Khảo sát ảnh hưởng của ABS và điều hoà lực phanh đến hiệu quả phanh

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

DƯƠNG VĂN TOÀN

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ABS VÀ ĐIỀU HÒA
LỰC PHANH ĐẾN HIỆU QUẢ PHANH BẰNG
MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 1/2

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2013


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

DƯƠNG VĂN TOÀN

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ABS VÀ ĐIỀU HÒA
LỰC PHANH ĐẾN HIỆU QUẢ PHANH BẰNG
MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ 1/2

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS - TS. VÕ VĂN HƯỜNG

Hà Nội – 2013


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .........................................................................4
Danh mục các hình vẽ, đồ thị, bảng ............................................................................7
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................12
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................13
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN .....................................................................................16
1.1. Hiệu quả phanh ..................................................................................................16
1.2. Giải pháp nâng cao hiệu quả phanh ...................................................................18
1.3. Cơ sở lý thuyết về hệ thống ABS .......................................................................21
1.4. Cơ sở lý thuyết điều hoà lực phanh ....................................................................25
CHƢƠNG II. THIẾT LẬP PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ ...............30
2.1. Các giả thiết ........................................................................................................30
2.2. Thiết lập phƣơng trình động lực học ô tô...........................................................30
2.2.1. Mô hình động lực học ngang 1 dãy.................................................................31
2.2.2. Mô hình động lực học phƣơng thẳng đứng .....................................................34
2.2.3. Mô hình động lực học bánh xe ........................................................................39
2.2.4. Mô hình lốp .....................................................................................................43
2.3. Phƣơng pháp giải ...............................................................................................46
2.4. Chọn thông số và phƣơng án khảo sát ...............................................................46
2.4.1. Chọn bộ số liệu................................................................................................48
2.4.2. Các phƣơng án khảo sát ..................................................................................49
CHƢƠNG III. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA ABS VÀ

ĐIỀU

HOÀ

LỰC

PHANH ĐẾN HIỆU QUẢ PHANH ........................................................................51
3.1. Phƣơng án 1........................................................................................................51
3.1.1. Trƣờng hợp 1: Xe có trang bị ABS .................................................................51
3.1.2. Trƣờng hợp 2: Xe có trang bị ĐHLP ..............................................................60
3.1.3. Trƣờng hợp 3: Xe có trang bị ABS và ĐHLP.................................................68
3.2. Phƣơng án 2........................................................................................................75
1


3.2.1. Trƣờng hợp 1: Xe có trang bị ABS .................................................................75
3.2.2. Trƣờng hợp 2: Xe có trang bị ĐHLP ..............................................................79
3.2.3. Trƣờng hợp 3: Xe có trang bị ABS và ĐHLP.................................................83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................89

2


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Dƣơng Văn Toàn, tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của
riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của PSG – TS. Võ Văn Hƣờng. Đề tài đƣợc thực hiện
tại Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng, Viện cơ khí động lực, trƣờng Đại học Bách
Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chƣa
đƣợc công bố trong các công trình nào khác.
Hà Nội, Ngày 26 tháng 8 năm 2013
Tác giả

Dƣơng Văn Toàn

3


Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
- A  m2 

: Diện tích, thiết diện

-c

: Hệ số khí động

-   kg / cm3 

: Mật độ không khí

- CL  N / m 

: Độ cứng hƣớng kính lốp

- CL1  N / m 

: Độ cứng hƣớng kính lốp trƣớc

- CL 2  N / m 

: Độ cứng hƣớng kính lốp sau

- C  N / m

: Độ cứng hệ thống treo

- C1  N / m 

: Độ cứng treo trƣớc

- C2  N / m 

: Độ cứng treo sau

- K  Ns / m 

: Hệ số cản hệ thống treo

- K1  Ns / m 

: Hệ số cản hệ thống treo trƣớc

- K2  Ns / m 

: Hệ số cản hệ thống treo sau

- a  m

: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trƣớc

- b  m

: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau

-r

: Bán kính tự do lốp

- J  kgm2 

: Mômen quán tính trục y của xe

- J yA1  kgm2 

: Mômen quán tính trục y của cầu trƣớc

- J yA2  kgm2 

: Mômen quán tính trục y của cầu sau

- h  m

: Chiều cao mấp mô của đƣờng

- h1  m 

: Chiều cao mấp mô của đƣờng phía trƣớc

- h2  m 

: Chiều cao mấp mô của đƣờng phía sau

- FZ  N 

: Tải trọng từ đƣờng tác dụng lên bánh xe

- FZ 1  N 

: Tải trọng từ đƣờng tác dụng lên bánh xe phía trƣớc
4


- FZ 2  N  : Tải trọng từ đƣờng tác dụng lên bánh xe phía sau
- FZt  N  : Tải trọng tĩnh của bánh xe
- FZ 1,t  N  : Tải trọng tĩnh bánh xe phía trƣớc
- FZ 2,t  N  : Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau
- FZd  N  : Tải trọng động bánh xe
- FZ 1,d  N  : Tải trọng động bánh xe phía trƣớc
- FZ 2,d  N  : Tải trọng động bánh xe phía sau
- FC  N 

: Lực đàn hồi hệ thống treo

- FC1  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo trƣớc
- FC 2  N  : Lực đàn hồi hệ thống treo sau
- FK  N  : Lực cản hệ thống treo
- FK 1  N  : Lực cản hệ thống treo trƣớc
- FK 2  N  : Lực cản hệ thống treo sau
- FCL  N  : Lực đàn hồi hƣớng kính bánh xe
- FCL1  N  : Lực đàn hồi hƣớng kính bánh xe trƣớc
- FCL 2  N  : Lực đàn hồi hƣớng kính bánh xe sau

- m N 

: Khối lƣợng đƣợc treo

- m1  N 

: Khối lƣợng đƣợc treo trƣớc

- m2  N 

: Khối lƣợng đƣợc treo sau

- mA1  N  : Khối lƣợng không đƣợc treo trƣớc
- mA2  N  : Khối lƣợng không đƣợc treo sau
- x

: Hệ số bám đƣờng

- ft  m 

: Độ võng tĩnh

- f t1  m 

: Độ võng tĩnh phía trƣớc
5


- ft 2  m 

: Độ võng tĩnh phía sau

-   rad  : Góc lắc thân xe
-   m

: Chuyển vị phƣơng thẳng đứng cầu xe

- 1  m 

: Chuyển vị phƣơng thẳng đứng cầu trƣớc

- 2  m 

: Chuyển vị phƣơng thẳng đứng cầu sau

-   m / s  : Vận tốc phƣơng thẳng đứng cầu xe
- 1  m / s  : Vận tốc phƣơng thẳng đứng cầu trƣớc
- 2  m / s  : Vận tốc phƣơng thẳng đứng cầu sau
-  m / s 2  : Gia tốc phƣơng thẳng đứng cầu xe
- 1  m / s 2  : Gia tốc phƣơng thẳng đứng cầu trƣớc
- 2  m / s 2  : Gia tốc phƣơng thẳng đứng cầu sau
- z, z, z  m, m / s, m / s 2 

: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phƣơng thẳng đứng khối lƣợng

đƣợc treo
- z1 , z1 , z1  m, m / s, m / s 2  : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phƣơng thẳng đứng khối lƣợng
đƣợc treo trƣớc
- z2 , z2 , z2  m, m / s, m / s 2  : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phƣơng thẳng đứng khối lƣợng
đƣợc treo sau

6


Danh mục các hình vẽ, đồ thị, bảng
Hình 1.1. Nguyên lý phanh

16

Hình 1.2. Động lực học bánh xe khi phanh

17

Hình 1.3. Lực tƣơng tác bánh xe phụ thuộc hệ số trƣợt

17

Hình 1.4. Mô hình động lực học bánh xe

19

Hình 1.5. Các lực tác dụng lên bánh xe

19

Hình 1.6. Sơ đồ tổng quát của một hệ thống chống hãm cứng bánh xe

21

Hình 1.7. Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh

22

Hình 1.8. Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS

22

Hình 1.9. Sự thay đổi áp suất trong dẫn động và gia tốc chậm dần
của bánh xe khi phanh có ABS

23

Hình 1.10. Quá trình phanh điển hình trên mặt đƣờng trơn không có ABS

24

Hình 1.11. Quá trình phanh điển hình của ôtô có trang bị ABS

25

Hình 1.12. Quan hệ lực phanh yêu cầu với hệ số bám φ hay gia tốc phanh j

25

Hình 1.13. Quan hệ tỷ lệ áp suất điều khiển (e) giữa cầu trƣớc (p1) và cầu sau (p2) 26
Hình 1.14. Quan hệ tỷ lệ áp suất điều khiển (e) khi không tải và khi đầy tải

26

Hình 1.15. Quan hệ tỷ lệ áp suất (e) với bộ điều hoà tĩnh đơn giản

28

Hình 1.16. Quan hệ tỷ lệ áp suất (e) với bộ điều hoà tĩnh nhấp nháy

28

Hình 1.17. Quan hệ tỷ lệ áp suất (e) với bộ điều hoà động

29

Hình 2.1. Mô hình tổng quát động lực học ô tô

31

Hình 2.2. Mô hình phẳng động lực học ôtô ½

32

Hình 2.3. Sơ đồ tách cấu trúc mô hình phẳng động lực học ôtô ½

33

Hình 2.4.Mô hình hệ thống treo

36

Hình 2.5. Sơ đồ đặc tính treo

37

Hình 2.6. Đặc tính lốp

38

Hình 2.7. Động lực học bánh xe trong mặt phẳng

39

Hình 2.8. Thông số động lực học các loại bánh xe

40

Hình 2.9. Hệ số bám dọc  B và hệ số bám ngang  S

42

Hình 2.10. Hệ số bám dọc, ngang phụ thuộc hệ số trƣợt

42

7


Hình 2.11. Mô hình lốp

43

Hình 2.12. Đồ thị lực tƣơng tác bánh xe Fx theo hệ số trƣợt s

44

Hình 2.13. Hàm Ammon

45

Hình 3.1. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe trƣớc

51

Hình 3.2. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe sau

51

Hình 3.3. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe trƣớc

52

Hình 3.4. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe sau

52

Hình 3.5. Đồ thị mô men trên bánh xe trƣớc

52

Hình 3.6. Đồ thị mô men trên bánh xe sau

53

Hình 3.7. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe trƣớc

53

Hình 3.8. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe sau

53

Hình 3.9. Đồ thị gia tốc phanh

54

Hình 3.10. Đồ thị quãng đƣờng phanh

54

Hình 3.11. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe trƣớc

56

Hình 3.12. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe sau

56

Hình 3.13. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe trƣớc

56

Hình 3.14. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe sau

57

Hình 3.15. Đồ thị mô men trên bánh xe trƣớc

57

Hình 3.16. Đồ thị mô men trên bánh xe sau

57

Hình 3.17. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe trƣớc

58

Hình 3.18. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe sau

58

Hình 3.19. Đồ thị gia tốc phanh

58

Hình 3.20. Đồ thị quãng đƣờng phanh

59

Hình 3.21. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe trƣớc

60

Hình 3.22. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe sau

60

Hình 3.23. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe trƣớc

61

Hình 3.24. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe sau

61

Hình 3.25. Đồ thị mô men trên bánh xe trƣớc

61

Hình 3.26. Đồ thị mô men trên bánh xe sau

62

8


Hình 3.27. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe trƣớc

62

Hình 3.28. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe sau

62

Hình 3.29. Đồ thị gia tốc phanh

63

Hình 3.30. Đồ thị quãng đƣờng phanh

63

Hình 3.31. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe trƣớc

64

Hình 3.32. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe sau

64

Hình 3.33. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe trƣớc

65

Hình 3.34. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe sau

65

Hình 3.35. Đồ thị mô men trên bánh xe trƣớc

65

Hình 3.36. Đồ thị mô men trên bánh xe sau

66

Hình 3.37. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe trƣớc

66

Hình 3.38. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe sau

66

Hình 3.39. Đồ thị gia tốc phanh

67

Hình 3.40. Đồ thị quãng đƣờng phanh

67

Hình 3.41. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe trƣớc

68

Hình 3.42. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe sau

68

Hình 3.43. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe trƣớc

69

Hình 3.44. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe sau

69

Hình 3.45. Đồ thị mô men trên bánh xe trƣớc

69

Hình 3.46. Đồ thị mô men trên bánh xe sau

70

Hình 3.47. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe trƣớc

70

Hình 3.48. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe sau

70

Hình 3.49. Đồ thị gia tốc phanh

71

Hình 3.50. Đồ thị quãng đƣờng phanh

71

Hình 3.51. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe trƣớc

71

Hình 3.52. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe sau

72

Hình 3.53. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe trƣớc

72

Hình 3.54. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe sau

72

Hình 3.55. Đồ thị mô men trên bánh xe trƣớc

73

9


Hình 3.56. Đồ thị mô men trên bánh xe sau

73

Hình 3.57. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe trƣớc

73

Hình 3.58. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe sau

74

Hình 3.59. Đồ thị gia tốc phanh

74

Hình 3.60. Đồ thị quãng đƣờng phanh

74

Hình 3.61. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe trƣớc

75

Hình 3.62. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe sau

76

Hình 3.63. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe trƣớc

76

Hình 3.64. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe sau

76

Hình 3.65. Đồ thị mô men trên bánh xe trƣớc

77

Hình 3.66. Đồ thị mô men trên bánh xe sau

77

Hình 3.67. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe trƣớc

77

Hình 3.68. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe sau

78

Hình 3.69. Đồ thị gia tốc phanh

78

Hình 3.70. Đồ thị quãng đƣờng phanh

78

Hình 3.71. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe trƣớc

79

Hình 3.72. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe sau

80

Hình 3.73. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe trƣớc

80

Hình 3.74. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe sau

80

Hình 3.75. Đồ thị mô men trên bánh xe trƣớc

81

Hình 3.76. Đồ thị mô men trên bánh xe sau

81

Hình 3.77. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe trƣớc

81

Hình 3.78. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe sau

82

Hình 3.79. Đồ thị gia tốc phanh

82

Hình 3.80. Đồ thị quãng đƣờng phanh

82

Hình 3.81. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe trƣớc

83

Hình 3.82. Đồ thị phản lực thẳng đứng tại bánh xe sau

84

Hình 3.83. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe trƣớc

84

Hình 3.84. Đồ thị phản lực tiếp tuyến tại bánh xe sau

84

10


Hình 3.85. Đồ thị mô men trên bánh xe trƣớc

85

Hình 3.86. Đồ thị mô men trên bánh xe sau

85

Hình 3.87. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe trƣớc

85

Hình 3.88. Đồ thị hệ số trƣợt tại bánh xe sau

86

Hình 3.89. Đồ thị gia tốc phanh

86

Hình 3.90. Đồ thị quãng đƣờng phanh

86

Danh mục các bảng
Bảng 1.1. Kết quả thí nghiệm khi phanh ôtô du lịch có trang bị ABS

24

Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của xe khảo sát

48

Bảng 2.2. Các giá trị mô men khảo sát

49

11

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy trong Bộ môn Ôtô và xe chuyên dụng –
Việc Cơ khí Động lực – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và các bạn đồng
nghiệp, đặc biệt là lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS-TS. Võ Văn Hƣờng – Thầy
giáo hƣớng dẫn đề tài – đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tác giả trong việc định
hƣớng nghiên cứu và các phƣơng pháp giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra.
Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi sai sót,
tác giả rất mong tiếp tục nhận đƣợc sự quan tâm, đóng góp ý kiến của các thầy, cô
và các bạn đồng nghiệp nhằm bổ sung và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu
tiếp theo.
Hà Nội, ngày 26 tháng 8 năm 2013
Tác giả

Dƣơng Văn Toàn

12


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay khi mà ôtô đã trở thành phƣơng tiện đi lại ngày càng phổ biến, tốc
độ ôtô ngày càng tăng cao thì yêu cầu về độ an toàn cũng nhƣ sự thuận tiện khi điều
khiển ôtô ngày càng cao hơn. Hệ thống phanh là hệ thống an toàn quyết định đến
việc hạn chế tai nạn giao thông. Thêm vào đó cũng cần có những nghiên cứu, đánh
giá đúng mức ảnh hƣởng của các yếu tố đến hiệu quả phanh nhằm góp phần làm
sáng tỏ bản chất phanh ô tô. Qua đó có thể giúp ngƣời điều khiển nhận thức về vận
hành và sửa chữa hệ thống phanh tốt hơn.
Trƣớc nhu cầu thực tế trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Khảo sát ảnh hƣởng
của ABS và điều hòa lực phanh đến hiệu quả phanh bằng mô hình đông lực

học 1/2” nhằm nghiên cứu các vấn đề về động lực học của xe ôtô nói chung và
nghiên cứu quá trình phanh nói riêng. Từ các thông số động lực học nghiên cứu
trong quá trình phanh, chúng ta có thể dựa vào đó tìm ra các giải pháp để làm cho
xe trở nên an toàn hơn khi phanh và giúp cho việc điều khiển xe thuận tiện hơn với
ngƣời sử dụng, giảm thiểu các tai nạn giao thông do xe gây ra.
2. Mục đích nghiên cứu
Trên cơ sở đặt vắn đề ở trên, đề tài tập trung vào khảo sát động lực học của xe
ôtô con khi phanh với các giả thiết quan trọng với mục đích:
- Xây dựng mô hình chính xác, gần hơn với điều kiện thực tế.
- Khảo sát một số trƣờng hợp gây ra mất ổn định của xe khi phanh.
- Đánh giá khả năng đảm bảo an toàn của xe mô phỏng trong các điều kiện
khác nhau.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực của xe ô tô con.
- Bộ điều hoà lực phanh trên ô tô con.
- Hệ thống phanh dẫn động thuỷ lực trên ô tô con không có ABS và Điều hoà
lực phanh.
13


3.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu động lực học của xe ôtô là rất rộng và thời gian nghiên
cứu cho luận văn có hạn vì vậy trong khuôn khổ luận văn, đề tải chỉ tập trung vào
các nội dung chính:
- Xây dựng mô hình tính toán cho xe ôtô.
- Thiết lập các phƣơng trình toán học mô tả chuyển động của ôtô.
- Giải hệ phƣơng trình đƣợc thành lập trên máy tính.
- Khảo sát các trạng thái phanh đặc trƣng và mô phỏng kết quả trên máy tính,
xem xét sự thay đổi các thông số động học, động lực học của ôtô.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Việc nghiên cứu đề tài có thể tiến hành nhiều cách nhƣ:
- Khảo sát trên mô hình thực với bãi thí nghiệm lớn.
- Dùng mô hình đồng dạng trên sa bàn.
- Dùng mô tả toán học và mô phỏng bằng các công cụ trên máy tính.
Với phƣơng pháp dùng thực nghiệm trên bãi lớn có ƣu điểm cho kết quả tin
cậy nhất, song tốn kém và rất nguy hiểm khi thử nghiệm xe, điều này hoàn toàn
chƣa phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật trong nƣớc cũng nhƣ quy mô của đề
tài. Với mô hình đồng dạng trên sa bàn nhằm hạn chế các tổn thất có thể xảy ra trên
bãi thử, tuy nhiên việc chế tạo ra mô hình đồng dạng cũng không phải dễ dàng, phải
sử dụng nhiều thiết bị đo đạc. Tính tin cậy của bài toán đòi hỏi thiết bị đo đạc, lấy
số liệu với độ chính xác cao dẫn tới kinh phí thực hiện lớn.
Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực
ứng dụng, việc mô tả toán học và chuyển đổi sang mô hình mô phỏng bằng các
phần mềm chuyên dụng hiện đại đang đƣợc sử dụng rộng rãi và có nhiều ƣu điểm
hơn cả. Mô phỏng trên máy tính cho phép rút ngắn đƣợc thời gian nghiên cứu, dễ
dàng thay đổi các thông số, kết quả đạt đƣợc có độ chính xác tƣơng đối cao. Trong
thời gian cho phép, đề tài lựa chọn loại xe 4 chỗ (ô tô con) và sử dụng công cụ mô
phỏng trên máy tính để khảo sát quá trình phanh của xe.

14


Mục tiêu của đề tài là thiết lập bài toán phanh của xe. Các lực kích động tác
động lên xe cũng rất phức tạp, trong khuôn khổ đề tài tập trung xem xét các tác
động của mômen phanh tác dụng lên các bánh xe, với các giả thiết chủ yếu là: Xe
chạy thẳng, chuyển động đều trƣớc khi phanh.
5. Cấu trúc luận văn
Phần mở đầu
Nội dung

- Chƣơng l: Tổng quan
- Chƣơng 2: Thiết lập mô hình động lực học ô tô
- Chƣơng 3: Khảo sát ảnh hƣởng của ABS và Điều hoà lực phanh
Kết luận và kiến nghị.

15


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Hiệu quả phanh
Quá trình phanh ôtô là quá trình tính từ khi ngƣời lái phát hiện thấy chƣớng
ngại vật và quyết định đạp phanh đến khi tốc độ xe giảm xuống một giá trị xác định
theo yêu cầu của ngƣời lái.
Khi phanh xảy ra hai quá trình: ma sát giữa má phanh và trống phanh (hay đĩa
phanh) xảy ra trong cơ cấu phanh; ma sát giữa bánh xe với mặt đƣờng. Ma sát trong
cơ cấu phanh đƣợc đặc trƣng bởi hệ số ma sát giữa vật liệu làm guốc phanh, má
phanh với trống phanh hay đĩa phanh. Ma sát giữa bánh xe với mặt đƣờng đặc trƣng
bằng hệ số bám giữa bánh xe với mặt đƣờng. Ma sát giữa guốc phanh, má phanh và
trống phanh làm giảm tốc độ quay của bánh xe. Ma sát giữa bánh xe và mặt đƣờng
làm giảm tốc độ chuyển động của ôtô. Hệ thống phanh có hiệu quả tốt thì phần
động năng phải đƣợc tiêu tán trong cơ cấu phanh dƣới dạng nhiệt; tức là cơ cấu
phanh không bị bó cứng. Bản chất truyền lực giữa bánh xe và đƣờng là “truyền
khớp - truyền đàn hồi đàn hồi - truyền ma sát”.
Sơ đồ nguyên lý phanh đƣợc thể hiện trong hình 1.1.

Hình 1.1. Nguyên lý phanh

16

Khi phanh, lái xe đạp phanh, tạo ra mô men phanh cho bánh xe Mb. Khi đó có
hai thông số vận tốc là vận tốc dài và vận tốc góc; hai vận tốc này không bằng nhau,
một phần do lốp biến dạng, một phần do trƣợt tƣơng đối giữa lốp và đƣờng. Hiện
tƣợng trƣợt xảy ra khi quá trình đàn hồi kết thúc. Đặc trƣng cho sự tổn hao vận tốc
là hệ số trƣợt. Hình 1.2 là các thông số động lực học của bánh xe khi phanh; hình
1.3 là đƣờng đặc tính lốp. Đặc tính lốp là hàm phụ thuộc giữa hệ số bám dọc và hệ
số bám ngang với hệ số trƣợt dọc.

Hình 1.2. Động lực học bánh xe khi phanh

Hình 1.3. Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt
Hiệu quả phanh đƣợc xác định bởi hai yếu tố:
+ Quãng đường phanh sP . Các thông số tƣơng đƣơng đánh giá quá trình
phanh là gia tốc phanh x , thời gian phanh t p , lực phanh riêng

17

Fx
.
G


+ Ổn định phanh và tính dẫn hướng khi phanh: thông số đánh giá là góc quay
thân xe.
Trong thực tế, khi phanh thì trục dọc của ôtô có thể bị lệch đi một góc  so
với phƣơng chuyển động ban đầu. Sở dĩ nhƣ vậy là do tổng các lực phanh sinh ra ở
các bánh xe bên phải khác với tổng lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên trái và tạo
thành mômen quay vòng quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm của ôtô. Chú ý là
hiệu quả phanh phải dùng hai thông số tích hợp.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả phanh:

+ Phản lực tác dụng từ đƣờng: mấp mô đƣờng, đƣờng nghiêng, gió;
+ Lực quán tính ly tâm khi tăng tốc, khi phanh, chất tải lệch trọng tâm;
+ Độ bám giữa lốp và đƣờng: mấp mô tế vi, môi chất giữa lốp và đƣờng
(nƣớc, bụi, cát);
+ Cấu trúc của lốp: độ đàn hồi hƣớng kính, tiếp tuyến và ngang;
+ Động lực học bánh xe: cƣờng độ phanh, tốc độ tăng mômen khi phanh. Điều
này dẫn đến sự trƣợt bánh xe.
1.2. Giải pháp nâng cao hiệu quả phanh
Xét một bánh xe, lực phanh giới hạn là Fz x , max . Khi phanh non, chƣa tới hạn,

FB  Fz x  Fz x ,max , nhƣng lực bám ngang Fy  Fz y đủ lớn bảo đảm tính dẫn
hƣớng và ổn định phanh. Khi phanh tới hạn, FB  Fz x ,max , lực bám ngang Fy  Fz y
tiến tới giá trị 0. Trong trƣờng hợp này, gia tốc phanh là cực đại, nếu là bánh dẫn
hƣớng thì bánh xe ở cận mất lái; nếu là bánh sau là cận mất ổn định. Khi phanh
“già”, lực phanh của cơ cấu lớn hớn giới hạn vật lý, bánh xe sẽ trƣợt lết

FB  Fz x ,max , Fy  0 , khi đó gia tốc sẽ giảm và xe mất lái nếu là bánh xe dẫn
hƣớng, mất ổn định nếu là bánh sau. Khi đó bánh xe chuyển động theo phƣơng
quán tính hiện thời. Nếu cả 4 bánh xe đạt cận vật lý, xe sẽ chuyển động theo
phƣơng quán tính.

18


Fx

Fy

i

.

i

M Bi

Bx

Hình 1.4. Mô hình động lực học bánh xe
x

JA

x
F'z

..

JA

.

F'z

..

.
..

v

mx

v

MB

MA

rd

rd
Fx

e Fz

Fx

a) Bánh xe chủ động

e Fz

b) Bánh xe bị phanh

Hình 1.5. Các lực tác dụng lên bánh xe
Xét trong trƣờng hợp bánh xe bị phanh, các lực tác động lên bánh xe đƣợc xác
định nhƣ sau:

1
mx  Fx   cAx 2

2

(1.1)

J A  M B   Fx  fFZ  rd

(1.2)

Mô men phanh: MB= Fx rd

(1.3)

Trong đó: rd là bán kính động của bánh xe
Ta có một số quan hệ động lực học:
- Lực cản lăn:

FR  fFZ

(1.4)

- Hệ số trƣợt khi phanh:

sx  

x  r
x

(1.5)
19

Trong các phƣơng trình trên Fx là lực phanh hay còn đƣợc gọi là lực bám giữa
lốp và đƣờng, ta có thể viết nhƣ sau :

Fx   x FZ

(1.6)

Trong đó:
FZ : phản lực từ đƣờng tác dụng lên bánh xe

 x : hệ số bám dọc

Hệ số bám  x đƣợc xác định theo Hàm Ammon:
m0 (1  / /) 2   /  / (3  2 /  /) /

f ( )  
( wp  1) 2  v (/ / 1) 2
 sign( ) (  1) 2  (/ / 1) 2
wp


khi /  /  1
khi /  /  1

(1.7)

Lực phanh Fx có thể đƣợc viết dƣới dạng sau:
Fx   x ,max Fz ,ef (

Fz
) f ( )
Fz ,0

 s2   2
x
f ( )  f 
 sx ,max  x ,max







(1.8)

Nhƣ vậy để xe chuyển động ổn định và đạt hiệu quả khi phanh ta phải cấp lực
phanh Fx không vƣợt quá giới hạn vật lý, muốn vậy ta phải điều khiển hệ số trƣợt sx
sao cho không vƣợt quá hệ số trƣợt cực đại sx,max. Nếu hệ số trƣợt sx ≥ sx,max thì bánh
xe sẽ bị bó cứng và trƣợt. Để tránh hiện tƣợng bó cứng bánh xe khi phanh thì ta cần
phải trang bị hệ thống phanh ABS (hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh).
Mặt khác, khi phanh thì trọng tâm xe có xu hƣớng dịch chuyển về phía trƣớc
nên tải trọng phân bố lên cầu trƣớc tăng còn tải trọng phân bố lên cầu sau giảm, khi
đó phản lực Fz từ mặt đƣờng tác động lên bánh sau giảm và tăng lên ở bánh trƣớc.
Lúc đó ta có: Fx'  Fz' x ( Fx'  Fx ), khi phản lực Fz giảm thì khả năng bám của bánh
xe cũng giảm có nghĩa là hệ số bám  x giảm, kéo theo giới hạn vật lý phanh cũng
giảm theo. Do đó ta phải cấp lực phanh ra bánh xe sau nhỏ hơn bánh xe trƣớc. Để
thực hiện đƣợc nhiệm vụ này thì trên xe phải trang bị bộ điều hoà lực phanh.
20

Vậy giải pháp để nâng cao hiệu quả phanh là:
- Trang bị bộ điều hoà lực phanh để phân bố mô men phanh ra các bánh xe sau
phù hợp với sự thay đổi tải trọng của cầu sau khi phanh.
- Trang bị hệ thống phanh ABS để điều khiển hệ số trƣợt sx tránh hiện tƣợng
bó cứng bánh xe khi phanh, gây mất ổn định xe khi phanh.
- Hoặc đồng thời trang bị trên xe cả ABS và điều hoà lực phanh.
1.3. Cơ sở lý thuyết về hệ thống ABS
Hệ thống chống hãm cứng bánh xe (ABS) thực chất là một bộ điều chỉnh lực
phanh có mạch liên hệ ngƣợc. Sơ đồ khối điển hình của một ABS có dạng nhƣ trên
hình vẽ 3-3 dƣới đây, gồm:
- Bộ phận cảm biến 1, bộ phận điều khiển 2, bộ phận chấp hành hay cơ cấu
thực hiện 3 và nguồn năng lƣợng 4.
- Bộ phận cảm biến 1 có nhiệm vụ phản ánh sự thay đổi của các thông số đƣợc
chọn để điều khiển (thƣờng là tốc độ góc hay gia tốc chậm dần của bánh xe hoặc giá
trị độ trƣợt) và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển 2. Bộ phận 2 sẽ xử lý tín hiệu và
truyền lệnh đến cơ cấu thực hiện 3 để tiến hành giảm hoặc tăng áp suất trong dẫn
động phanh.
- Chất lỏng đƣợc truyền từ xylanh chính (hay tổng van khí nén) 5 qua 3 đến
các xylanh bánh xe (hay bầu phanh) 6 để ép guốc phanh và thực hiện quá trình
phanh.

Hình 1.6. Sơ đồ tổng quát của một hệ thống chống hãm cứng bánh xe
1- Cảm biến tốc độ; 2- Bộ phận điều khiển; 3- Cơ cấu thực hiện; 4- Nguồn năng
lƣợng; 5- Xylanh chính hoặc tổng van khí nén; 6- Xylanh bánh xe hoặc bầu phanh.
21


Để hiểu đƣợc nguyên lý làm việc của hệ thống chống hãm cứng bánh xe, ta

khảo sát quá trình phanh xe nhƣ trên hình 1.7.

F'z
Mj = Jb

.

..

MB

Fp
Fz
Hình 1.7. Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh
Nếu bỏ qua mômen cản lăn rất nhỏ và để đơn giản coi Fz = const, thì phƣơng
trình cân bằng mô men tác dụng lên bánh xe đối với trục quay của nó khi phanh, có
dạng:
M p  M  J b  0

Ở đây:

(1.9)

Mp - Mô men phanh tạo nên bởi cơ cấu phanh.
Mφ - Mô men bám của bánh xe với đƣờng.
Jb

- Mô men quán tính của bánh xe.

Từ đó ta có gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh:

b 

(M p  M )

(1.10)

Jb

Hình 1.8. Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS
22


Sự thay đổi Mp, Mφ, và εb theo độ trƣợt đƣợc thể hiện trên hình 1.8.
- Đoạn O - 1 - 2: biểu diễn quá trình tăng Mp khi đạp phanh. Hiệu (Mp - Mφ) tỷ
lệ với gia tốc chậm dần εb của bánh xe. Hiệu trên tăng nhiều khi đƣờng Mφ đi qua
điểm cực đại. Do đó sau thời điểm này, gia tốc εb bắt đầu tăng nhanh. Sự tăng đột
ngột của gia tốc εb chứng tỏ bánh xe sắp bị hãm cứng và đƣợc sử dụng làm tín hiệu
vào thứ nhất để điều khiển làm giảm áp suất trong dòng dẫn động. Do có độ chậm
tác dụng nhất định nào đó (phụ thuộc vào tính chất hệ thống), sự giảm áp suất thực
tế bắt đầu từ điểm 2.
- Do Mp giảm, εb giảm theo và bằng không ở điểm 3. Vào thời điểm tƣơng ứng
với điểm 4 - mô men phanh có giá trị cực tiểu không đổi.
- Trên đoạn từ điểm 3 đến điểm 6, mô men phanh nhỏ hơn mô men bám, nên
xảy ra sự tăng tốc bánh xe. Sự tăng gia tốc góc bánh xe đƣợc sử dụng làm tín hiệu
vào thứ hai để điều khiển tăng áp suất trong hệ thống phanh (điểm 5).
- Khi tốc độ góc bánh xe tăng lên, độ trƣợt giảm và bởi vậy hệ số bám φx và Mφ
cũng tăng lên.
- Tiếp theo, chu trình lặp lại. Nhƣ vậy, trong quá trình điều khiển, bánh xe lúc
thì tăng tốc lúc thì giảm tốc và buộc Mφ phải thay đổi theo chu trình kín 1 - 2 - 3 - 4
- 5 - 6 - 1, giữ cho độ trƣợt của bánh xe dao động trong giới hạn λ1 ÷ λ2 (hình 1.8),

đảm bảo cho hệ số bám có giá trị gần với cực đại nhất.
Trên hình 1.9 là đồ thị biểu diễn quá trình thay đổi áp suất trong dẫn động và
gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh có ABS theo thời gian.

Hình 1.9. Sự thay đổi áp suất trong dẫn động và gia tốc chậm dần
của bánh xe khi phanh có ABS
23