Đòi hỏi phải xác định chính xác vận tốc dài $v$ của xe theo thời gian thực — đây là thông số rất khó đo trực tiếp bằng cảm biến thông thường trên xe máy.
  2. Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe ($\dot{\omega}$ hay $\varepsilon$): Giá trị $\dot{\omega}$ được tính toán trực tiếp thông qua đạo hàm tín hiệu vận tốc góc $\omega$ thu thập từ cảm biến đặt tại bánh xe. Luận án lựa chọn phương pháp điều khiển theo ngưỡng gia tốc góc bánh xe để chuyển đổi các pha tăng áp và giảm áp.

Luận án kết hợp hai phương pháp chính:

  • Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng: Xây dựng mô hình toán học và mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink/Stateflow để mô phỏng động lực học quá trình phanh thẳng của xe máy, mô hình hệ thống thủy lực, cơ cấu điều áp và thuật toán điều khiển ECU; khảo sát đáp ứng tần số làm việc và xác định sơ bộ các giá trị ngưỡng gia tốc góc.
  • Nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo cơ cấu điều áp thủy lực điều khiển bằng nam châm điện một chiều; chế tạo phần cứng bộ điều khiển ECU; lắp đặt hệ thống lên xe máy thực tế; thu thập dữ liệu bằng cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc để hiệu chỉnh ngưỡng điều khiển và đánh giá hiệu quả làm việc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về động lực học phanh và hiện tượng trượt lết bánh xe. Chương này tổng kết các số liệu tai nạn từ các báo cáo quốc tế:

  • Báo cáo số 327 của Trung tâm Nghiên cứu Tai nạn Đại học Monash (MUARC - Úc) chứng minh ABS trên xe máy giảm nguy cơ va chạm hiệu quả hơn so với trên ô tô. Tại Úc, trang bị ABS giúp giảm hàng năm 1.128 vụ tai nạn thương tích nhỏ (33%), 1.083 ca thương tật nghiêm trọng và 74 trường hợp tử vong (39%).
  • Khảo sát của Bosch: ABS xe máy giảm 39% tai nạn tại Thụy Điển, 37% theo ước tính của Viện Bảo hiểm An toàn Đường cao tốc Mỹ (IIHS), 33% tai nạn tại Ấn Độ, và 93% trường hợp tại Đức giúp tránh hoặc giảm nhẹ mức độ nghiêm trọng.
  • Tổng hợp các kết quả thử nghiệm của RAVC (Forkenbrock 1998-1999, Mashek 2002, Strickland & Dagg 1998, Macnabb 1998) về sự phụ thuộc của quãng đường và gia tốc phanh vào tình trạng mặt đường (đường khô, đường ướt, đường sỏi) và vận tốc ban đầu.

Chương 1 điểm luận chi tiết các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống phanh ABS trên ô tô và xe máy; phân tích các hạn chế của các giải pháp hiện hành (kết cấu màng ngăn cồng kềnh, dùng động cơ cam phức tạp, khó khăn khi đo độ trượt $s$); từ đó xác định mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp tiếp cận của luận án.

Chương 2. Nghiên cứu đề xuất và mô hình mô phỏng hệ thống phanh hạn chế trượt lết

Chương 2 tập trung đề xuất cấu hình nguyên lý hệ thống phanh hạn chế trượt lết dẫn động thủy lực cho xe máy và xây dựng hệ thống phương trình vi phân mô tả hệ thống:

[Xi lanh chính] ---> [Cơ cấu điều áp] ---> [Xi lanh công tác & Đĩa phanh]
                            ^
                            | (Tín hiệu đóng/cắt điện)
                      [Khối ECU] <--- [Cảm biến vận tốc góc bánh sau]

Cơ cấu điều áp được đề xuất gồm vỏ van, con trượt van (đường kính $d_p$, cửa cấp dầu I đường kính trong $d_I = 0,003\text{ m}$), lò xo hồi vị (độ cứng $k_{lx}$, độ nén ban đầu $l_0$) và cuộn nam châm điện một chiều (lực hút $F_{nc}$).

Phương trình chuyển động của con trượt van điều áp: $$m_2 \ddot{x}2 = F{nc} - F_d - F_{lx} - \mu \dot{x}_2$$

Trong đó: $m_2$ là khối lượng con trượt; $F_d = p_p S_2$ là áp lực dầu tác dụng lên đỉnh con trượt (diện tích $S_2$); $F_{lx} = k_{lx}(l_0 + x_2)$ là lực đàn hồi của lò xo; $\mu$ là hệ số cản nhớt của dầu.

Cơ cấu hoạt động theo 4 trạng thái tương ứng với độ dịch chuyển $x_2$ của con trượt:

  1. Trạng thái 1 ($x_2 = 0\text{ m}$): Phanh bình thường (pha tăng áp). Nam châm điện không cấp điện ($F_{nc} = 0$), lò xo đẩy con trượt mở hoàn toàn cửa I, dầu từ xi lanh chính đi thẳng tới xi lanh công tác ($Q_2 = Q_1$, áp suất $p_p = p_1$).
  2. Trạng thái 2 ($0 < x_2 < 0,003\text{ m}$): Nam châm hút con trượt dịch chuyển sang phải nén lò xo, cửa I đóng dần lại, đóng vai trò như một van tiết lưu có diện tích mở thay đổi: $$S_{tl} = 2 \int_{0}^{x_2} \sqrt{0,0015^2 - x_2^2} , dx_2$$ Lưu lượng qua van sau tiết lưu: $$Q_2 = \mu_0 S_{tl} \sqrt{\frac{2}{\rho} |p_1 - p_p|} \operatorname{sign}(p_1 - p_p)$$
  3. Trạng thái 3 ($x_2 \ge 0,003\text{ m}$): Nam châm điện hút hoàn toàn, cửa I đóng kín, cách ly xi lanh chính với cơ cấu phanh. Con trượt tiếp tục lùi mở rộng khoang hồi dầu B. Dầu từ xi lanh công tác hồi về khoang B với lưu lượng $Q_3 = \dot{x}2 S_2$, làm giảm nhanh áp suất phanh $p_p$ (pha giảm áp): $$p_p = \frac{K}{V{tong}} \int (Q_2 - Q_3 - S_{ct}\dot{x}_3) dt$$
  4. Trạng thái 4 ($F_{nc} = 0$ khi kết thúc giảm áp): Lực điện từ biến mất, lò xo hồi vị đẩy con trượt dịch chuyển sang trái, dồn dầu từ khoang B trở lại xi lanh công tác và mở lại cửa I, hệ thống quay trở lại pha tăng áp.

Chương 2 cũng thiết lập mô hình chuyển động của xi lanh phanh chính ($m_1 \ddot{x}_1 = F_s - p_1 S_1 - \mu \dot{x}1$), mô hình lốp theo công thức Burckhardt, mô hình động lực học chuyển động thẳng của xe máy khi phanh trên các loại đường có hệ số bám cực đại $\phi{\text{max}} = 0,3; 0,5; 0,7$. Đồng thời, chương này khảo sát đáp ứng tần số làm việc của cơ cấu điều áp ở các tần số xung điều khiển 2,0 Hz và 6,0 Hz để đánh giá quy luật biến thiên áp suất cực đại và cực tiểu trong xi lanh công tác.

Chương 3. Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều khiển (ECU)

Chương 3 trình bày việc thiết kế thuật toán và phần cứng của bộ điều khiển điện tử (ECU):

  • Thuật toán điều khiển: Xây dựng mô hình so sánh thuật toán điều khiển theo độ trượt và thuật toán điều khiển theo gia tốc góc bánh xe trên Matlab/Simulink/Stateflow. Xác định chu trình làm việc gồm các ngưỡng chuyển đổi pha: ngưỡng giảm áp $\varepsilon_1$ (hoặc $\varepsilon_H$), ngưỡng giữ áp $\varepsilon_2$, và ngưỡng tăng áp $\varepsilon_3$ (hoặc $\varepsilon_L$).
  • Xác định ngưỡng điều khiển: Thông qua mô phỏng lý thuyết trên các loại đường có $\phi_{\text{max}} = 0,5$, xác định miền biến thiên ngưỡng gia tốc góc và ma trận trung bình diện tích so sánh nhằm tìm ra bộ thông số ngưỡng tối ưu cho cơ cấu chấp hành.
  • Thiết kế phần cứng ECU:
    • Khối cấp nguồn: Ổn định điện áp 12V từ ắc-quy xe máy xuống các mức điện áp nuôi mạch logic và vi điều khiển.
    • Khối xử lý tín hiệu cảm biến vận tốc góc: Sử dụng cảm biến từ trở biến thiên; vành răng cảm biến tận dụng chính các răng đĩa xích sẵn có trên bánh sau xe máy. Mạch lọc và chuyển đổi xung sin sang xung vuông tương thích mức logic.
    • Khối xử lý tín hiệu công tắc bàn đạp phanh: Nhận diện thời điểm bắt đầu tác động phanh để kích hoạt chương trình điều khiển.
    • Khối công suất điều khiển nam châm điện: Mạch chuyển mạch sử dụng các transistor công suất hoạt động ở chế độ bão hòa để đóng/ngắt dòng điện cấp cho cuộn dây nam châm điện của cơ cấu điều áp.
  • Thử nghiệm kiểm tra ECU: Tiến hành thử nghiệm chức năng của bộ điều khiển trong phòng thí nghiệm và trên đường thử khô/ướt ở dải tốc độ phanh gấp 30 km/h.

Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 trình bày việc bố trí lắp đặt toàn bộ hệ thống lên xe máy thực và đo đạc thực nghiệm:

  • Bố trí hệ thống: Cơ cấu điều áp được lắp xen vào đường ống dầu thủy lực giữa xi lanh phanh chính và cùm phanh đĩa bánh sau. Cảm biến từ trở biến thiên đặt đối diện vành đĩa xích sau. Bộ điều khiển ECU và khối công suất được bố trí gọn trên thân xe.
  • Trang thiết bị đo và ghi dữ liệu:
    • Cảm biến áp suất dầu Sensys model M5256-C3079E-050BG lắp trên đường dầu công tác.
    • Cảm biến đo gia tốc ba trục Analog Devices ADXL335 để đo gia tốc chậm dần của xe.
    • Module đo và ghi nhận tín hiệu vận tốc góc bánh xe.
    • Hệ thống máy tính thu thập dữ liệu và phần mềm chuyên dụng hiển thị, lưu trữ các đồ thị vận tốc góc bánh xe, áp suất phanh và gia tốc phanh theo thời gian thực.
  • Phương án thực nghiệm: Tiến hành phanh gấp xe máy ở các tốc độ ban đầu 30 km/h, 40 km/h và 50 km/h trên đường asphalt khô và đường asphalt phủ bùn sét trong hai trường hợp: (1) Không có điều khiển (phanh nguyên bản) và (2) Có hệ thống điều khiển hạn chế trượt lết.
  • Kết quả thực nghiệm:
    • Khi không có điều khiển: Bánh sau nhanh chóng bị bó cứng hoàn toàn ($\omega = 0\text{ rad/s}$), áp suất dầu duy trì ở mức cao, gia tốc phanh dao động và xe xuất hiện hiện tượng trượt lết bánh sau.
    • Khi có hệ thống điều khiển hoạt động: Tín hiệu gia tốc góc bánh xe liên tục được so sánh với ngưỡng điều khiển; cơ cấu điều áp đóng ngắt liên tục tạo ra các chu kỳ tăng - giảm áp suất dầu trong xi lanh công tác; vận tốc góc bánh sau dao động nhưng không bị khóa cứng về 0, bánh xe duy trì trạng thái lăn có trượt trong vùng tối ưu; gia tốc phanh trung bình ổn định và xe không bị văng đuôi hay mất ổn định hướng.
    • Số liệu thực nghiệm đã kiểm chứng và hiệu chỉnh chính xác giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển phù hợp với đặc tính động lực học của xe nghiên cứu.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và thực tiễn

Theo công bố của luận án, các kết quả nghiên cứu mới đạt được gồm:

  1. Đề xuất, tính toán thiết kế và chế tạo thành công cơ cấu điều áp thủy lực dẫn động bằng nam châm điện một chiều có khả năng điều chỉnh áp suất dầu phanh trong hệ thống phanh đĩa xe máy.
  2. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh thủy lực có cơ cấu điều chỉnh áp suất và mô hình mô phỏng động lực học quá trình phanh xe máy chuyển động thẳng trên mặt đường phẳng.
  3. Xác định được đặc tính và khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh hạn chế trượt lết đã đề xuất trên đối tượng xe nghiên cứu.
  4. Đề xuất phương pháp hiệu chỉnh và xác định được giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe thông qua mô phỏng lý thuyết để điều khiển chuyển đổi các pha làm việc (tăng áp, giảm áp) của cơ cấu điều áp.
  5. Thiết kế chế tạo hoàn chỉnh bộ điều khiển điện tử (ECU), thiết lập hệ thống thiết bị đo đạc thực nghiệm trên xe thực và thu thập đầy đủ số liệu thực nghiệm đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh hạn chế trượt lết trên xe máy.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng kết cấu cơ cấu điều áp dùng nam châm điện và bộ điều khiển theo gia tốc góc bánh xe làm giải pháp kỹ thuật nội địa hóa để chế tạo hệ thống chống trượt lết có chi phí thấp cho xe máy phổ thông tại Việt Nam.
  • Tận dụng đĩa xích dẫn động sẵn có trên xe máy làm vành răng cảm biến để giảm không gian lắp ráp và đơn giản hóa việc chế tạo cảm biến tốc độ góc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Luận án chỉ khảo sát quá trình phanh xe máy trên đường thẳng và mặt đường bằng phẳng; chưa xét đến trường hợp phanh khi xe đang quay vòng, chuyển làn hoặc chuyển động trên đường nghiêng.
  • Mô hình nghiên cứu lý thuyết bỏ qua các lực tác dụng bên (lực ngang), bỏ qua ảnh hưởng của lực cản không khí, mô men cản lăn, tính đàn hồi tiếp tuyến của lốp và sự thay đổi chiều cao trọng tâm khi phanh.
  • Hệ thống phanh hạn chế trượt lết mới chỉ được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đơn lẻ trên hệ thống phanh của bánh xe phía sau, chưa tích hợp đồng thời cho cả bánh xe phía trước.
  • Bộ điều khiển điện tử ECU chế tạo chưa tích hợp các module tự chẩn đoán, lưu trữ và cảnh báo mã lỗi hệ thống khi có sự cố phần cứng hoặc cảm biến.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống phanh hạn chế trượt lết đồng thời cho cả hai bánh xe (bánh trước và bánh sau) với thuật toán phân phối lực phanh điện tử phù hợp.
  • Phát triển mô hình động lực học không gian 3D của xe máy khi phanh trong các điều kiện phức tạp: phanh khi vào cua (quay vòng), phanh trên đường có hệ số bám thay đổi đột ngột giữa hai bánh xe.
  • Hoàn thiện thuật toán điều khiển thích nghi và bổ sung chức năng tự chẩn đoán lỗi (OBD), báo lỗi hệ thống trên bộ điều khiển điện tử ECU.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô - Xe chuyên dùng: Có thể tham khảo phương pháp thiết lập phương trình vi phân mô tả chuyển động của dòng chất lỏng thủy lực qua van tiết lưu biến thiên kết hợp với chuyển động của con trượt cơ cấu điều áp nam châm điện; quy trình mô hình hóa động lực học quá trình phanh xe máy trên Matlab/Simulink/Stateflow.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp sản xuất linh kiện, phụ tùng xe máy: Tham khảo giải pháp thiết kế kết cấu cơ cấu điều áp thủy lực nhỏ gọn, mạch công suất đóng ngắt nam châm điện, giải pháp tận dụng vành đĩa xích làm vành xung cảm biến tốc độ góc, cùng phương án bố trí hệ thống đo ghi áp suất và gia tốc phục vụ thử nghiệm trên xe máy thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn phương pháp điều khiển theo gia tốc góc bánh xe thay vì điều khiển theo độ trượt dọc định trước?

Phương pháp điều khiển theo độ trượt dọc $s$ đòi hỏi phải biết đồng thời vận tốc góc bánh xe $\omega$ và vận tốc dài tịnh tiến của xe $v$. Trên xe máy phổ thông, việc đo đạc chính xác vận tốc dài $v$ theo thời gian thực khi đang phanh là rất khó khăn và phức tạp. Trong khi đó, gia tốc góc bánh xe $\dot{\omega}$ có thể tính toán trực tiếp từ đạo hàm tín hiệu vận tốc góc thu thập từ cảm biến từ trở đặt tại bánh xe, giúp thuật toán điều khiển đơn giản, xử lý nhanh và dễ hiện thực hóa trên phần cứng vi điều khiển.

2. Cơ cấu điều áp đề xuất trong luận án có cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào?

Cơ cấu điều áp gồm vỏ van, con trượt van, lò xo hồi vị và một cuộn nam châm điện một chiều:

  • Ở pha tăng áp: Nam châm điện không cấp điện, lò xo hồi vị đẩy con trượt về vị trí mở thông cửa dầu vào I ($d_I = 0,003\text{ m}$) với cửa ra II, áp suất từ xi lanh chính truyền thẳng đến xi lanh công tác.
  • Ở pha giảm áp: Nam châm điện được cấp điện tạo lực hút $F_{nc}$ kéo con trượt dịch chuyển sang phải nén lò xo, đóng kín cửa dầu I và mở rộng khoang hồi dầu B. Dầu từ xi lanh công tác chảy ngược về khoang B làm giảm áp suất phanh, giúp bánh xe thoát khỏi trạng thái bó cứng.

3. Đối tượng xe máy dùng trong nghiên cứu thực nghiệm có những thông số cơ bản nào?

Xe máy thử nghiệm có khối lượng bản thân 95 kg, khối lượng đầy tải 225 kg; kích thước dài x rộng x cao là 1905 x 650 x 1050 mm; chiều dài cơ sở 1200 mm; chiều cao yên 750 mm; cỡ lốp trước 2.50/17-4PR, lốp sau 2.75/17-4PR; cả hai bánh trước và sau đều sử dụng cơ cấu phanh đĩa dẫn động thủy lực nguyên bản.

4. Hệ thống cảm biến và thiết bị thu thập dữ liệu phục vụ nghiên cứu thực nghiệm gồm những gì?

Hệ thống đo ghi thực nghiệm gồm:

  • Cảm biến từ trở biến thiên đo vận tốc góc bánh xe (sử dụng đĩa xích sau làm vành răng tạo xung).
  • Cảm biến áp suất dầu Sensys model M5256-C3079E-050BG để đo áp suất dầu trong đường ống phanh.
  • Cảm biến gia tốc Analog Devices ADXL335 đo gia tốc chậm dần của xe.
  • Module thu thập dữ liệu kết nối máy tính và các phần mềm chuyên dụng để hiển thị, ghi lại dữ liệu vận tốc góc, áp suất phanh và gia tốc phanh theo thời gian thực.

5. Vì sao nghiên cứu thực nghiệm chỉ lắp đặt và đánh giá hệ thống trên bánh sau của xe máy?

Trong quá trình phanh xe máy, hiện tượng dồn tải trọng về phía trước làm tăng tải trọng tác dụng lên bánh trước và giảm tải trọng tác dụng lên bánh sau. Sự suy giảm phản lực pháp tuyến ở bánh sau khiến bánh sau có xu hướng dễ bị trượt lết sớm hơn bánh trước. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo và lắp đặt thử nghiệm hệ thống phanh hạn chế trượt lết trên bánh sau trước hết giúp việc đánh giá thực nghiệm thuận lợi, an toàn và giải quyết được nguy cơ trượt lết văng đuôi xe phổ biến.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm hệ thống phanh hạn chế trượt lết dẫn động thủy lực điều khiển theo gia tốc góc bánh xe dành cho xe máy. Thông qua việc đề xuất cơ cấu điều áp sử dụng nam châm điện một chiều nhỏ gọn và bộ điều khiển ECU chuyên dụng, nghiên cứu đã chứng minh khả năng ngăn ngừa hiện tượng bó cứng bánh sau khi phanh gấp trên đường thẳng, duy trì hệ số bám ngang và ổn định chuyển động của xe. Kết quả mô phỏng và số liệu thực nghiệm trên đường asphalt khô và phủ bùn sét ở dải tốc độ 30–50 km/h là cơ sở khoa học và thực tiễn để tiếp tục hoàn thiện, phát triển hệ thống phanh an toàn nội địa hóa cho các phương tiện xe hai bánh tại Việt Nam.