Thiết kế hệ thống chống trượt quay bánh xe cho ô tô tải sử dụng hệ thống phanh khí nén và khảo sát đáp ứng tần số của hệ thống

LỜI NÓI ĐẦU

1


1. Đề tài thiết kế:
Thiết kế hệ thống chống trượt quay bánh xe cho ô tô tải sử dụng hệ thống phanh khí
nén và khảo sát đáp ứng tần số của hệ thống.
2.Các số liệu ban đầu:
Xe N2 có khối lượng toàn bộ khi đầy tải m = 7685 kg, phân bố ra cầu trước/sau
2685/5000 kg; L = 3400 mm; B = 1700 mm; hg = 980 mm; lốp có ký hiệu 8,25-20.
Các số liệu khác tham khảo xe tương tự.
3.Nội dung các phần thiết kế và tính toán:
Phần 1: Tổng quan
Phần 2: Thiết kế tính toán các cơ cấu phanh
Phần 3: Thiết kế tính toán hệ thống dẫn động
Phần 4: Thiết kế cảm biến
Phần 5: Thiết kế cơ cấu điều chỉnh áp suất bầu phanh
Phần 6: Thiết kế cơ cấu điều chỉnh tải động cơ
Phần 7: Mô phỏng khảo sát khả năng đáp ứng tần số của hệ thống
Phần 8: Đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống
Phần 9: Thực nghiệm khảo sát khả năng đáp ứng tần số của hệ thống
4. Các bản vẽ và đồ thị (ghi rõ tên và kích thước các bản vẽ ):
Bản vẽ bố trí chung (1 bản A0)
Bản vẽ các phương án thiết kế hệ thống (1 bản A0)
Bản vẽ kết cấu cơ cấu phanh (1 bản A0)
Bản vẽ kết cấu các cụm chính của hệ thống dẫn động điều khiển (1 bản A0)
Bản vẽ kết cấu cơ cấu điều chỉnh áp suất phanh (1 bản A0)
Bản vẽ kết quả mô phỏng khảo sát đáp ứng tần số (1 bản A0)
2

Contents
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................................................1
Contents.................................................................................................................................................3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN........................................................................................................................5
A: HỆ THỐNG PHANH.........................................................................................................................5

1.1. Công dụng, phân loại, yêu cầu kết cấu hệ thống phanh............................5
1.1.1. Công dụng hệ thống phanh.....................................................................5
1.1.2. Phân loại.................................................................................................5
1.1.3. Yêu cầu kết cấu.......................................................................................6
1.2. Cấu tạo chung hệ thống phanh khí nén.....................................................................................6

1.2.1.Cơ cấu phanh tang trống điều khiển bằng cam.......................................6
1.2.2. Hệ thống dẫn động điều khiển phanh.....................................................8
1.3. Giới thiệu về xe tham khảo.......................................................................................................12

1.3.1. Thông số kỹ thuật..................................................................................12
1.3.2. Hệ thống phanh khí nén trên xe............................................................12
B: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TCS.......................................................................................................19
1.4 Khái niệm cơ sở..........................................................................................................................19

1.4.1 Cấu tạo chung của hệ thống TCS...........................................................21
1.4.2 Cơ sở lý thuyết hệ thống chống trượt quay TCS sử dụng hệ thống
phanh...............................................................................................................23
1.5 Hệ thống chống trượt quay TCS : điều chỉnh tải của động cơ..................................................28
CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU PHANH CẦU TRƯỚC........................................................33

2.2.2. Xác định các lực tác dụng lên má phanh theo họa đồ lực phanh.........39
2.2.6. Tính toán nhiệt phát ra trong quá trình phanh.....................................44

2.3. Tính bền một số chi tiết trong hệ thống..................................................................................45

2.3.1. Tính bền trống phanh............................................................................45
2.3.2. Tính bền chốt phanh..............................................................................46
3.3.1. Sơ đồ tính toán......................................................................................52
CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾCẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC BÁNH XE...............................................56

3


4.1. Giới thiệu cảm biến đo tốc độ góc...........................................................................................56

4.1.1. Nguyên lý đo vận tốc góc......................................................................56
4.1.2. Các loại cảm biến đo tốc độ góc...........................................................56
4.1.3. Lựa chọn cảm biến đo đạc trên xe........................................................58
4.2. Thiết kế, tính toán vành răng cảm biến tốc độ góc bánh xe....................................................60

4.2.1. Cơ sở thiết kế vành răng cảm biến........................................................60
4.2.2. Tính, lựa chọn các thông số kỹ thuật của vành răng............................61
4.3. Phương án gá đặt cảm biến trên xe.........................................................................................64
4.3.1. Lựa chọn phương án thiết kế................................................................................................64
CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ TÍNH TOÁN ĐIỀU CHỈNH ÁP SUẤT CƠ CẤU CHẤP HÀNH..................................68
5.1. Các chế độ làm việc và nguyên lý của cơ cấu chấp hành........................................................68
5.2. Kết cấu van chấp hành..............................................................................................................74
CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TẢI ĐỘNG CƠ..................................................................77
6.1 Các phương án tác động điều khiển nhiên liệu với động cơ diezel thường không có điều
khiển.................................................................................................................................................77
6.2 Thiết kế cơ cấu điều chỉnh chiều dài dây ga..............................................................................80
6.3 Tính toán sơ bộ..........................................................................................................................82
6.5 Giá đỡ.........................................................................................................................................85

CHƯƠNG 7 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG..............................................................................85
7.1. Tín hiệu điều khiển...................................................................................................................86
7.2. Quá trình điều khiển hệ thống.................................................................................................86
7.3. Thuật toán điều khiển...............................................................................................................87
CHƯƠNG 8 MÔ PHỎNG KHẢ NĂNG ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG...........................................97
8.1 Lý thuyết tổng quan.......................................................................................................................97
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................................104

4


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
A:

HỆ THỐNG PHANH

1.1.

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.
 Giữ cho ôtô dừng hoặc đỗ trên đường dốc.
1.1.2. Phân loại
1.1.2.1. 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).
1.1.2.2. 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.
1.1.2.3. 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).

5


1.1.2.4. 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.
1.2. 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.

6

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.
1

2 3

4

5

6

7

8

9

A

A
15 14

13

12

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. 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
7


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 xylanh bánh xe. Hệ thống dẫn động phanh thủy lực có các ưu
điểm sau :
 Thời gian chậm tác dụng ngắn.
 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
8


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 2).

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo dẫn động phanh khí nén
a)
1.
2.
3.
b)
c)
d)

Nguồn cung cấp
Máy nén khi
Bộ điều chỉnh áp suất
Bình làm khô
Cụm điều khiển:
Cơ cấu chấp hành:
sauCác đường ống dẫn khí

4. Cụm van chia, bảo vệ
5. Bình chứa khí nén mạch I
6. Bình chứa khí nén mạch II

7. Van phân phối hai dòng
8.Bầu phanh và cơ cấu phanh trước
9. Bầu phanh và cơ cấu phanh

+) Phần cung cấp khí nén có chức năng chính là hút không khí từ ngoài khí quyển,
nén không khí tới áp suất cần th.iết (0,7 - 0.9 Mpa) hay (7 - 9 kg/cm 2), đảm bảo
9


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/cm 2. 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 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.

10


MODEL
DẪN ĐỘNG

LF3070G1-2
4x2, tay lái thuận.
Model: YC4F115-20 – 4 Xylanh thẳng hàng – TURBO
Euro 2
Dung tích xi lanh(cc)
3,907
Công suất Max (KW/rpm) 85/3200
Momen xoắn cực đại
300/2200

ĐỘNG CƠ

(Nm/rpm)
Tỷ số nén
18:1
Tiêu hao nhiên liệu tại tốc 15
độ 60km/h (lit/km)
Kích thước ngoài (mm)
Kích thước thùng (mm)
Chiều dài cơ sở (mm)
Khoảng sáng gầm xe

THÔNG SỐ CƠ

(mm)
Chiều dài vết bánh xe

5990x2190x2570
3700x2000x600
3400
240
1720

trước (mm)
Chiều dài vết bánh xe sau 1640

BẢN

(mm)

Chiều cao trọng tâm

980

hg(mm)
Khả năng vượt dốc
Tự trọng (Kg)
Tải trọng (Kg)
Tổng trọng lượng G (Kg)
Phân bố lên trục 1 (Kg)
Phân bố lên trục 2 (Kg)
Khối lượng cho Trục 1

20 %
4510
2980
7685
2685
5000
4000

phép lớn nhất
trên trục (kG)

CỠ LỐP
HỆ THỐNG LÁI
HỆ
Phanh

Trục 2

8000

Tốc độ tối đa (Km/h)
95
Số chỗ ngồi
03
Bình nhiên liệu (lít)
80
Trước/sau : 8.25-20 / 8.25-20
Cơ khí có trợ lực thủy lực
Kiểu tang trống / dẫn động khí nén.

THỐNG chính
PHANH Phanh

Kiểu tang trống / tác động lên bánh sau / có lò xo tích

tay

năng tại bầu phanh.

Áp suất

Áp suất làm việc của hệ thống là 8 kg/cm2
11

HỆ THỐNG TREO Phụ thuộc .Nhíp hợp kim dạng nửa elip, ống giảm chấn
thuỷ lực.

1.3. Giới thiệu về xe tham khảo
1.3.1. Thông số kỹ thuật

1.3.2. Hệ thống phanh khí nén trên xe
1.3.2.1. Sơ đồ bố trí hệ thống phanh khí nén không có ABS

Nguyên lý



làm

việc

của

hệ

thống.
Khí

nén

được

cung

cấp

bởi

máy

nén

khí 1,

đi qua van

điều

áp 2, qua
12

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống phanh trên xe tham khảo


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.
1.3.2.2. Các bộ phận của hệ thống phanh.
1. Van phân phối
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
Van
phân phối
tác

có

dụng

13


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.
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.
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
14


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.
2. 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 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.

15


Hình 1.5 : Bầu phanh trước (bầu phanh đơn).
3. 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 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.

16


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.

4. Van xả nhanh

Hình 1.7: Van xả nhanh
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.
17


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”.
5. 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 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).
6. Van bảo vệ kép(van chia dòng, bảo vệ 2 dòng khí nén)

18


Hình 1.9: Van chia dòng và bảo vệ 2 dòng khí nén (van an toàn kép)
Công dụng của van chia dòng cấp khí cho 4 nhánh và tạo nên các dòng khí
độc lập. Khi một hay một số dòng khí bị mất áp suất, các dòng khí còn lại vẫn làm
việc bình thường. Do vậy, van có chức năng bảo vệ khả năng độc lập giữa các dòng
cung cấp khí nén.
Cấu tạo của van như hình vẽ trên.
Nguyên lý hoạt động của van:
-

Dòng khí từ máy nén khí tới cổng I, qua các lỗ của van một chiều, đẩy
pittong tỳ, mở van nạp, cung cấp khí nén tới các khoang II, và III đi tới các
bình chứa khí nén, cung cấp khí nén tới các cầu trước và sau. Dòng khí nén
cho phanh tay được cung cấp từ cả 2 bình khí, như sơ đồ trên.

B: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TCS

1.4 Khái niệm cơ sở
Trên thực tế khi ô tô hoạt động, lực bám giữa lốp xe và mặt đường có giới hạn
và thay đổi tùy theo tính chất của mặt đường. Do vậy không phải lúc nào mô men từ
động cơ truyền xuống cũng chuyển hết thành mô men quay của bánh xe. Khi mà mô
19


men từ động cơ truyền xuống cầu chủ động lớn hơn giới hạn bám của bánh xe trên
mặt đường sẽ xảy ra hiện tượng trượt quay tại các bánh xe chủ động.
Hệ thống TCS được thiết kế nhằm mục đích khắc phục hiện tượng này thông
qua cơ cấu phanh trên cầu chủ động. Hệ thống TCS là hệ thống tự động phanh bánh
xe chủ động khi mà mô men từ động cơ truyền xuống cầu chủ động lớn hơn giới
hạn bám tại các bánh xe này (khi xảy ra hiện tượng trượt quay tại các bánh xe chủ
động). Hệ thống này chỉ được trang bị trên các ô tô có trang bị hệ thống phanh có
ABS.
Lực bám sinh ra ở bánh xe chủ động được xác định bằng công thức : P φ = φ.Gφ
; Lực này sẽ sinh ra mô men kéo là Mk = rbx.Pφ .
Trong đó :

φ là hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường
Gφ là trọng lượng bám.

Trong quá trình tăng tốc ,nếu như mô men sinh ra ở trên bánh chủ động lớn
hơn mô men sinh ra do lực bám của mặt đường ( Mk> Mφ) thì bánh xe sẽ bị trượt
quay, có nghĩa là hệ số trượt giữa bánh xe và mặt đường là 100%, khi đó hệ số bám
dọc giảm và hệ số bám ngang cũng giảm xuống thấp. Điều đó làm cho hiệu quả
tăng tốc và sự ổn định hướng chuyển động giảmrõ rệt. Ta sẽ xem xét cụ thể hơn
qua đồ thị lực bám dọc và bám ngang theo độ trượt của bánh xe :

20

Hình 1.10:Sự thay đổi hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt bánh xe.
Ở đây với φx và φy là hệ số bám dọc và hệ số bám ngang của bánh xe khi
phanh. Qua các đồ thị chúng ta thấy khi độ trượt nằm trong khoảng 10% - 30% thì
hệ số bám dọc và bám ngang đều lớn.
Mục đích chính của bộ chống trượt quay bánh xe (TCS) là duy trì hệ số
trượt giữa bánh xe và mặt đường khi tăng tốc trong mọi điều kiện nằm trong khoảng
10%–30%để đảm bảo hệ số bám dọc và bám ngang đều cao nhằm tận dụng được
trọng lượng bám ở từng bánh xe. Do đó hệ thống này đảm bảo được hiệu quả tăng
tốc và tính ổn định khi tăng tốc.
Chính vì ưu điểm đó mà mà việc bố trí thiết bị TCS cho hệ thống xe là điều
cần thiết, và ngày nay hệ thống chống trượt quayTCSđang được lắp đặt nhiều hơn
cho các phương tiện vận tải đặc biệt những phương tiện làm việc trong điều kiện
khắc nghiệt như vùng băng tuyết, bùn lầy( những vùng mà hệ số bám giữa lốp và
mặt đường rất thấp hay các xe đua công thức một( tăng tốc với số vòng quay lớn).
1.4.1 Cấu tạo chung của hệ thống TCS
Thông thường hệ thống TCS gồm những thành phần cơ bản sau:

21


Hình 1.11: Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống TCS
Trong đó:
1.Bánh chủ động bên trái

2. Bánh chủ động bên phải

3. Bánh bị động bên trái 4. Bánh bị động bên phải
5. cụm điều khiển động cơ

5.1 Thanh rang bơm cao áp.

5.2 mô tơ bước điều khiển dây ga.
6,7 Cụm van điều khiển áp suất bầu phanh.
8. ECU điều khiển
9.Cảm biến đo tốc độ động cơ
10. Cảm biến đo tốc độ góc của bánh xe.
22


Trên đây là các thành phần cơ bản của hệ thống TCS, nó có 3 khối chính đó là:
khối tín hiệu, khối điều khiển và cơ cấu chấp hành. ECU sẽ nhận các tín hiệu về tốc
độ động cơ, tốc độ góc của bánh xe, thông qua các thông số đó tính toán độ trượt
của bánh xe từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành để phanh
bánh xe và giảm tốc độ động cơ.
1.4.2 Cơ sở lý thuyết hệ thống chống trượt quay TCS sử dụng hệ thống
phanh
Gb

Mk

Mf

Pk

Pb

rb

v

Fb

Pf

Hình 1.12: Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xechủ động
Khi chuyển động, ở bánh xe xuất hiện các lực và mô men sau:
Pb– Lực đẩy từ khung xe truyền đến;
Gb – Tải trọng tác dụng lên bánh xe;
Fb – Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe;
Pf – Lực cản lăn
Mk – Mô men kéo;
Mf – Mô men cản lăn;
Gọi thành phần

Mk
rb

là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động và kí hiệu là

Pk .

23


Pk =

Mk
rb

a) Hiện tượng trượt quay của bánh xe khi tăng tốc
Lực kéo lớn nhất bị giới hạn bởi khả năng bám giữa bánh xe và mặt đường,
được đặc trưng bởi hệ số bám

ϕ

thông qua mối quan hệ sau:

Pk max = Pϕ = Gb .ϕmax
Trong đó:

Pkmax – Lực kéo cực đại mà bánh xe có thể sinh ra được;

Pϕ– Lực bám lớn nhất giữa bánh xe và mặt đường.
Do đó khi tăng tốc trên các loại đường có hệ số bám ϕ thấp,như đường trơn
ướt, đường tuyết … làm cho Pk > Pϕ ; điều này khiến bánh xe nhanh chóng bị
trượt quay trên đường.
Hiện tượng trượt quay có thể giải thích một cách rõ ràng hơn với lý thuyết
bám.
Công thức tính độ trượt của bánh xe như sau:

λ=
Trong đó:

vl − vt
v
100% = (1 − t )100%
vl
vl

vl là vận tốc lý thuyết của bánh xe.
vtlà vận tốc dài của xe (vận tốc thực của xe).

Lực bám giữa lốp và đường thay đổi theo λ được cho bởi đồ thị bên trên
(hình 1.10).
Nhận thấy rằng khi độ trượt trong khoảng 15%-30% thì hệ số bám theo
phương dọc lớn và đạt max tại vị trí λ0 , trong khi đó hệ số bám ngang đang có xu
hướng giảm nhưng vẫn ở giá trị cao. Vượt ra ngoài khoảng này các hệ số bám dọc
và bám ngang đều giảm nhanh chóng, như vậy lực bám giữa lốp và đường cũng
giảm. Vì vậy khi ta khởi động,tăng tốc, lượng mô men quá lớn được cung cấp tới
bánh chủ động dẫn tới mô men kéo của bánh tăng lên nhanh chóng, trong điều kiện
hệ số bám thấp thì bánh xe bị trượt quay tại chỗ.
24


b, Nguyên tắc điều khiển của TCS.
Mục tiêu hệ thống chống trượt quay tác động vào cơ cấu phanh là điều khiển áp
suất dẫn động phanh sao cho moomen tác động lên bánh xe vừa đủ để bánh xe làm
việc trong vùng có mô men bám lớn qua đó giúp xe có thể chuyển động. Độ trượt
(λ) thay đổi trong phạm vi hẹp quanh giá trị trượt tối ưu (λ 0), để tận dụng tối đa khả
năng bám, tại điểm đó bánh xe cần được phanh lại với một lượng nhất định để (P k)
đạt giá trị cực đại, đồng thời tính ổn định và tính dẫn hướng của xe là tốt nhất .

Pk max = Pϕ max = ϕx max .Gb
Trong đó:

(1)

Pk - lực kéo bánh xe; Pkmax - lực kéo cực đại.

ϕ x max - hệ số bám dọc cực đại;

Pφmax - lực bám cực đại.
Gb- phản lực thẳng đứng mặt đường lên bánh xe.
Để điều khiển được giá lực kéo của bánh xe trong vùng tối ưu, ta phải tác
động lực phanh vào bánh xe để điều khiển tốc độ bánh xe qua đó điều chỉnh được
độ trượt nằm trong vùng ta mong muốn( λ = 15÷30%). Để xác định được λ ta cần
xác định tốc độ dài của xe, tốc độ dài của bánh xe, hai giá trị này trên thực tế khá
khó xác định. Vậy để điều khiển TCS, trong đồ án này em lựa chọn phương pháp
ước lượng vận tốc dài của xe. Nội dung của phương pháp như sau.
Xác định vận tốc dài của xe
Vận tốc dài của phương tiện có thể xác định thông qua vận tốc góc của bánh
xe bị động. Ta có các công thức cho bánh sau của xe.

25