Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén ở chế độ làm việc ABS
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.43 MB, 99 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM VIỆT ANH
Phạm Việt Anh
KỸ THUẬT Ô TÔ
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐÁP ỨNG TẦN SỐ ĐIỀU KHIỂN CỦA
HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN Ở CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC ABS
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT Ô TÔ
CH2016A
Hà Nội – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Phạm Việt Anh
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐÁP ỨNG TẦN SỐ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ
THỐNG PHANH KHÍ NÉN Ở CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC ABS
Chuyên ngành : Kỹ thuật Ô tô
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT Ô TÔ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN TRỌNG HOAN
Hà Nội – 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
1. Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực
tiếp của PGS. Nguyễn Trọng Hoan.
2. Mọi tài liệu tham khảo trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng.
3. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối tôi xin hoàn
toàn chịu trách nhiệm.
Học viên thực hiện
Phạm Việt Anh
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................................. 1
CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH Ô TÔ TẢI DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN CÓ TRANG BỊ ABS ....... 3
CÔNG DỤNG, PHÂN LOẠI, YÊU CẦU KẾT CẤU HỆ THỐNG PHANH............................................................... 3
1.1.1.
Công dụng hệ thống phanh................................................................................................. 3
1.1.2.
Phân loại ............................................................................................................................. 3
1.1.3.
Yêu cầu kết cấu ................................................................................................................... 4
CẤU TẠO CHUNG HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN ...................................................................................... 5
1.2.1.
Cơ cấu phanh tang trống điều khiển bằng cam. ................................................................. 5
1.2.2.
Hệ thống dẫn động điều khiển phanh................................................................................. 6
1.2.3.
Hệ thống phanh khí nén trên xe .......................................................................................... 8
HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS ........................................................................................ 16
1.3.1.
Tổng quan về ABS ............................................................................................................. 16
1.3.2.
Cơ sở lý thuyết hệ thống ABS. ........................................................................................... 18
1.3.3.
Hệ thống phanh ABS dẫn động khí nén. ........................................................................... 26
VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................................................................................................... 30
MỤC TIÊU, PHẠM VI, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI........................................... 30
CHƯƠNG II - PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC ....... 32
PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN [1][2] ...................................................................... 32
2.1.1.
Phương pháp mô phỏng với các thông số tập trung. ....................................................... 33
2.1.2.
Phương trình lưu lượng đi qua điểm nút .......................................................................... 40
2.1.3.
Các đồ thị thực nghiệm ..................................................................................................... 40
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHANH [4][5] ................................................ 42
2.2.1.
Các mô hình nghiên cứu động lực học .............................................................................. 42
2.2.2.
Mô hình hệ thống treo ...................................................................................................... 44
2.2.3.
Mô hình lốp Ammon ......................................................................................................... 45
2.2.4.
Phương pháp lập hệ phương trình ................................................................................... 48
CHƯƠNG III - XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ TẢ HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN ABS TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG
LỰC HỌC XE KHI PHANH ......................................................................................................................... 50
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ TẢ HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN CÓ ABS .......................................................... 50
3.1.1.
Sơ đồ tính toán và thông số của xe tham khảo ................................................................ 50
3.1.2.
Xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống .................................................................... 50
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC XE Ô TÔ KHI PHANH [4] ............................................................... 57
3.2.1.
Động lực học ô tô một dãy phương dọc không trượt ....................................................... 58
3.2.2.
Động lực học ô tô một dãy phương dọc có trượt ............................................................. 62
GHÉP NỐI MÔ PHỎNG KHÍ NÉN VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC XE BẰNG MÔ PHỎNG KHỐI ĐIỀU KHIỂN ABS
THEO ĐỘ TRƯỢT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN KIỂU P ................................................................................... 64
CHƯƠNG IV KHẢO SÁT TẦN SỐ ĐIỀU KHIỂN CẦN THIẾT CỦA HỆ THỐNG ABS KHÍ NÉN ....................... 67
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK [6][7].............................. 67
4.1.1.
Giới thiệu về MATLAB Simulink ......................................................................................... 67
4.1.2.
Mô phỏng hệ thống phanh khí nén và động lực học xe bằng MATLAB Simulink .............. 69
MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN ......................................................... 78
KHẢO SÁT TẦN SỐ ĐIỀU KHIỂN CẦN THIẾT ĐỂ HỆ THỐNG ABS LÀM VIỆC TRONG MIỀN TỐI ƯU ...................... 80
4.3.1.
Quá trình tăng và giảm áp trong hệ thống ....................................................................... 80
4.3.2.
Ngưỡng áp suất trên và dưới ........................................................................................... 83
4.3.3.
Tần số điều khiển tăng và giảm áp ................................................................................... 84
4.3.4.
Hệ số tăng áp .................................................................................................................... 85
KHẢO SÁT TẦN SỐ ĐIỀU KHIỂN CẦN THIẾT ĐỂ HỆ THỐNG ABS LÀM VIỆC TẠI MIỀN TỐI ƯU TRÊN XE CẢI BIÊN .... 86
4.4.1.
Biến thiên áp suất trong hệ thống phanh ABS khí nén trên xe cải biên ............................ 86
4.4.2.
Tần số điều khiển tăng và giảm áp trên xe cải biên .......................................................... 88
4.4.3.
Hệ số tăng áp trên xe cải biên ........................................................................................... 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................................... 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................... 92
MỤC LỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Cấu tạo cơ cấu phanh dạng cam .................................................................................................... 5
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo dẫn động phanh khí nén ......................................................................................... 8
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống phanh trên xe tham khảo .................................................................................... 9
Hình 1.4 Van phân phối dẫn động hai dòng ............................................................................................... 11
Hình 1.5 Bầu phanh trước (bầu phanh đơn). ............................................................................................. 13
Hinh 1.6 Kết cấu loại bầu phanh tích năng (bầu phanh kép) ..................................................................... 14
Hình 1.7 Van xả nhanh ............................................................................................................................... 14
Hình 1.8 Van gia tốc (Relay valve) .............................................................................................................. 15
Hình 1.9 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh ................................................................ 18
Hình 1.10 Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết ............................................................................... 20
Hình 1.11 Đặc tính trượt thể hiện sự thay đổi hệ số bám dọc 𝝋𝝋𝝋𝝋, hệ số bám ngang 𝝋𝝋𝝋𝝋 theo độ trượt
tương đối 𝝀𝝀 (a) và đặc tính trượt với các loại đường khác nhau (b) ............................................................... 21
Hình 1.12 Mối quan hệ giữa hệ số bám dọc và độ trượt tương đối với các loại lốp ................................. 22
Hình 1.13 Mối quan hệ φ x ; φ y với λ ứng với góc lệch bên φ i .................................................................... 23
Hình 1.14 Sự thay đổi của mô men phanh M b ,áp suất dẫn động phanh p và gia tốc 𝝕𝝕 của bánh xe khi
phanh có ABS ................................................................................................................................................... 25
Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén ABS loại 4S/3K .......................................................................... 26
Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén ABS loại 4S/4K .......................................................................... 27
Hình 1.17 Sơ đồ bố trí hệ thống phanh ABS trên xe .................................................................................. 28
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén ............................................................................ 33
Hình 2.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống phanh ................................................................................................ 34
Hình 2.3 Tiết lưu và ký hiệu trên sơ đồ mô phỏng ..................................................................................... 35
Hình 2.4 Sơ đồ lưu lượng đi qua van tiết lưu vào dung tích ...................................................................... 38
Hình 2.5 Lưu lượng vào xy lanh.................................................................................................................. 38
Hình 2.6 Mô hình hóa lưu lượng đi vào dung tích thay đổi ....................................................................... 39
Hình 2.7 Lưu lượng đi qua điểm nút .......................................................................................................... 40
Hình 2.8 Đồ thị hệ số lưu lượng ................................................................................................................. 41
Hình 2.9. Mô hình 1/4 ................................................................................................................................ 42
Hình 2.10. Mô hình 1/2 .............................................................................................................................. 43
Hình 2.11 Mô hình hệ thống treo............................................................................................................... 44
Hình 2.12 Đồ thị lực tương tác bánh xe Fx theo hệ số trượt s ................................................................. 46
Hình 2.13 Hàm Ammon .............................................................................................................................. 46
Hình 2.14 Hệ số bám cực đại và hệ số bám khi trượt trên các loại đường khác nhau với hai trạng thái khô
và ướt............................................................................................................................................................... 47
Hình 3.1 Sơ đồ và thông số hệ thống phanh xe tham khảo ....................................................................... 50
Hình 3.2 Sơ đồ tính toán nhánh phanh cầu trước ..................................................................................... 51
Hình 3.3 Sơ đồ tính toán nhánh phanh cầu sau ......................................................................................... 54
Hình 3.4 Các lực tác dụng lên xe trong mô hình phẳng không có lực nâng ............................................... 58
Hình 3.5 a) Mô hình ô tô phẳng tách cấu trúc............................................................................................ 60
Hình 3.5 b) Mô hình ô tô phẳng tách cấu trúc lực cản không khí quy về trọng tâm C ............................... 61
Hình 3.5 c) Mô hình ô tô phẳng tách cấu trúc lực cản không khí quy về hai cầu ....................................... 61
Hình 3.6 Đặc tính trượt thể hiện sự thay đổi hệ số bám dọc 𝝋𝝋𝝋𝝋 , hệ số bám ngang 𝝋𝝋𝝋𝝋 theo độ trượt tương
đối .................................................................................................................................................................... 65
Hình 3.7 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID ................................................................................................ 65
Hình 3.8 Độ trượt tương đối và xung điều khiển theo thời gian ............................................................... 66
Hình 4.1 Mô hình tính toán hệ thống phanh khí nén và động lực học xe tải ............................................ 69
Hình 4.2 Mô hình Simulink của khối tăng áp cầu trước ............................................................................. 70
Hình 4.3 Mô hình Simulink của khối tăng áp cầu sau ................................................................................. 71
Hình 4.5 Mô hình Simulink của khối giảm áp cầu sau ................................................................................ 73
Hình 4.6 a) Mô hình Simulink của động lực học xe tải phương trình (1), (2), và (3) .................................. 74
Hình 4.6 b) Mô hình Simulink của động lực học xe tải phương trình (4), (5), (6) và (7) ............................. 75
Hình 4.6 c) Mô hình Simulink các khối hỗ trợ ............................................................................................ 76
Hình 4.7 a) Điều khiển và mô phỏng khí nén theo độ trượt ...................................................................... 77
Hình 4.7 b) Khối điều khiển áp suất phanh cho cầu trước và cầu sau theo tín hiệu xung điều khiển f ..... 77
Hình 4.7 c) Khối điều khiển tạo xung theo độ trượt kiểu P ........................................................................ 78
Hình 4.8 Sơ đồ và thông số hệ thống phanh khí nén xe tham khảo .......................................................... 78
Hình 4.9 a) Quá trình tăng áp cầu trước .................................................................................................... 79
Hình 4.9 b) Quá trình tăng áp cầu sau ........................................................................................................ 79
Hình 4.9 c) Quãng đường phanh ................................................................................................................ 80
Hình 4.10 a) Biến thiên áp suất trong bầu phanh cầu trước trên đường khô............................................ 81
Hình 4.10 b) Biến thiên áp suất trong bầu phanh cầu sau trên đường khô ............................................... 81
Hình 4.11 a) Biến thiên áp suất trong bầu phanh cầu trước trên đường ướt............................................ 82
Hình 4.11 b) Biến thiên áp suất trong bầu phanh cầu sau trên đường ướt ............................................... 82
Hình 4.12 Ngưỡng áp suất trên và dưới trên đường khô .......................................................................... 83
Hình 4.13 Ngưỡng áp suất trên và dưới trên đường ướt .......................................................................... 83
Hình 4.14 Tần số điều khiển tăng và giảm áp theo thời gian trên đường khô ........................................... 84
Hình 4.15 Tần số điều khiển tăng và giảm áp theo thời gian trên đường ướt ........................................... 84
Hình 4.16 Hệ số tăng áp theo thời gian trên đường khô ........................................................................... 85
Hình 4.17 Hệ số tăng áp theo thời gian trên đường ướt ........................................................................... 85
Hình 4.18 a) Biến thiên áp suất trong bầu phanh cầu trước trên đường khô xe cải biên.......................... 87
Hình 4.18 b) Quá trình tăng áp cầu sau trên đường khô của xe cải biển xe cải biên ................................. 87
Hình 4.19 Tần số điều khiển tăng và giảm áp theo thời gian trên đường khô của xe cải biên .................. 88
Hình 4.20 Hệ số tăng áp theo thời gian trên đường khô của xe cải biên ................................................... 88
MỞ ĐẦU
Hiện nay, nghành công nghiệp ô tô trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng
đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ. Ô tô được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực của nền kinh tế quốc dân như: Giao thông vận tải, nông nghiệp, công nghiệp, xây
dựng, quốc phòng…. Trong đó Để đáp ứng được xu thế đó, nghành công nghiệp ô tô
Việt Nam đã ra đời. Hàng loạt các liên doanh sản xuất lắp ráp ô tô được thành lập
nhằm cung cấp cho thị trường những loại ô tô có kết cấu, tải trọng và giá thành phù
hợp với yêu cầu của thị trường trong nước.
Khi thiết kế chế tạo một chiếc ô tô mới, ngoài việc lựa chọn kết cấu, mẫu mã,
chủng loại, giá cả…của ô tô và thị hiếu của thị trường thì một trong những quan tâm
hàng đầu là tính năng an toàn khi chuyển động và tính hiệu quả kinh tế của ô tô. Tính
năng an toàn khi chuyển động được thể hiện rõ rệt nhất ở sự làm việc của hệ thống
phanh. Trên mỗi loại ô tô khác nhau sẽ được trang bị các hệ thống phanh có kết cấu
khác nhau như: hệ thống phanh dẫn động bằng cơ khí, hệ thống phanh dẫn động bằng
khí nén, hệ thống phanh dẫn động bằng thuỷ lực, hệ thống phanh kết hợp dẫn động
khí nén - thuỷ lực….
Số lượng các xe tải và xe khách ở Việt Nam đang tăng lên nhanh chóng và ngày
càng chiếm vị trí quan trọng trong nền công nghiệp vận tải nội địa, nhưng đi kèm với
đó là số lượng các tai nạn nghiêm trọng liên quan đến xe tải và xe khách ngày càng
tăng.
Trên các loại ô tô tải hạng trung đến hạng nặng thường được trang bị hệ thống
phanh khí nén nhằm đảm bảo an toàn cho xe khi chuyển động. Với ưu điểm là lực tác
động lên bàn đạp nhỏ, nhưng vẫn đảm bảo được lực phanh cần thiết cho xe. Hơn nữa
ngày nay trên các xe khách hay ô tô tải, các nhà sản xuất đã trang bị thêm hệ thống
chống bó cứng bánh xe ABS, nhằm cải thiện tốt hơn tính an toàn cho xe.
Hệ thống phanh khí nén có nhược điểm là độ trễ của khí nén vậy độ trễ này có ảnh
hưởng như thế nào đến ABS của hệ thống đặc biệt là tần số điều khiển vì khi tần số
quá cao hệ thống có thể không đáp ứng kịp, nhưng tần số điều khiển càng cao hiệu
1
quả của ABS cũng càng cao. Để hiểu rõ được quá trình xảy ra bên trong hệ thống
phanh khi có tín hiệu ABS điều khiển và tần số điều khiển lớn nhất có thể đạt được
là bao nhiêu, thì ta phải đi nghiên cứu lý thuyết và khảo sát thực tế nhằm tìm ra quy
luật điều khiển, đảm bảo cho hệ thống phanh làm việc hiệu quả, chính xác và tin cậy.
Từ đó ta có thể đưa ra được các giải pháp hợp lý nhất cho hệ thống phanh lắp trên xe,
đồng thời tiết kiệm được chi phí và thời gian dành cho thiết kế. Do vậy luận văn đã
chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh
khí nén ở chế độ làm việc ABS”. Với mục đích tìm ra tần số điều khiển giới hạn của
hệ thống phanh khí nén ở chế độ làm việc ABS từ đó làm cơ sở cho việc thiết kế và
nâng cao chất lượng hệ thống phanh khí nén cho xe Ô tô tải và xe chuyên dụng.
2
CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH Ô TÔ TẢI DẪN
ĐỘNG KHÍ NÉN CÓ TRANG BỊ ABS
Công dụng, phân loại, yêu cầu kết cấu hệ thống phanh
1.1.1.
-
Công dụng hệ thống phanh
Hệ thống phanh dùng để giảm tốc độ của ôtô đến một giá trị cần thiết hoặc
dừng hẳn ôtô ở một vị trí nhất định;
1.1.2.
Giữ cho ôtô dừng hoặc đỗ trên đường dốc.
Phân loại
a) Theo công dụng
Theo công dụng hệ thống phanh được chia thành các loại sau:
-
Hệ thống phanh chính (phanh chân), dùng để giảm tốc độ khi xe đang chuyển
động;
-
Hệ thống phanh dừng (phanh tay), dùng đỗ xe khi người lái rời khỏi buồng lái
và dùng làm phanh dự phòng;
-
Hệ thống chậm dần (phanh bổ trợ) (phanh bằng động cơ, thuỷ lực hoặc điện
từ), dùng để tiêu hao bớt một phần động năng của ô tô khi cần tiến hành phanh lâu
dài (phanh trên dốc dài);
b)
Theo kết cấu của cơ cấu phanh
Theo kết cấu của cơ cấu phanh hệ thống phanh được chia thành hai loại sau:
-
Hệ thống phanh với cơ cấu phanh dải;
-
Hệ thống phanh với cơ cấu phanh tang trống;
-
Hệ thống phanh với cơ cấu phanh đĩa.
c) Theo dẫn động phanh
Theo dẫn động hệ thống phanh được chia ra:
-
Hệ thống phanh dẫn động cơ khí;
-
Hệ thống phanh dẫn động thuỷ lực;
-
Hệ thống phanh dẫn động liên hợp: khí nén - thuỷ lực, …;
-
Hệ thống phanh có cường hoá (có trợ lực).
3
d) Theo mức độ hoàn thiện hệ thống phanh
Hệ thống phanh được hoàn thiện theo hướng nâng cao chất lượng điều khiển ô tô
khi phanh. Ta có các loại sau:
-
Hệ thống phanh có bộ điều hòa lực phanh, dùng để điều chỉnh momen phanh
ở cơ cấu phanh, làm thay đổi momen phanh trên cầu trước và cầu sau;
-
Hệ thống phanh có bộ chống hãm cứng bánh xe (hệ thống ABS). Ngoài ra còn
có một số hệ thống kết hợp với ABS (ASR, ESP,…) để tăng khả năng cơ động và
khả năng ổn định của xe khi phanh.
1.1.3.
Yêu cầu kết cấu
Hệ thống phanh trên ôtô cần đảm bảo các yêu cầu sau:
-
Có hiệu quả phanh cao nhất ở tất cả các bánh xe nghĩa là đảm bảo quãng đường
phanh ngắn nhất khi phanh đột ngột trong trường hợp nguy hiểm;
-
Đảm bảo sự ổn định chuyển động của xe và phanh êm dịu trong mọi trường
hợp;
-
Điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi: lực tác dụng lên bàn đạp hay cần điều
khiển không lớn, phù hợp khả năng điều khiển liên tục của người lái;
-
Dẫn động phanh có độ nhạy cao, đảm bảo mối tương quan giữa lực bàn đạp
với sự phanh của ô tô trong quá trình thực hiện phanh;
-
Đảm bảo việc phân bố mômen phanh trên các bánh xe phải theo quan hệ để
đảm sử dụng hết trọng lượng bám của khi phanh ở các cường độ khác nhau;
-
Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt, duy trì ổn định hệ số ma sát trong cơ cấu phanh
trong mọi điều kiện sử dụng;
-
Giữ được tỉ lệ thuận giữa lực trên bàn đạp với lực phanh trên bánh xe;
-
Có khả năng giữ ôtô đứng yên trong thời gian dài, kể cả trên đường dốc;
-
Đảm bảo độ tin cậy của hệ thống trong khi thực hiện phanh trong mọi trường
hợp sử dụng, kể cả khi một phần dẫn động điều khiển có hư hỏng.
4
Cấu tạo chung hệ thống phanh khí nén
1.2.1.
Cơ cấu phanh tang trống điều khiển bằng cam.
Cơ cấu phanh tang trống được dùng khá phổ biến trên ô tô. Trong cơ cấu dạng
tang trống sử dụng các guốc phanh cố định và được phanh với mặt trụ trong của tang
trống quay cùng bánh xe. Như vậy quá trình phanh được thực hiện nhờ ma sát giữa
bề mặt tang trống và các má phanh.
Cơ cấu phanh tang trống được phân loại theo phương pháp bố trí và điều khiển các
guốc phanh thành các dạng khác nhau. Trong trường hợp sử dụng cơ cấu phanh trên
hệ thống phanh thuần túy khí nén, ta thường sử dụng cơ cấu phanh điều khiển bằng
cam.
-
Cơ cấu phanh điều khiển bằng cam.
2
1
3
5
4
6
7
8
9
A
A
15 14
12
13
11
10
Hình 1.1 Cấu tạo cơ cấu phanh dạng cam
1- Chốt guốc phanh; 2- Mâm phanh; 3- Tấm chắn; 4- Êcu; 5- Tấm đệm chốt guốc
phanh; 6- Khoá hãm; 7- Guốc phanh; 8- Lò xo hồi vị; 9- Tấm ma sát; 10- Trục con
lăn; 11- Cam ép; 12- Con lăn; 13- Đòn điều chỉnh; 14- Trục cam phanh;
-
Đặc điểm
Cơ cấu phanh này chỉ dùng cho xe có tải trọng lớn và dùng cho hệ thống phanh
dẫn động bằng khí nén.
5
Cơ cấu phanh được bố trí kiểu đối xứng qua trục, có xi lanh khí nén điều khiển
cam xoay 11 ép guốc phanh 7 vào trống phanh. Phần quay của cơ cấu phanh là tang
trống. Phần cố định bao gồm mâm phanh 2 được cố định trên dầm cầu.
-
Nguyên lý làm việc :
Cụm cơ cấu phanh lắp trên mâm phanh 2. nối cứng với bích cầu, các tấm ma sát 9
có cấu tạo hình lưỡi liềm tương ứng với đặc tính mài mòn của chúng và được lắp trên
hai guốc phanh 7. Trên các guốc phanh có tán tấm ma sát (má phanh). Các guốc
phanh này tựa tự do lên các bánh lệch tâm lắp trên mâm phanh 2. trục của các guốc
phanh cùng với các mặt tựa lệch tâm cho phép định tâm đúng các guốc phanh so với
trống phanh khi lắp ráp các cơ cấu. Cam quay được chế tạo liền trục, với biên dạng
Cycloit (hoặc Acsimet). Khi phanh cam ép 11 sẽ chuyển động đẩy các guốc phanh ra
làm cho nó áp sát vào bề mặt trống phanh để thực hiện quá trìng phanh, giữa cam ép
11 và guốc 7 có lắp con lăn 12 nhằm giảm ma sát và tăng hiệu quả phanh, bốn lò xo
hồi vị 8 trả guốc phanh về vị trí nhả phanh.
Sự tác động của cam lên các guốc phanh với các chuyển vị như nhau, má phanh bị
mòn gần như đều nhau, do vậy các má phanh trên cả hai guốc phanh của cơ cấu có
kích thước gần như bằng nhau.
1.2.2.
Hệ thống dẫn động điều khiển phanh
Hệ thống dẫn động có tác dụng truyền và khuếch đại lực điều khiển từ bàn đạp
phanh đến cơ cấu phanh. Hệ thống dẫn động phải đảm bảo được các yêu cầu sau:
-
Độ nhạy cần thiết của hệ thống;
-
Hiệu quả điều khiển trong việc truyền năng lượng từ cơ cấu điều khiển đến cơ
cấu phanh của ôtô;
-
Độ tin cậy của hệ thống kể cả khi có hư hỏng bất thường.
Trong dẫn động phanh thủy lực sử dụng truyền động thủy tĩnh nối liền từ cơ cấu
điều khiển tới xy lanh bánh xe. Hệ thống dẫn động phanh thủy lực có các ưu điểm
sau:
-
Thời gian chậm tác dụng ngắn;
6
-
Tạo được lực ép trên cơ cấu phanh đồng đều và đồng thời, làm tăng tính ổn
định của ô tô khi phanh;
-
Kết cấu đơn giản;
-
Có khả năng ứng dụng đa dạng trên nhiều loại ô tô khác nhau, khi đó chỉ cần
thay đổi cơ cấu phanh.
Nhược điểm của hệ thống dẫn động thủy lực:
-
Tỷ số truyền không lớn nên không thể tăng lực điều khiển lên cơ cấu phanh,
khi yêu cầu lực tác dụng phanh lớn cần phải hành trình bàn đạp lớn hoặc dùng trợ
lực;
-
Hiệu suất truyền giảm khi nhiệt độ thay đổi.
Trong hệ thống dẫn động có điều khiển bằng thủy lực trên ô tô con và ô tô tải nhỏ,
lực điều khiển của người lái tác dụng vào bàn đạp nhanh, tỉ lệ thuận với lực điều
khiển tại các cơ cấu phanh. Dẫn động điều khiển phanh của ô tô tải lớn và ôtô bus đòi
hỏi năng lượng điều khiển lớn do vậy không nên dùng hệ dẫn động thủy lực do cần
có lực điều khiển lớn, gây mệt mỏi cho người lái. Trong dẫn động phanh bằng khí
nén lực điều khiển trên bàn đạp phanh nhỏ, áp suất trên đường ống không cao và cho
phép dẫn động dài tới các cơ cấu phanh cần thiết. Hơn nữa hệ thống phanh khí nén
còn dễ dàng bố trí điều khiển tự động.
Nhược điểm của hệ thống phanh dẫn động khí nén là số lượng các chi tiết nhiều,
kích thước lớn và có giá thành cao, độ nhạy của hệ thống kém, nghĩa là thời gian hệ
thống phanh bắt đầu làm việc kể từ khi người lái bắt đầu tác dụng lực là khá lớn do
không khí bị nén khi chịu lực.
Sơ đồ cấu tạo chung của dẫn động phanh khí nén cơ bản (hình 1.2).
a) Các đường ống dẫn khí
+) Phần cung cấp khí nén có chức năng chính là hút không khí từ ngoài khí quyển,
nén không khí tới áp suất cần thiết (0.7 - 0.9 Mpa) hay (7 - 9 kg/cm2), đảm bảo cung
cấp đủ lưu lượng cho hệ thống phanh khí nén làm việc. Áp suất làm việc lớn nhất
của máy nén khí là 11 kg/cm2. Nếu áp suất vượt quá giới hạn này thì van điều áp sẽ
ngắt máy nén khí không cho làm việc nữa. Độ bền và độ tin cậy của dẫn động phanh
7
khí nén phụ thuộc vào chất lượng khí nén. Do vậy khí nén phải đảm bảo khô, sạch,
có áp suất ở mức an toàn khi làm việc.
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo dẫn động phanh khí nén
b)
Nguồn cung cấp
1. Máy nén khi
4. Cụm van chia, bảo vệ
2. Bộ điều chỉnh áp suất
5. Bình chứa khí nén mạch I
3. Bình làm khô
6. Bình chứa khí nén mạch II
c) Cụm điều khiển:
7. Van phân phối hai dòng
d) Cơ cấu chấp hành:
8.Bầu phanh và cơ cấu phanh trước
9. Bầu phanh và cơ cấu phanh sau
1.2.3.
Hệ thống phanh khí nén trên xe
1.2.3.1. Sơ đồ bố trí hệ thống phanh khí nén không có ABS
8
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống phanh trên xe tham khảo
9
-
Nguyên lý làm việc của hệ thống.
Khí nén được cung cấp bởi máy nén khí 1. đi qua van điều áp 2. qua bộ lọc tách
nước 3. qua van an toàn kép 4. tới các bình chứa khí 5 và 6. Van an toàn kép 4 đảm
bảo cho hai bình chứa khí hoạt động độc lập với nhau tạo thành hai nguồn cung cấp
khí độc lập cho hai dòng dẫn động phanh.
Dẫn động phanh trục trước bắt đầu từ bình khí 5 qua khoang dưới của tổng van 8.
đi tới các bầu phanh của trục trước 9. 10.
Dẫn động phanh cầu sau bắt đầu từ bình khí 6. qua khoang trên của tổng van 8. đi
tới van gia tốc 12. tới các bầu phanh của cụm cầu sau 14. 15.
Dòng khí nhả phanh dừng bắt đầu từ bình khí 5. 6 qua van điều khiển 11. qua van
xả nhanh 13. đi tới các bầu tích năng dạng lò co của cụm cầu sau 14. 15 ép các lò xo
thực hiện nhả phanh.
Khi thực hiện phanh dừng, xoay tay van 11. khí nén đang ép các lò xo tích năng
lập tức bị xả hết, các lò xo bung ra làm xoay trục cam ép các guốc phanh bánh xe sau,
thực hiện nhả phanh tay.
Van điều áp 2 đồng thời là van an toàn có nhiệm vụ điều chỉnh áp suất làm việc
trong hệ thống bằng cách dừng hoặc khởi động máy nén khí khi áp suất trong hệ
thống vượt quá giới hạn hoặc quá thấp.
Van an toàn 3 ngả giữ cho xe hoạt động bình thường khi xe mất đi một dòng hơi.
1.2.3.2. Các bộ phận của hệ thống phanh
a) Van phân phối
Van phân phối có tác dụng mở và đóng hoặc mở các van để cấp hoặc ngừng cấp
khí nén để mở hoặc đóng các van. Khoang trên có cửa vào là D được nối với bình
chứa khí, cửa ra là C được nối tới các bầu phanh tại các bánh xe. Tương tự như vậy,
khoang dưới có cửa vào là E và cửa ra là A. Ngoài ra còn có một cửa thông với khí
trời F chung cho cả hai khoang. Mỗi khoang có một van điều khiển: Van 2 ở khoang
trên có nhiệm vụ đóng mở các van nạp 7 và van xả 6. còn van 11 của khoang dưới
điều khiển các van nạp 9 và van xả 10.
10
1. Pittông lớn khoang dưới; 2.11 .Van điều khiển; 3. Ty đẩy; 4.Phần tử đàn hồi; 5.
Pittông khoang trên; 6.10.Van xả; 7.9 Van nạp ; 12 Pittông nhỏ.
Hình 1.4 Van phân phối dẫn động hai dòng
Nguyên lý hoạt động của van như sau:
-
Ở trạng thái không phanh như thể hiện trên hình vẽ, các bầu phanh tại các
bánh xe được nối thông với khí trời do các van xả 6 và 10 mở.
-
Khi phanh, lực Q truyền từ bàn đạp tới tác dụng lên pittông 5 thông qua phần
tử đàn hồi 4 làm pittông dịch chuyển đi xuống. Đầu tiên, van xả 6 đóng lại không cho
cửa C thông với khí trời nữa, sau đó khi pittông tiếp tục đi dich chuyển đi xuống thì
van nạp 7 mở ra và khí nén chờ sẵn ở cửa D đi qua van nạp, qua khoang dưới 5 tới
cửa C rồi từ đó tới các bầu phanh bánh xe để thực hiện quá trình phanh. Đồng thời,
khí nén từ khoang trên đi qua lỗ nhỏ B xuống khoang trên pittông 1 đẩy pittông con
12 đi xuống. Nhờ đó van xả 10 đóng lại, rồi van nạp 9 mở ra cho khí nén đi từ cửa E
sang cửa A để đi tới các bầu phanh tại các bánh xe.
-
Như vậy, trong trường hợp phanh bình thường như mô tả trên đây, khoang
trên được điều khiển trực tiếp bằng dẫn động cơ khí, còn khoang dưới được điều
khiển bằng khí nén lấy từ khoang trên. Nếu khoang trên bị mất khí, không hoạt động
nữa thì khi phanh, ty đẩy 3 đi xuống tác động lên con đội 8 và đẩy pittông nhỏ 12 của
khoang dưới đi xuống thực hiện quá trình phanh trên một cầu còn lại.
11
-
Trong trường hợp lái xe đạp phanh đột ngột thì khoang dưới cũng được điều
khiển bằng ty đẩy 3 vì khí nén không kịp cấp qua lỗ B để điều khiển pittông lớn 1.
-
Tính chép hình của tổng van được thể hiện như sau. Ứng với một lực tác động
Q nào đó, sau khi van nạp 7 của khoang trên mở, khí nén đi vào bên dưới pittông 5
và sau đó đi qua cửa C tới các bầu phanh tại các bánh xe. Áp suất khí trong khoang
dưới pittông 5 tăng dần lên cho tới khi áp lực của khí nén cùng với lực lò xo thằng
được lực điều khiển Q, nén phần tử đàn hồi 4 lại và đẩy pittông đi lên cho tới khi van
nạp đóng lại. Lúc này cả van nạp và van xả đều đóng, ấp suất khí nén dẫn tới các bầu
phanh không tăng nữa và pittông 5 ở trạng thái cân bằng. Quá trình tương tự như vậy
cũng xảy ra đối với khoang dưới. Như vậy, ứng với một lực Q nhất định (tương ứng
với một lực trên bàn đạp) áp suất trong dẫn động phanh chỉ có một giá trị tương ứng.
Nhờ vậy mà người lái có thể điều khiển được cường độ phanh theo ý muốn.
b) Bầu phanh trước
Bầu phanh xe có cấu trúc như xi lanh lực tác động một chiều. Vỏ của bầu phanh
được bắt cố định trên vỏ cầu, đòn đẩy tựa chặt trên pittong đẩy và dịch
chuyển để điều khiển cam quay.
Bầu phanh được chia làm 2 loại chính:
-
Bầu phanh đơn: là loại tác dụng một chiều.
-
Bầu phanh kép: có tác dụng hai chiều (bầu phanh tích năng).
Cấu tạo của bầu phanh đơn dạng màng gồm: hai nữa vỏ của bầu phanh được bắt
cố định trên cầu xe. Màng cao su bố trí giữa hai nữa vỏ, chia bầu phanh thành 2
khoang. Khoang bên trái có cửa dẫn khí nén từ van phân phối xuống, khoang bên
phải có lỗ thông với khí quyển R. Lò xo hồi vị có tác dụng đẩy màng cao su về vị trí
ban đầu khi không phanh. Màng cao su được đỡ bởi tấm đỡ, gắn liền với thanh đẩy
dẫn động cam quay, đóng mở cơ cấu phanh. Chiều dài của thanh đẩy được điều chỉnh
nhờ đai ốc 9. nhằm tạo nên vị trí thích hợp với cam quay.
Nguyên lý làm việc của bầu phanh đơn dạng màng:
-
Khi không phanh, dưới tác dụng của lò xo hồi vị, màng cao su về vị trí tận
cùng bên trái. Khi phanh, khí nén có áp suất cao được dẫn tới khoang bên trái của
12
bầu phanh, đẩy màng cao su và đòn đẩy dịch chuyển về bên phải, thực hiện sự xoay
cam trong cơ cấu phanh. Khi nhả phanh, dưới tác dụng của lò xo hồi vị, đẩy màng
cao su, kéo đòn đẩy về vị trí ban đầu. Khí nén ở khoang bên trái theo đường ống thoát
ra ngoài không khí, kết thúc quá trình phanh.
Hình 1.5 Bầu phanh trước (bầu phanh đơn).
c) Bầu phanh sau
Nguyên lý làm việc của bầu phanh:
-
Ban đầu khi chưa phanh: Khoang P thông với khí quyển, khoang B ban đầu
khi chưa phanh được cấp khí nén ép lò xo 14 đẩy cần đẩy sang bên trái, không tác
dụng vào màng cao su số 6.
-
Khi phanh chân: Khí nén được cấp vào khoang A thực hiện đẩy màng sang
bên phải qua đó đẩy đòn đẩy sang phải thực hiện phanh, khi nhả phanh khí nén rút
khỏi cửa A, dưới tác dụng của lò xo hồi vị 9 sẽ đẩy cơ cấu về vị trí cân bằng ban đầu.
-
Khi phanh tay (phanh đỗ): Thực hiện ngắt khí nén ở cửa B ra, qua đó do sự
chênh lệch về áp suất, lò xo tích năng 14 được đẩy sang bên phải ép thằng vào màng
13
đẩy sang phải thực hiện phanh cứng (phanh rất lâu), muốn nhả phanh ra thì điều chỉnh
mở ốc số 1 ra để đưa hệ thống trở về vị trí cân bằng và cấp khí nén vào B.
Hinh 1.6 Kết cấu loại bầu phanh tích năng (bầu phanh kép)
1. Ốc điều chỉnh 2. Ống đẩy 3. Vỏ bầu phanh 4. Ống dẫn khí 5. Vỏ trong 6.
Màng cao su 7. Đòn đẩy 8. Thân bầu phanh 9. Lò xo hồi vị 10. Tấm đỡ
11. Bạc đẩy 12. Vòng tỳ 13. Piston tích năng 14. Lò xo tích năng
A. Điều khiển phanh chân
P- Thông với khí quyển
B. Điều khiển nhả phanh
S- Khoang thông với A
Q- Khoang thông với B
T- Khoang tích năng.
d) Van xả nhanh
Hình 1.7 Van xả nhanh
14
Sau khi nhả bàn đạp phanh, khí từ các bầu phanh không hồi về bình chứa mà được
xả nhanh ra ngoài thông qua van xả khí đặt gần bầu phanh. Thông thường, hay bố trí
ở cầu trước. Với cầu sau, van xả nhanh thường được tích hợp vào van gia tốc.
Dòng khí từ van phân phối đi vào cổng “service port”, tác động mở van nạp và
đóng van xả khí, cung cấp khí vào 2 bầu phanh thông qua 2 cổng “delivery port”.
Khi nhả bàn đạp phanh, yêu cầu khí trong bầu phanh phải được xả nhanh và triệt để.
Do van phân phối ở xa nên lượng khí trong bầu phanh không được xả ở van phân
phối, mà được xả ngay gần bầu phanh qua van xả nhanh.
Dòng khí từ bầu phanh đẩy màng đàn hồi, mở van xả (do khí nén ở cổng “service
port” không còn, gây ra sự chênh lệch áp suất), khí nén được xả ra không khí qua
cổng “delivery port”.
e) Van gia tốc (Relay valve)
Hình 1.8 Van gia tốc (Relay valve)
Hệ thống phanh khí nén có nhược điểm là độ chậm tác dụng lớn, đặc biệt là ở trên
cơ cấu phanh nằm xa van phanh chân (bầu phanh sau). Do khoảng cách từ bầu phanh
sau tới van phân phối là tương đối dài (đặc biệt trên xe tải lớn), nên độ chậm tác dụng
15
thường lớn hơn. Vì vậy, ta bố trí một van gia tốc ở giữa van phanh chân và bầu phanh,
gần bình chứa khí nén.
Trên van gia tốc có một đường khí từ bình khí tới, và một đường khí từ van phân
phối xuống. Dòng khí từ van phân phối đóng vai trò là dòng khí điều khiển để mở
van khí, nối thông dòng khí từ bình tới 2 bầu phanh phía sau, sẽ hạn chế được độ
chậm tác dụng của hệ thống. Tổng cộng trên van có 4 cổng dẫn khí. Vì dòng khí từ
van phanh chân chỉ có tác dụng điều khiển đóng mở van khí, nên van gia tốc đóng
vai trò tương tự như một rơle (relay valve).
Hệ thống chống bó cứng phanh ABS
1.3.1.
Tổng quan về ABS
1.3.1.1. Lịch sử phát triển.
Hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti-lock Braking Systems) nằm trong hệ
thống an toàn chủ động của ô tô hiện đại. Hệ thống sẽ điều khiển chống bó cứng các
bánh xe trong quá trình phanh, giúp tăng độ ổn định của xe, rút ngắn quãng đường
phanh, tăng khả năng điều khiển quay vòng ô tô trong trường hợp cần thiết phải tránh
chướng ngại vật.
Lịch sử phát triển của hệ thống phanh và phanh ABS qua các thời kì sau:
-
Năm 1924: Khai sinh hệ thống phanh thủy lực và đến năm 1931 thì tăng tính
an toàn phanh với dẫn động hai dòng;
-
Năm 1951: Ứng dụng dạng phanh đĩa.
-
Năm 1952 đến 1963 là thời kỳ ứng dụng trợ lực thủy lực và chân không..
-
Năm 1978: Hệ thống phanh ABS bắt đầu có ứng dụng thương mại trên ô tô.
ABS tác động vào hệ thống dẫn động thủy lực nhằm giữ, giảm hoặc tăng áp suất
phanh dẫn đến các xi lanh phanh bánh xe để chống trượt lết trong quá trình phanh.
-
Năm 1989: Hệ thống phanh ABS được kết hợp với hệ thống chống trượt quay
TSC. Hệ thống này điều khiển bằng cách điều chỉnh giá trị của mô men phanh và mô
men được truyền từ động cơ đến các bánh xe. Hệ thống này còn có khả năng điều
khiển lượng nhiên liệu cấp cho động cơ nhằm hạn chế trượt quay bánh xe do thừa mô
16
men. Tuy nhiên tại thời điểm đó, số kênh điều khiển hệ thống còn ít, chỉ điều khiển
một kênh, hoặc hai kênh cho toàn bộ các cầu hoặc một cầu xe và sử dụng van điều
hòa lực phanh bằng cơ khí để phân phối áp suất phanh đến các bánh.
-
Năm 1994: Hệ thống phanh ABS được kết hợp với hệ thống cân bằng điện tử
EBD. Hệ thống điện tử dần thay thế các hệ thống cơ khí, hệ thống phanh ABS trong
hệ thống đã bắt đầu điều khiển nhiều kênh, điều khiển từng bánh xe độc lập.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển điện
tử và tự động hóa, các hệ thống điều khiển trên ô tô ngày càng được phát triển hoàn
thiện hơn, nâng cao tính tiện nghi và an toàn sử dụng của ô tô.
Nhằm nâng cao tốc độ chuyển động và tính an toàn chủ động của ô tô, hệ thống
phanh là một trong những mục tiêu được đầu tư và phát triển nhiều. Trên cơ sở một
hệ thống ABS, hệ thống phanh có thể kết hợp với một số hệ thống khác, và đến nay,
một hệ thống phanh hiện đại đã có rất nhiều chức năng ưu việt. Ngoài tác dụng cơ
bản là giảm tốc độ hay dừng xe, hệ thống phanh còn can thiệp cả trong quá trình khởi
động và tăng tốc của ô tô, khống chế các hiện tượng quay vòng thiếu, quay vòng thừa,
làm tăng tính ổn định của xe khi đi vào đường vòng.
1.3.1.2. Phân loại hệ thống ABS
Phân loại theo kiểu điều khiển
a) Điều khiển 4 kênh độc lập (kiểu (1), (2))
Các dòng có thể điều khiển 4 kênh độc lập theo kiều cầu trước/ cầu sau hoặc điều
khiển chéo (X) .
Hệ thống kiểu này được sử dụng rất phổ biến hiện nay vì nó hạn chế được sự phụ
thuộc về lực phanh giữa các bánh xe. Nhờ đó mà sự ổn định của xe khi chuyển động
được tăng lên
b) Điều khiển 3 kênh ( kiểu (3))
Với kiểu này, 2 bánh cầu trước được điều khiển độc lập còn 2 bánh cầu sau vẫn sử
dụng điều khiển chung
c) Điều khiển 2 kênh ( kiểu (4),(5),(6))
17
Kiểu điều khiển này, chỉ có 2 kênh điều khiển ra 4 bánh xe, do đó có sự phụ thuộc
về lực phanh giữa các bánh xe. Với ưu điểm là chi phí rẻ hơn nhưng không đảm bảo
tốt ổn định cho xe chuyển động bằng các kiểu trên nên kiểu này ít được áp dụng trên
xe ngày nay.
Ngoài ra trong hệ thống thủy lực còn có cách phân loại theo cơ cấu chấp hành gồm:
van 2 vị trí, và van 3 vị trí.
1.3.2.
Cơ sở lý thuyết hệ thống ABS
1.3.2.1. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh
G
M
M
r
v
M
Z
P
Hình 1.9 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh
Khi phanh, ở bánh xe xuất hiện các lực và mô men sau:
Pξ – lực đẩy từ khung xe truyền đến;
G b – tải trọng tác dụng lên bánh xe;
Z b – Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe;
M p – Mô men phanh;
M f – Mô men cản lăn;
M jb – Mô men quán tính.
Cơ cấu phanh sinh ra mô men phanh M p nhằm hãm bánh xe lại, khi đó bánh xe
chuyển động với gia tốc chậm dần. Do bánh xe chuyển động có gia tốc nên bánh xe
chịu thêm mô men quán tính M jb tác dụng cùng chiều với chiều quay của bánh xe.
Ngoài ra bánh xe còn chịu tác dụng của mô men cản lăn M f ngược chiều chuyển
động. Tuy nhiên mô men cản lăn nhỏ hơn nhiều lần so với mô men phanh, do đó
18
