Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học của hệ thống phanh điều khiển by wire

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM VĂN TUẤN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA
HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN BY WIRE

Chuyên ngành
Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS PHẠM HỮU NAM

Hà Nội – Năm 2012


LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho học viên cao học)

I. Sơ lược lý lịch:
Họ và tên: Phạm Văn Tuấn
Giới tính: Nam
Sinh ngày: 10 tháng 07 năm 1986
Nơi sinh(Tỉnh mới): Mạo Khê – Đông Triều – Quảng Ninh
Quê quán: Mạo Khê – Đông Triều – Quảng Ninh
Chức vụ: Cán bộ Phòng Bồi Thường
Đơn vị công tác: Công ty Bảo Hiểm Ngân Hàng Thương Mại Cổ Phần Công Thương Việt Nam

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:Số 2/581 Bạch Đằng, Hoàn Kiếm, Hà Nội
Điện thoại CQ: . . . . . . . . . . . Điện thoại NR: . . . . . . . . . . Điện thoại di động: 0942150886
Fax: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-mail:
II. Quá trình đào tạo:
1. Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng):
- Hệ đào tạo(Chính quy, tại chức, chuyên tu) . . ….….. . Thời gian đào tạo: từ. . . . /. . . . .. đến . ……. .
- Trường đào tạo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …… . . . . . . . . . . . . ………………. . . . . . . . . . . .
- Ngành học: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………. . . . . . Bằng tốt nghiệp đạt loại. . . . . . … . .
2. Đại học:
- Hệ đào tạo(Chính quy,tại chức, chuyên tu) Chính Quy Thời gian đào tạo: từ 09 /2004 đến 09/2009.
- Trường đào tạo: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Ngành học: Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG Bằng tốt nghiệp đạt loại: KHÁ
3. Thạc sĩ:
- Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo: từ 2009 đến 2011
- Chuyên ngành học: Ô TÔ
- Tên luận văn: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG
PHANH ĐIỀU KHIỂN "BY WIRE"
- Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS PHẠM HỮU NAM
4. Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): Tiến Anh, B1


III. Quá trình công tác chuyên môn kể từ khi tốt nghiệp đại học:
Thời gian
2010 – đến nay

Nơi công tác
Công ty Bảo Hiểm Ngân
Hàng Công Thương VN

Công việc đảm nhận

Giám định, Bồi thường

IV. Các công trình khoa học đã công bố:
Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật.
Ngày 15 tháng 03 năm 2012
NGƯỜI KHAI KÝ TÊN

Phạm Văn Tuấn


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.
TS Phạm Hữu Nam. Đề tài được thực hiện tại bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng,
trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu kết quả trình bày trong luận văn là
hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác.

Hà Nội, 15/3/2012
Tác giả

Phạm Văn Tuấn


-1MỤC LỤC…………………………………………………………………………...1
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ…………………………………………………..3
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………………7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN………………………………………………………...9

1.1 Tính ổn định chuyển động của ô tô ở các chế độ làm việc……………………..9
1.2 Một số kết quả nghiên cứu hệ thống phanh trong nước………………………..14
1.3 Vấn đề nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu của đề tài………………………...15
CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN BY WIRE
2.1 Đặc điểm chung hệ thống phanh điều khiển By Wire…………………………17
2.2 Phân loại hệ thống phanh điều khiển By Wire…………………………………17
2.3 Các cảm biến dùng trên xe có trang bị hệ thống phanh điều khiển By Wire….21
2.4 Các chế độ làm việc của hệ thống phanh điều khiển By Wire…………………22
2.4.1 Chế độ ABS…………………………………………………………..22
2.4.2 Chế độ TRC…………………………………………………………..22
2.4.3 Chế độ VSC…………………………………………………………..25
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ
3.1 Sơ đồ các lực và mô men tác động lên ô tô khi chuyển động…………………28
3.2 Phương trình chuyển động của ô tô……………………………………………30
3.3 Tính toán trị số lực dọc và lực ngang tác dụng lên ô tô
khi chuyển động………………………………………………………………..31
3.4 Tính toán tải trọng tác dụng lên ô tô khi phanh……………………………….33
3.5 Tính toán các thông số động học của xe khi chuyển động trên đường vòng
3.5.1 Thông số động học chuyển động của xe……………………………..35
3.5.2 Thông số động học của bánh xe………………………………………37
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG SỐ
4.1 Mục đích mô phỏng số…………………………………………………………41
4.2 Công cụ Matlab – Simulink……………………………………………………41
4.3 Bảng số liệu tính toán…………………………………………………………..43
4.4 Các khối mô phỏng mô hình động lực học của ô tô
4.4.1 Khối tính toán thông số vận tốc chuyển động của ô tô………………..43

Luận văn thạc sĩ

-24.4.2 Khối tính toán góc lệch thân xe………………………………………44
4.4.3 Khối tính toán góc xoay thân xe………………………………………45
4.4.4 Khối tính toán tọa độ trọng tâm ô tô và góc quay bánh xe dẫn hướng 46
4.4.5 Khối tính toán tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe…………………..47
4.4.6 Khối tính toán gia tốc bánh xe…………………………………………49
4.4.7 Khối tính toán độ trượt và góc lệch bên các bánh xe………………….52
4.4.8 Khối tính toán lực dọc và lực ngang tại các bánh xe…………………..55
4.4.9 Khối tính toán động học chuyển động của xe………………………….57
4.4.10 Khối tính toán mô men kéo tại các bánh xe…………………………..58
4.5 Các trường hợp khảo sát
4.5.1 Trường hợp không VSC và có VSC ở vận tốc 60 km/h..................................59
4.5.2 Trường hợp TRC..............................................................................................61
KẾT LUẬN...............................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................71

Luận văn thạc sĩ


-3DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Chữ viết tắt

Tên đầy đủ

Ý nghĩa

1

ABS

Anti-lock Brake System

Hệ thống chống bó cứng bánh xe

2

ECU

Electronic Control Unit

Bộ điều khiển điện tử

3

BAS

Brake Assist System

Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp

Electronic Brake Forke Hệ thống phân phối lực phanh điện
4

EBD

Distribution

tử

5

TRC

Traction

Hệ thống chống trượt quay bánh xe
Hệ thống điều khiển ổn định hướng

6

VSC

Vehicle Stability Control

chuyển động của xe
Hệ thống phanh by wire có hỗ trợ

7

EHB

Electric Hydraulic Brake

thủy lực
Hệ thống phanh by wire không hỗ

8

EMB

Electric Mechanical Brake trợ thủy lực

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
TT

Ký hiệu

Giải thích

Đơn vị

1

x

Hệ số bám dọc

2

y

Hệ số bám ngang

3



Độ trượt

%

4

Pc

Lực cản chuyển động

N

5

Pk

Lực kéo

N

6

P

Lực bám

N

7

Pf

Lực cản lăn

N

8

Pj

Lực quán tính

N

9

β

Góc lệch bánh xe dẫn hướng

rad

10

α

Góc lệch thân xe so với phương chuyển động rad

Luận văn thạc sĩ


-411

ε

Góc quay thân xe

rad

12

L

Chiều dài cơ sở

m

Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu m
13

a

trước
Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu m

14

b

sau

15

tt

Chiều rộng cơ sở cầu trước

m

16

ts

Chiều rộng cơ sở cầu sau

m

17

h

Chiều cao trọng tâm

m

18

V

Vận tốc chuyển động của ô tô

m/s

19

Fi

Lực dọc tại các bánh xe

N

20

Si

Lực bên tại các bánh xe

N

21

Pfi

Lực cản lăn tại các bánh xe

N

22

Zi

Lực theo phương thẳng đứng tại các bánh xe

N

23

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhau
Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc ABS bố trí 4 cảm biến, 4 kênh điều khiển
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống phanh ABS kết hợp TRC
Hình 1.4: Hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động của ô tô

Hình 2.1: Sơ đồ chung hệ thống phanh By Wire
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống phanh EHB
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống phanh EMB
Hình 2.4: Cơ cấu phanh EMB kiểu chêm
Hình 2.5: Cơ cấu phanh EMB sử dụng bộ truyền hành tinh
Hình 2.6: Tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe
Hình 2.7: sơ đồ hệ thống phanh EHB

Luận văn thạc sĩ


-5Hình 2.8: Hệ thống phanh EHB ở chế độ TRC
Hình 2.11: Hệ thống phanh EHB ở chế độ VSC
Hình 3.1: Các lực và mô men tác dụng lên ô tô trong mặt phẳng ngang

Hình 3.2: Các lực tác dụng lên ô tô theo mặt phẳng
Hình 3.3: Quan hệ động học của ô tô trong mô hình phẳng tổng quát
Hình 3.4: Xác định vị trí trọng tâm ô tô tại một thời điểm nhất định
Hình 3.5: Sơ đồ xác định gia tốc trọng tâm
Hình 3.6: Quan hệ động học mô hình động học hai vết
Hình 3.7: Quan hệ động học của bộ vi sai
Hình 3.8: Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh
Hình 3.9: Sự phân chia phản lực thẳng đứng của một cầu
Hình 3.10: Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng của các bánh xe
Hình 3.11: Trạng thái của bánh xe.
Hình 3.12: Sơ đồ tính toán lực tác dụng trên vết với bánh xe chủ động
Hình 3.13: Sơ đồ tính toán lực tác dụng trên vết với bánh xe bị phanh
Hình 4.1: Modul tính toán vận tốc chuyển động ô tô
Hình 4.2: Modul tính toán góc lệch thân xe
Hình 4.3: Modul tính toán góc xoay thân xe
Hình 4.4: Modul tính toán tọa độ trọng tâm xe và góc quay bánh xe
dẫn hướng
Hình 4.5: Modul tính toán tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe
Hình 4.6: Các chương trình con tính toán tải trọng thẳng đứng tác dụng lên
các bánh xe
Hình 4.7: Modul tính toán gia tốc góc tại bánh xe 1
Hình 4.8: Modul tính toán gia tốc góc tại bánh xe 2
Hình 4.9: Modul tính toán gia tốc góc tại bánh xe 3
Hình 4.10: Modul tính toán gia tốc góc tại bánh xe 4
Hình 4.11: Modul tính toán độ trượt và góc lệch bên tại các bánh xe
Hình 4.12: Chương trình con tính toán độ trượt và góc lệch bánh xe số 1
Hình 4.13: Chương trình con tính toán độ trượt và góc lệch bánh xe số 2

Luận văn thạc sĩ

-6Hình 4.14: Chương trình con tính toán độ trượt và góc lệch bánh xe số 3
Hình 4.15: Chương trình con tính toán độ trượt và góc lệch bánh xe số 4
Hình 4.16: Chương trình chính tính lực dọc và ngang tại các bánh xe
Hình 4.17: Chương trình con tính toán lực dọc và ngang tại các bánh xe chủ
động
Hình 4.18: Chương trình con tính toán lực dọc và ngang tại các bánh xe
bị động
Hình 4.19: Mo đul tính toán động học chuyển động của xe
Hình 4.20: Modul tính toán mô men kéo tại các bánh xe
Hình 4.21: Modul tính toán mô men kéo tại các bánh xe có thêm
mô men phanh
Hình 4.22: Hàm điều khiển góc quay vành lái
Hình 4.23 Gia tốc bên của xe trong trường hợp không có VSC
Hình 4.24. Gia tốc bên của xe trong trường hợp có VSC
Hình 4.25. Góc lệch thân xe trong trường hợp không có VSC
Hình 4.26. Góc lệch thân xe trong trường hợp có VSC
Hình 4.27. Góc xoay thân xe trong trường hợp không có VSC
Hình 4.28. Góc xoay thân xe trong trường hợp có VSC
Hình 4.29. Góc lệch bánh xe 1,2 trong trường hợp không có VSC
Hình 4.30. Góc lệch bánh xe trong trường hợp có VSC
Hình 4.31. Độ trượt của bánh xe trong trường hợp không có VSC
Hình 4.32. Độ trượt của bánh xe trong trường hợp có VSC
Hình 4.33. Bán kính quay vòng thực tế và lý thuyết trường hợp không có
VSC
Hình 4.34. Bán kính quay vòng thực tế và lý thuyết trường hợp có VSC
Hình 4.35. Độ trượt tại bánh xe
Hinh:4.36. Vận tốc góc bánh xe
Hinh4.37.: Vận tốc góc bánh xe

Luận văn thạc sĩ


-7-

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay nền công nghiệp sản xuất ô tô đã chứng kiến sự xuất hiện của
nhiều công nghệ mới rất đáng chú ý. Sự phát triển của công nghệ phần mềm, của
những bộ vi xử lý tốc độ khiến ô tô ngày càng hoàn thiện hơn. Một số công nghệ
gần đây giúp hệ thống phanh ô tô hoạt động hiệu quả hơn và tăng cường sự kiểm
soát khi điều khiển xe trong tình trạng thời tiết xấu. Ba công nghệ an toàn của hệ
thống phanh, bắt đầu xuất hiện từ giữa những năm 1980. Đó là các công nghệ: ABS
(Anti-lock Brakes 1978), Traction control (1985) và hệ thống cân bằng điện tử
Stability control (1995). Ba công nghệ đều liên quan đến vấn đề đảm bảo khả năng
bám giữa lốp xe và mặt đường.
Ngày nay với sự phát triển của ngành cơ điện tử đã thay thế dần các hệ thống
phanh truyền thống bằng các hệ thống cơ điện tử nhưng vẫn đáp ứng được các tính
năng ưu việt của các hệ thống ABS và các liên hợp của nó. Đó là hệ thống phanh
điều khiển “By Wire”. Hệ thống phanh mới này có kết cấu nhỏ gọn, dễ bố trí và có
ưu điểm là thời gian chậm tác dụng của hệ thống là rất nhỏ(có thể coi là tức thời).
Mặt khác hệ thống phanh By Wire hoạt động dựa trên tín hiệu điện, và có thể hoạt
động ngay cả khi không có tác động trực tiếp của người lái. Đây là xu hướng phát
triển hệ thống phanh trong tương lai.
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng việc xây dựng mô
hình động lực học để khảo sát các tính năng ổn định của xe có trang bị hệ thống
phanh điều khiển “By Wire’’. Luận Văn thực hiện các nhiệm vụ sau:
-

Phân tích tính ổn định chuyển động của xe trong các chế độ làm việc.

-

Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học trên ô tô có sử dụng hệ thống
phanh By Wire.

-

Tính toán, mô phỏng số để đánh giá được tính năng ổn định trên xe ô tô
có sử dụng hệ thống phanh By Wire.

Đề tài được thực hiện tại Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí Động
lực Trường ĐHBK Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Phạm Hữu Nam. Đề tài

Luận văn thạc sĩ


-8cũng nhận được nhiều sự hỗ trợ của các thầy trong Bộ môn, Viện Đào tạo sau Đại
học cùng các bạn đồng nghiệp.
Do thời gian, trình độ còn hạn chế, mảng nghiên cứu còn khá mới, những kết
quả của đề tài là ban đầu nên không thể tránh được khiếm khuyết, rất mong nhận
được sự bổ sung, góp ý của các nhà kỹ thuật, các thầy và đồng nghiệp để đề tài
được đầy đủ và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo.

Hà Nội, ngày 15/03/2012
Tác giả

Phạm Văn Tuấn

Luận văn thạc sĩ

-9-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tính ổn định chuyển động của ô tô ở các chế độ làm việc khác nhau
Quá trình chuyển động của ô tô là quá trình tương tác giữa bánh xe và mặt
đường. Lực bám giữa bánh xe và mặt đường được đặc trưng bằng hệ số bám  theo
cả hai phương, phương dọc (x) và phương ngang (y). Các kết quả nghiên cứu về
động lực học của bánh xe ô tô chuyển động trên nền đường cứng cho thấy dưới tác
dụng của mô men (phanh hoặc kéo), lốp xe bị biến dạng làm xuất hiện hiện tượng
trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường.
Bằng thực nghiệm, người ta đã xây dựng được đồ thị trượt thể hiện mối
quan hệ giữa các hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y đối với độ trượt tương
đối  của bánh xe khi phanh.

Hình 1.1: Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhau
Các hệ số bám dọc x và hệ số bám ngang y đều thay đổi theo độ trượt .
Ban đầu khi tăng độ trượt  thì hệ số bám dọc x tăng lên nhanh chóng và đạt giá trị

Luận văn thạc sĩ


-10cực đại trong khoảng độ trượt  = 10 ÷ 30%. Nếu độ trượt tiếp tục tăng thì x giảm,
khi độ trượt  = 100% (lốp xe bị trượt lết hoàn toàn khi phanh) thì hệ số bám dọc x
giảm 20 ÷ 30% so với hệ số bám cực đại. Khi đường ướt còn có thể giảm nhiều hơn
nữa, đến 50 ÷ 60%. Đối với hệ số bám ngang y sẽ giảm nhanh khi độ trượt tăng, ở
trạng thái trượt lết hoàn toàn thì y giảm xuống gần bằng không.
Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại xmax ở giá trị độ trượt tối ưu 0. Thực
nghiệm chứng tỏ rằng ứng với các loại đường khác nhau thì giá trị 0 thường nằm

trong giới hạn từ 10 ÷ 30 %. Ở giá trị độ trượt tối ưu 0 này, không những đảm bảo
hệ số bám dọc x có giá trị cực đại mà hệ số bám ngang y cũng có giá trị khá cao,
giúp cho lực bám dọc và bám ngang của bánh xe duy trì ở mức cao nhằm làm tăng
tính ổn định hướng của ô tô khi phanh.
Khi ở chế độ phanh, nếu lực phanh vượt quá giới hạn lực bám của bánh xe
theo phương dọc thì sẽ làm cho bánh xe bị trượt lết, ảnh hưởng đến tính ổn định
hướng chuyển động của xe.
Để khắc phục hiện tượng trượt lết tại các bánh xe khi phanh trên xe ô tô ngay
nay đã được trang bị hệ thống phanh ABS. Đây là hệ thống phanh điều khiển kiểu
điện tử cho phép tự động điều khiển áp suất trong dẫn động phanh ra các bánh xe
sao cho duy trì được độ trượt của các bánh xe trong khi phanh nằm trong vùng độ
trượt tối ưu. Hệ thống ABS được thiết kế dựa trên cấu tạo của một hệ thống phanh
thông thường. Ngoài 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 được 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,...Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống phanh ABS
loại điều khiển độc lập .

Luận văn thạc sĩ


-11-

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc ABS bố trí 4 cảm biến, 4 kênh điều khiển
Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS:
Trên hình 1.2 tín hiệu từ các cảm biến đo tốc độ góc đặt ở các bánh xe được
gửi về bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm tính toán, xử lý và đưa ra
tín hiệu điều khiển sự hoạt động của cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành của hệ
thống ABS là hệ các van thủy lực điện từ điều khiển đóng/mở đường dầu đến các

xy lanh phanh bánh xe nhằm duy trì độ trượt  từ 0,17 đến 0,3 đảm bảo phát huy
được lực phanh tối ưu trong quá trình phanh.
Hệ thống phanh ABS đã tận dụng được tối đa khả năng bám của bánh xe với
mặt đường, tránh hiện tượng trượt lết tại các bánh xe, khi bánh xe bị trượt lết có thể
dẫn đến hiện tượng mất ổn định khi phanh. Tuy nhiên hệ thống ABS còn có một số
mặt hạn chế là hệ thống chỉ hoạt động khi có lực tác động lên bàn đạp của người lái,
trong một số trường hợp phanh khẩn cấp thì hệ thống ABS thông thường chưa đáp
ứng kịp. Để khắc phục điều này thì các nhà thiết kế ô tô đã tích hợp thêm các chức
năng khác trên hệ thống phanh ABS thông thường, như hệ thống hỗ trợ phanh khẩn
cấp BA, hệ thống phân phối lực phanh EBD,...

Luận văn thạc sĩ


-12Ở chế độ kéo (khi tăng tốc hoặc khởi hành) các bánh xe có thể dễ bị trượt quay
nếu xe khởi hành hoặc tăng tốc đột ngột do lực kéo chủ động vượt quá khả năng
bám của bánh xe với mặt đường.
Để khắc phục các hiện tượng này thì các xe ngày nay đã được trang bị thêm
hệ thống kiểm soát lực kéo, thường được gọi là hệ thống 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 Traction sẽ có đồng thời hai tác động: một là giảm mô men xoắn của
động cơ bằng cách đóng bớt bướm ga mà không phụ thuộc vào ý định của người lái,
hai là cùng lúc đó nó kết hợp với hệ thống ABS điều khiển hệ thống phanh tác động
lên các bánh xe chủ động, vì vậy làm giảm mô men kéo truyền xuống bánh xe, giúp
bánh xe tận dụng được tối đa lực kéo. Nhờ đó, xe có thể khởi hành và tăng tốc một
cách nhanh chóng và ổn định.

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống phanh ABS kết hợp TRC

Luận văn thạc sĩ

-13Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS kết hợp TRC
Ngoài các bộ phận giống như hệ thống phanh ABS thì hệ thống TRC còn
được trang bị thêm cảm biến vị trí bướm ga phụ, bộ chấp hành bướm ga phụ, bộ
chấp hành phanh TRC….Từ đó cho thấy để thực hiện chức năng chống trượt quay
thì hệ thống TRC phải bổ sung các kết cấu để đảm bảo các chức năng riêng biệt,
làm hệ thống sẽ phức tạp hơn so với hệ thống phanh ABS. Hệ thống TRC khiển
công suất của 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 phụ thuộc vào độ mở của cánh bướm ga
chính. Khi TRC làm việc: để giảm mô men kéo truyền xuống 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 hoàn toàn.

Hệ thống phanh TRC có ưu điểm so với hệ thống phanh thông thường:
+ Điều chỉnh mô men xoắn của động cơ theo điều kiện bám của bánh xe với
mặt đường. Nhờ việc điều chỉnh này mà giảm được công suất mất mát, tiết kiệm
nhiên liệu.
+ Đảm bảo duy trì được lực dọc và lực ngang tốt theo điều kiện bám, do vậy
xe có thể khởi hành và tăng tốc một cách nhanh chóng vào hiệu quả cũng như ổn
định hướng chuyển động khi khởi hành hay tăng tốc.
Khi ô tô thay đổi hướng chuyển động, thân xe sẽ kéo rê bánh xe theo hướng
chuyển động ban đầu làm cho bánh xe bị trượt ngang. Nếu sự trượt ngang của bánh
xe quá lớn xe có thể quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa. Khi xe chuyển động trên

đường vòng do tác động của lực bám làm bánh xe biến dạng dẫn đến quỹ đạo

Luận văn thạc sĩ


-14chuyển động không trùng với quỹ đạo mong muốn. Để khắc phục hiện tượng này
trên ô tô hiện nay được trang bị hệ thống điều khiển tính ổn định bằng điện tử VSC.
Khi có hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa xảy ra, hệ thống VSC
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.
Đồng thời với sự điều khiển phanh, hệ thống VSC 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.

Hình 1.4: Hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động của ô tô
Hình (1.4 a) cho thấy khi xe có xu hướng quay vòng thiếu thì VSC điều khiển
phanh bánh xe sau trái, còn khi xe có xu hướng quay vòng thừa (hình 1.4 b) thì
VSC điều khiển phanh bánh xe trước phải, nhờ vậy giúp cho xe ổn định khi quay
vòng.
ABS và các liên hợp mở rộng từ hệ thống ABS đã đáp ứng được các chỉ tiêu
hiệu quả khi phanh, ổn định hướng khi phanh, nâng cao khả năng an toàn của xe.

Luận văn thạc sĩ


-15Tuy nhiên để đảm bảo được các chi tiêu an toàn đó thì kết cấu của hệ thống phanh
ngày càng phức tạp hơn, mỗi một phần kết cấu sẽ đảm nhận chức năng riêng biệt.
Hệ thống phanh chỉ hoạt động khi người lái có tác động lên bàn đạp phanh. Vì vậy
với xu hướng phát triển của ngành công nghiệp điện tử thì hệ thống phanh ngày

càng hoàn thiện hơn, cần có một hệ thống phanh mới đảm bảo đầy đủ các tính năng
ổn định hướng chuyển động của xe trong các chế độ phanh, kéo, hoặc khi đi vào
đường vòng. Đảm bảo chức năng phanh tự động khi không có tác động của người
lái. Hệ thống phanh điều khiển By Wire là một xu hướng mới. Hệ thống phanh điều
khiển By Wire có kết cấu mới thay thế cấu trúc của hệ thống phanh truyền thống.
1.2. Một số kết quả nghiên cứu hệ thống phanh trong nước
Việt Nam đã có một số nghiên cứu tiếp cận với hệ thống phanh điều khiển
bằng điện tử. Những nghiên cứu ban đầu đa số là nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng
hệ thống bằng các phần mềm mô phỏng.
Nghiên cứu “ Động lực học của quá trình phanh ô tô có trang bị bộ chống hãm
cứng bánh xe ABS của tác giả Nguyễn Mạnh Cường công bố năm 1996 đã bước đầu
nghiên cứu các nguyên lý chung của hệ thống ABS. Trong nghiên cứu, tác giả có đề
cập tới ảnh hưởng của tương tác lốp – mặt đường, và mô hình tính toán phanh.
Nghiên cứu “ Tổng hợp bộ điều khiển điện tử và mô phỏng hệ thống phanh có
ABS trên ô tô du lịch” của tác giả Lại Năng Vũ năm 2007, đã trình bày mô hình
ABS ½ xe và phương pháp điều khiển ABS theo giá trị gia tốc ngưỡng. Tác giả
cũng đã xây dựng một mô hình thực nghiệm ABS cùng với bộ điều khiển ABS gốc
và bộ điều khiển ABS xây dựng để kiểm tra đánh giá lại kết quả. Tuy nhiên giá trị
gia tốc ngưỡng đưa ra chủ yếu theo kinh nghiệm, chưa có cơ sở tính toán cũng như
kiểm nghiệm tính hợp lý của các trị số này.
Luận văn “ Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển điện tử cho hệ
thống phanh ô tô con” của tác giả Hồ Hữu Hùng năm 2009 đã đi sâu hơn vào việc
nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh ABS. Tác giả xây
dựng phương phương pháp điều khiển theo gia tốc ngưỡng theo các pha tăng áp, giữ
áp và giảm áp của một hệ thống ABS cụ thể sử dụng van 3 vịt trí. Tuy nhiên nghiên
cứu này chưa đưa ra được các bước xây dựng mộ bộ điều khiển cũng như cơ sở xác

Luận văn thạc sĩ

-16định thông số xây dựng bộ điều khiển, các giá trị ngưỡng trong điều khiển chưa
được kiểm nghiệm cả trong tính toán lý thuyết cũng như thực nghiệm.
Về phanh hệ thống phanh By Wire thì hiện nay chưa có đề tài nào thực hiện và
là kiến thức cần được bổ sung trong quá trình đào tạo, khai thác, điều khiển, ổn định
của ôtô.
1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài
Hệ thống phanh điều khiển By Wire là một hệ thống mới được trang bị trên ô
tô. Hệ thống này cải thiện được các tính năng ổn định chuyển động của xe trong
các trường hợp xe đi trên đường có hệ số bám thấp, tăng tốc hoặc xe đi vào đường
vòng. Trên cơ sở đó thì đề tài chủ yếu tập trung vào nghiên cứu tính năng động lực
học của xe khi sử dụng hệ thống phanh điều khiển By Wire ở các chế độ VSC và
TRC. Từ đó đánh giá được tính năng ổn định hướng chuyển động của ô tô khi sử
dụng hệ thống phanh By Wire.
Các nội dung thực hiện trong đề tài bao gồm
1. Phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh By Wire để hiểu được
các ưu điểm của hệ thống.
2. Xây dựng mô hình nghiên cứu các chức năng VSC và TRC đặc trưng của
hệ thống phanh By Wire.
3. Tính toán, mô phỏng số để đánh giá được các chức năng của hệ thống
phanh điều khiển By Wire.

Luận văn thạc sĩ


-17CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG PHANH ĐIỀU KHIỂN
BY WIRE

2.1. Đặc điểm chung hệ thống phanh điều khiển By Wire
Hệ thống phanh điều khiển By Wire là một trong những hệ thống điều khiển
điện tử. Trong đó lực tác động của người lái không tác động trực tiếp để tạo mô

men phanh như các hệ thống phanh thông thường mà chỉ có chức năng tạo tín hiệu
để điều khiển phanh. Trong trường hợp hệ thống điện của hệ thống không hoạt động
thì lực bàn đạp của người lái tác động trực tiếp đến cơ cấu phanh tạo mô men
phanh(chức năng dự phòng). Hệ thống phanh điều khiển By Wire bao gồm các
thành phần cơ bản: các cảm biến, các khối xử lí thông tin ECU, mạng thông tin, cơ
cấu chấp hành và nguồn năng lượng điện.

Hình 2.1: Sơ đồ chung hệ thống phanh By Wire
Nguyên lý làm việc chung của hệ thống phanh By Wire:
Theo sơ đồ hình 2.1 khi người lái tác dụng lực lên bàn đạp phanh, tín hiệu từ cảm
biến bàn đạp phanh và các cảm biển tốc độ bánh xe…được đưa tới ECU để tính
toán và đưa ra tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành thực hiện chức năng phanh
bánh xe. Như vậy ở hệ thống phanh By Wire thì lực bàn đạp của người lái chỉ là
một tín hiệu điều khiển hệ thống phanh.Trong trường hợp hệ thống điện bị hỏng thì

Luận văn thạc sĩ


-18lực bàn đạp phanh của người lái xe sẽ tác động trực tiếp đến cơ cấu chấp hành
phanh để thực hiện chức năng phanh dự phòng. Tuy nhiên hiệu quả không cao.
Ngoài ra thì hệ thống phanh By Wire hoạt động cả trong trường hợp không có tác
động của người lái. Các tín hiệu cảm biến luôn luôn được đưa về ECU tính toán và
xử lí, ECU sẽ đưa ra các tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành để đảm bảo khả năng
ổn định tối ưu của xe.
2.2. Phân loại các hệ thống điều khiển By Wire
Hệ thống phanh By Wire có thể chia làm 2 loại:
+ Phanh By Wire có hỗ trợ thủy lực EHB (Electric Hydraulic Brake),
+ Phanh By Wire không hỗ trợ thủy lực EMB (Electric Mechanical Brake).
Hệ thống phanh EHB.

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống phanh EHB
Hệ thống EHB hoàn toàn đáp ứng khả năng làm việc của hệ thống phanh
thủy lực ABS và các liên hợp của xe, nhưng về mặt cấu trúc có những thay đổi đáng
kể. EHB không dùng bộ trợ lực trên xy lanh chính. Cụm bàn đạp xy lanh chính chỉ
làm nhiệm vụ cấp tín hiệu khi phanh từ bàn đạp, đồng thời đảm nhận chức năng
phanh xe dự phòng khi có sự cố trong hệ thống điện điều khiển. Năng lượng phanh

Luận văn thạc sĩ


-19thực hiện thông qua bơm dầu DC (với nguồn điện 1 chiều cấp từ bình điện của xe).
Hệ thống truyền năng lượng tiến hành phanh và điều chỉnh một phần lực kéo bánh
xe thực hiện nhờ các mạch thủy lực truyền dẫn từ bơm dầu tới các van điều áp bố trí
trong khối thủy lực.

Hệ thống phanh EMB

Hình 2.3 : Sơ đồ hệ thống phanh EMB

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống phanh EMB
Sơ đồ của hệ thống phanh EMB dược thể hiện trên hình 2.2. Sơ đồ trên cho
thấy kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống này có rất nhiều thay đổi so với
các hệ thống phanh trước đây:
+ EMB không có xi lanh chính cũng như bộ trợ lực phanh.
+ Cụm bàn đạp phanh không có bất cứ liên kết cơ khí nào với cơ cấu chấp
hành và cơ cấu phanh tại bánh xe.
+ EMB không sử dụng bất cứ năng lượng thủy lực nào cả vì thế không cần
đến các đường ống thủy lực, các cảm biến áp suất dầu, các bình chứa dầu, bình tích
áp và các van thủy lực.
+ Ở EMB, xy lanh phanh tại các bánh xe được thay thế bằng mô tơ bước.

Như vậy hệ thống phanh EMB hoàn toàn sử dụng năng lượng điện để điều
khiển quá trình phanh. Vì thế, kết cấu của hệ thống nhỏ gọn hơn, thời gian chậm tác

Luận văn thạc sĩ


-20dụng phanh nhỏ hơn và hiệu suất truyền lực dẫn động cao hơn so với các hệ thống
phanh trước đây. Tuy nhiên, phần mạch điện ECU rất phức tạp, đòi hỏi làm việc với
độ chính xác rất cao và ắc quy phải có năng lượng tích trữ lớn.
Có 2 kiểu kết cấu cụm cơ cấu phanh cho hệ thống phanh EMB:
+ Kiểu thứ nhất: sử dụng 2 mô tơ DC, mỗi mô tơ được cấp dòng điện có
điện áp 12 V dẫn động kiểu trục vít đai ốc, và bộ truyền chêm.

Hình 2.4: Cơ cấu phanh EMB kiểu chêm
+ Kiểu thứ hai: Sử dụng 1 mô tơ DC được cấp dòng điện có điện áp 12 V
dẫn động bộ truyền bánh răng trong đó có sử dụng bộ truyền hành tinh và cơ cấu pít
tông.

Hình 2.5: Cơ cấu phanh EMB sử dụng bộ truyền hành tinh

Luận văn thạc sĩ


-212. 3. Các loại cảm biến dùng trên xe có trang bị hệ thống phanh By Wire
+ Cảm biến tốc độ bánh xe dùng để xác định tốc độ góc của bánh xe là cơ sở để xác
định độ trượt tại các bánh xe. Có hai loại: cảm biến điện từ và cảm biến hall. Trong
đó cảm biến biến điện từ được sử dụng phổ biến hơn. Cảm biến tốc độ bánh xe loại
điện từ bao gồm một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây vào lõi từ. Vị trí lắp cảm biến
tốc độ hay rô to cảm biến cũng như số răng của rô to cảm biến thay đổi theo kiểu
xe.

Hình 2.6: Tín hiệu điện áp của cảm biến tốc độ bánh xe
Khi bánh xe quay, vành răng quay theo, khe hở A giữa đầu lõi từ và vành răng
thay đổi, từ thông biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động xoay
chiều hình sin có biên độ và tần số thay đổi tỉ lệ theo tốc độ góc của bánh xe.
+ Cảm biến gia tốc dọc(cảm biến giảm tốc): bao gồm hai cặp đèn LED và
phototransistor, một đĩa xẻ rảnh và một mạch biến đổi tín hiệu. Đặc điểm của đèn
LED là phát sáng khi cấp điện và phototransistor là dẫn điện khi có ánh sáng chiếu
vào. Khi mức độ giảm tốc của xe thay đổi, đĩa xẻ rãnh lắc theo chiều dọc xe tương
ứng với mức độ giảm tốc.

Luận văn thạc sĩ