Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS) kết nối máy tính phục vụ đào tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG




NGÔ PHẠM HỒNG PHƯỚC



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH

HỆ THỐNG PHANH CHỐNG HÃM CỨNG (ABS)

KẾT NỐI MÁY TÍNH PHỤC VỤ ĐÀO TẠO




LUẬN VĂN THẠC SĨ








Khánh Hòa - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG



NGÔ PHẠM HỒNG PHƯỚC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH

HỆ THỐNG PHANH CHỐNG HÃM CỨNG (ABS)

KẾT NỐI MÁY TÍNH PHỤC VỤ ĐÀO TẠO



LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Mã số: 60520116

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN VĂN NHẬN



CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG KHOA SAU ĐẠI HỌC



Khánh Hòa - 2014

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các kết quả, số liệu nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng được ai công
bố trong bất kì công trình nào.


Tác giả





Ngô Phạm Hồng Phước

ii


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận văn này.
Trước hết tôi xin kính gửi đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban
Chủ nhiệm Khoa Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Giao thông và Khoa Cơ khí - Trường
Đại học Nha Trang sự kính trọng, sự tự hào được học tập và nghiên cứu tại trường
trong những năm qua.
Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được giành cho thầy PGS.TS. Nguyễn Văn Nhận
- Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Nam Việt đã tận tình hướng dẫn, động viên để
tôi hoàn thành luận văn.
Xin cám ơn: Thầy PGS. TS Trần Gia Thái - Trưởng khoa Khoa Kỹ thuật Giao

thông, Trường Đại học Nha Trang và các thầy cô phản biện đã cho tôi những lời
khuyên quý báu để công trình nghiên cứu được hoàn thành có chất lượng.
Đặc biệt xin được ghi nhớ tình cảm, sự giúp đỡ của: Ban Giám hiệu Trường
Cao đẳng nghề Thanh niên dân tộc Tây Nguyên, quí thầy cô giáo trong Khoa Sau đại
học, Khoa Kỹ thuật Giao thông - Trường Đại học Nha Trang, gia đình và bạn bè thân
thiết luôn luôn chia sẻ cùng tôi trong quá trình nghiên cứu.

Học viên


Ngô Phạm Hồng Phước

iii


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA Trang
LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1. SƠ LƯỢC VỀ MÔ HÌNH ABS Ở NƯỚC TA 4

1.2. MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY 4

1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 7

1.4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 7

1.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7

1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 7

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1. QUÁ TRÌNH PHANH ÔTÔ 9

2.1.1. Chức năng của hệ thống phanh ôtô 9

2.1.2. Quá trình phanh ôtô 9

2.2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHANH 10

2.2.1. Trọng lực (G) 11

2.2.2. Lực cản dốc (P
i
) 11

2.2.3. Phản lực vuông góc (Z) 11

2.2.4. Lực cản lăn (P
f
) 12

2.2.5. Lực cản không khí (P
ω
) 13

2.2.6. Lực quán tính (P
j
) 13

2.2.7. Lực kéo Remorque (P
m
) 14

2.2.8. Lực và moment tác dụng lên bánh xe khi phanh 14

2.3. ĐIỀU KIỆN ĐẢM BẢO PHANH TỐI ƯU 15

2.4. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH PHANH 17

2.4.1. Gia tốc chậm dần khi phanh 17

iv

2.4.2. Thời gian phanh (t
p
) 18

2.4.3. Quãng đường phanh 19

2.4.4. Lực phanh riêng 20

2.5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ABS 20

2.5.1. Hệ số bám 20

2.5.2. Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 22

2.5.2.1. Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 22

2.5.2.2. Đặc tính trượt khi phanh 24

2.5.3. Mục tiêu của ABS 26

2.5.4. Hiệu quả của ABS 28

2.5.4.1. Lợi về tính hiệu quả phanh 28

2.5.4.2. Lợi về tính ổn định phanh 30

2.5.5. Quá trình điều khiển của ABS 31

2.5.5.1. Yêu cầu của ABS 31

2.5.5.2. Phạm vi điều khiển của ABS 32

2.5.5.3. Đặc tính trượt lý tưởng 34

2.5.5.4. Chu trình điều khiển của ABS 36

2.5.5.5. Tín hiệu điều khiển ABS 39

2.5.5.6. Quá trình điều khiển của ABS 40

2.5.5.7. Các phương pháp điều khiển của ABS 42

2.5.5.8. Các phương án bố trí điều khiển ABS 43

2.6. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ABS 46

2.6.1. Giới thiệu chung 46

2.6.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết của ABS 48

2.6.2.1. Cảm biến tốc độ bánh xe 48

2.6.2.2. Cảm biến giảm tốc 49

2.6.2.3. Cảm biến gia tốc ngang 51

2.6.2.4. Hộp điều khiển hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS ECU) 52

2.6.2.5. Bộ chấp hành thủy lực 55

2.6.3. Các chức năng kiểm tra, chẩn đoán và an toàn 61

2.6.3.1. Điều khiển các rơ le 61

2.6.3.2. Chức năng kiểm tra ban đầu và kiểm tra các cảm biến 62

v


2.6.3.3.Chức năng chẩn đoán 62

2.6.3.4. Chức năng an toàn 62

Chương 3 - NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH PHANH CHỐNG
HÃM CỨNG (ABS) KẾT NỐI MÁY TÍNH 63

3.1. Ý TƯỞNG THIẾT KẾ 63

3.2. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU ĐỐI VỚI MÔ HÌNH 63

3.2.1. Mục đích 64

3.2.2. Yêu cầu 64

3.3. THIẾT KẾ CÁC BÀI THỰC HÀNH TRÊN MÔ HÌNH 64

3.3.1. Bài thực hành số 1: 64

3.3.1.1. Chuẩn bị 64

3.3.1.2. Trình tự thực hiện 65

3.3.2. Bài thực hành số 2: 66

3.3.2.1. Chuẩn bị 66

3.3.2.2. Trình tự thực hiện 67

3.3.3. Bài thực hành số 3: 70

3.3.3.1. Chuẩn bị 70

3.3.3.2. Trình tự thực hiện 70

3.4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ABS 74

3.4.1. Phương án thiết kế 74

3.4.2. Thiết kế, chế tạo mô hình 75

3.4.2.1. Dự trù thiết bị, vật tư của mô hình 75

3.4.2.2. Thiết kế, chế tạo mô hình 77

3.4.2.3. Chọn vật liệu gia công 78

3.4.2.4. Một số hình ảnh mô hình thực tế trong quá trình gia công 81

3.5. THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH PHẦN MỀM KẾT NỐI MÁY TÍNH 82

3.5.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng LABVIEW 82

3.5.1.1. Giới thiệu chung 82

3.5.1.2. VI (Vitual Instrument) - Thiết bị ảo 83

3.5.1.3. Front Panel và Block Diagram 83

3.5.2. Giới thiệu một số vi điều khiển 85

3.5.2.1. Vi điều khiển ATmega16 85

vi


3.5.2.2. Vi điều khiển ATmega8: 87

3.5.3. Thiết kế, chế tạo mạch giao tiếp máy tính 90

3.5.3.1. Thiết kế sơ đồ khối 90

3.5.3.2. Thiết kế, chế tạo mạch Salve 90

3.5.3.3. Thiết kế, chế tạo mạch trung tâm 93

3.5.3.4. Lưu đồ thuật toán 97

3.5.3.5. Phần mềm giao tiếp trên máy tính 98

3.6. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 100

3.6.1. Một số hình ảnh thực tế của mô hình sau khi chế tạo 100

3.6.2. Hướng dẫn sử dụng 101

3.6.2.1. Điện áp sử dụng cho mô hình: 101

3.6.2.2. Vận hành mô hình: 101

3.6.3. Một số kết quả tính toán và thực nghiệm trên mô hình 103

3.6.3.1. Tính áp suất cực đại dòng chất lỏng trên mô hình 103

3.6.3.2. Thực nghiệm 1: 106

3.6.3.3. Thực nghiệm 2: 108

3.6.3.4. Kết luận 109

Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 110

4.1. KẾT LUẬN 110

4.2. ĐỀ XUẤT 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

vii


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ABS : Anti- lock Braking System (Hệ thống phanh chống hãm cứng).
ABS ECU : Anti- lock Braking System Electronic Contol Unit (Hộp điều khiển điện
tử hệ thống phanh chống hãm cứng).
ADC : Analog to Digital Converter (Bộ chuyển đổi tương tự sang số).
ALU Arithmetic Logic Unit (Bộ xử lý logic toán học).
AVR : Tên riêng của một loại vi điều khiển.
BITE : Buiit In Test Equipment (Chu trình kiểm tra).
CISC : Complex Instruction Set Computer (Máy tính dùng tập lệnh phức)
EEFROM : Electrically Erasable Programmable Read- Only Memory (Bộ nhớ có thể
đọc ghi xóa bằng điện).
LABVIEW

: Virtual Instrument Engineering Workbench (Phần mềm lập trình đồ họa)
LED : Light Emited Diod (Diod phát quang )
OP- AMP Operational Amplifier (Bộ khuếch đại)
PWM : Pulse Width Modulator (Bộ điều chế xung).
RISC : Reduced Instruction Set Computer (máy tính dùng tập lệnh rút gọn).
RTC : Read - Time Clock (bộ đếm thời gian thực).
SPI : Serial Peripheral Interface (Chuẩn truyền đồng bộ nối tiếp).
SRAM : Static Random Access Memory (Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh).
USART : Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter
(Bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ).
VI : Vitual Instrument (Thiết bị ảo).

viii


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh hiệu quả phanh của ABS với hệ thống phanh thường 29

Bảng 2.2 Các chế độ hoạt động của bộ chấp hành van 2 vị trí 61

Bảng 3.1 Bảng mã chẩn đoán hư hỏng của ABS 68

Bảng 3.2 Các hư hỏng thường gặp của ABS 73

Bảng 3.3 Thứ tự các Pan của mô hình 102

ix


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn moment và lực phanh khi ABS không hoạt động 5

Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn moment và lực phanh khi ABS hoạt động 5

Hình 1.3 Mô hình ABS do công ty Tân phát chế tạo 6

Hình 2.1 Lực và moment tác dụng lên ôtô khi phanh 1

Hình 2.2 Phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe 12

Hình 2.3 Lực và moment tác dụng lên bánh xe khi phanh 14

Hình 2.4 Lực tác dụng lên ôtô khi phanh 15

Hình 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám 22

Hình 2.6 Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết 23

Hình 2.7 Đặc tính trượt khi phanh 24

Hình 2.8 Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhau 24

Hình 2.9 Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS 27

Hình 2.10 Sự thay đổi tốc độ góc, tốc độ ôtô và độ trượt theo thời gian khi phanh
có ABS 28

Hình 2.11 Sự lệch hướng của ôtô khi phanh 30

Hình 2.12 Phạm vi điều khiển của ABS 33

Hình 2.13 Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe 34

Hình 2.14 Đặc tính trượt lý tưởng 35

Hình 2.15 Quá trình phanh cơ bản theo đặc tính trượt lý tưởng 35

Hình 2.16 Chu trình điều khiển kín của ABS 36

Hình 2.17 Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS 37

Hình 2.18 Vòng lặp hoạt động của ABS 38

Hình 2.19 Quá trình điều khiển của ABS 41

Hình 2.20 Các phương án điều khiển của ABS 44

Hình 2.21 Hiệu quả phanh và ổn định đối với các phương án ABS khác nhau 45

Hình 2.22 Sơ đồ cấu tạo một ABS trên xe 46

Hình 2.23 Sơ đồ điều khiển của ABS 47

Hình 2.24 Cảm biến tốc độ bánh xe loại điện từ 48

Hình 2.25 Tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe 49

Hình 2.26 Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh xe loại nam châm quay 49

x


Hình 2.27 Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc 50

Hình 2.28 Các chế độ hoạt động của cảm biến giảm tốc 51

Hình 2.29 Cảm biến gia tốc ngang 52

Hình 2.30 Các chức năng điều khiển của ECU 53

Hình 2.31 Sơ đồ mạch điện ABS (xe Toyota) 54

Hình 2.32 Điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi phanh 55

Hình 2.33 Bộ chấp hành ABS 56

Hình 2.34 Sơ đồ bộ chấp hành thủy lực 57

Hình 2.35 Chế độ phanh bình thường (ABS không hoạt động) 57

Hình 2.36 Chế độ giảm áp 58

Hình 2.37 Chế độ giữ áp 59

Hình 2.38 Chế độ tăng áp 60

Hình 2.39 Sơ đồ bộ chấp hành thủy lực loại 8 van điện 2 vị trí 60

Hình 2.40 Sơ đồ điều khiển các rơ le van điện và mô tơ bơm 61

Hình 2.41 Đèn báo ABS 62

Hình 3.1 Mã chẩn đoán ABS hoạt động bình thường 67

Hình 3.2 Mã chẩn đoán 11 và 23 68

Hình 3.3 Cụm dẫn động đĩa và cơ cấu phanh bánh xe 77

Hình 3.4 Bản vẽ lắp mô hình ABS 79

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thiết bị trên mô hình ABS 80

Hình 3.6. Mô hình thực tế nhìn từ phía trước 81

Hình 3.7. Mô hình thực tế nhìn từ bên phải 81

Hình 3.8 Front Panel và Block Diagram 83

Hình 3.9 Vị trí Icon và Connector 84

Hình 3.10 Sơ đồ chân ATmega16 86

Hình 3.11 Sơ đồ chân ATmega8 89

Hình 3.12 Thiết kế sơ đồ khối mạch giao tiếp máy tính 90

Hình 3.13 Mạch chỉnh dạng xung tín hiệu đầu vào 91

Hình 3.14 Mạch vi điều khiển Slave 92

Hình 3.15 Sơ đồ mạch in vi mạch điều khiển Slave 92

Hình 3.16 Sơ đồ mạch Slave thực tế (mặt trên và dưới) 93

Hình 3.17 Mạch vi điều khiển trung tâm 93

xi


Hình 3.18 Sơ đồ mạch chuyển đổi chuẩn giao tiếp 94

Hình 3.19 Sơ đồ mạch LCD 94

Hình 3.20 Sơ đồ mạch điều khiển rơ le và đọc code 95

Hình 3.21 Sơ đồ mạch nguồn ổn áp xung 95

Hình 3.22 Sơ đồ mạch in mạch nguồn ổn áp 96

Hình 3.23 Sơ đồ mạch nguồn ổn áp mặt trên 96

Hình 3.24 Sơ đồ mạch nguồn ổn áp mặt dưới 96

Hình 3.25 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển Slave 97

Hình 3.26 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển Master 97

Hình 3.27 Giao diện trạng thái hoạt động ABS 98

Hình 3.28 Giao diện đồ thị quá trình hoạt động của ABS 99

Hình 3.29 Mô hình ABS sau khi chế tạo 100

Hình 3.30 Sơ đồ hệ thống phanh 103

Hình 3.31 Cấu tạo cụm phanh đĩa 103

Hình 3.32 Sơ đồ tính toán bộ trợ lực chân không 105

Hình 3.33 Kết quả thực nghiệm 1 107

Hình 3.34 Kết quả thực nghiệm 2 108

1


LỜI MỞ ĐẦU

An toàn giao thông là vấn đề quan tâm lớn của mọi người và xã hội khi lượng
xe lưu thông trên đường ngày càng nhiều. Hệ thống phanh chống hãm cứng với chức
năng chống hãm cứng bánh xe khi phanh, làm tăng hiệu suất phanh, đảm bảo tính ổn
định chuyển động của xe đang đem lại những hiệu quả thiết thực và là xu hướng đang
phát triển mạnh.
Thực tiễn ở nước ta hiện nay, do đặc thù nền kinh tế mới phát triển và mở cửa,
số lượng ôtô đang tăng nhanh và đa dạng, phong phú về chủng loại. Đồng thời đang
hình thành một nền công nghiệp sản xuất ôtô còn non trẻ với nhiều tiềm năng to lớn,
đang đòi hỏi chúng ta phải nỗ lực hòa nhập và tiếp cận, tiếp thu các quy trình công
nghệ, kỹ thuật cao để vận dụng và khai thác có hiệu quả.
Hệ thống phanh (Brake System) là cơ cấu an toàn chủ động của ôtô, dùng để giảm
tốc độ hay dừng và đỗ ôtô trong những trường hợp cần thiết. Nó là một trong những cụm
tổng thành chính và đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển ôtô trên đường. Chất
lượng của một hệ thống phanh trên ôtô được đánh giá thông qua tính hiệu quả phanh
(thể hiện qua các chỉ tiêu như quãng đường phanh, gia tốc chậm dần, thời gian phanh
và lực phanh), đồng thời đảm bảo tính ổn định chuyển động của ôtô khi phanh. Đây là
vấn đề luôn được quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học, các chuyên gia kỹ
thuật trong ngành công nghệ ôtô.
Một vấn đề lớn và cũng là bài toán quan trọng cần phải giải quyết đối với hoạt
động của hệ thống phanh, đó là khi ôtô phanh gấp hay phanh trên các loại đường có hệ
số bám (
ϕ

) 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 (hiệu quả phanh thấp đi), dẫn đến tình trạng mất
tính ổn định hướng và khả năng điều khiển của ôtô. Khi các bánh xe trước sớm bị bó
cứng làm cho xe không thể chuyển hướng theo sự điều khiển được; Khi các bánh sau
bị bó cứng, do sự khác nhau về hệ số bám giữa bánh trái và bánh phải với mặt đường
nên làm cho đuôi xe bị lạng, xe bị trượt ngang. Trong trường hợp xe phanh khi đang
quay vòng, hiện tượng trượt ngang của các bánh xe dễ dẫn đến các hiện tượng quay
vòng thiếu hay quay vòng thừa làm mất tính ổn định khi xe quay vòng.
2


Để giải quyết bài toán về vấn đề hiệu quả và tính ổn định khi phanh, phần lớn
các ôtô hiện nay đều được trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh, gọi là
hệ thống “Anti - lock Braking System” và thường được viết và gọi tắt là ABS. Hệ
thống hoạt động chống hiện tượng bị hãm cứng của bánh xe bằng cách điều khiển thay
đổi áp suất dầu tác dụng lên các cơ cấu phanh ở các bánh xe để ngăn không cho nó bị
hãm cứng khi phanh trên đường trơn hay khi phanh gấp, đảm bảo tính hiệu quả và tính
ổn định của ôtô trong quá trình phanh.
Ngày nay, ABS giữ một vai trò quan trọng không thể thiếu trong các hệ thống
phanh hiện đại và trở thành tiêu chuẩn bắt buộc đối với phần lớn các nước sản xuất ôtô
trên thế giới. Ở thị trường Việt Nam, ngoài một phần lớn các xe ôtô nhập cũ đã qua sử
dụng, một số loại xe ôtô được lắp ráp trong nước cũng đã trang bị hệ thống này. Tại
cuộc hội thảo khoa học “Quản lý - Kỹ thuật trong công tác đăng kiểm phương tiện cơ
giới đường bộ - Nha Trang - 2000”, các nhà quản lý, nhà khoa học và chuyên gia đầu
ngành cũng đã đề xuất đến vấn đề ban hành các tiêu chuẩn quy định về việc sử dụng
ôtô có trang bị ABS với các mốc thời gian cụ thể.
Để sử dụng và khai thác có hiệu quả tất cả các tính năng ưu việt của ABS nói riêng
và của ôtô nói chung, việc nghiên cứu và nắm vững hệ thống này là cần thiết. Nội dung về
hệ thống này đã được một số trường đại học, cao đẳng chuyên ngành, các trường dạy

nghề đưa vào giảng dạy trong nhiều năm qua nhưng nhìn chung hiệu quả chưa cao vì có
những khó khăn chung như: tài liệu tham khảo chưa nhiều, còn tản mạn và thiếu tính hệ
thống; các mô hình, thiết bị để phục vụ cho công tác giảng dạy thực hành vẫn còn rất ít,
thiếu tính đồng bộ, chưa hoạt động hoàn thiện, chỉ đơn thuần là một mô hình cấu tạo. Vì
vậy nội dung truyền đạt cho sinh viên về hệ thống này vẫn còn đơn điệu, nghiêng về cấu
tạo và hoạt động đơn giản của hệ thống, thiếu tính sinh động và thực tiễn.
Với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy, học tập và nghiên cứu đối
với học sinh, sinh viên. Bản thân học viên chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô
hình hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS) kết nối máy tính phục vụ đào tạo”.
Cấu trúc của Luận văn gồm 4 chương:
- Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Kết quả nghiên cứu
- Chương 4: Kết luận và Đề xuất
3


Mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu, tuy nhiên đây là lần đầu độc lập
thực hiện một công trình mang tính tổng hợp và nghiên cứu khoa học, với kiến thức
bản thân còn hạn chế nên khó tránh khỏi những sai sót.
Rất mong được quý Thầy, Cô và đồng nghiệp góp ý chân thành để luận
văn được hoàn thiện hơn.
4


Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. SƠ LƯỢC VỀ MÔ HÌNH ABS Ở NƯỚC TA
Nhờ sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật, trên thế giới đã có rất nhiều công
trình nghiên cứu về ABS và đưa vào ứng dụng có hiệu quả, ngày càng cải tiến và tối

ưu hóa quá trình điều khiển của hệ thống. Theo đó, nội dung chương trình và công
nghệ chế tạo mô hình để phục vụ cho công tác giảng dạy cũng được làm rất tốt. Những
kết cấu mới, hệ thống mới được đưa ra sử dụng bên ngoài cũng đều được đưa lên mô
hình để giảng dạy.
Các mô hình ABS thường được chế tạo dựa trên các chi tiết thật của ôtô và có
các dạng: mô hình các cụm chi tiết rời, mô hình cắt các chi tiết, mô hình cấu tạo của hệ
thống và mô hình làm việc. Các mô hình làm việc của ABS do các công ty chuyên sản
xuất thiết bị dạy học ở các nước sản xuất được thiết kế trên sa bàn và bố trí đầy đủ như
một hệ thống thật trên xe, có thể xem như một hệ thống phanh trên xe thu nhỏ lại. Giá
thành của các mô hình như vậy là rất cao.
Trong thời gian qua, việc giảng dạy về ABS ở nước ta còn gặp nhiều khó khăn, cả
về tài liệu lẫn thiết bị. Nhiều trường đưa nội dung này vào giảng dạy nhưng vẫn còn đơn
giản, nhìn chung mức đầu tư chưa xứng tầm với nhu cầu phát triển hiện nay.
Đặc biệt, về mảng thiết bị và mô hình dạy học về ABS, do giá thành của các
thiết bị ngoại nhập quá cao, nhiều trường khó có thể trang bị. Việc nghiên cứu và chế
tạo các mô hình dạy học ở trong nước vẫn còn ở mức quy mô nhỏ, phần lớn là do nhu
cầu cấp thiết của công tác giảng dạy, nên tự thiết kế và thi công. Một số công ty sản
xuất đồ dùng dạy học ở nước ta cũng đã nghiên cứu, chế tạo nhiều thiết bị, mô hình
dạy học, nhưng về ABS gần như rất ít và đơn giản, phần lớn là chỉ dùng để dạy cấu tạo
và giới thiệu nguyên lý hoạt động cơ bản, thiếu một số chức năng cần thiết để học tập
và nghiên cứu trên mô hình, như không quan sát được các chế độ hoạt động của hệ
thống, không đo kiểm được một số thông số cơ bản, …
1.2. MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY
- Năm 2004, tại trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã có
luận văn thạc sĩ về ABS của Huỳnh Phước Sơn về đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình
hoạt động của ABS và biên soạn tài liệu giảng dạy”
5


Tuy nhiên đề tài này chỉ dừng lại ở phần mô hình đơn thuần và chỉ thể hiện hoạt

động ABS loại van điện ba vị trí của một bánh xe, không có phần kết nối máy tính nên
chưa thể hiện được hoạt động của một số bộ phận của hệ thống phanh chống hãm
cứng. Kết quả của đề tài này (xem hình 1.1, 1.2) chỉ khảo sát moment và lực phanh
trên mô hình và một số bài tập đơn giản trên mô hình chưa đáp ứng được thực tế phát
triển của ngành công nghiệp ô tô và giảng dạy hiện nay.

Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn moment và lực phanh khi ABS không hoạt động [12]

Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn moment và lực phanh khi ABS hoạt động[12]

- Hiện nay một số công ty thiết bị trường học mà điển hình là công ty thiết bị
dạy nghề Tân Phát hàng đầu về thiết bị dạy nghề ô tô đã có sản xuất mô hình ABS
được chế tạo trên bốn bánh xe và sử dụng bốn mô tơ kéo riêng biệt nhưng cũng chỉ là
mô hình đơn thuần, không có phần kết nối máy tính (xem hình 1.3) hoặc các mô hình
6


ABS một bánh xe có kết nối máy tính nhưng được lập trình trên các phần mềm đơn
giản chỉ thể hiện dưới dạng sóng hình sin, không thể hiện được các giai đoạn hoạt
động của ABS như cơ sở lý thuyết ABS.

Hình 1.3 Mô hình ABS do công ty Tân phát chế tạo

Như vậy, với các thiết bị và mô hình đã có, chưa thể đáp ứng được nhu
cầu giảng dạy hiện nay.
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phanh chống hãm cứng
(ABS) kết nối máy tính thể hiện được các chế độ hoạt động của các bộ phận
ABS phù hợp với tình hình giảng dạy hiện nay.
Mô hình được chế tạo với các thiết bị thật của ôtô hiện nay sử dụng phổ
biến và mô phỏng bằng phần mềm LabWiew là phù hợp và không trùng lắp với

các công trình đã nghiên cứu trước đây.
Tính mới của đề tài là chế tạo mạch kết nối máy tính và mô phỏng hoạt
động của các bộ phận, chi tiết tương ứng với cơ sở lý thuyết, giúp người học
nắm vững các kiến thức về ABS.
7


1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Trong khuôn khổ một đề tài tốt nghiệp cao học, đề tài nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô
hình ABS kết nối máy tính phục vụ đào tạo với mục tiêu:
- Biên soạn các bài giảng thực hành về ABS phục vụ cho công tác giảng dạy
cho sinh viên chuyên ngành cơ khí ôtô trong các trường đại học, cao đẳng, các lớp
chuyên đề về ôtô.
- Thiết kế và chế tạo một mô hình ABS trên cơ sở các thiết bị của một ôtô thật
và lập trình phần mềm kết nối máy tính phục vụ cho công tác giảng dạy thực hành, từ
đó có thể tiến hành các thực nghiệm về hoạt động của hệ thống và có những nhận xét,
đánh giá và giải thích, giúp củng cố các kiến thức lý thuyết cơ bản. Tiến tới nghiên
cứu chế tạo một số bộ phận đơn giản thay thế cho phụ tùng nhập khẩu.
1.4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Mô hình ABS với phụ tùng của ôtô Toyota Camry, Lexus sản xuất năm 2002 - 2006.
Bộ kết nối với máy tính và mô phỏng bằng phần mềm LABVIEW.
1.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Trong điều kiện hạn chế về kinh phí và thời gian nên đề tài chỉ giới hạn trong
phạm vi một mô hình phục vụ thực hành trên ABS loại van điện 2 vị trí sử dụng phổ
biến hiện nay
Mô phỏng một số hoạt động như:
- Diễn biến quá trình hoạt động của cảm biến tốc độ bánh xe.
- Hoạt động của van điều khiển áp suất dầu phanh (solenoid) bộ chấp hành.
- Trạng thái hoạt động của đèn báo lỗi.
- Tạo pan và đọc mã lỗi ABS.

1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Việc nghiên cứu, khảo sát hoạt động của ABS trên xe thật là khó khăn vì hệ
thống có cấu tạo phức tạp, đồng thời về điều kiện nghiên cứu và kinh phí đối với sinh
viên và học viên là có hạn và thực tế tại trường Cao đẳng nghề Thanh niên Dân tộc
Tây Nguyên hơn 70% là người dân tộc thiểu số nên trình độ tiếp thu của học sinh, sinh
viên hạn chế. Một số công ty sản xuất đồ dùng dạy học ở nước ta cũng đã nghiên cứu
chế tạo nhiều thiết bị, mô hình dạy học về ABS, phần lớn là chỉ dùng để dạy về cấu tạo
và giới thiệu về nguyên lý hoạt động cơ bản của cả hệ thống, phần mềm tạo lỗi. Các
mô hình này thiếu một số chức năng cần thiết để phục vụ cho việc học tập và nghiên
8


cứu trên mô hình như: không quan sát được các chế độ hoạt động của một số bộ phận,
chi tiết.
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phanh chống hãm cứng
(ABS) kết nối máy tính phục vụ đào tạo dưới hình thức thu gọn một hệ thống ABS
thật trên xe thành một mô hình dạng đơn giản, hoạt động tốt và được kết nối với máy
vi tính để quan sát được diễn biến quá trình hoạt động của cảm biến tốc độ bánh xe,
hoạt động của van điều khiển áp suất dầu phanh (solenoid) của bộ chấp hành, trạng
thái hoạt động của đèn báo lỗi, tạo lỗi và đọc mã lỗi ABS, phù hợp với yêu cầu học tập
và nghiên cứu chế độ hoạt động của từng bộ phận, chi tiết tiến tới chế tạo các chi tiết
thay thế cho hệ thống.
9


Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. QUÁ TRÌNH PHANH ÔTÔ
2.1.1. Chức năng của hệ thống phanh ôtô
Hệ thống phanh của ôtô có những chức năng sau đây:

- Giảm vận tốc của ôtô đến một trị số xác định hoặc đến khi dừng hẳn.
- Duy trì vận tốc của ôtô ở một trị số xác định trong trường hợp ôtô
chuyển động xuống dốc.
- Đảm bảo ôtô không chuyển động khi đang đứng trên đường dốc hoặc khi
không có mặt của người lái.
2.1.2. Quá trình phanh ôtô
Khi ôtô đang chuyển động, nếu người lái cắt nguồn động lực đến các bánh xe
chủ động, vận tốc của ôtô sẽ giảm dần và dừng hẳn sau một thời gian nhất định do
động năng của ôtô tiêu hao dần cho các loại lực cản chuyển động như lực cản lăn (P
f
),
lực cản của không khí (P
ω
), lực ma sát (P
ms
) trong các bộ phận chuyển động của ôtô.
Tuy nhiên, các loại lực cản tự nhiên nói trên sẽ không đủ lớn khi muốn giảm nhanh
vận tốc của ôtô hoặc duy trì vận tốc của ôtô khi đang chạy xuống dốc. Bởi vậy, ôtô
phải được trang bị hệ thống phanh để tạo ra một loại lực cản nhân tạo là lực phanh (P
p
)
- trong những trường hợp cần thiết. Quá trình tạo ra và duy trì lực phanh được gọi là
quá trình phanh. Căn cứ vào mục đích phanh, có thể phân biệt các quá trình phanh:
- Phanh chậm dần: còn gọi là hãm ôtô, được sử dụng để dừng xe ở một vị
trí đã định hoặc giảm từ từ vận tốc của xe. Trong quá trình phanh chậm dần,
động năng của xe được tiêu hao bởi cả 2 loại lực cản: lực cản tự nhiên (P
f
, P
ω
,

P
ms
) và lực cản nhân tạo (P
p
). [8]
Quá trình phanh chậm dần có thể được thực hiện nhờ hệ thống phanh chính
hoặc hệ thống phanh hãm chuyên dụng. Hệ thống phanh hãm chuyên dụng thường
được trang bị cho các loại xe tải cỡ lớn để hãm ôtô khi chuyển động xuống dốc trên
đoạn đường dốc dài nhằm tránh sử dụng hệ thống phanh chính và đảm bảo hệ thống
phanh chính luôn trong tình trạng kỹ thuật tốt, sẵn sàng cho sử dụng trong những
trường hợp phanh khẩn cấp. Trên các loại ôtô tải trọng nhỏ và trung bình, thông
thường hệ thống phanh chính đảm nhiệm luôn chức năng của hệ thống phanh hãm.
Ngoài ra, người điều khiển còn có thể sử dụng động cơ và hộp số như một hệ thống
10


phanh phụ. Phương pháp phanh ôtô bằng động cơ được thực hiện khi không cắt ly
hợp, lực phanh được hình thành trên các bánh xe là do moment phanh của động cơ,
moment ma sát trong hệ thống truyền lực và ở các bánh xe sinh ra. Phương pháp
này thường được sử dụng khi cần giảm từ từ vận tốc của ôtô hoặc sử dụng khi ôtô
di chuyển động xuống dốc dài với vận tốc vừa phải. [8]
- Phanh khẩn cấp: là quá trình phanh khi lái xe phát hiện tình huống phải
phanh để dừng xe trong thời gian ngắn nhất có thể. Khi phanh khẩn cấp, động năng
của xe bị tiêu hao chủ yếu bởi lực cản nhân tạo (khoảng 90 %), còn phần động năng
bị tiêu hao bởi lực cản của đường và của không khí là rất nhỏ.
- Phanh tại chỗ: được sử dụng để ngăn ngừa sự chuyển động của xe
khi xe đang đứng tại chỗ.
Hệ thống phanh không chỉ đảm bảo tính an toàn khi vận hành mà còn cho phép
nâng cao vận tốc trung bình của ôtô, qua đó nâng cao hiệu quả khai thác. Xu hướng
chung là vận tốc của ôtô ngày càng được nâng cao, bởi vậy việc nghiên cứu hoàn thiện

hệ thống phanh ôtô luôn là một yêu cầu cần thiết.
Hệ thống phanh của ôtô cần đáp ứng các yêu cầu sau đây:
- Đảm bảo đạt được tính năng phanh cao.
- Lực cần thiết tác dụng lên cơ cấu điều khiển phanh (bàn đạp phanh) không
quá lớn để việc điều khiển nhẹ nhàng (đảm bảo tỷ lệ thuận giữa lực tác dụng lên cơ
cấu điều khiển phanh và lực phanh trên bánh xe).
- Thời gian phản ứng của hệ thống phanh ngắn.
- Hoạt động tin cậy trong thời gian dài. [8]
2.2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHANH
Các lực và moment tác dụng lên ôtô trong quá trình phanh thể hiện trên hình 2.1
11





2.2.1. Trọng lực (G)
Lực hút của trái đất tác dụng lên khối lượng của xe. Trọng lực có phương
vuông góc với mặt đất, có chiều thẳng đứng, điểm đặt tại trọng tâm của xe và
được xác định theo biểu thức. [8]
G = m.g (2.1)
Trong đó: G - Trọng lực, [N]
m - Khối lượng của xe, [kg]
g - Gia tốc trọng trường, [m/s
2
] (g = 9,81 m/s
2
)
2.2.2. Lực cản dốc (P
i

)
Lực xuất hiện khi xe trên đường dốc. Lực cản dốc có phương song song với mặt
đường, ngược chiều tiến của xe khi lên dốc, cùng chiều tiến khi xe xuống dốc, điểm
đặt tại trọng tâm của xe và được xác định theo biểu thức. [1]
P
i
= G.sinα (2.2)
2.2.3. Phản lực vuông góc (Z)
Trong thực tế, cả mặt đường và bánh xe đều không phải là những vật cứng tuyệt
đối nên chúng đều biến dạng dưới tác dụng của trọng lượng của ôtô. Mặt đường và
Hình 2.1 Lực và moment tác dụng lên ôtô khi phanh [8]
G - Trọng lực; G
ϕ
- Trọng lượng bám; P
i
- Lực cản dốc; Z
1
,Z
2
- Phản lực tiếp
tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe ở cầu trước và cầu sau; P
f1
- Lực cản
lăn ở bánh xe bị động; P
f1
- Lực cản lăn ở bánh xe chủ động; P
ω
- Lực cản của
không khí; P
j

- Lực quán tính; P
m
- Lực kéo remorque; P
p
- Lực phanh.
12


bánh xe tiếp xúc với nhau ở vô số điểm và tạo nên vùng tiếp xúc. Tại mỗi điểm tiếp
xúc trên bánh xe sẽ có một phản lực thành phần tác dụng từ mặt đường. Tổng của tất
cả các lực thành phần đó được gọi là phản lực tổng hợp từ mặt đường hay gọi tắt là
phản lực của mặt đường. Phản lực của mặt đường có điểm đặt tại tâm vùng tiếp xúc.
Để tiện trong nghiên cứu, người ta thường phân tích phản lực của mặt đường thành 3
thành phần: Z, X và Y. [8]
- Phản lực vuông góc (Z): là thành phần có phương vuông góc với mặt đường.
Z
1
= G
b1
.cos α = G
ϕ1
(2.3a)
Z
2
= G
b2
.cos α = G
ϕ2
(2.3b)
Trong đó: Z

1
- Lực đỡ các bánh xe trước, Z
2
- Lực đỡ các bánh xe sau
- Phản lực tiếp tuyến (X): thành phần tác dụng trong mặt phẳng song song với
mặt đường và có phương cùng phương chuyển động của ôtô.
- Phản lực ngang (Y): thành phần tác dụng trong mặt phẳng song song với mặt
đường và theo phương ngang.

Hình 2.2 Phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe [8]
G
b1
- Trọng lực phân bố trên trục trước; G
b2
- Trọng lực phân bố trên trục sau;
G
ϕ
- Trọng lượng bám của xe; G
ϕ
1
- Trọng lượng

2.2.4. Lực cản lăn (P
f
)
Lực xuất hiện do ma sát giữa bánh xe với mặt đường và do biến dạng của bánh xe
với mặt đường có phương song song với mặt đường, được xác định theo công thức: [1]

P
f

= P
f1
+ P
f2
(2.4)