Nghiên cứu hệ thống phanh ABS và xây dựng quy trình thử nghiệm hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của
TS.Dƣơng Ngọc Khánh và TS.Lê Hồng Quân. 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 trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng
đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào.
Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2013
Tác giả
Nguyễn Văn Tới

1


LỜI CẢM ƠN
Với tƣ cách là tác giả của luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
TS.Dƣơng Ngọc Khánh và TS.Lê Hồng Quân, các thầy đã hƣớng dẫn tôi hết sức
tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi hoàn thành luận văn này.
Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô và các bạn đồng
nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học và
làm luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
ngƣời đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong thời gian tôi học và làm luận văn.
Tác giả
Nguyễn Văn Tới

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2

MỤC LỤC ...................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................8
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH ABS .................................11
1.1. Cơ sở lý thuyết............................................................................................................. 11
1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh có trang bị ABS.................................... 14
1.3. Lý thuyết điều khiển của hệ thống phanh chống hãm cứng ABS .......................... 19
1.3.1. Yêu cầu của hệ thống phanh ABS ..........................................................19
1.3.2. Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS ...................................................20
1.3.3. Đặc tính lý tƣởng ....................................................................................22
1.3.4. Chu trình điều khiển của ABS ................................................................24
1.3.5 .Tín hiệu điều khiển ABS ........................................................................27
1.3.6. Quá trình điều khiển ABS ......................................................................28
1.3.7. Các phƣơng án bố trí hệ thống điều khiển của ABS ..............................30
CHƢƠNG 2: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ABS .36
2.1. Giới thiệu chung .......................................................................................................... 36
2.2. Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực .................................................................. 38
2.2.1. Cảm biến tốc độ bánh xe ........................................................................38
2.2.2. Cảm biến giảm tốc ..................................................................................39
2.2.3. Cảm biến gia tốc ngang ..........................................................................41
2.2.4. Hộp điều khiển điện tử ( ECU)...............................................................41
2.2.5. Bộ phận chấp hành thuỷ lực ...................................................................45
2.3. Hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén .................................................................. 51
2.3.1. Các phƣơng án dẫn động hệ thống phanh ABS khí nén.........................51
2.3.2. Sơ đồ hệ thống phanh ABS khí nén .......................................................58
2.3.3. Cấu tạo và hoạt động của các phần tử hệ thống ABS khí nén ...............59
CHƢƠNG 3: TIÊU CHUẨN ECE VỀ HỆ THỐNG PHANH .................................64
3.1. Cơ sở lý thuyết đánh giá hiệu quả phanh .................................................................. 64
3.1.1. Phƣơng trình cân bằng lực phanh ...........................................................64

3.1.2. Hiệu quả phanh và các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh ......................66
3.1.3. Tính ổn định hƣớng và các chỉ tiêu đánh giá tính ổn định hƣớng của ôtô
khi phanh ..........................................................................................................69
3.1.4. Giản đồ phanh.........................................................................................72

3


3.2. Tiêu chuẩn ECE R13 về hiệu quả phanh .................................................................. 74
3.2.1. Các chế độ thử phanh .............................................................................74
3.2.2. Tiêu chuẩn ECE R13 dùng cho kiểm tra phanh trên đƣờng...................76
3.2.3. Tiêu chuẩn ECE R13 dùng cho kiểm tra phanh trên bệ thử ...................82
3.3. Tiêu chuẩn ECE đối với các loại xe đƣợc lắp hệ thống chống hãm cứng ABS ... 83
3.3.1. Yêu cầu chung ........................................................................................83
3.3.2. Các yêu cầu đặc biệt liên quan đến xe cơ giới .......................................85
CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG PHANH .90
4.1. Tổng quan về thử nghiệm hệ thống phanh ............................................................... 90
4.1.1. Mục đích thử nghiệm..............................................................................90
4.1.2. Điều kiện thử nghiệm .............................................................................90
4.1.3. Các phƣơng pháp thử nghiệm hệ thống phanh .......................................91
4.2. Thử nghiệm phanh trên đƣờng .................................................................................. 92
4.2.1. Các điều kiện địa điểm thử .....................................................................92
4.2.2. Các thiết bị dùng cho thí nghiệm phanh trên đƣờng ..............................94
4.2.3. Quy trình thử nghiệm .............................................................................96
4.3. Thử nghiệm phanh trên bệ thử ................................................................................. 103
4.3.1. Bệ thử phanh .........................................................................................104
4.3.2. Quy trình thử nghiệm ...........................................................................105
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................108
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................109

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hiệu

Tên hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1

Sự thay đổi hệ số bám dọc 𝜑x và hệ số bám ngang 𝜑y theo độ trƣợt
tƣơng đối 𝜆 của bánh xe với mặt đƣờng khi phanh

Trang
13

Hình 1.2

Quá trình phanh có và không có ABS trên đoạn đƣờng cong

14

Hình 1.3

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

15

Hình 1.4

Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh

15

Hình 1.5

Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS

16

Hình 1.6

Sự thay đổi áp suất trong dẫn động (a) và gia tốc chậm dần của
bánh xe (b) khi phanh có ABS

17

Hình 1.7

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

19

Hình 1.8

Quá trình phanh điển hình của ôtô có trang bị ABS

19

Hình 1.9

Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS

21

Hình 1.10 Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trƣợt bánh xe

22

Hình 1.11 Đặc tính trƣợt lý tƣởng.

22

Hình 1.12 Quá trình phanh cơ bản theo đặc tính trƣợt lý tƣởng.

23

Hình 1.13 Chu trình điều khiển kín của ABS

24

Hình 1.14 Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS

25

Hình 1.15 Vòng lặp hoạt động của ABS

26

Hình 1.16 Quá trình điều khiển của ABS

29

Hình 1.17 Các phƣơng án điều khiển của ABS

32

Hình 1.18 Hiệu quả phanh và ổn định đối với các phƣơng án ABS khác nhau

35

Hình 2.1

Sơ đồ cấu tạo một hệ thống ABS trên xe

36

Hình 2.2

Sơ đồ khối các cụm chức năng của ABS

37

Hình 2.3

Sơ đồ điều khiển của hệ thống ABS

37

Hình 2.4

Cảm biến tốc độ bánh xe loại điện từ

38

Hình 2.5

Tín hiệu điện áp ở tốc độ bánh xe

39

5


Hình 2.6

Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh xe loại nam châm quay.

39

Hình 2.7

Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc

39

Hình 2.8

Các chế độ hoạt động của cảm biến giảm

40

Hình 2.9

Cảm biến gia tốc ngang

41

Hình 2.10 Các chức năng điều khiển của ECU

42

Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện ABS của xe Toyota Celica

43

Hình 2.12 Điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi phanh

44

Hình 2.13 Bộ phận chấp hành thủy lực

46

Hình 2.14 Sơ đồ bộ chấp hành thuỷ lực

47

Hình 2.15 Chế độ phanh bình thƣờng (ABS không hoạt động)

47

Hình 2.16 Chế độ giảm áp

48

Hình 2.17 Chế độ giữ áp

49

Hình 2.18 Chế độ tăng áp

49

Hình 2.19 Sơ đồ bộ phận chấp hành thuỷ lực loại 8 van điện 2 vị trí

50

Hình 2.20 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén ABS loại 4S/3K

52

Hình 2.21 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén ABS loại 6S/3K

55

Hình 2.22 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén ABS loại 6S/4K

56

Hình 2.23 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén ABS loại 6S/6K

57

Hình 2.24 Sơ đồ bố trí hệ thống phanh ABS khí nén trên xe

58

Hình 2.25 Cảm biến đo tốc độ góc

59

Hình 2.26 Trạng thái tăng áp của van điều chỉnh áp suất

60

Hình 2.27 Trạng thái giữ áp của van điều chỉnh áp suất khí nén

61

Hình 2.28 Trạng thái giảm áp của van điều chỉnh áp suất

61

Hình 2.29 Sơ đồ tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc góc bánh xe

63

Hình 3.1

Lực tác dụng lên ô tô khi phanh

64

Hình 3.2

Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh mà ôtô lệch đi một góc 

69

Hình 3.3

Sơ đồ xác định độ lệch bên của ô tô khi phanh

71

Hình 3.4

Giản đồ phanh

72

6


Hình 4.1

Súng phun chất lỏng

95

Hình 4.2

Kiểm tra vết đánh dấu của súng phun

95

Hình 4.3

Sơ đồ nguyên lý bệ thử phanh ô tô loại con lăn.

104

7


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu

Tên bảng biểu

Trang

Bảng 1.1 Kết quả thí nghiệm khi phanh ôtô du lịch có trang bị ABS

18

Bảng 2.1 Trạng thái làm việc của mỗi cửa van và bơm dầu

51

Bảng 2.2 Trạng thái làm việc của các van

62

Bảng 3.1 Vận tốc và quãng đƣờng làm nóng cơ cấu phanh

75

Bảng 3.2 Các điều kiện phanh

75

Bảng 3.3 Tiêu chuẩn Việt Nam 22 TCN-224-2000

76

Bảng 3.4 Điều kiện thử phanh cho loại xe M, N theo tiêu chuẩn ECE

77

Bảng 3.5 Tiêu chuẩn châu Âu ECE R13

78

Bảng 3.6 Quãng đƣờng phanh và gia tốc chậm dần cực đại trung bình khi
hƣ hỏng dẫn động phanh

81

Bảng 3.7 Tiêu chuẩn kiểm tra phanh trên bệ thử

82

Bảng 3.8 TCVN 5658 – 1999

83

Bảng 3.9 Vận tốc thử lớn nhất theo hệ số bám

87

Bảng 4.1 Tiêu chuẩn lốp của một số loại xe.

93

Bảng 4.2 Quy trình thử nghiệm quãng đƣờng phanh của hệ thống phanh chính

97

Bảng 4.3 Quy trình thử nghiệm thời gian phanh của hệ thống phanh chính

99

Bảng 4.4 Quy trình thử nghiệm gia tốc phanh của hệ thống phanh chính

100

Bảng 4.5 Quy trình thử nghiệm tính ổn định hƣớng chuyển động của hệ
thống phanh chính trên đƣờng

101

Bảng 4.6 Thử nghiệm hệ thống phanh đỗ trên đƣờng dốc

102

Bảng 4.7 Quy trình thử nghiệm hệ thống phanh đỗ trên đƣờng bằng

102

Bảng 4.8 Quy trình thử nghiệm hiệu quả phanh trên băng thử

105

8


MỞ ĐẦU
l. Lý do chọn đề tài
Trƣớc yêu cầu đẩy nhanh nền công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nƣớc thì sự
phát triển của cơ sở hạ tầng giao thông đi đôi với sự phát triển của các phƣơng tiện
giao thông. Vận tốc của các phƣơng tiện tham gia giao thông ngày càng lớn, nên
yêu cầu về chất lƣợng và độ an toàn khi sử dụng của phƣơng tiện ngày càng cao. Để
tránh những tai nạn xảy ra do chất lƣợng của phƣơng tiện khi tham gia giao thông,
ngoài vấn đề nâng cao chất lƣợng phanh ô tô thì việc xây dựng các quy trình thử
nghiệm hệ thống phanh để xác định hiệu quả hệ thống phanh đảm bảo tiêu chuẩn kỹ
thuật là vấn đề cần đƣợc chú trọng phát triển.
Trong quá trình sử dụng tổng thành hệ thống phanh của ô tô cần đặt ra các
tiêu chuẩn, một trong những tiêu chuẩn đó có quy định N013, tiêu chuẩn E/ECE/324,

E/ECE/TRANS/505 áp dụng cho các ôtô có và không trang bị hệ thống chống hãm
cứng phanh ABS.
Qua những phân tích trên cho thấy đề tài "Nghiên cứu hệ thống phanh ABS
và xây dựng quy trình thử nghiệm hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE" rất có
ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Vì vậy tôi đã quyết định chọn đề tài này làm luận văn
tốt nghiệp.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu hệ thống phanh ABS và tiêu chuẩn châu Âu ECE R13 quy định
hiệu quả hệ thống phanh.
Sử dụng tiêu chuẩn ECE R13 để xây dựng quy trình thử nghiệm hệ thống phanh.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực và khí nén.
Tiêu chuẩn ECE R13 áp dụng cho hệ thống phanh ô tô.
Quy trình thử nghiệm hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE.
3.2. Phạm vi nghiên cứu

9


Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực và dẫn động khí nén cho ô tô.
Tiêu chuẩn ECE R13.
Quy trình thử nghiệm hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu kết cấu của hệ thống phanh ABS.
Tìm hiểu quy định N013, tiêu chuẩn E/ECE/324, E/ECE/TRANS/505 áp
dụng cho các loại ôtô có và không trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS.
Xây dựng quy trình thử nghiệm hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phân tích kết cấu hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực và khí nén.

Phân tích các tiêu chuẩn châu Âu dùng cho hệ thống phanh kết hợp xây dựng
quy trình thử nghiệm trên đƣờng thử và trong phòng thí nghiệm thực tế.
6. Cấu trúc luận văn
Mở đầu
Nội dung
- Chƣơng l: Tổng quan hệ thống phanh ABS
- Chƣơng 2: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS
- Chƣơng 3: Tiêu chuẩn ECE về hệ thống phanh
- Chƣơng 4: Xây dựng quy trình thử nghiệm hệ thống phanh
Kết luận và kiến nghị.

10


Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH ABS
1.1. Cơ sở lý thuyết
Trên ôtô có trang bị hệ thống phanh nhằm mục đích giảm vận tốc hoặc dừng
hẳn xe khi cần thiết. Lúc đó ngƣời lái giảm lƣợng nhiên liệu cung cấp vào động cơ,
đồng thời đạp phanh để hãm xe lại. Nhờ hệ thống phanh ngƣời lái có thể nâng cao
vận tốc chuyển động trung bình của ô tô mà vẫn đảm bảo an toàn khi chuyển động.
Do vận tốc chuyển động của xe ngày càng cao nên việc đi sâu nghiên cứu hoàn
thiện sự làm việc của hệ thống phanh nhằm tăng tính hiệu quả khi phanh, đảm bảo
an toàn chuyển động của ô tô ngày càng cấp thiết. Nhƣ ta đã biết, khi ngƣời lái xe
tác dụng lực vào bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra mômen ma sát giữa má
phanh với tang trống hay đĩa phanh và đƣợc gọi là mômen phanh nhằm hãm bánh
xe lại, lúc đó tại vị trí bánh xe tiếp xúc với mặt đƣờng xuất hiện phản lực tiếp tuyến
Pp ngƣợc chiều với chuyển động của xe. Phản lực này đƣợc gọi là lực phanh và xác
định theo biểu thức:[5]
PP =

Mp
rb

(1.1)

Trong đó:
Mp - Mômen phanh tác dụng lên bánh xe,
Pp - Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đƣờng,
rb - Bán kính làm việc của bánh xe.
Lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi lực bám của bánh xe với mặt đƣờng Pφ
tức phụ thuộc vào điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đƣờng và phản lực pháp
tuyến giữa bánh xe với mặt đƣờng và đƣợc thể hiện qua biểu thức:
Ppmax = Pφ = Zb.φ

(1.2)

Trong đó:
Ppmax - Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe
với mặt đƣờng,
Pφ - Lực bám giữa bánh xe với mặt đƣờng,

11


Zb - Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe.
Ta đã biết trong hệ thống phanh dẫn động thuỷ lực có bộ điều hòa thì điều
kiện phanh có hiệu quả và ổn định là:
Lực cản trong cơ cấu phanh < Lực cản giữa lốp và mặt đƣờng
Trong qúa trình phanh ô tô, mômen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lên làm lực
cản trong cơ cấu phanh tăng theo, đến một lúc nào đấy lực cản trong cơ cấu phanh

sinh ra sẽ lớn hơn lực cản lốp sẽ dẫn đến sự trƣợt lê bánh xe. Khi bánh xe bị trƣợt lê
hoàn toàn thì hệ số bám φ có giá trị thấp nhất. Theo biểu thức (1.2) thì khi bánh xe
bị trƣợt lê hoàn toàn thì lực phanh sinh ra giữa bánh xe và mặt đƣờng là nhỏ nhất,
dẫn đến hiệu quả phanh thấp nhất. Không những thế, nếu các bánh xe trƣớc bị trƣợt
lê sẽ làm cho hệ số bám dọc φx giảm đồng thời làm cho hệ số bám ngang φy giảm
khi đó mất bánh trƣớc sẽ không có khả năng dẫn hƣớng vì thế đầu xe sẽ chuyển
động theo lực quán tính hoặc độ nghiêng của mặt đƣờng, còn nếu các bánh xe sau bị
trƣợt lê thì xe sẽ bị trƣợt ngang theo về bên trái hoặc bên phải theo độ nghiêng của
mặt đƣờng và xe sẽ có xu hƣớng quay ngoắt vòng tròn khi lực quan tính đẩy trọng
tâm về phía trƣớc và tâm quay là bánh xe trƣớc có hệ số bám lớn. Nếu tất cả các
bánh xe bị trƣợt lê thì xe sẽ mất hoàn toàn tính ổn định. Khi đó xe sẽ bị văng theo
lực quán tính hoặc do độ nghiêng của mặt đƣờng.
Hệ số bám này đƣợc xác định bằng thực nghiệm bánh xe đang chuyển động
bị hãm cứng hoàn toàn, nghĩa là bánh xe bị trƣợt lê 100%.
Trên thực tế, hệ số bám của bánh xe ô tô với mặt đƣờng ngoài việc phụ thuộc
vào loại đƣờng và tình trạng mặt đƣờng mà cũng phụ thuộc khá nhiều bởi độ trƣợt
của bánh xe tƣơng đối với mặt đƣờng trong qúa trình phanh.
Trên hình (1.1) chỉ ra mối quan hệ giữa hệ số bám dọc φx và hệ số bám
ngang φy của bánh xe với mặt đƣờng theo độ trƣợt ngang tƣơng đối ở giữa bánh xe
và mặt đƣờng.

12


x y
0.8

x max
x

0.6

0.4

0.2

y


0

20

40

60

80

100



Hình 1.1. Sự thay đổi hệ số bám dọc 𝜑x và hệ số bám ngang 𝜑y theo độ trƣợt tƣơng
đối 𝜆 của bánh xe với mặt đƣờng khi phanh
Độ trƣợt tƣơng đối ở của bánh xe với mặt đƣờng đƣợc xác định theo biểu thức:
𝜆=
Trong đó:

v  wb .rb

v

(1.3)

v - Vận tốc của ô tô
wb - Vận tốc góc của bánh xe khi phanh
rb - Bán kính làm việc của bánh xe

Từ hình 1.1 ta thấy rằng hệ số bám dọc có giá trị cực đại 𝜑xmax ở giá trị độ
trƣợt tối ƣu 𝜆o. Thực nghiệm chứng tỏ thấy rằng giá trị 𝜆o thƣờng nằm trong giới
hạn 15 ÷ 20%. Ở giá trị độ trƣợt tối ƣu không những đảm bảo hệ số bám dọc có giá
trị cực đại mà hệ số bám ngang cũng có giá trị khá cao. Nhƣ vậy nếu giữ cho qúa
trình phanh xảy ra ở độ trƣợt của bánh xe là λo thì sẽ đạt đƣợc lực phanh cực đại
Ppmax = 𝜑xmax.Zb nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất và đảm bảo tính ổn định và
tính dẫn hƣớng khi phanh. Giải pháp tiên tiến nhất hiện nay để đảm bảo mối quan
hệ trên khi phanh là hệ thống phanh có sự trợ giúp của hệ thống chống bó cứng
bánh xe (ABS). Nhƣ vậy chức năng cơ bản của hệ thống phanh có trang bị ABS là
giữ cho các bánh xe trong qúa trình phanh ở độ trƣợt thay đổi trong một giới hạn
hẹp quanh giá trị λo, do đó đảm bảo hiệu quả phanh cao nhất đồng thời đảm bảo tính
ổn định hƣớng và tính dẫn hƣớng khi phanh đặc biệt ở tốc độ cao và đƣờng có hệ số
bám thấp. Để giữ cho các bánh xe làm việc ở vùng độ trƣợt quanh giá trị ở trong

13


giới hạn hẹp và không dẫn tới hiện tƣợng hãm cứng bánh xe khi phanh thì phải điều
chỉnh áp suất môi chất (dầu hoặc khí) dẫn đến các cơ cấu phanh vì vậy hệ thống
ABS điều khiển chống bó cứng các bánh xe trên cơ sở điều khiển áp suất môi chất
dẫn động đến các bánh xe, đó cũng chính là chức năng cơ bản của hệ thống ABS.
Để giữ cho các bánh xe không bị hãm cứng hoàn toàn khi phanh ngặt, cần

phải điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh sao cho độ trƣợt của bánh xe với mặt
đƣờng thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị tối ƣu. Các hệ thống chống hãm
cứng bánh xe khi phanh có thể sử dụng các nguyên lý điều chỉnh khác nhƣ:
- Theo gia tốc chậm dần của bánh xe đƣợc phanh.
- Theo độ trƣợt cho trƣớc.
- Theo tỷ số vận tốc góc của bánh xe và gia tốc chậm dần của nó.
Nhƣ vậy hệ thống chống hãm cứng bánh xe là một trong các hệ thống an
toàn chủ động của một ôtô hiện đại. Nó góp phần giảm thiểu các tai nạn nguy hiểm
nhờ điều khiển quá trình phanh một cách tối ƣu.

Hình 1.2. Quá trình phanh có và không có ABS trên đoạn đƣờng cong
1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh có trang bị 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 1.3 dƣới đây, gồm:

14


- 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 3. 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 1.3. 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.
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 1.4.

Hình 1.4. Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh

15


Nếu bỏ qua mômen cản lăn rất nhỏ và để đơn giản coi Zbx = 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  Jb (

Trong đó:

d b
)0
dt

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.

 b - Tốc độ góc của bánh xe.

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

d b ( M p  M  )

dt
Jb

Hình 1.5. Sự thay đổi các thông số khi phanh có ABS
Sự thay đổi Mp, Mφ, và εb theo độ trƣợt đƣợc thể hiện trên hình 1.5.
- 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

16


tác dụng nhất định nào đó (phụ thuộc vào tính chất hệ thống), sự giảm áp suất thực
tế bắt đầu từ điểm 3.
- Do Mp giảm, εb giảm theo và bằng không ở điểm 3 (khi Mp - Mφ). 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 φ 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 1.5),
đảm bảo cho hệ số bám có giá trị gần với cực đại nhất.
Trên hình 1.6 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 1.6. Sự thay đổi áp suất trong dẫn động (a) và gia tốc chậm dần của bánh
xe (b) khi phanh có ABS
Hình 1.6. a) cho thấy, quá trình phanh với ABS nói chung có 3 giai đoạn (3
pha): tăng áp suất (1 → 2), giảm áp suất (2 → 4) và duy trì (giữ) áp suất (4 → 5).
ABS làm việc với 3 giai đoạn nhƣ vậy gọi là ABS 3 pha. Một số ABS có thể không
có pha duy trì áp suất gọi là ABS 2 pha.

17


Với các hệ thống chống hãm cứng bánh xe hiện nay, hệ số trƣợt thay đổi trong
khoảng λ1 ÷ λ2 = (15 ÷ 30)%. Tần số thay đổi áp suất trong dẫn động khí nén
khoảng (3 ÷ 8) Hz còn trong dẫn động thủy lực đến 20Hz.
Để thấy rõ vai trò của ABS có thể tham khảo số liệu trong bảng 1.1 nhận đƣợc
khi thử nghiệm xe du lịch (sách lý thuyết ô tô và máy kéo trang 295) trong hai
trƣờng hợp có và không có ABS và đồ thị quá trình phanh trên hình 1.7; 1.8.
Bảng 1.1. Kết quả thí nghiệm khi phanh ôtô du lịch có trang bị ABS [5]
Loại đƣờng

Tốc độ bắt đầu Quãng đƣờng phanh Sp(m)

Mức tăng hiệu

phanh V(m/s)

Có ABS

Không ABS

quả phanh (%)

Đƣờng bêtông khô

13,88

10,6

13,1

19,1

Đƣờng bêtông ƣớt

13,88

18,7

23,7

21,1

Đƣờng bêtông khô

27,77

41,1

50,0

17,8

Đƣờng bêtông ƣớt

27,77

62,5

100,0

37,5

(Mỗi bánh xe có một cảm biến và điều khiển riêng rẽ)
Từ kết quả thí nghiệm trên ta nhận thấy đƣờng trơn và tốc độ xe càng lớn thì
hiệu quả phanh của hệ thống có trang bị ABS lớn hơn nhiều so với hệ thống phanh
không trang bị ABS.
Hệ thống ABS làm tăng tính ổn định và tính dẫn hƣớng của ôtô khi phanh. ở
giá trị độ trƣợt của bánh xe so với mặt đƣờng khoảng 15 - 25 % thì giá trị độ bám
dọc xấp xỉ giá trị max cũng độ bám ngang cũng đạt giá trị khá cao. Do đó vừa đảm
bảo hiệu quả phanh tốt và vừa đảm bảo tính ổn định dẫn hƣớng khi phanh.

18


Hình 1.7. Quá trình phanh điển hình trên mặt đƣờng trơn không có ABS

Hình 1.8. Quá trình phanh điển hình của ôtô có trang bị ABS
1.3. Lý thuyết điều khiển của hệ thống phanh chống hãm cứng ABS
1.3.1. Yêu cầu của hệ thống phanh ABS

Một hệ thống ABS hoạt động tối ƣu, đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lƣợng
phanh của ô tô phải thoả mãn đồng thời các yêu cầu sau:
- ABS phải đáp ứng các yêu cầu về an toàn liên quan đến động lực học của
hệ thống phanh và chuyển động của ô tô.
- Hệ thống phải làm việc ổn định và có khả năng thích ứng cao, điều khiển
trong suốt dải tốc độ của xe và ở bất kỳ loại đƣờng nào.

19


- Hệ thống phải khai thác một cách tối ƣu khả năng phanh của các bánh xe
trên đƣờng, do đó giữ tính ổn định điều khiển và giảm quãng đƣờng phanh. Điều
này không phụ thuộc vào việc phanh đột ngột hay phanh từ từ của ngƣời lái xe.
- Khi phanh trên đƣờng có hệ số bám khác nhau (ví dụ hai bánh xe bên phải
chạy trên đường tuyết và hai bánh bên trái chạy trên đường nhựa khô) thì mô men
xoay xe quanh trục đứng đi qua trọng tâm của xe là luôn luôn xảy ra không thể
tránh khỏi, nhƣng đối với sự hỗ trợ của hệ thống ABS, sẽ làm cho nó tăng rất chậm
để ngƣời lái xe có đủ thời gian bù trừ mô men này bằng cách điều chỉnh hệ thống lái
một cách dễ dàng.
- Phải duy trì độ ổn định và khả năng lái khi phanh trong lúc đang quay vòng.
- Hệ thống phải có chế độ tự kiểm tra, chẩn đoán và an toàn. Một mạch kiểm
soát phải liên tục kiểm tra sự hoạt động của hệ thống một cách đầy đủ. Nếu phát
hiện một lỗi nào đó có thể làm hƣ hỏng quá trình làm việc của ABS thì hệ thống sẽ
thông báo cho lái xe biết và khi đó hệ thống phanh sẽ làm việc nhƣ một hệ thống
phanh thƣờng.
1.3.2. Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS
Mục tiêu của hệ thống ABS là giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ
trƣợt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị o ( = 10  30%, trên đồ thị đặc tính
trượt), gọi là phạm vi điều khiển của hệ thống phanh ABS. Khi đó kết quả phanh
cao nhất (lực phanh đạt giá trị cực đại do có xmax) đồng thời tính ổn định của xe là

tốt nhất (y đạt giá trị cao), thoả mãn các yêu cầu cơ bản của hệ thống phanh là rút
ngắn quãng đƣờng phanh, cải thiện tính ổn định hƣớng và khả năng điều khiển lái
của xe trong khi phanh. Thực tế giới hạn này có thể thay đổi trong phạm vi lớn, có
thể bắt đầu sớm hơn hay kết thúc trễ hơn tùy theo điều kiện bám của bánh xe và
mặt đƣờng.

20


Hình 1.9. Phạm vi điều khiển của hệ thống ABS
Trên hình 1.9 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc x và độ trƣợt  ứng
với các loại lốp khác nhau chạy trên các loại đƣờng có hệ số bám khác nhau. Phạm
vi điều khiển của hệ thống ABS ứng với từng điều kiện cụ thể là khác nhau. Theo
đó, ta thấy đối với loại lốp bố tròn chạy trên đƣờng bê tông khô (đường cong 1) thì
giá trị xmax đạt đƣợc ứng với độ trƣợt khoảng 10% so với loại lốp bố chéo chạy
trên đƣờng nhựa ƣớt (đường 2) là 30%. Độ trƣợt tối ƣu 0 để đạt giá trị hệ số bám
cực đại trong trƣờng hợp trên là khác nhau. Vì vậy, phạm vi điều khiển ABS của
chúng cũng khác nhau, trƣờng hợp lốp bố tròn chạy trên đƣờng bê tông khô sẽ có
quá trình điều khiển ABS xảy ra sớm hơn. Tƣơng tự là phạm vi điều khiển của hệ
thống ABS đối với loại lốp bố tròn chạy trên đƣờng tuyết và đƣờng đóng băng
(đường 3 và 4).
Khi phanh trên đƣờng vòng, xe chịu sự tác động của lực ngang nên các bánh
xe sẽ có một góc trƣợt . Đồ thị hình 1.10 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc

x và hệ số bám ngang y với độ trƣợt  ứng với góc trƣợt  = 20 và  = 100. Ta
nhận thấy rằng khi góc trƣợt lớn thì tính ổn định của xe giảm đi rất nhiều. Trong
trƣờng hợp này hệ thống ABS sẽ ƣu tiên điều khiển tính ổn định của xe hơn là

21

quãng đƣờng phanh. Vì vậy ABS sẽ can thiệp sớm khi hệ số bám dọc x có giá trị
rất nhỏ (x  0,35), trong khi hệ số bám ngang y đạt giá trị cực đại của nó là 0,8.
Quá trình điều khiển này cũng đƣợc kéo dài hơn bình thƣờng, nhờ vậy xe giữ đƣợc
tính ổn định khi phanh trên đƣờng vòng, mặc dù quãng đƣờng phanh có thể dài hơn
so với khi chạy thẳng.

Hình 1.10. Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trƣợt bánh xe
1.3.3. Đặc tính lý tƣởng
Hình 1.11 biểu diễn đƣờng đặc tính lý tƣởng khi phanh. Trong vùng ổn định
(a) hệ số bám dọc tăng tuyến tính và đạt giá trị cực đại xmax tại 0. Trong vùng
không ổn định (b), hệ số bám dọc vẫn đƣợc duy trì với giá trị cực đại, nhờ vậy sẽ
tận dụng đƣợc hết khả năng bám giữa bánh xe và mặt đƣờng để đƣợc lực phanh tối
ƣu. Đây là cơ sở để thiết kế hoạt động của hệ thống ABS

a- Vùng ổn định ;

b- Vùng chưa ổn định

Hình 1.11. Đặc tính trƣợt lý tƣởng

22


Trên hình 1.12 thể hiện mối quan hệ giữa mô men phanh Mp (mô men phanh
do cơ cấu phanh tạo ra) và mô men bám của bánh xe MR (là mô men tác động
ngược của mặt đường đối với bánh xe) với thời gian t (hình trên), cũng nhƣ sự giảm
tốc của bánh xe ( -a) với thời gian t (hình dưới). Mô men phanh Mp tăng tuyến tính
theo thời gian. Mô men bám MR xuất hiện theo mô men phanh với thời gian trễ nhỏ
là T khi phanh trong vùng ổn định. Hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại xmax sau một

thời gian xấp xỉ 130 ms. Trong khi Mp tiếp tục tăng không ngừng, MR không thể
tăng thêm đƣợc nữa và đƣợc giữ không đổi do hệ số bám đạt giá trị cực đại. Sự
chênh lệch Mp - MR là nhỏ trong trong giai đoạn (b). Sự thay đổi khoảng chênh lệch
mô men này dẫn đến ở giai đoạn ổn định thì sự giảm tốc của bánh xe khi phanh là
chậm và có giá trị nhỏ, và nó giảm nhanh trong giai đoạn không ổn định. Chính sự
biến thiên khác nhau của gia tốc nói trên dẫn đến các kiểu ứng xử trái ngƣợc nhau
trong giai đoạn ổn định và không ổn định của đƣờng đặc tính trƣợt. ABS sử dụng
các đặc tính trái ngƣợc này để thực hiện quá trình điều khiển.

(-a) gia tốc bánh xe; (-amax) gia tốc lớn nhất của bánh xe khi phanh;
Mp mô men phanh; Mr mô men bám; Mrmax mô men bám cực đại.
Hình 1.12. Quá trình phanh cơ bản theo đặc tính trƣợt lý tƣởng.

23


1.3.4. Chu trình điều khiển của ABS

Tín hiệu đầu vào
Tín hiệu tác động

Tín hiệu
điều khiển

Đối tƣợng điều
khiển
Nhân
ảnhaỷnh
hƣởng
Nhaõntốtoỏ

1- Bộ chấp hành thuỷ lực; 2- Xyhhửụỷng
lanh phanh chính;3- Xy lanh làm việc;
4- Bộ điều khiển (ECU); 5- Cảm biến tốc độ bánh xe
Hình 1.13. Chu trình điều khiển kín của ABS
Quá trình điều khiển của hệ thống ABS đƣợc thực hiện theo một chu trình
kín nhƣ hình 1.13. Các cụm của chu trình bao gồm:
- Tín hiệu vào là lực tác dụng lên bàn đạp phanh của ngƣời lái xe, thể hiện
qua áp suất dầu tạo ra trong xy lanh phanh chính.
- Tín hiệu điều khiển bao gồm các cảm biến tốc độ bánh xe và hộp điều khiển
(ECU). Tín hiệu tốc độ các bánh xe và các thông số nhận đƣợc từ nó nhƣ gia tốc và
độ trƣợt liên tục đƣợc nhận biết và phản hồi về hộp điều khiển để xử lý kịp thời.
- Tín hiệu tác động đƣợc thực hiện bởi bộ chấp hành, thay đổi áp suất dầu
cấp đến các xy lanh làm việc ở các cơ cấu phanh bánh xe.
- Đối tƣợng điều khiển: là lực phanh giữa bánh xe và mặt đƣờng. ABS hoạt
động tạo ra mô men phanh thích hợp ở các bánh xe để duy trì hệ số bám tối ƣu giữa
bánh xe với mặt đƣờng, tận dụng khả năng bám cực đại để lực phanh là lớn nhất.

24


- Các nhân tố ảnh hƣởng nhƣ: điều kiện mặt đƣờng, tình trạng phanh, tải
trọng của xe, và tình trạng của lốp (áp suất, độ mòn,…)
Quá trình điều khiển của ABS đƣợc trình bày dƣới dạng sơ đồ trạng thái
không gian nhƣ hình 1.14 giải thích các chế độ hoạt động của một hệ thống ABS
đơn giản.
Phanh
thƣờng

Giảm

áp

Giữ hay
tăng, giảm
áp

Dừng tác
động ABS

Giảm áp
chậm

Giảm áp
nhanh

Hình 1.14. Sơ đồ trạng thái không gian biểu diễn hoạt động của ABS
Khi phanh chậm, sự giảm tốc của xe thay đổi chậm và nhỏ thì hoạt động của
hệ thống phanh là bình thƣờng, hệ thống ABS không can thiệp. Khi phanh gấp hay
phanh trên đƣờng trơn, gia tốc chậm dần của bánh xe tăng nhanh, có hiện tƣợng bị
hãm cứng ở các bánh xe, thì ABS sẽ đƣa ra tín hiệu điều khiển giảm áp suất phanh
để chống lại sự hãm cứng các bánh xe. Sau đó áp suất phanh sẽ đƣợc điều khiển ở
các chế độ giữ áp hoặc tăng áp/giảm áp, thực hiện chế độ tăng áp chậm hay tăng áp
nhanh để duy trì độ trƣợt khi phanh nằm trong khoảng tối ƣu. Chu kỳ giảm áp - giữ
áp - tăng áp đƣợc điều khiển lặp lại phụ thuộc vào tình trạng trƣợt của bánh xe, kết
quả là giữ cho tốc độ bánh xe có dạng nhƣ hình 1.16 và sau đó kết thúc trở về trạng
thái bình thƣờng. Tuỳ vào điều kiện của bề mặt đƣờng, số chu kỳ điều khiển sẽ dao
động từ 4 10 lần trong vòng một giây. ABS đạt đƣợc tốc độ điều khiển nhanh này
nhờ những tín hiệu điện tử và khả năng đáp ứng, xử lý nhanh của các bộ vi xử lý
trong ECU.

25