Nghiên cứu mô phỏng và khảo sát hệ thống phanh xe con trong carsim

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------

TRẦN MINH ĐỨC

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT
HỆ THỐNG PHANH XE CON TRONG CARSIM

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HỒNG THĂNG BÌNH

HÀ NỘI 2014


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. 1
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 4
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .................................... 8
1.1. Các vấn đề về hệ thống phanh ABS .................................................................8
1.1.1. Sự kết hợp giữa ABS và các hệ thống khác ...........................................10
1.1.2. Cấu tạo của hệ thống ABS ......................................................................17
1.1.3. Nguyên lí làm việc của ABS ...................................................................20
1.2. Tình hình nghiên cứu .....................................................................................29
1.3. Nội dung, phương pháp nghiên cứu ..............................................................31

1.3.1. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................31
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................32
1.3.3. Ý nghĩa thực tế của đề tài ........................................................................32
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CARSIM VÀ XÁC ĐỊNH THƠNG SỐ ĐẦU VÀO
CHO BÀI TỐN MƠ PHỎNG ............................................................................. 33
2.1. Giới thiệu Carsim ...........................................................................................33
2.1.1. Các mơ hình trong CarSim......................................................................33
2.1.2. Mơ hình chủng loại xe sử dụng trong CarSim ........................................41
2.2. Một số ứng dụng điển hình của CarSim ........................................................44
2.2.1. Đánh giá các bộ phận cấu thành của xe bằng mô phỏng HIL kết hợp
phần mềm hiển thị thời gian thực Labview ......................................................44
2.2.2. Mô phỏng động lực học của xe ...............................................................46
2.3. Hệ thống phanh trong CarSim ........................................................................47
2.4. Xác định các thơng số đầu vào cho bài tốn mơ phỏng hệ thống phanh .......49
2.4.1. Xác định mô men phanh cần thiết tại các bánh xe ..................................49
2.4.2. Tính tốn cơ cấu phanh đĩa .....................................................................51
2.4.3. Xác định các kích thước má phanh .........................................................52

1


2.4.4. Tính tốn dẫn động phanh .......................................................................54
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH ............................................... 58
3.1. Khảo sát hệ thống phanh khi khơng có ABS .................................................58
3.1.1. Xe thực hiện phanh khi khơng đánh lái ..................................................61
3.1.2. Khảo sát q trình phanh khi khảo sát quá trình phanh khi đánh lái nhằm
tránh tai nạn .......................................................................................................63
3.2. Khảo sát hệ thống phanh khi sử dụng bộ điều khiển ABS ............................66
3.2.1. Khi xe tăng tốc và phanh trên đường thẳng ............................................66
3.2.2. Phanh có ABS khi thay đổi hệ số bám bằng 0,6 ....................................70

3.2.3. Phanh có ABS khi thay đổi hệ số bám bằng 0,8 ....................................71
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 74

2


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CarSim

Car Simulation

TruckSim

Truck Simulation

MSC

Mechanical Simulation Corporation

ABC

Active Body Control.

SUV

Sport Utility Vehicle

HIL

Hardware In the Loop

VS

Vehicle Simulation

ABS

Anti-lock braking system

TRC

TRaction Control

EBD

Electronic Brake -force Distribution

ESP

Electronic Stabiliti Program

φmax

Hệ số bám dọc cực đại

φx

Hệ số bám dọc

φy

Hệ số bám ngang

λ0

Độ trượt tối ưu

λ

Độ trượt

α

Góc lệch bánh xe

vF

Tốc độ xe

vref

Tốc độ bánh xe

hg

Chiều cao trọng tâm ô tô

jmax

Gia tốc chậm dần cực đại

g

Gia tốc trọng trường

rbx

Bán kính lăn bánh xe

x0

Góc ơm tấm ma sát

A

Diện tích má phanh

3


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. 1: Đồ thị so sánh lực phanh khi có và khơng có trợ lực phanh khẩn cấp ....11
Hình 1. 2: Sơ đồ hệ thống ABS và TRC ...................................................................13
Hình 1. 3: Các trạng thái của cánh bướm ga phụ ......................................................14
Hình 1. 4: Sơ đồ vị trí hệ thống ESP trên xe Mercedes ............................................15
Hình 1. 5: ESP điều khiển phanh chống hiện tượng quay vịng thừa .......................16
Hình 1. 6: Sơ đồ bố trí các cơ cấu trong hệ thống phanh ABS .................................17

Hình 1. 7: Sơ đồ cảm biến tốc độ loại điện từ và bố trí trên xe ................................18
Hình 1. 8: Tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe .........................................19
Hình 1. 9: Bơm dầu trong hệ thống phanh ABS .......................................................19
Hình 1. 10: Sơ đồ cụm van phân phối .......................................................................20
Hình 1. 11: Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS ..................................................21
Hình 1. 12: Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe ............................22
Hình 1. 13: Chu trình điều khiển kín của ABS ........................................................23
Hình 1. 14: Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS ...................24
Hình 1. 15: Quá trình điều khiển của ABS ...............................................................26
Hình 1. 16: Sự thay đổi của mô men phanh Mp, áp suất dẫn động phanh p và gia tốc
a của bánh xe khi phanh có ABS ..............................................................................28
Hình 1. 17: Sự thay đổi tốc độ góc b của bánh xe, tốc độ dài v của ô tô và độ trượt
 theo thời gian t khi phanh có hệ thống chống hãm cứng bánh xe .........................29
Hình 2. 1: Các thơng số của mơ hình hệ thống treo ..................................................35
Hình 2. 2: Các thơng số của mơ hình hệ thống lái ....................................................36
Hình 2. 3: Các thơng số của mơ hình hệ thống phanh ..............................................37
Hình 2. 4: Các thơng số của mơ hình lốp ..................................................................38
Hình 2. 5: Các thơng số của mơ hình hệ thống động lực ..........................................39
Hình 2. 6: Các thơng số của mơ hình hệ chiếu sáng .................................................40
Hình 2. 7 : Mơ hình các xe sử dụng trong CarSim (Hatch back, Sport Car) ............41

4


Hình 2. 8: Mơ hình xe sử dụng trong CarSim (hatchback, sedan, sportcar, SUV, GT,
minivan) ....................................................................................................................42
Hình 2. 9: Mơ hình xe sử dụng trong CarSim (tractor, wheeler, utility, axle boat
trailer, pickup, fomula, stock car) .............................................................................43
Hình 2. 10: Sơ đồ mơ phỏng HIL..............................................................................44
Hình 2. 11: Kết quả mơ phỏng hiển thị trên labview ................................................45

Hình 2. 12: Các bước mơ phỏng động lực học của xe ..............................................46
Hình 2. 13: Bảng thơng số cấu hình hệ thống phanh ................................................47
Hình 2. 14: Xây dựng hàm phụ thuộc của mô men phanh với áp suất dầu tại xylanh
...................................................................................................................................48
Hình 2. 15: Sơ đồ các lực tác dụng lên ơ tơ khi phanh. ............................................49
Hình 2. 16: Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động phanh bằng thủy lực .....................55
Hình 3. 1: Cấu hình các thơng số xe khảo sát ...........................................................58
Hình 3. 2: Kích thước hình học của xe Vios .............................................................59
Hình 3. 3: Đặc tính của động cơ đốt trong ................................................................60
Hình 3. 4: Bảng cấu hình hệ thống phanh .................................................................61
Hình 3. 5: Cài đặt thơng số đường thí nghiệm ..........................................................61
Hình 3. 6: Vận tốc của xe và vận góc của các bánh xe .............................................62
Hình 3. 7: Đồ thị gia tốc phanh .................................................................................63
Hình 3. 8: Quỹ đạo người lái cần tuân theo ..............................................................64
Hình 3. 9: Vận tốc của xe và các bánh xe khi đánh lái .............................................65
Hình 3. 10: Quỹ đạo chuyển động của xe .................................................................65
Hình 3. 11: Vận tốc xe và các bánh xe khi phanh có đánh lái, sử dụng ABS ..........66
Hình 3. 12: Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh có đánh lái, sử dụng ABS ......66
Hình 3. 13: Cấu hình các thơng số bộ điều khiển ABS ............................................67
Hình 3. 14: Đồ thị vận tốc của xe và các bánh khi phanh sử dụng ABS ..................68
Hình 3. 15: Gia tốc của xe khi phanh .......................................................................69
Hình 3. 16: Vận tốc của xe và vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường có hệ số
bám bằng 0,6 .............................................................................................................70

5


Hình 3. 17: Gia tốc chậm dần của xe khi phanh trên đường có hệ số bám bằng 0,6 71
Hình 3. 18: Đồ thị vận tốc dài tại các bánh xe và của xe khi phanh có ABS ...........72
Hình 3. 19: Đồ thị gia tốc chậm dần của xe khi phanh .............................................72

6


LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay các hệ thống an toàn và tiện nghi trên xe đang được phát triển
và ngày càng hồn thiện. Việc mơ phỏng ngun lý và tính năng làm việc có
vai trị quan trọng trong khâu chế tạo và hồn thiện sản phẩm. Hiện nay có
nhiều phần mềm hỗ trợ công việc nêu trên, mức độ tác động sâu vào mơ hình
u cầu nhiều kỹ năng về xây dựng mơ hình cũng như các giả thiết để mơ
hình có độ tin cậy cao. Phần mềm mơ phỏng CarSim đơn giản, dễ sử dụng, có
độ chính xác cao, được xây dựng trên các mơ hình tốn học mơ tả chuyển
động của xe…đáp ứng được các yêu cầu nêu trên.
Hệ thống phanh nhằm đảm bảo duy trì tốc độ xe theo yêu cầu của người
lái trên các địa hình khác nhau. Việc nghiên cứu mơ phỏng hệ thống phanh để
hồn thiện tính năng điều khiển trước khi ứng dụng thực tế là cần thiết và vô
cùng quan trọng. Luận văn nghiên cứu về mô phỏng hệ thống phanh trên
CarSim bao gồm các nội dung sau:
- Nghiên cứu tổng quan về đề tài nghiên cứu
- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng CarSim
- Khảo sát hệ thống phanh trên phần mềm CarSim
Đề tài được thực hiện tại bộ môn ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí
động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn trực tiếp của
TS. Hồng Thăng Bình. Đề tài cũng nhận được sự hỗ trợ của các thầy trong
bộ môn và các anh chị đồng nghiệp.
Hà Nội, Ngày

tháng năm 2014
Tác giả

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Các vấn đề về hệ thống phanh ABS
Hệ thống phanh trên ô tô là một trong những hệ thống đảm bảo an tồn
chuyển động của ơ tơ, có cơng dụng:
-

Giảm dần tốc độ hoặc dừng hẳn xe khi xe đang chuyển động.

-

Giữ xe đứng yên trên đường dốc trong khoảng thời gian dài mà khơng cần sự

có mặt của người lái xe.
Hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti-lock Braking Systems) nằm trong
hệ thống an tồn chủ động của ơ tơ hiện đại. Hệ thống sẽ điều khiển chống bó cứng
các bánh xe trong quá trình phanh, giúp tăng độ ổn định của xe, rút ngắn quãng
đường phanh, tăng khả năng điều khiển quay vịng ơ tơ trong trường hợp cần thiết
phải tránh chướng ngại vật.
Lịch sử phát triển của hệ thống phanh và phanh ABS qua các thời kì sau:
Năm 1924: Khai sinh hệ thống phanh thủy lực và đến năm 1931 thì tăng tính
an tồn phanh với dẫn động hai dòng;
Năm 1951: Ứng dụng dạng phanh đĩa;
Năm 1952 đến 1963 là thời kỳ ứng dụng trợ lực thủy lực và chân không;
Năm 1978: Hệ thống phanh ABS bắt đầu có ứng dụng thương mại trên ơ tơ.
ABS tác động vào hệ thống dẫn động thủy lực nhằm giữ, giảm hoặc tăng áp suất
phanh dẫn đến các xi lanh phanh bánh xe để chống trượt lết trong quá trình phanh.

Năm 1989: Hệ thống phanh ABS được kết hợp với hệ thống chống trượt
quay TSC. Hệ thống này điều khiển bằng cách điều chỉnh giá trị của mô men phanh
và mô men được truyền từ động cơ đến các bánh xe. Hệ thống này cịn có khả năng
điều khiển lượng nhiên liệu cấp cho động cơ nhằm hạn chế trượt quay bánh xe do
thừa mô men. Tuy nhiên, tại thời điểm đó, số kênh điều khiển hệ thống cịn ít, chỉ

8


điều khiển một kênh, hoặc hai kênh cho toàn bộ các cầu hoặc một cầu xe và sử dụng
van điều hịa lực phanh bằng cơ khí để phân phối áp suất phanh đến các bánh.
Năm 1994: Hệ thống phanh ABS được kết hợp với hệ thống cân bằng điện
tử EBD. Hệ thống điện tử dần thay thế các hệ thống cơ khí, hệ thống phanh ABS
trong hệ thống đã bắt đầu điều khiển nhiều kênh, điều khiển từng bánh xe độc lập.
Những năm sau đó là q trình hồn thiện, tối ưu hóa hiệu quả làm việc của
hệ thống phanh.
Hệ thống ABS hoạt động tối ưu, đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng phanh
của ô tô phải đạt được các yêu cầu sau:
- ABS phải đáp ứng được các yêu cầu về an toàn liên quan đến động lực học
phanh và chuyển động của ôtô.
- Hệ thống phải làm việc ổn định và có khả năng thích ứng cao, điều khiển tốt
trong suốt dải tốc độ của xe và ở bất kỳ loại đường nào (thay đổi từ đường bê tơng
khơ có độ bám tốt đến đường đóng băng có độ bám kém);
- Hệ thống phải khai thác tối đa khả năng phanh của các bánh xe trên đường
nhằm tăng tính ổn định điều khiển và giảm quãng đường phanh. Điều này không
phụ thuộc vào việc phanh đột ngột hay phanh từ từ của người lái xe;
- Khi phanh xe trên đường có các hệ số bám khác nhau (ví dụ hai bánh xe bên
phải chạy trên đường có dính dầu nhớt và hai bánh bên trái chạy trên đường nhựa
khơ) thì mơ men xoay xe quanh trục đứng đi qua trọng tâm của xe luôn luôn xảy ra,
lúc này hệ thống ABS cần hỗ trợ làm mô men quay đó tăng chậm để người lái xe có

đủ thời gian điều chỉnh thông qua hệ thống lái;
- Phải duy trì độ ổn định và khả năng lái khi phanh gấp trong lúc đang quay
vòng;

9


- Hệ thống phải có chế độ tự kiểm tra, chẩn đốn và an tồn. Một mạch kiểm
sốt phải liên tục kiểm tra sự hoạt động của hệ thống một cách đầy đủ. Nếu phát
hiện một lỗi nào đó có thể làm hư hỏng việc ứng xử của ABS thì hệ thống sẽ thông
báo cho lái xe biết thông qua đèn báo và khi đó hệ thống phanh sẽ làm việc như một
hệ thống phanh bình thường.
1.1.1. Sự kết hợp giữa ABS và các hệ thống khác
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển
điện tử và tự động hóa, các hệ thống điều khiển trên ơ tơ ngày càng được phát triển
hồn thiện hơn, nâng cao tính tiện nghi và an tồn sử dụng của ô tô.
Nhằm nâng cao tốc độ chuyển động và tính an tồn chủ động của ơ tơ, hệ
thống phanh là một trong những mục tiêu được đầu tư và phát triển nhiều. Trên cơ
sở một hệ thống ABS, hệ thống phanh có thể kết hợp với một số hệ thống khác, và
đến nay, một hệ thống phanh hiện đại đã có rất nhiều chức năng ưu việt. Ngoài tác
dụng cơ bản là giảm tốc độ hay dừng xe, hệ thống phanh cịn can thiệp cả trong q
trình khởi động và tăng tốc của ô tô, khống chế các hiện tượng quay vòng thiếu,
quay vòng thừa, làm tăng tính ổn định của xe khi đi vào đường vịng.
Một số sự kết hợp của ABS với các hệ thống khác:
- ABS kết hợp với hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử (Electronic
Brake-force Distribution – EBD) và hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp (Brake Assist
System – BAS).
- ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo (Traction Control (TRC) hay
Acceleration Slip Regulator (ASR).
- ABS kết hợp với hệ thống điều khiển ổn định ô tô (Electronic Stability

Program – ESP).
1.1.1.1. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống EBD và BAS
Để phát huy tối đa hiệu quả phanh, lực phanh lý tưởng được phân phối ở các
bánh xe tỉ lệ với sự phân bố tải trọng tác dụng lên chúng. Phần lớn các xe ô tô du
lịch có động cơ đặt ở phía trước, tải trọng tác dụng lên các bánh xe trước lớn hơn
các bánh xe phía sau. Đồng thời khi phanh, do lực quán tính nên tải trọng cũng

10


được phân bố lại, càng làm tăng ở các bánh xe trước và giảm đi ở các bánh xe sau.
Vì vậy lực phanh ở các bánh xe sau cần được phân phối nhỏ hơn so với bánh trước,
đặc biệt là trong quá trình phanh để chống hiện tượng sớm bị bó cứng bánh xe sau.
Mặt khác, khi xe có tải thì tải trọng ở các bánh sau tăng lên, lúc này cần phải tăng
lực phanh ở các bánh sau lớn hơn so với trường hợp xe khơng có tải. Việc phân
phối lực phanh này trước đây được thực hiện hoàn tồn bởi các van cơ khí như van
điều hồ lực phanh, van bù tải, van giảm tốc… Trên các hệ thống ABS đơn giản
vẫn tồn tại van điều hòa lực phanh bằng cơ khí.
Khi xe quay vịng, tải trọng cũng tăng lên ở các bánh xe phía ngồi, cịn phía
trong giảm đi, nên lực phanh cũng cần phải phân phối lại, nhưng các van điều hịa
lực phanh cơ khí khơng giải quyết được vấn đề này. Vì vậy hệ thống phân phối lực
phanh điện tử (EBD) được hình thành và được ứng dụng trên xe để khắc phục
những tồn tại của hệ thống phân phối lực phanh truyền thống bằng cơ khí. Việc
phân phối lực phanh bằng điện tử này cho độ chính xác và hiệu quả cao hơn.

Hình 1. 1: Đồ thị so sánh lực phanh khi có và khơng có trợ lực phanh khẩn cấp
Trong trường hợp phanh khẩn cấp như gặp chướng ngại vật đột ngột, người lái
xe - đặc biệt là những người thiếu kinh nghiệm, thường đạp phanh khơng đủ mạnh,
do đó khơng tạo đủ lực phanh tối đa để dừng xe khẩn cấp. Để tăng tối đa hiệu quả
phanh trong những tình huống này, hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp đã được tích

hợp vào hệ thống phanh. Bằng cách nhận biết tốc độ và lực tác dụng lên bàn đạp
phanh của người lái xe, một hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp (BAS) sẽ tự động cung
cấp thêm một lực phanh lớn hơn nhiều so với lực phanh do người lái tạo ra để dừng

11


xe khẩn cấp. Hình 1.1 so sánh lực phanh tạo ra trong hai trường hợp có và khơng có
trợ lực phanh khẩn cấp.
Hệ thống ABS kết hợp với các hệ thống EBD và BAS thực hiện đồng thời
các chức năng sau:
- Hệ thống ABS làm nhiệm vụ chống hiện tượng hãm cứng bánh xe khi
phanh.
- Hệ thống EBD sẽ phân phối lực phanh đến các bánh xe phù hợp với sự phân
bố tải trọng và các chế độ lái xe.
- Hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp giúp tạo ra một lực phanh lớn để dừng gấp
xe trong trường hợp phanh khẩn cấp.
1.1.1.2. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống kiểm sốt lực kéo (TRC)
Ở đường có hệ số bám  thấp, các bánh xe chủ động sẽ dễ bị trượt quay nếu
xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột (do lực kéo chủ động Pk vượt quá giới hạn khả
năng bám P giữa bánh xe và mặt đường), làm mất mát công suất và xe bị mất ổn
định. Để khắc phục hiện tượng này, phần lớn các xe ngày nay được trang bị hệ
thống kiểm soát lực kéo (Traction Control System – TRC).
Hệ thống này được thiết kế dựa trên cơ sở một hệ thống ABS. Khi có hiện
tượng trượt quay của bánh xe, hệ thống TRC sẽ có đồng thời hai tác động:
-

Giảm mơ men xoắn của động cơ bằng cách đóng bớt cánh bướm ga mà

khơng phụ thuộc vào ý định của người lái.

-

Hệ thống TRC kết hợp với hệ thống ABS điều khiển hệ thống phanh tác

động lên các bánh xe chủ động.
Nhờ đó làm giảm mô men kéo truyền đến mặt đường tới một giá trị phù hợp
khiến xe có thể khởi hành và tăng tốc một cách nhanh chóng, ổn định mà các bánh
xe chủ động không bị trượt quay.
Sơ đồ một hệ thống TRC như hình 1.2 sau đây:

12


Hình 1. 2: Sơ đồ hệ thống ABS và TRC
Hệ thống TRC điều khiển công suất động cơ theo nguyên lí điều khiển bướm
ga phụ. Cánh bướm ga phụ được dẫn động bằng một động cơ bước.
Hệ thống điều khiển là TRC ECU và ABS ECU sẽ đánh giá trạng thái chuyển
động của xe dựa trên tín hiệu từ các cảm biến tốc độ bánh xe, dựa vào tín hiệu vị trí
bướm ga từ hộp điều khiển động cơ (ECU) … rồi gửi tín hiệu điều khiển đến bộ
chấp hành cánh bướm ga phụ và bộ chấp hành phanh TRC. Cùng lúc đó gửi tín hiệu
đến ECU động cơ và ECT để báo TRC đang hoạt động.
Khi TRC chưa làm việc: cánh bướm ga phụ mở hoàn toàn. Trong trường hợp
này lượng hịa khí đi vào động cơ hồn tồn phụ thuộc vào độ mở của cánh bướm
ga chính.
Khi TRC làm việc: Để giảm mô men kéo truyền đến bánh xe, TRC ECU điều
khiển động cơ bước đóng bớt cánh bướm ga phụ để giảm công suất động cơ. Ở
trạng thái TRC hoạt động hoàn toàn cánh bướm ga phụ đóng hồn tồn.

13

Hình 1. 3: Các trạng thái của cánh bướm ga phụ
1.1.1.3. Hệ thống ổn định xe bằng điện tử
Hệ thống ổn định xe bằng điện tử (Electronic Stability Program – ESP) là một
hệ thống an toàn chủ động, cải thiện tính ổn định của xe trong tất cả các tình huống
chuyển động. Hệ thống này được trang bị trên các xe hiện đại hiện nay như
Mercedes, BMW …
Hệ thống ESP làm việc bằng cách can thiệp vào hệ thống phanh, có thể tác
động riêng rẽ trên từng bánh xe. ESP giúp ổn định xe khi phanh, khi quay vòng, khi
khởi hành và tăng tốc. Để tăng cường cho việc điều khiển phanh có hiệu quả, thì
ESP tác động đến cả động cơ và hộp số.
Hệ thống ESP bao gồm sự liên kết và tích hợp các hệ thống và chức năng sau:
-

Hệ thống ABS chống hãm cứng bánh xe khi phanh, vì vậy duy trì khả năng

lái và tính ổn định của xe trong lúc phanh gấp.

14


-

Hệ thống ASR (Acceleration Slip Regulator) khắc phục hiện tượng trượt

quay của các bánh xe chủ động khi khởi hành và tăng tốc đột ngột bằng cách phanh
bớt bánh xe có hiện tượng trượt quay. Điều đó sẽ làm gia tăng tính ổn định của xe
trong q trình tăng tốc.

1.Cảm biến tốc độ bánh xe;

2. Cụm giắc chẩn đoán;

3. Hộp điều khiển điện tử ESP;

4. Công tắc ESP OFF;

5. Đèn báo ABS;

6. Đèn báo ESP;

7. Đèn báo EPC (E –gas)

8. Cảm biến gia tốc ngang;

9. Hộp điều khiển làm trễ mô men xoay xe;

10. Đèn báo lỗi ESP;

11. Cảm biến góc lái;

12. Cơng tắc báo phanh;

13. Bơm cung cấp ESP;

14. Công tắc phanh đậu xe;

15. Cảm biến áp suất xi lanh chính;

16. Xi lanh chính;

17. Bộ chấp hành thủy lực ESP.
Hình 1. 4: Sơ đồ vị trí hệ thống ESP trên xe Mercedes

15


Đồng thời với sự điều khiển phanh, hệ thống ESP cũng gửi tín hiệu đến hộp
điều khiển động cơ, điều khiển đóng bớt bướm ga lại hoặc làm chậm thời điểm đánh
lửa để giảm bớt mô men xoắn của động cơ.
ESP còn khắc phục hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vịng thừa. Trong
mọi tình huống, nó đảm bảo xe không bị lệch ra khỏi quỹ đạo điều khiển của người
lái xe.

Hình 1. 5: ESP điều khiển phanh chống hiện tượng quay vịng thừa
hoặc quay vịng thiếu
Khi có hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa (understeering or
oversteering) xảy ra, hệ thống ESP sẽ nhận biết thông qua các cảm biến góc lái và
cảm biến gia tốc ngang, tự động điều khiển một lực phanh chính xác đến các bánh
xe tương ứng ở cầu trước hoặc cầu sau để duy trì hướng chuyển động của xe theo sự
điều khiển của người lái. Khi xe quay vòng thừa hoặc thiếu thì ESP sẽ điều khiển
phanh các bánh xe tương ứng như trên hình 1.5. Đồng thời với sự điều khiển phanh,
hệ thống ESP cũng gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ, điều khiển giảm bớt
mô men xoắn của động cơ. Nhờ vậy xe đạt được tính ổn định cao khi quay vòng.

16


1.1.2. Cấu tạo của hệ thống ABS
Hệ thống ABS được thiết kế dựa trên cấu tạo của một hệ thống phanh thường.

Ngồi các cụm bộ phận chính của một hệ thống phanh như cụm xi lanh chính, cơ
cấu phanh bánh xe, các van điều hòa lực phanh,… để thực hiện chức năng chống
hãm cứng bánh xe khi phanh, hệ thống ABS cần trang bị thêm các bộ phận như cảm
biến tốc độ bánh xe, ECU điều khiển quá trình phanh, cơ cấu chấp hành thủy lực, bộ
phận chẩn đoán, báo lỗi,… Hình 1.6 giới thiệu sơ đồ cấu tạo một hệ thống ABS trên
xe.

Hình 1. 6: Sơ đồ bố trí các cơ cấu trong hệ thống phanh ABS
Một hệ thống ABS cơ bản bao gồm 3 cụm bộ phận chính:
- Cụm tín hiệu vào bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe, cơng-tắc báo
phanh,… có nhiệm vụ xác định trạng thái vận hành của xe;
- Hộp điều khiển (ECU) có chức năng nhận và xử lý các tín hiệu vào, tính tốn
và đưa ra tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thủy lực;

17


- Bộ phận chấp hành gồm có bộ điều khiển thủy lực, đèn báo ABS, bộ phận
kiểm tra, chẩn đoán. Bộ chấp hành thủy lực nhận tín hiệu điều khiển từ ECU và
thực hiện quá trình phân phối áp suất dầu đến các cơ cấu phanh tại từn bánh xe.
Cấu tạo cụ thể và đặc tính của các cơ cấu trong hệ thống phanh như sau:
a) Cảm biến tốc độ bánh xe
Cảm biến tốc độ bánh xe có nhiệm vụ đo tốc độ các bánh xe trong quá trình
phanh rồi gửi về ECU – ABS để xử lí.
Theo cách điều khiển ABS mà các cảm biến tốc độ bánh xe được bố trí ở vị trí
khác nhau, có thể bố trí ở bán trục, trên bánh răng vành chậu để đo tốc độ trung
bình của hai bánh xe chủ động hoặc trên cụm moayơ bánh xe.
Cảm biến tốc độ bánh xe phổ biến là loại cảm biến điện từ, có cấu tạo như hình
1.7 sau:

Hình 1. 7: Sơ đồ cảm biến tốc độ loại điện từ và bố trí trên xe
Cảm biến điện từ gồm một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây cuốn quanh lõi từ,
hai đầu cuộn dây được nối với cụm xử lí tín hiệu.
Khi bánh xe quay, đĩa răng gắn cùng với bánh xe quay theo, làm khe hở giữa
đầu lõi từ và đỉnh răng thay đổi, làm từ thông qua cuộn dây biến thiên một cách
tuần hồn. Từ thơng biến thiên tuần hồn trong cuộn dây sẽ làm xuất hiện sức điện

18


động cảm ứng, tạo ra dòng điện xoay chiều dạng hình sin. Tần số của dịng điện
cảm ứng này thay đổi theo tốc độ quay của vành răng, tức là tỉ lệ với tốc độ của
bánh xe.
Đồ thị tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe như hình 1.8 sau:

Hình 1. 8: Tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe
b) Cụm bơm và van phân phối dầu

Hình 1. 9: Bơm dầu trong hệ thống phanh ABS
Bơm dầu có nhiệm vụ bổ sung dầu có áp suất cao vào hệ thống thủy lực trong
pha tăng áp, bơm hoạt động bằng năng lượng điện, được điều khiển trực tiếp từ

19


ECU trong hệ thống phanh ABS. Chỉ trong trường hợp ABS làm việc thì bơm mới
được kích hoạt làm việc. Dưới đây là hình ảnh về bơm dầu:
Van phân phối được điều khiển từ tín hiệu của ECU, có nhiệm vụ đóng hoặc
mở các đường dầu cấp cho từng xi lanh phanh nhằm tăng, giảm hoặc giữ áp suất
dầu để tránh hiện tượng trượt lết bánh xe khi phanh. Sơ đồ cụm van phân phối như

hình dưới đây:

Hình 1. 10: Sơ đồ cụm van phân phối
1.1.3. Nguyên lí làm việc của ABS
1.1.3.1. Phạm vi điều khiển của ABS
Mục tiêu của hệ thống ABS là giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ
trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị o ( = 10 - 30%, trên đồ thị đặc tính
trượt), gọi là phạm vi điều khiển của hệ thống ABS. Khi đó hệ số bám dọc và bám
ngang đều có giá trị cao khiến hiệu quả phanh tăng cao, tính ổn định hướng và khả

20


năng điều khiển lái cũng được duy trì ở mức cao. Thực tế giới hạn này có thể thay
đổi trong phạm vi lớn hơn, có thể bắt đầu sớm hơn hay kết thúc trễ hơn tùy theo

Hệ số bám dọc x

điều kiện bám của bánh xe và mặt đường.

Hình 1. 11: Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS
1/ Lốp bố trịn (radial-ply) chạy trên đường bê tơng khơ;
2/ Lốp bố chéo (bias-ply) chạy trên đường nhựa ướt;
3/ Lốp bố tròn chạy trên đường tuyết;
4/ Lốp bố tròn chạy trên đường đóng băng.
Trên hình 1.11 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc x và độ trượt  ứng
với các loại lốp khác nhau khi chạy trên các loại đường có hệ số bám khác nhau.
Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS ứng với từng điều kiện cụ thể là khác nhau.
Theo đó, đối với loại lốp bố trịn chạy trên đường bê tơng khơ (đường cong 1) thì
giá trị xmax đạt được ứng với độ trượt khoảng 10% so với loại lốp bố chéo chạy

trên đường nhựa ướt (đường cong 2) là 30%. Độ trượt tối ưu o để đạt giá trị hệ số
bám cực đại trong hai trường hợp trên là khác nhau. Vì vậy, phạm vi điều khiển

21


ABS cũng khác nhau, trường hợp lốp bố tròn chạy trên đường bê tơng khơ sẽ có q
trình điều khiển ABS xảy ra sớm hơn. Tương tự là phạm vi điều khiển của hệ thống
ABS đối với loại lốp bố trịn chạy trên đường tuyết và đường đóng băng (đường
cong 3 và 4).

Hệ số bam ngang Y Hệ số bám dọc X

Hệ thống ABS cịn có khả năng điều khiển theo góc trượt  của bánh xe.

X

Y

Hình 1. 12: Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe
Khi phanh trên đường vòng, xe chịu sự tác động của lực ngang nên các bánh
xe sẽ có một góc trượt . Đồ thị hình 2.14 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc

x và hệ số bám ngang y với độ trượt  ứng với góc trượt  = 2o và  =10o. Khi
góc trượt lớn (ví dụ  =10o) thì tính ổn định của xe giảm đi rất nhiều. Trong trường
hợp này hệ thống ABS sẽ ưu tiên điều khiển tính ổn định của xe hơn là quãng
đường phanh. Vì vậy ABS sẽ can thiệp sớm khi hệ số bám dọc x còn giá trị rất nhỏ
(  x  0,35 ), trong khi hệ số bám ngang y đạt được giá trị cực đại của nó là 0,8, quá
trình điều khiển này cũng được kéo dài hơn bình thường. Nhờ vậy xe giữ được tính
ổn định khi phanh trên đường vòng, mặc dù quãng đường phanh có thể dài hơn so

với khi chạy thẳng.

22


1.1.3.2. Chu trình điều khiển của ABS

Tín hiệu đầu vào
Tín hiệu tác động

Tín hiệu
điều khiển

Đối tượng điều khiển
Nhân
ảnh
Nhân
tố tố
ảnh
hưởng
1. Bộ chấp hành thủyhhưởng
lực;
2. Xi lanh phanh chính;
3. Xi lanh làm việc;

4. Bộ điều khiển (ECU);

5. Cảm biến tốc độ bánh xe.
Hình 1. 13: Chu trình điều khiển kín của ABS
Q trình điều khiển của hệ thống ABS được thực hiện theo chu trình kín như hình

1.13. Các cụm của chu trình bao gồm:

- Tín hiệu vào là lực tác dụng lên bàn đạp phanh của người lái xe, thể hiện qua
áp suất dầu tạo ra trong xi lanh phanh chính.
- Tín hiệu điều khiển bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe. Tín hiệu tốc độ
các bánh xe và các thơng số được tính tốn từ nó như gia tốc và độ trượt liên tục
được gửi về hộp điều khiển để xử lý.
- Tín hiệu tác động được thực hiện bởi bộ chấp hành, thay đổi áp suất dầu cấp
đến các xi lanh làm việc ở các cơ cấu phanh bánh xe.
- Đối tượng điều khiển: là lực phanh giữa bánh xe và mặt đường. ABS hoạt
động tạo ra mơ men phanh thích hợp ở các bánh xe để duy trì hệ số bám tối ưu giữa
bánh xe với mặt đường, tận dụng khả năng bám cực đại để lực phanh là lớn nhất.

23


- Các nhân tố ảnh hưởng: như điều kiện mặt đường, tình trạng phanh, tải trọng
của xe, và tình trạng của lốp (áp suất, độ mịn,…).
Q trình điều khiển của ABS được trình bày dưới dạng sơ đồ hình 1.14 dưới
đây:

Phanh
thường

Dừng tác
động ABS

áp

Giữ hay

tăng, giảm
áp

Giảm áp
chậm

Giảm áp
nhanh

Giảm

Hình 1. 14: Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS
Khi phanh chậm, sự giảm tốc của xe thay đổi chậm và nhỏ thì hệ thống ABS
khơng được kích hoạt, hoạt động của hệ thống phanh là bình thường. Khi phanh gấp
hay phanh trên đường trơn, gia tốc chậm dần của bánh xe tăng nhanh, có hiện tượng
bị hãm cứng ở các bánh xe, thì ABS sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển giảm áp suất
phanh để chống sự lại sự hãm cứng các bánh xe. Sau đó áp suất phanh sẽ được điều
khiển ở các chế độ giữ áp hoặc tăng áp/ giảm áp, thực hiện chế độ tăng áp chậm hay
tăng áp nhanh để duy trì độ trượt khi phanh nằm trong khoảng tối ưu. Chu kỳ giảm
áp – giữ áp – tăng áp được điều khiển lặp lại phụ thuộc vào tình trạng trượt của các
bánh xe, kết quả là giữ cho tốc độ bánh xe có dạng như hình 1.14, và sau đó kết
thúc để trở về trạng thái phanh bình thường. Tùy vào điều kiện của bề mặt đường,
số chu kỳ điều khiển sẽ dao động từ 4 – 10 lần trong một giây. Trên các hệ thống
phanh hiện đại, tần số này cịn có thể đạt đến 15 Hz.

24