Nghiên cứu động lực học quá trình phanh trên xe ôtô có trang bị hệ thống ABS

1. M U
A v thc tin ca ti
1.1.C s khoa hc
B

Hin nay ụtụ
kộo v cỏc xe chuyờn dng c s dng trong hu
C mỏy Bộ
gon

ht cỏc ngnh kinhD t Quc
dữ dõn, tng nng sut lao ng, xu hng chung
E

liệu

ca th gii l vn tc chuyn Cáp
ng
trungCard
bỡnh ca
xe.
tín hiệu
Cáp tín
hiệuKhi tng vn tc lm
F

A/D

vic kộo theo hng lot vn k thut cn gii quyt trong ú h thng
điều khiển
V1 từ máy

tính bo m an
Máyton
tính chuyn
phanh l mt trong cỏc h thngTHquan
trng
nht

ng cho ngi v cho mỏy.

Davis
bus

A: Tín hiệu số vòng quay bánh tr Ư ớc bên phải

H thng phanh trờn ụtụ mỏy kộo ó c
nhquaykhoa
B: Tínnhiu
hiệu số vòng
bánh tr hc,
Ư ớc bên cỏc
trái
C: Tín hiệu số vòng quay bánh sau bên phải

hóng sn xut quan tõm v u t nhiu cụng sc
v ti chớnh hon thin
D: Tín hiệu số vòng quay bánh sau bên trái
c v kt cu cng nh nguyờn lý lm vic.

E: Tín hiệu vận tốc dọc
F: Tín hiệu vận tốc ngang

Sensor V1
Hin
nay hu ht ụtụ mỏy kộo hin i ó trang b h thng phanh dn

ng thy lc hoc dn ng khớ nộn thay th cho h thng phanh dn ng
bng c hc. Cỏc h thng phanh du hay phanh khớ nộn ó to ra cỏc lc
phanh khỏ ln mc dự lc tỏc ng ca ngi lỏi lờn bn p phanh khụng
ln. Tuy nhiờn khi phanh khn cp lc phanh hay mụmen phanh trờn cỏc bỏnh
xe cú th vt quỏ lc bỏm ca bỏnh xe vi mt ng, trong cỏc trng hp
ny, bỏnh xe s b trt lờ. Hin tng trt lờ ca bỏnh xe khi phanh khụng
ch lm tng quóng ng phanh, m nu din ra bỏnh hng dn s lm
mt kh nng iu khin, tớnh nng chuyn ng n nh v hng ca xe khi
phanh b gim v cú th dn n xoay thõn xe v lt xe. khc phc hin
tng bú cng bỏnh xe khi phanh cng nh hin tng trt quay ca bỏnh
xe khi khi hnh v tng tc, trờn hu ht ụtụ ch to nhng nm gn õy u
trang b b phn trng bú cng bỏnh xe khi phanh hay cũn tt l ABS lm
vic tớch hp vi b phn trng trt quay bỏnh xe ch ng khi khi hnh v
tng tc gi tt l ASR. õy l h thng mi do ú c tớnh ng lc hc ụ tụ
trong quỏ trỡnh phanh cũn cha c nghiờn cu y cng nh ỏnh giỏ

1

1


ảnh hưởng của các thống số sử dụng đến chất lượng quá trình phanh của các
hệ thống phanh này.
Được sự phân công của khoa Cơ Điện, Bộ môn Động lực và sự giúp đỡ
của thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Ngọc Quế – Bộ môn Ôtô Máy kéo – Khoa Cơ

điện – Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội, chúng tôi đã lựa chọn đề tài:
“Nghiên cứu động lực học quá trình phanh trên xe ôtô có trang bị hệ thống ABS”
1.2. Mục tiêu, phương pháp và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu
- Mô phỏng đông lực học quá trình phanh ôtô trên đường thẳng với hệ
số bám như nhau giữa các bánh khi có sự tác động của hệ thống ABS.
- Phân tích đánh giá so sánh một số chỉ tiêu quan trọng của quá trình
phanh với sự tác động của hệ thống ABS..
- Đưa ra một số khuyến cáo để sử dụng hệ thống phanh hiệu quả, góp
phần nâng cao an toàn giao thông.
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu
- Áp dụng các phương pháp lý thuyết về cơ học, toán học để xây dựng
mô hình nghiên cứu động lực học của xe khi phanh.
- Sử dụng phương pháp mô phỏng số và phần mềm Matlab -Simulink để
mô phỏng tính chất động lực học của xe khi phanh.
- Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành đo một số thông số thực nghiệm để
đưa vào phần mềm xử lý dữ liệu để đánh giá phân tích kết quả.
1.2.3. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
- Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học của xe ô tô khi phanh.
- Thí nghiệm đo một số thông số cơ bản số, vòng quay các bánh xe, vận
tốc chuyển động thực tế của xe, quá trình phanh trên xe INNOVA.
- Khảo sát phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến các chỉ tiêu cơ bản
đánh giá hiệu quả phanh ở một số vận tốc phanh khác nhau.
2

2


1.3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
Đề tài chọn đối tượng nghiên cứu là xe ôtô INNOVA của hãng

TOYOTA sản xuất. Các thông số cơ bản của xe được trình bày trong bảng 1.1
Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của xe INNOVA
Các chỉ tiêu
1

Số chỗ ngồi

2

Khối lượng hành lý

3

INNOVA
2−7
(60−100)

Kích thước - Trọng lượng
Trọng lượng không tải Kg

1530 Kg

4

Khối lượng toàn bộ, Kg

2170Kg

7

Kích thước cơ bản dài x rộng x cao(mm)

8

Khoảng cách tâm vệt hai bánh xe trước/sau, mm

9

Chiều dài cơ sở, m

4555x 1770 x1745
1510/1510
2750

10 Khoảng sáng gầm xe (mm)

176

11 Chi phí nhiên liệu (ở tốc độ)/, lít/100km

12

Động cơ
12 Loại động cơ

2.0L(1TR-FE)

13 Công suất tối đa

134hp/5600(v/p)

14 Mô men quay cực đại

18kgm/4000(v/p)

15 Nhiên liệu

Xăng

16 Hệ thống nạp nhiên liệu

EFI

Phanh - Lốp
17 Phanh trước

Phanh đĩa

18 Phanh sau

Tang trống

19 Loại lốp

205/65R15

20 Bán kính lăn(mm)

315

21 Chiều rộng lốp(mm)

205

22 Áp suất cực đại cho phép, PSI (KG/cm2)
23 Vành mâm xe

3

35(2,46)
Thép, Chụp kín

3


4

4


2. TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH PHANH XE Ô TÔ
2.1. Nhiệm vụ và yêu cầu hệ thống phanh trên ô tô.
2.1.1. Nhiêm vụ quá trình phanh
Quá trình phanh ô tô là quá trình tạo ra lực cản chuyển động, làm giảm
vận tốc đến giá trị mong muốn hoặc đến khi ô tô dừng hẳn. Hoặc giúp ô tô có
thể đúng yên trên dốc. Nói chung trên ô tô máy kéo cũng như nhiều thiết bị
máy móc khác khác người ta thường sử dụng lực ma sát sinh ra ở cơ cấu
phanh. Trên ô tô lực ma sát sẽ tạo ra mô men cản chuyển động quay các bánh xe.
Xét theo góc độ biến đổi năng lượng, quá trình phanh là quá trình biến
đổi động năng chuyển động của ô tô thành nhiệt năng sinh ra tại các bề mặt

ma sát như giữa má phanh với các đĩa ma sát, với trống phanh hay tại bề mặt
ma tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường, giữa các phần tử vật liệu chế tạo bánh
xe. Chính vì vậy, để hệ thống phanh hoạt động hiệu quả nó phải thoả mãn một
loạt các yêu cầu riêng.
2.1.2. Các yêu cầu đối với hệ thống phanh
- Khả năng tích nhiệt của hệ thống phanh. Đấy là khả năng hệ thống
phanh có thể biến đổi động năng chuyển động của ô tô thành nhiệt năng và
thải vào môi trường xung quanh. Như vậy, để hệ thống phanh hiệu quả thì quá
trình nhiệt phải đảm bảo nhiệt tực là nhiệt độ bề mặt ma sát luôn trong điều
kiện tốt, muốn vậy thì quá trình tản nhiệt phải thuận lợi. Các chi tiết ma sát
phải có khả năng dẫn nhiệt cao, vật liệu chế tạo má phanh phải có cơ lý tính
ổn định ở nhiệt độ cao.
- Yêu cầu về thời gian chậm tác dụng: Một thực tế là khi phanh thì bao
giờ cũng có quá trình trễ một khoảng thời gian khi người lái bắt đầu tác dụng
vào cơ cấu điều khiển đến khi bắt đầu xuất hiện lực phanh. Sự trễ thời gian
tác động xẩy ra với mọi hệ thống dẫn động cơ học, thuỷ lực, khí nén, điện.
Tuy nhiên, với mỗi nguyên lý thì thời gian trễ là khác nhau. Nguyên nhân trễ
do khe hở giữa các mối ghép cơ khí, sự thiếu dầu trong dường ống và nguyên
5

5


nhân cơ bản do biến dạng dàn hồi và quá trình quán tính. Thời gian trễ tác
dụng lớn sẽ làm giảm an toàn quá trình phanh. Vì vậy, trong thiết kế chế tạo
- Yêu cầu về lực bám trong quá trình phanh. Đây là yêu cầu tận dụng
khẳ năng bám của ô tô với mặt đường lực phanh lớn nhất khi có trị số dạt lực
bám Pp= Pϕ. Nếu lực phanh lớn hơn lực bám thi xe sẽ bị trượt lê.
- Yêu cầu về ổn định của ô tô khi phanh và khả năng điều khiển của ô
tô. Để đảm được yêu cầu này lực phanh phải đều giữa hai bánh xe chủ động

và các bánh xe không được bó cứng. Yêu cầu này rất quan trọng vì khi tham
gia giao thông xe thường vận hành với vận tốc lớn, khi cần phanh gấp nếu xẩy
ra mất điều khiển sẽ gây mất an toàn giao thông gây nguy hiềm tính mạng,
các công trình ven đường và phương tiện khác cùng tham gia giao thông.
- Yêu cầu về nhả phanh. Yêu cầu này đòi hỏi quá trình phanh ô tô phải
kết thúc ngay khi người lái rời chân khỏi bàn đạp phanh. Nếu quá trình này
không đáp ứng tốt thì các chi tiết truyền động cũng như hệ thống phanh phải
chịu tải trọng rất lớn và có thể dẫn đến các hư hỏng.
2.2. Sự biến đổi hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường trong quá trình phanh.
2.2.1. Vai trò hệ số bám trong quá trình phanh ô tô [4,10]
Như phần trên đã trình bầy, trong quá trình ô tô để có hiệu quả cần phải
tạo ra một lực phanh (lực cản) lớn nhất giữa bánh xe với mặt đường.
V(Km/h)
0
40
20
60

80
100
20
40
60

6

6


80

S(m)
φ=0.3
φ=0.5
φ=0.7
100

Hình2.1 Sự phụ thuộc giữa quãng đường phanh, vận tốc phanh và hê số bam
φ
Ta biết rằng, khi bánh xe lăn
không trượt trên mặt đường thì lực
cản lớn nhất giữa bánh xe với mặt
đường chính bằng lực bám.
Nói cách khác chúng ta phải có
lực phanh cực đại xác định theo hệ số
bám ϕ và trọng lượng bám Z:
Ppmax =Z.ϕ

Công thức trên cho thấy vai trò hệ số bám ϕ trong quá trình phanh ô tô.
Hệ số ϕ càng lớn hiệu quả phanh càng cao, điều này được thể hiện rõ trên
hình 2.1
Bản chất vật lý của hiện tượng bám giữa bánh xe với mặt đường rất
phức tạp, luôn biến đổi và phụ thuộc vào đặc tính chuyển động của xe. Vì lốp
xe được làm bằng cao su có tính đàn hồi cao nên dưới tác dụng của tải trọng
theo phương thẳng đứng tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường các
phần tử cao su bị biến dạng. Điều này dẫn đến bán kính làm việc của bánh xe
trong quá trình lăn không đồng nhất, ở vùng tiếp xúc bán kính bánh xe nhỏ
hơn so với bán kính thật khi bánh xe không chịu tải trọng. Do đó, vận tốc dài
tại các điểm trên vòng tròn ngoài của bánh xe khác nhau, chúng tỷ lệ thuận
7

7


với bán kính động học tại khu vực tiếp xúc, tại vùng tiếp xúc vận tốc dài nhỏ
hơn tại các vị trí khác. Vận tốc dài của các điểm trên mặt ngoài của lốp sẽ
giảm dần khi đi vào vùng tiếp xúc và tăng dần khi ra khỏi vung tiếp xúc.
Như vậy, trong vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường luôn có sự
biến thiên vận tốc.sự biến dạng theo phương tiếp tuyến trên mặt ngoài của lốp
gây ra hiện tượng trượt đàn hồi của bánh xe trong quá trình lăn. Mức độ trượt
xe tăng lên khi tải trọng theo phương tiếp tuyến hay mô men phanh tăng lên
và đến giá tri nào đó sẽ xẩy ra hiện tượng trượt lê. Khi đó bánh xe sẽ bị bó cứng.
Tính chất ma sát trong vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường rất
phức tạp, nó phụ thuộc vào trạng thái đôi bề mặt tiếp xúc và trạng thái lăn của
bánh xe. Nếu trạng thái tiếp xúc giữa mặt đường và bánh xe là khô thi ta có
ma sát khô, khi mặt đường ướt ta có ma sát uớt và trong trường hợp này hệ số
ma sát giảm đi đáng kể. Khi bánh xe bị bó cứng trên mặt đường cơ chế tác
động qua lại giữa bánh xe và mặt đường có sự thay đổi về bản chất, lúc này
ma sát tiếp xúc hoàn toàn là ma sát trượt thuần tuý.
Thực nghiệm cho thấy hệ số ma sát trượt nhỏ hơn hệ số ma sát nghỉ khá
nhiều và càng nhỏ hơn nhiều so với hệ số bám. Điều này suất phát từ đường
cong biến dạng của vật liệu. Qua đó cho phép giải thích hiện tượng thực tế
sau: Với cùng một loại đường và khả năng tạo ra lực phanh như nhau tình
trạng lốp xe như nhau thì ở các xe trong quá trình phanh mà các bánh xe
không bị trượt lê quãng đường phanh nhỏ hơn so với các xe trong quá trình
phanh mà các bánh xe bị trượt lê hoàn toàn. Quãng đường phanh nhỏ còn
được giả thích: Khi bánh xe lăn một phần động năng tiêu hao cho biến dạng
lốp và tiêu hao do sự chuyển động của dòng khí nén bên trong lốp. Khi bánh
xe còn chuyển động quay thì trong các gối đỡ trong hệ thống tồn tại mô men
ma sát. Còn nếu bánh xe bị trượt lê thì phần năng lượng chủ yếu làm mài mòn
lốp ở vùng tiếp xúc, điều này làm giảm tuổi thọ lốp.

8

8


2.2.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường.
Các công trình nghiên cứa của các tác giả [ 5,11,10] đã chỉ ra rằng trị số
cụ thể của hệ số bám phụ thuộc vào rất nhân tố khác nhau và để thuận tiện
nghiên cứa người ta chia các nhân tố ra làm hai nhóm chính.
Nhóm 1: Các nhân tố mà mức độ ảnh hưởng tới hệ số bám ít thay đổi
trong quá trình phanh. Có thể xếp các nhân tố sau thuộc loại này: Loại đường,
trạng thái mặt đường, kết cấu và tình trạng lốp, ảnh hưởng của các nhân tố
này đã được nghiên cữu kỹ bằng thực nghiêm. Các kết quả nghiên cứu thường
được công bố dưới dạng bảng hoặc đồ thị.
Nhóm 2: Là nhóm bao gồm các nhân tố mà mức độ ảnh hưởng của nó
tới hệ số bám biến đổi trong quá trình phanh. Các nhân tố này bao gồm: Vận
tốc chuyển động của xe sự phân bố lại tải trọng tác dụng lên các bánh xe
trong quá trình phanh, độ trượt của bánh xe trong quá trình phanh.
Trong hai đồ thị dưới đây ta sẽ thấy được sự phụ thuộc của hệ số bám
vào áp suất lốp và độ nhám của mặt đường.

2

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của hệ số bám φ
vào độ nhám mặt đường δ
0
1
3
4

0.2
0.4
9

9


0.6
0.8
δ(mm)
φ
1
2
0
10
20
30
40
50
P(N/cm2)
0.2
0.4
0.6
0.8
φ
1
2

Hình 2.2 Sự phụ thuộc của hệ số bám vào áp suất lốp

10

10


Như đã nêu ở trên hệ số bám φ phụ thuộc chính vào loại đường và tình
trạng mặt đường, sự phụ thuộc này thể hiện qua hệ số bám trung bình như sau:
Bảng 2.1 Hệ số bám trên các loại đường [4]
Loại đường và trạng thái mặt đường

φtb

Đường bê tông nhựa và đường bê tông đá dăm
- Mặt đường khô

0.7- 0.8

- Mặt đường ướt

0.4- 0.3

- Mặt đường khô

0.6- 0.7

- Mặt đường ướt

0.3- 0.5

- Mặt đường khô

0.5- 0.6

- Mặt đường ướt

0.2- 0.4

Đường đá dăm

Đường đất

2.2.3. Sự biến đổi của hệ số bám dọc φx theo vận tốc chuyển động.
φ(%)
0
20
40
60
80
V(Km/h)
40
60
11

11


100
80

Hình 2.5. Sự phụ thuộc của hệ số bám vào vận tốc

Từ hình 2.6 cho thấy sự phụ thuộc giữa hệ số bám dọc φ x vào các giá trị
vận tốc V, Tuy nhiên, để có thể thấy rõ hơn ta căn cứ vào các số liệu của giáo
sư Potlich E.G và giáo sư Ilarionop B.A khi tiến hành thực nghiệm nghiên
cứu sự thay đổi của hệ số bám φx phụ thuộc vào hai nhân tố độ trượt δ, vận
tốc V [14]
Bảng 2.2 Phụ thuộc của hệ số bám φ x vào tốc độ chuyển động V (trị số % so
với giá trị hệ số bám ban đầu)
Loại đường
Bê tông ximăng

Vận tốc chuyển động của xe
10
10
0

Bê tông nhựa

10
0

Đường gia công

10

Nhám bề mặt

0

12

20

30

40

50

60

70

80

90

100

93

90

82

77

70

68

67

63

60

92

83

76

69

64

57

52

52

50

94

92

91

89

88

88

-

-

-

12


Đường bê tông

10

nhựa đá mòn

0

60

40

28

21

13

13

-

-

-

2.3.4 Sự phụ thuộc hệ số bám φ theo độ trượt δ
0.6
0.8

1
0.4
0.2
20
40
60
80
100

δ(%)
φx
0

Hình 2.6. Quan hệ giữa độ trượt δ và hệ số bám φ

Trong một số trường hợp nghiên cứu, để đơn giản quá trình tính toán ta
thường bỏ qua sự thay đổi hệ số bám vào độ trượt. Tuy nhiên, trong thực tế độ
trượt thay đổi thì hệ số bám thay đổi rất lớn. Bản chất vật lý của hiện tượng
rất phức tạp nó liên quan đến quá trình biến dạng của vật liệu lốp xe, biến dạng nền
đường. Người ta thường xác định mối quan hệ này bằng thực nghiệm.

13

13


Ngoài ra, để thuận lợi trong nghiên cứu tính chất động lực học khi
phanh cần biểu diễn quan hệ ϕ = f(δ) bằng giải tích. Quá trình trượt lê bánh xe
trên mặt đường khi phanh tương tự như quá trình ma sát giữa hai vật thể, vì
vậy có thể biểu diễn quan hệ ϕ = f(δ) theo Coraghenski như sau:

ϕ = (a + b.δ).e − cδ + d
Trong đó:

(2.1)

a, b, c, d: các hằng số xác định từ thực nghiệm
e: cơ số của logarit = 2,718

Theo kết quả thí nghiệm với lốp xe Goodyear super Himiler 10x20F, ta
−5 δ
có mối quan hệ giải tích như sau: ϕ = (−0.5961 + 7.0001δ).e + 0.0961

2.3. Hệ thống điều khiển phanh bằng điện tử (ABS)
2.3.1. Nhiệm vụ và ý nghĩa của ABS

Hình 2.7. Sơ đồ hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS):
1- Ống nối đến xylanh phanh chính; 2-Bơm trả về; 3-Buồng tích áp; 4-Van điện từ
(Senoide); 5-Máy tính; 6-Cảm biến tốc độ; 7-Mâm phanh; 8-Trục bánh xe; 9-Má phanh;
10-Đĩa phanh; 11-Rãnh tản nhiệt.

Hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén và thủy lực hiện nay đã đáp
ứng các yêu cầu của hệ thống phanh trong trường hợp phanh bình thường, tuy
nhiên khi các lái xe cần dừng ôtô khẩn cấp, các bánh xe có thể bị bó cứng vì
lực phanh quá lớn do đạp phanh đột ngột. Khi đó quãng đường phanh cũng
như thời gian phanh đều tăng lên, ôtô bị trượt lết trên đường, khả năng điều
khiển về lái có thể bị mất hoặc hiệu quả thấp dẫn đến các tai nạn không lường
14

14


trước được. Hệ thống ABS được phát minh và ứng dụng đầu tiên trên các
bánh xe của các phương tiện bay vào những năm 1970, về sau vào những năm
1980 hệ thống này đã ứng dụng cả trên các phương tiện tự hành. Nguyên tắc
hoạt động của nó được thể hiện trên hình 2.7.
Khi một bánh xe nào đó bị phanh cứng, áp lực trong xylanh phanh bánh
xe đó phải được giảm đi. Việc giảm lực phanh ở các hệ thống phanh thông
thường được tiến hành nhờ giảm áp suất trong các xylanh phanh bánh xe hay
đóng bớt đường dẫn khí nén đến các buồng phanh bánh tức thời nhờ điều
khiển tổng van. Để thực hiện việc đó người lái xe có thể tiến hành "nhồi" bàn
đạp phanh trong khi phanh, tuy nhiên việc "nhồi" bàn đạp phanh như vậy chỉ
thực hiện được đối với những lái xe kinh nghiệm và cũng chỉ thực hiện được
1÷2 lần/giây. Khi đó lực phanh có thể giảm nhưng lại giảm ở tất cả các bánh
xe được phanh, cả ở bánh bị bó cứng cũng như bánh chưa bị bó cứng. Vì vậy
chất lượng phanh không tốt và đặc biệt là người lái vẫn không kiểm soát được

tình trạng bó cứng bánh xe khi phanh. Chỉ có điều khiển điện tử quá trình phanh,
hiện tượng bó cứng bánh xe khi phanh, cũng như điều khiển lực phanh tối ưu mới
có thể thực hiện được.
Theo sơ đồ trên hình 2.5 ta thấy, khi có hiện tượng bó cứng bánh xe khi
phanh, các cảm biến (sensor) tốc độ 6 sẽ báo tín hiệu dạng xung điện từ về
thiết bị điều khiển trung tâm (ECU), Máy tính sẽ xử lý số liệu và đưa ra các
tín hiệu đến các thiết bị chấp hành. Trong các bộ chấp hành một van điện từ
được kích hoạt sẽ mở thông xylanh phanh bánh xe đến bộ tích áp để làm giảm
áp suất phanh trong xylanh phanh, dẫn đến giảm lực phanh, đồng thời một
môtơ cũng được kích hoạt để vận hành bơm dầu hút và đẩy dầu trở về đường
đẩy của hệ thống phanh.
Nhờ tác động rất nhanh của máy tính, tần số đóng mở van điện từ có
thể đạt được từ 15÷30 lần /giây, do đó áp lực phanh trong xylanh phanh hay
lực phanh trên các bánh xe được phanh luôn có giá trị tối ưu, gần với giá trị
lực phanh làm bó cứng bánh xe. Việc điều khiển diễn ra hoàn toàn tự động,
15

15


không phụ thuộc vào ý định của người lái. Hệ thống có thể điều khiển từng
bánh xe riêng biệt bằng kênh điều khiển 4x4 hoặc điều khiển từng cặp hai
bánh xe chéo nhau hoặc cùng trên một cầu 4x2, 2x4… tùy theo các phương
án lựa chọn. Để tản nhiệt nhanh cho đĩa phanh, trên vành phía ngoài của đĩa
phanh người ta tiện các rãnh làm tăng diện tích tiếp xúc với không khí, hai
mặt bên của đĩa được gia công và mài phẳng để tiếp xúc với hai má phanh,
các má phanh thường làm bằng vật liệu bán kim loại (hợp chất gốm-kim loại)
để tăng hệ số ma sát và khi mòn thì chỉ thay má phanh, mà không cần thay đĩa phanh.
Phía bên trong giá bắt má phanh có lắp xylanh phanh bánh xe, xylanh
này bị che khuất trên hình vẽ, xylanh được nối với ống dầu tới van điện từ của

bộ phận chống bó cứng bánh xe ABS. Tùy theo từng hãng sản xuất và từng
đời xe mà máy tính có những chức năng riêng, cũng như phướng án lắp ABS
khác nhau, tuy nhiên nguyên tắc hoạt động của chúng là giống nhau.
2.3.2. Các bộ phận chính trong hệ thống ABS
Hầu hết các hệ thống ABS đang dùng hiện nay trên ôtô phần lớn được
chế tạo bởi ba nhà chế tạo là: Bosch, ITT Teves và Kelsey-Hayes. Hệ thống
ABS do các hãng khác nhau có khác nhau về cấu tạo cụ thể cũng như về số
lượng các kênh điều khiển, tuy nhiên về nguyên tắc một hệ thống ABS đều
gồm các bộ phận chính sau:
Xylanh chính và bộ trợ lực thủy lực; Môdun điều khiển điện tử; Bộ
cảm biến tốc độ bánh xe; Van solenoid (van điện từ); Bơm và bộ tích áp cùng
hệ thống ống dẫn. Xylanh phanh chính và bộ trợ lực thủy lực có cấu tạo tương
tự như các hệ thống phanh với dẫn động bằng thủy lực thông thường.
Bộ cảm biến tốc độ bánh xe là bộ phận cảm ứng điện từ được lắp
trong các bánh xe, chúng liên kết với môdun điều khiển trung tâm bằng dây
dẫn, và trong quá trình xe chạy luôn gửi tín hiệu điện áp đến ECU.
Khối điều khiển điện tử là máy tính nhỏ (microcomputer) nó chứa hai
bộ vi xử lý đồng nhất với những chương trình lập sẵn. Mỗi bộ vi xử lý sẽ thực
16

16


hiện các chức năng đa dạng, nó kiểm tra liên tục sự hoạt động của hệ thống,
xử lý dữ liệu nhập vào, so sánh với các dự liệu trong bộ vi xử lý khác để đưa
ra các tín hiệu đến các bộ phận chấp hành một cách chính xác và tức thời.
Van Solenoid là một van điện từ gồm một cuộn dây, được kích hoạt nhờ
máy tính điều khiển trung tâm, khi van hoạt động làm một con trượt dịch
chuyển, con trượt có ba vị trí: Cung cấp dầu đến xylanh phanh bánh xe, giữ
nguyên áp suất trong xylanh phanh bánh và giảm áp suất trong xylanh bằng

cách nối thông xylanh phanh bánh xe với bộ tích áp.
Bơm trả về dùng để bơm dầu từ buồng tích áp trở ngược lại đường đẩy
cho hệ thống, để tiếp tục cung cấp dầu vào xylanh phanh bánh, bơm được
kích hoạt khi nhận được tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm. Bộ tích áp là một
buồng kín trong đó có màng và lò xo, khi van điện từ nối thông xylanh phanh
bánh xe với bộ tích áp, dầu từ xylanh phanh truyền đến bộ tích áp để giảm áp
suất trong xylanh phanh bánh, sau đó dầu từ bộ tích áp lại được bơm, bơm trở
về đường đẩy của hệ thống phanh.
2.3.3. Nguyên tắc làm việc của ABS
Ở trạng thái không phanh, người lái không tác động vào bàn đạp phanh,
van điện từ chưa được kích hoạt, con trượt do van điện từ dưới tác dụng của
lò xo đẩy xuống vị trí thấp nhất, tương ứng với vị trí rãnh ngang trên con trượt
trùng với đường dầu nạp vào xylanh phanh bánh xe (hình 2.8a). Khi đó, nếu
phải phanh xe, người lái đạp lên bàn đạp phanh, đầu tiên hệ thống làm việc
như một hệ thống phanh dẫn động bằng thủy lực bình thường, dầu có áp suất
do xylanh chính tạo ra, theo hệ thống ống dẫn đến van điện từ, rồi theo rãnh
phân phối của van lúc này đang trùng với rãnh dầu dẫn đến xylanh phanh
bánh xe, làm bộ phận phanh bánh xe hoạt động, thực hiện phanh bánh xe lại.
Khi tốc độ góc của bánh xe được phanh giảm đến một giá trị nhất định, lực
phanh tăng đến lực phanh tối ưu, ngay sau đó máy tính kích hoạt van điện từ
hút con trượt lên vị trí như hình 2.8. Con trượt ngăn xylanh phanh bánh xe
17

17


khỏi hệ thống đường dầu chung, giữ nguyên áp suất trong xylanh phanh bánh
xe, lực phanh cố định. Vận tốc góc của xe vẫn tiếp tục giảm nhanh.
Khi tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe gửi thông tin về tốc độ góc của
bánh xe được phanh gần bó cứng, máy tính kích hoạt van điện từ làm nối

thông xylanh phanh bánh xe với buồng tích áp, áp suất trong xylanh phanh
bánh xe giảm xuống cùng với sự giảm áp suất của dầu phanh trong xylanh
phanh bánh, lực phanh và tốc độ góc của bánh xe lại tăng lên (hình 2.8c). Khi
tốc độ góc của bánh xe tăng tới giá trị đã lập trình trong bộ xử lý trung tâm,
máy tính lại kích hoạt van điện từ nối thông đường cấp dầu đến xylanh phanh
bánh xe, dầu từ đường đẩy của tổng phanh lại được dẫn đến xylanh phanh
bánh xe làm tăng áp suất trong xylanh phanh bánh, lực phanh lại tăng lên và
vận tốc bánh xe lại giảm đi (hình 2.8d).
Quá trình cứ lặp lại liên tục nhiều lần trong một giây, cho đến khi hiện
tượng bó cứng bánh xe không còn nữa. Trong suốt thời gian phanh, người lái
xe không cần điều khiển gì khi đạp phanh, mà hiệu quả phanh vẫn đạt tốt
nhất. Trong quá trình phanh, môtơ được kích hoạt từ bộ điều khiển trung tâm,
nó hoạt động và thông qua bánh lệch tâm truyền động cho bơm trả về hút dầu
thoát ra từ xylanh phanh bánh và bộ tích áp để hồi lại cho mạch dầu cung cấp
từ xylanh phanh chính, vì vậy áp lực của dầu do người lái đạp lên bàn đạp
phanh luôn được duy trì cố định.

18

18


Hình 2.8. Các trạng thái điều chỉnh áp suất dầu phanh:
c) Thời điểm ABS mở thông xylanh phanh bánh xe với bộ tích áp; d) ABS lại nối
thông rãnh đẩy tới xylanh phanh bánh xe
Khi dừng tác động lên bàn đạp phanh, công tắc phanh gửi tín hiệu đến
bộ điều khiển trung tâm, cuộn dây của van điện từ không được kích hoạt, con
trượt dịch chuyển về vị trí ban đầu, dầu trong xylanh phanh bánh hồi về
xylanh phanh chính, quá trình phanh kết thúc.
Mỗi khi xe làm việc tức là bộ đánh lửa làm việc hoặc khóa điện đặt ở vị

trí ON, khi đó bộ vi xử lý luôn gửi các tín hiệu điện áp đến các bộ phận trong
hệ thống như solenoid, bơm dầu phản hồi v.v... Khi không phanh, các tín hiệu
điện áp này nhỏ để không làm cho các cơ cấu đó hoạt động, bất cứ có sự bất
thường nào trong hệ thống, bộ vi xử lý sẽ so sánh với dữ liệu của chúng trong
bộ nhớ chỉ đọc, và máy tính sẽ vô hiệu hoá chế độ chống bó cứng bánh xe,
chuyển hệ thống phanh với điều khiển ABS sang chế độ làm việc bình thường
như hệ thống phanh không có ABS và đèn báo lỗi được bật sáng.
Các tiêu chuẩn chất lượng điều chỉnh
Các hệ thống ABS cần thực hiện các tiêu chuẩn chất lượng như sau:
•
19

Giữ ổn định chuyển động nhờ chuẩn bị đủ lực dẫn bên ở các bánh sau
19


•

Giữ khả năng lái nhờ chuẩn bị đủ lực dẫn bên ở các bánh trước

•

Giảm đoạn đường phanh nhờ tận dụng tối ưu lực bám giữa bánh xe và
mặt đường

•

Thích ứng nhanh áp suất phanh với các giá trị độ bám khác nhau.

•

Đảm bảo biên độ điều chỉnh nhỏ của mô men phanh để tránh dao động
hệ thống di động

2.4. Cấu tạo hệ thống chống bó cứng bánh xe(ABS) trên xe INNOVA.
Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo hệ thống ABS trên xe INNOVA

Cấu tạo cơ bản hệ thống phanh ABS trên xe INNOVA đời 2006 về
nguyên lý chung không có gi khác về căn bản so với các dòng xe khác. Hai
bánh trước được trạng bị phanh đĩa, hai bánh sau phanh trống, điều khiển
ABS bốn kênh độc lập 4x4. Các cảm biến tốc độ quay theo nguyên lý cảm
ứng điện từ không tiếp xúc được lắp cả bốn bánh. Trong đường dầu thuỷ lực
có các van chuyển mạnh đóng mở điều khiển điện sau. Van chuyển mạnh trợ
lực phanh đuợc điều khiện điện từ. Van giữ có nhiệm vụ tăng và duy trì áp
suất phanh. Khi bắt đầu phanh van ở trạng thái mở mở dầu đi đến xylanh
phanh ép các đĩa các ma sát. Khi van đóng lại áp lực dầu sẽ được duy trì. Van
giảm áp van có hai cửa ra một của nối với đường dầu áp suất cao của xylanh
ép, một đường về thùng. Như vậy, khác với một số hệ thống dùng van chuyển
mạnh 3 trạng thái ba đầu mối có nhiệm vụ vừa tăng áp, duy trì áp xuất, giảm
áp, hệ thống ABS trên xe INNOVA sử dụng van chuyển mạch hai vị trí được
điều khiển đóng mở độc lập và không có bầu tích áp. Ngoài tra, trong đường
dầu chính có cảm biến áp suất luôn giám sát áp lực dầu và gửi thông tin về
ECU để điều khiển bơm.
2.5. Cân bằng năng lượng trong quá trình phanh.
Trong quá trình phanh mô men ma sát của cơ cấu phanh sinh ra nhằm
cản trở chuyển động quay quán tính của bánh xe. Trên quan điểm năng lượng
20

20

thì đó là qúa trình biến động năng của ô tô thành nhiệt năng của cơ cấu phanh.
Phần nhiệt năng này sẽ phân tán vào môi trường xung quanh. Nếu nhiệt độ
trên bề mặt và trong lòng các cặp ma sát vượt qua giá trị chó phép thì tính
chất qua trình ma sát sẽ thay đổi điều này làm thay đổi chất lương hệ thống
phanh. Chính vì vậy việc nghiên cứu chế độ làm việc, sự cân bằng năng lượng
của cơ cấu phanh có một ý nghĩa quan trọng, nó giúp thiết kế những hệ thống
phanh làm việc ổn định trong mọi điều kiện.
Phương trình cân bằng năng lượng trong quá trình phanh ô tô có dạng [11]:
∆T±∆Π=ΣΑ
Trong đó:

(2.2)

∆T: sự thay đổi động năng của ô tô
∆Π: sự thay đổi thế năng của ô tô
ΣΑ: Tổng các công sinh ra trong qúa trình phanh.
ΣΑ = AP+A’P+Af+Aϕ+Aω

Trong đó:

(2.3)

A:: công các nêm ma sát ở cơ cấu phanh
Af: công của lực cản lăn của bánh xe
Aϕ: công của lực ma sát trượt
A’P: công các lực ma sát nội.

Nếu ta phanh không ngắt ly hợp.
Công các lực trên được tính theo công thức sau:

Trong đó:

AP = Pp.(1-λ).SP

(2.4)

Af =f.G.(1-λ).Sp

(2.5)

Aω =Pω.Sp

(2.6)

Aϕ =f.G.λ.Sp

(2.7)

Sp: là quãng đường phanh phụ thuộc
λ: độ trượt của bánh xe.

Ta có: ∆Π= 0
21

21


Hơn nữa công của các lực khác rất nhỏ so với công của lực phanh vì
vậy có thể coi :

ΣA=Ap

(2.8)

Ta có công AP trên các bánh xe bị phanh: AP =ΣMP.αi =PP.SP(1-λ)
Trong đó:

ΣMP: tổng mô men phanh trên các bánh xe
αi: góc quay của các bánh xe trong khoảng thời gian vận
tốc giảm từ V1 đến V2.

Từ phương trình 2.14 cho ta thấy công sinh ra phải có giá trị bằng với
động năng chuyển động của ô tô (vì Π∆=0), mà động năng của ô tô lại có thể
xác định theo công thức:

G.V 2 .δ G.V 2 .δ
M a .V 2
∆T =
=
∆T =
2
245
2
.
g
.
3
.
6
2

hoặc có thể biến đổi
Trong đó:

(2.9)

G: trọng lượng ô tô
V: vận tốc lúc bắt đầu phanh
δ: hệ số phân bố năng lượng mà cặp ma sát trống phanh
phải chịu và được xác định theo công thức sau:
δ=

AP
AP
=
∑ A A P + A ′P + A f + A ϕ

(2.10)

Phần trên là phanh bằng cơ năng, chúng ta biết rằng cơ năng đó phải
được biến đổi thành nhiệt năng. phương trình cân bằng cơ nhiệt năng khi đó
có dạng:
dA= dT=dTh
Trong đó:

dA: sự biến đổi công
dT: sự biến đổi năng lượng của ô tô
dTh: sự biến đổi nhiệt năng của cơ cấu phanh.

Biến đổi phương trình nêu trên ta có:
22

22

(2.11)


1
.PP .dS P = Gt .C.dTh + Ft .K f .Tm .dt
427

Trong đó:

(2.12)

Gt: trọng lượng khối kim loại làm trống phanh và các chi
tiết gắn cùng
C: nhiệt dung riêng của vật liệu làm trống phanh
Ft: diện tích bề mặt trống phanh và môi trường
Kf: hệ số trao đổi nhiệt giữa bề mặt trống phanh và môi trường
Th: hiệu số nhiệt độ giữa trống phanh và môi trường.

Nếu ta coi:

K f = K0.

dS P
dt

(2.13)

Trong đó: K0: hệ số trao đổi nhiệt khi vận tốc chuyển động là m/s. Khi
đó 2.22 được viết dưới dạng:
1
.PP .sS P = G.C.dTh + Ft .K 0 .Th .dS
427

(2.14)

Nếu quá trình phanh gấp vận tốc cuối V2 = 0 ta thay vào 2.20 và 2.24 ta có:
G a .V 2
1
1
=
.PP .dS P = Gt .C.dTh
427
hay 10800 Gt .C

(2.15)

Dùng các phương trình 2.10; 2.11; 2.12; 2.213 ta có thể tính được công
suất hay nhiệt năng cần phải chịu của toàn bộ hệ thống phanh nói chung hay
trên từng cơ cấu nói riêng.
2.6. Hiệu quả quá trình phanh ô tô
2.6.1. Phân bố khối lượng trong quá trình phanh
Xét phân bố khối lượng tĩnh khi máy kéo đứng yên hoặc chuyển động
thẳng đều ta có:

Z1= G.b/L

Z2=G.b/L

(2.16)

Tuy nhiên trong quá trình phanh ô tô chuyển động có gia tốc giảm dần.
Gia tốc phanh jp làm suất hiện lực quán tính Pj. Lực này gây ra sự phân bố lại
trọng lượng trên các cầu. Trọng lượng trên cầu trước tăng lên và cầu sau sẽ
23

23


giảm đi. điều này cần đựơc chú ý để phân bố lực phanh sao cho hiệu quả
phanh là cao nhất.
2.6.2.Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh
Để đánh giá hiệu quả phanh người ta thường căn cứ vào một số chỉ tiêu
cơ bản sau:
- Gia tốc phanh jp: khi phanh ô tô trên đường bằng, ta sử dụng giả thiết

2.3 và công thức 2.6 ta có:

jp =

∑P

p

Ma

(2.17)

Lực phanh để đảm bảo phanh xe có hiệu quả nhất là: ΣPpmax=G.ϕ và ta
có jmax=g.ϕ . Theo công thưc trên gia tốc phanh luôn nhỏ hơn g.
- Quãng đường phanh ngắn nhất: là quãng đường tổng cộng khi phanh
ô tô có hiệu quả kể từ lúc người lái tác dụng lên bàn đạp phanh cho tới khi ô tô
dừng hẳn, ta có thể xác định theo công thức sau:

S min
Trong đó:

(

vt .tt
v1 − 17,7.ϕ .t1'
2
=
.1,634.ϕ .t1 +
3,6
2.3,6.g .ϕ

)

2

(2.18)

Spmin: quãng đường phanh nhỏ nhất
t1: thời gian phanh chậm tác dụng
t’1: thời gian phanh.

Mà ta biết rằng gia tốc phanh cũng có thể xác định theo công thức sau:

jp=dv/dt

(2.19)

Nếu thay jp từ công thức 2.28 mô men phanh bằng mô men phanh cực
đại, bỏ qua ảnh hưởng của các lực cản ta có: ϕ.g=dv/dt lấy tích phân hai vế
theo t và v coi v2=0 ta có: tmin =v/g.ϕ đó chính là thời gian phanh nhỏ nhất cần
phải đạt được của ô tô trên đường có hệ số ϕ xác định.

24

24


2.7. Ổn định ô tô khi phanh
Mặc dù phanh ô tô trên đường bằng, khi xe đang chạy thẳng, người lái
không đánh bánh lái, nhưng thực tế quĩ đạo chuyển động của trọng tâm ô tô
vẫn là một đường cong. Khi xây dựng mô hình bài toán chúng ta đã giả thiết
rằng ô tô không chịu tác động của một lực nào khác ngoài lực phanh. Vì vậy,
ta chỉ xét nguyên nhân do mất cân bằng lực phanh giữa các bánh xe (do hệ số
bám hoặc phản lực pháp tuyến trên các bánh xe khác nhau)
2.7.1 Các nguyên nhân ngây mất cân bằng lực phanh
Sự mất cân bằng lực phanh trên ô tô do nhiều yếu tố ngây lên cụ thể
như: tình trạng kỹ thuật của phanh, tình trạng mặt đường, độ mòn của lốp xe,
phân bố trọng lượng trên các bánh.
- Do lực bám không đều giữa các bánh xe. Bình thường các bánh xe cố
độ mòn lốp khác nhau, áp suất hơi cũng khác nhau và có thể chạy trên hai vết
đường khác nhau. Điều này làm xuất hiện sự chênh lệch giữa lực bám P ϕ ở
các bánh xe. Như ta đã biết, để quá trình phanh có hiệu quả P Pmax ≈ Pϕ. Do đó
các lực phanh cũng khác nhau.

Do ảnh hưởng của các nhân tố như hệ số ma sát, chủng loại vật liệu má
phanh v...v… mà lực phanh tại các bánh khác nhau.
- Thời gian trậm tác dụng của các cơ cấu phanh ở mỗi bánh xe khác
nhau cũng ngây ra sự chênh lệch lực phanh khác nhau giữa các bánh xe.
Do ảnh hưởng của các thông số kết cấu của xe: khi phanh xe xuất hiện
mô men xoay thân xe, mô men này làm xe chuyển động theo một quĩ đạo
cong, đồng thời xuất hiện lực ly tâm. Lực ly tâm này làm tải trọng tác dụng
lên các bánh xe bị phân phối lại.
- Trong thực tế có rất nhiều nguyên nhân khác ngây mất cân bằng lực
phanh dẫn đến mất ổn định trong quá trình phanh, như phân bố tải trọng trên
các bánh khác nhau, sự cố hỏng hệ thống phanh, áp suất lốp các bánh khác nhau.

25

25