Nghiên cứu hiệu quả phanh ô tô bằng thực nghiệm

..

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

PHAN THÀNH SĨ

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ PHANH Ô TÔ
BẰNG THỰC NGHIỆM

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

Hà Nội – 2017
1


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

PHAN THÀNH SĨ

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ PHANH Ô TÔ
BẰNG THỰC NGHIỆM

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN: PGS.TS. VÕ VĂN HƢỜNG

Hà Nội – 2017
2


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn
của PGS.TS. Võ Văn Hƣờng. Đề tài đƣợc thực hiện tại Bộ mơn Ơ tô và Xe
chuyên dụng, Viện Cơ khí Động lực, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các
nội dung trình bày trong đề tài là hoàn toàn trung thực và chính xác.
Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2017
Tác giả

Phan Thành Sĩ

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
MỤC LỤC ................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC K HIỆU VÀ CH
DANH MỤC CÁC H NH VÀ Đ

VI T TẮT ............................................ iv

TH ................................................................. vi

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHANH Ô TÔ ...................................................... 2
1.1. Tổng quan về nghiên cứu phanh ô tô ................................................................. 2

1.1.1. Cơ sở phanh ô tô ........................................................................................... 2
1.1.2. Khái niệm hiệu quả phanh ............................................................................ 6
1.1.3. Yếu tố ảnh hƣởng ......................................................................................... 9
1.1.4. Đánh giá hiệu quả phanh .............................................................................. 9
Nhƣ vậy hiệu quả phanh đƣợc xác định bởi: ........................................................ 13
1.2. Nhiệm vụ của hệ thống phanh ........................................................................... 13
1.3. Các hệ thống phanh ........................................................................................... 15
1.3.1. Cơ cấu phanh ........................................................................................... 15
1.3.2. Hệ thống phanh ....................................................................................... 18
1.4. Động lực học phanh ô tô ................................................................................... 23
1.5. Giải pháp kết cấu nâng cao hiệu quả phanh ...................................................... 25
1.5.1. Van hạn chế áp suất................................................................................. 25
1.5.2. Điều hoà lực phanh theo tải .................................................................... 26
1.5.3. Điều hồ lực phanh hai thơng số ............................................................. 26
1.5.4. Hạn chế áp suất quán tính không đổi ...................................................... 28
1.5.5. Nguyên lý Hệ thống phanh trang bị ABS ............................................... 28
1.5.6. ABS loại cơ-thuỷ lực............................................................................... 29
ii


1.5.7. ABS điều khiển điện cho xe con (BOSCH) ............................................ 32
1.5.8. ABS điều khiển điện-khí nén cho xe tải (WABCO) ............................... 34
1.5.9. Các giải pháp điều khiển động lực học tích hợp ..................................... 36
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ......................................................................................... 39
Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ THÍ NGHIỆM PHANH Ơ TƠ ........................... 40
2.1. Các dạng thí nghiệm ô tô ............................................................................... 40
2.2. Mục tiêu thí nghiệm ....................................................................................... 41
2.3. Cảm biến và Hệ thống đo cơ bản ................................................................. 43
2.3.1 Thiết bị thí nghiệm phanh ĐXSMRM ...................................................... 43
2.3.2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm xe con ........................................................ 49

Chƣơng 3. THÍ NGHIỆM PHANH Ơ TƠ ........................................................... 55
3.1. Thí nghiệm phanh đoàn xe ................................................................................ 55
3.1.1 Mục tiêu thí nghiệm thí nghiệm phanh đoàn xe ....................................... 55
3.1.2 L p đ t Thiết bị thí nghiệm phanh đoàn xe SMRM ............................... 60
3.1.3. Kết quả thí nghiệm ................................................................................... 65
3.2. Thí nghiệm phanh xe con .................................................................................. 68
3.2.1 Gá l p và kết nối thiết bị đo ..................................................................... 69
3.2.2. Kết quả thí nghiệm .................................................................................. 73
K T LUẬN ............................................................................................................. 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 82

iii


DANH MỤC CÁC K HIỆU VÀ CH
Ký hiệu

Đơn vị

VI T TẮT

Giải nghĩa

G(OXYZ)

Hệ tọa độ cố định G

B(Cxyz)

Hệ tọa độ vật ho c hệ tọa độ cục bộ B

MBS

Hệ nhiều vật (Multi Body System)
Hệ thống phanh chống b cứng bánh xe (Anti-

ABS

lock Brake System)
Hệ thống điều khiển lực kéo (Traction Control

TCS

System)
Điều khiển ổn định điện tử (Electronic Stability

ESP

Programe)

i

rad

G c quay quanh trục y của bánh xe thứ ij

i

Độ

Góc lệch bên của bánh xe thứ i
Hệ số trƣợt dọc của bánh xe thứ i

sxi

Hệ số bám dọc, hệ số bám ngang của bánh xe thứ

xi, yi

i

x,max, x,min

Hệ số bám dọc lớn nhất và nhỏ nhất của bánh xe
Hệ số bám ngang lớn nhất và nhỏ nhất của bánh

y,max, y,min

xe
Tọa độ tâm vết tiếp xúc bánh xe thứ i

x i , yi
xi ,xi

m, m/s

yi , yi

m, m/s

 Ai ,  Ai

m, m/s2



kg/m3

Chuyển vị, vận tốc phƣơng dọc tâm vết tiếp xúc
bánh xe thứ ij
Chuyển vị, vận tốc phƣơng ngang tâm vết tiếp
xúc bánh xe thứ i
Chuyển vị, gia tốc phƣơng thẳng đứng tâm bánh
xe thứ i
Mật độ không khí
iv


Trọng tâm của c u thứ i

Ai

Lực tác dụng tại tâm vết tiếp xúc bánh xe thứ ij

Fxi , Fyi , Fzi

N

FGi

N

Tải trọng tĩnh tác dụng lên bánh xe thứ i

MAi

Nm

Mô men chủ động bánh xe thứ i

MBi

Nm

Mô men phanh bánh xe thứ i

FRi

N

Lực cản lăn bánh xe thứ i; FRi = Fzifi

phƣơng x, y, z

Hệ số cản lăn bánh xe thứ i

fi
rdi

m

Bán kính động của lốp thứ i ; rdi  r0i  (hi  i )

r0i

m

t
Bán kính tĩnh của lốp thứ i; r0i  ri  fi

ri

m

Bán kính thiết kế của lốp thứ i

fi t

m

Độ võng tĩnh lốp thứ i

f dit

m

n
di

m

f

Độ võng động hành trình trả hệ thống treo bánh
xe thứ i
Độ võng động hành trình nén hệ thống treo bánh
xe thứ i

Ci

N/m

Độ cứng hệ thống treo bánh xe thứ i

Ki

Ns/m

Hệ số cản hệ thống treo bánh xe thứ i

CLi

N/m

Độ cứng hƣớng kính của lốp thứ i

v


DANH MỤC CÁC H NH VÀ Đ

TH

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống phanh .................................................................................. 2
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý phanh ................................................................................ 3
Hình 1.3 Sơ đồ động lực học bánh xe khi phanh ....................................................... 4
Hình 1.4 Quan hệ giữa hệ số bám và độ trƣợt của bánh xe khi phanh ...................... 5
Hình 1.5 Lực tƣơng tác bánh xe phụ thuộc hệ số trƣợt .............................................. 5
Hình 1.6 Năng lƣợng tiêu tán trong cơ cấu phanh ..................................................... 6
Hình 1.7 Quay vịng thiếu và quay vịng thừa ............................................................ 7
Hình 1.8. Ngun lý phanh thơng thƣờng .................................................................. 8
Hình 1.10. Động lực học bánh xe khi phanh và tăng tốc ......................................... 11
Hình 1.11. Lực tƣơng tác bánh xe phụ thuộc hệ số trƣợt ......................................... 12
Hình 1.12. Quan hệ về điều khiển ............................................................................ 13
Hình 1.12. Đ c tính ma sát cơ cấu phanh ................................................................. 15
Hình 1.13. Phanh đĩa khung cố định ........................................................................ 16
Hình 1.14. Phanh đĩa khung bơi ............................................................................... 16
Hình 1.15. Cơ cấu phanh guốc ................................................................................. 17
Hình 1.16 Biểu đồ ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hệ số ma sát .................................. 17
Hình 1.17. Ảnh hƣởng nhiệt độ đến khe hở má phanh ............................................ 18
Hình 1.18. Phanh d u ............................................................................................... 19
Hình 1.19. Phanh khí ................................................................................................ 19
Hình 1.20. Hệ thống phanh EHB ............................................................................. 20
Hình 1.21. Hệ thống phanh EMB ............................................................................. 20
Hình 1.22. Hệ thống phanh trong “Intelligent Vehicle”/ơ tơ thơng minh ............... 21
Hình 1.23. Sơ đồ tổng hợp các hệ thống phanh ....................................................... 21
Hình 1.24. Sơ đồ lực ô tô 4/4 ................................................................................... 23
Hình 1.25 Hình chiếu đứng xác định phản lƣc Fz .................................................... 24
Hình 1.26. Van hạn chế áp suất 23 ........................................................................... 26
Hình 1.27. Van hạn chế áp suất ................................................................................ 27

Hình 1.28. Điều hồ lực phanh hai thơng số ............................................................ 27
Hình 1.29 Đ c tính điều hồ lực phanh hai thơng số .............................................. 28
Hình 1.30. Điều hồ lực phanh quán tính ................................................................. 28
Hinh 1.31. Đ c tính phanh ........................................................................................ 29
vi


Hình 1.32. Nguyên lý ABS ...................................................................................... 29
Hình 1.33. Bố trí ABS .............................................................................................. 30
Hình 1.34. Cơ cấu chống hãm cứng cho c u trƣớc chủ động .................................. 31
Hình 1.35. ABS cho xe ơtơ ....................................................................................... 32
Hình 1.36a. Đ c tính hệ phanh ABS điển hình ........................................................ 33
Hình 1.36b. Đ c tính hệ phanh ABS điển hình ........................................................ 34
Hình 1.37. Hệ thống phụ cho xe kéo ........................................................................ 36
Hình 1.38. Điều khiển ổn định chuyển động bằng lực phanh và lực ngang ............ 37
Hình 1.39. Cơ cấu phân mô men tích cực SH-AWD ............................................... 37
Hình 1.40. Cấu trúc GCC ......................................................................................... 38
Hình 1.41. Ổn định xe tai ESP ................................................................................. 38
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đo hàm hệ số bám của bánh xe ..................... 44
Hình 2.2 Cảm biến Loadcell ZSGB-A-30T ............................................................. 45
Hình 2.3 Đồ gá và cảm biến loadcell ZSGB-A-30T ................................................ 45
Hình 2.4 Cấu tạo cảm biến đo gia tốc ...................................................................... 46
Hình 2.5. Cấu tạo cảm biến đo số vòng quay bánh xe Encoder ............................... 47
Hình 2.6 Đồ gá cảm biến đo số vịng quay bánh xe ................................................. 47
Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ thu nhận và xử lý tín hiệu NI ............................................. 48
Hình 2.8. Cảm biến đo vận tơc bánh xe ................................................................... 49
Hình 2.9. Cảm biến quang đo vận tốc dọc ngang khơng tiếp xúc ............................ 50
Hình 2.10. Cảm biến S350 Aqua với đồ gá .............................................................. 51
Hình 2.11. Cản biến đo lực Bàn đạp ........................................................................ 51
Hình 2.12. Cảm biến vơ lăng và phụ kiện ................................................................ 52

Hình 2.13. Cảm biến đo độ cao ................................................................................ 52
Hình 2.14. Bộ thu thập dữ liệu DAS 3 ..................................................................... 53
Hình 2.15 Bộ xử lý số liệu UCP ............................................................................... 54
Hình 3.1. Kích thƣớc đồn xe sơmi-rơmo c thí nghiệm .......................................... 56
Hình 3.2. Mơ hình động lực học ơ tơ ¼ ................................................................... 58
Hình 3.3. Sơ đồ xác định hàm hệ số truyền lực bánh xe .......................................... 59
Hình 3.4. Sơ đồ đồn xe thí nghiệm và cảm biến..................................................... 60
Hình 3.5. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đo hàm hệ số truyền lực dọc bánh xe ............ 61
Hình 3.6. Xe kéo và đồn xe sơmi-rơmo c thí nghiệm ........................................... 61
Hình 3.7. L p đ t cảm biến vận tốc g c bánh xe và vận tốc dọc đoàn xe ............... 62
vii


Hình 3.8. L p đ t cảm biến đo lực dọc đồn xe ...................................................... 62
Hình 3.9. Sơ đồ đấu dây cảm biến và thiết bị đo...................................................... 63
Hình 3.10. Cân khối lƣợng c u xe ........................................................................... 63
Hình 3.11. Xe tƣới tạo đƣờng ƣớt ............................................................................ 64
Hình 3.12. Hàm hệ số bám của bánh xe khi phanh trên đƣờng khô tại 50km/h ...... 67
Hình 3.13 Hàm hệ số bám của bánh xe khi phanh trên đƣờng ƣớt tại 50km/h ........ 67
Hình 3.14. Hàm hệ số truyền lực dọc khi phanh trên đƣờng khô tại 50km/h ......... 68
Hình 3.15. Hàm hệ số truyền lực dọc khi phanh trên đƣờng ƣớt tại 50km/h ........... 68
Hình 3.16. Vị trí c thể l p cảm biến ....................................................................... 69
Hình 3.17. Kết cấu của bộ khung giá đỡ cảm biến................................................... 70
Hình 3.18. L p đ t hồn thiện cảm biến bằng đế từ ................................................. 71
Hình 3.19. L p cảm biến lên vơ lăng ....................................................................... 71
Hình 3.20. Định vị và định tâm cảm biến ................................................................ 71
Hình 3.21. Định vị và định tâm cảm biến ................................................................ 72
Hình 3.22. L p các cảm biến .................................................................................... 72
Hình 3.23. L p các cảm biến vơ lăng ....................................................................... 72
Hình 3.24. Đồ lực đạp phanh theo thời gian ............................................................ 73

Hình 3.25. Đồ thị vận tốc theo thời gian .................................................................. 74
Hình 3.26. Đồ thị gia tốc theo thời gian ................................................................... 74
Hình 3.27. Sự phụ thuộc Vận tốc xe và Lực bàn đạp ............................................... 74
Hình 3.28. Sự phụ thuộc Gia tốc xe và Lực bàn đạp ............................................... 75
Hình 3.29. Đồ thị lực bàn đạp theo thời gian ........................................................... 76
Hình 3.30. Đồ thị vận tốc theo thời gian .................................................................. 77
Hình 3. 31. Đồ thị gia tốc theo thời gian .................................................................. 77
Hình 3.32. Đồ thị vận tốc theo lực bàn đạp .............................................................. 78
Hình 3.33. Đồ thị gia tốc theo lực bàn đạp ............................................................... 78

viii


MỞ ĐẦU
Hệ thống phanh là cơ cấu an toàn của ôtô, dùng để giảm tốc, dừng xe, đỗ
xe theo ý muốn của ngƣời lái. Đây là một trong những hệ thống chính và có ý
nghĩa quan trọng bảo đảm sự ổn định chuyển động của ơtơ. Ngồi ra, hệ
thống phanh còn là cơ cấu điều khiển ổn định trong các xe thơng minh. Với
mật độ giao thơng lớn cịn nhiều đoạn giao c t nhƣ ở Việt Nam, hệ thống
phanh đ ng vai trò thực sự quan trọng. Nhiều tai nạn có mức độ nghiêm trọng
xảy ra do ngƣời lái khơng kịp thời phanh.
Nghiên cứu về phanh ơ tơ nói chung và nghiên cứu về hiệu quả phanh ơ
tơ nói riêng thƣờng đƣợc nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết đến nghiên
cứu bằng thực nghiệm. Mục đích của các nghiên cứu này là đề xuất các giải
pháp nhằm nâng cao hiệu quả phanh, tăng tính an toàn khi chuyển động. Về
nghiên cứu thực nghiệm, trong điều kiện Việt Nam đã c một số nghiên cứu
cơng bố về thí nghiệm phanh ô tô. Nhƣng chƣa c nghiên cứu nào xác định
tính tƣơng quan giữa lực bàn đạp phanh và các thông số đánh giá hiệu quả
phanh.
Đề tài đƣợc thực hiện tại Bộ mơn Ơ tơ và Xe chun dụng dƣới sự giúp

đỡ của Viện đào tạo sau đại học trƣờng đại học trƣờng Đại học Bách Khoa Hà
Nội, đ c biệt là dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS. Võ Văn Hƣờng đã tạo điều
kiện giúp đỡ để đề tài đƣợc hồn thành.
Do thời gian và trình độ cịn có m t hạn chế, trong q trình thực hiện
khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong muốn sự đ ng g p ý kiến của các
Th y để đề tài đƣợc hoàn thiện.
Học viên

Phan Thành Sĩ

1


Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHANH Ô TÔ
1.1. Tổng quan về nghiên cứu phanh ô tô
1.1.1. Cơ sở phanh ô tơ
Hệ thống phanh là cơ cấu an tồn của ơtơ, dùng để giảm tốc, dừng xe, đỗ
xe theo ý muốn của ngƣời lái. Đây là một trong những hệ thống chính và c ý
nghĩa quan trọng bảo đảm sự ổn định chuyển động của ơtơ. Ngồi ra, hệ
thống phanh cịn là cơ cấu điều khiển ổn định trong các xe thông minh. Nhờ
c hệ thống phanh mà ngƣời lái c thể an tâm điều khiển, nâng cao vận tốc
của ô tơ mà vẫn đảm bảo an tồn khi chuyển động.

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống phanh
Q trình phanh ơ tơ là quá trình tính từ khi ngƣời lái phát hiện thấy
chƣớng ngại vật và quyết định đạp phanh đến khi tốc ô tô giảm xuống một giá
trị xác định theo yêu c u của ngƣời lái. Khi phanh xảy ra hai quá trình: ma sát
giữa má phanh và trống phanh (đĩa phanh) xảy ra trong cơ cấu phanh; ma sát
giữa bánh xe với m t đƣờng. Ma sát trong cơ cấu phanh đƣợc đ c trƣng bởi
hệ số ma sát giữa vật liệu làm guốc phanh, má phanh với trống phanh hay đĩa

phanh. Ma sát giữa bánh xe với m t đƣờng đ c trƣng bằng hệ số bám giữa
bánh xe với m t đƣờng. Ma sát giữa guốc phanh, má phanh và trống phanh
làm giảm tốc độ quay của bánh xe. Ma sát giữa bánh xe và m t đƣờng làm
giảm tốc độ chuyển động của ô tô. Hệ thống phanh c hiệu quả tốt thì ph n

2


động năng phải đƣợc tiêu tán trong cơ cấu phanh dƣới dạng nhiệt; tức là cơ
cấu phanh không bị b cứng.
Quá trình ma sát trong cơ cấu phanh đ c trƣng bởi hệ số ma sát khô ho c
ƣớt; phụ thuộc lực ép (cƣờng độ phanh) và nhiệt độ má phanh. Quá trình ma
sát giữa lốp và đƣờng phức tạp hơn nhiều, phụ thuộc cấu trúc lốp và áp suất
lốp với độ mấp mô tế vi của đƣờng, đ c trƣng bởi hệ số bám cực đại và hệ số
bám cực tiểu, phụ thuộc động lực học bánh xe đàn hồi (phụ thuộc phản lực
đƣờng lên bánh xe phƣơng thẳng ng v mụ men ch ng/mụ men phanh).
Sơ đồ nguyên lý phanh đ-ợc thể hiện trong hình 1.2.

F mV
FK

FZ

Ơ tơ

nh xe
V

VB

Cơ c u phanh

L p/đ

Hình 1.2 Sơ đồ nguy n

ng

ph nh

Khi phanh, ngƣời lái đạp lên bàn đạp phanh một lực, tạo ra mô men
phanh MB ở bánh xe. Khi đ , ở bánh xe ô tô xuất hiện hai thông số vận tốc là
vận tốc dọc của bánh xe x và vận tốc dài của bánh xe tại điểm tiếp xúc với
m t đƣờng r ; hai vận tốc này không bằng nhau, một ph n do lốp bị biến
dạng, một ph n do trƣợt tƣơng đối giữa lốp và đƣờng. Trƣợt xảy ra khi quá
trình đàn hồi kết thúc. Đ c trƣng cho sự tổn hao vận tốc là hệ số trƣợt

sB 

r  x
. Các thông số động lực học của bánh xe khi phanh đƣợc biểu
x

di n trong hình 1.3.

3


FC

FK

J A

MB


mg
V

Fwx

(m  mA ) x

FX

rd
Mf
FX
FZ

Hình 1.3 Sơ đồ động lực học bánh xe khi phanh
Hệ số bám dọc

x

và hệ số bám ngang

 y phụ

thuộc vào hệ số trƣợt s và

g c lệch bên bánh xe . Các quan hệ này đƣợc trình bày trong hình 1.4. Khi
hệ số bám trong miền tuyến tính,

s  0,1

thì

x  Cxsx .

Khi hệ số bám vƣợt qua

cận cực đại, bánh xe b t đ u trƣợt (lết ho c quay) cho đến khi

s  1 , x  x,min

đạt giá trị cực tiểu; mức độ giảm nhanh hay chậm sau cực đại phụ thuộc vào
trạng thái đƣờng. Cơ chế truyền lực của bánh xe đàn hồi là “truyền khớp –
đàn hồi – ma sát”. Khi x  x,max quá trình phanh là ổn định; n thuộc pha thứ
nhất: pha ăn khớp tế vi giữa lốp và đƣờng đồng thời lốp biến dạng tuyến tính
với hệ số trƣợt sx
4


Hình 1.4 Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của bánh xe khi phanh
Lực dọc Fx đƣợc tạo ra khi ta tạo ra mô men tại trục bánh xe. Lực ngang
Fy đƣợc tạo ra khi xe chạy trên đƣờng nghiêng, đƣờng vòng đƣờng ho c c
gi ngang hay chất tải không đều… Lực Fx, Fy tỷ lệ với phản lực Fz và hệ số

bám

x ( s, ),  y ( s, ) . Fx  Fz x (s,  ) , Fy  Fz y (s, ) . Mối

quan hệ giữa lực dọc FX,

lực ngang Fy và độ trƣợt của bánh xe khi phanh đƣợc thể hiện trên hình 1.5.
F

ng t i u

FX

FY
s

Hình 1.5 Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt
Khi chƣa phanh ho c phanh với lực phanh nhỏ (hệ số bám x  x,max thì
truyền lực giữa bánh xe và đƣờng là pha truyền ực khớp đồng thời với đàn
hồi; đây là pha ổn định. Khi tăng lực phanh g n bằng lực phanh giới hạn bám
 x   x,max thì truyền lực giữa bánh xe và đƣờng chuyển sang pha không ổn
5


định; là pha trƣợt lết. Nếu tiếp tục tăng lực phanh lớn hơn lực bám (độ trƣợt s
> s0) thì truyền lực giữa bánh xe và đƣờng là truyền lực ma sát, lúc này bánh
xe sẽ bị trƣợt lết trên m t đƣờng, làm cho lực dọc F X và lực ngang Fy giảm
nhanh ch ng, dẫn đến gia tốc chậm d n khi phanh giảm và tính ổn định
hƣớng thẳng cũng giảm, hình 1.5
Vì vậy để ơ tơ đạt hiệu quả phanh cao thì ngƣời ta c n điều khiển hệ

thống phanh sao cho  X   Xmax , muốn thế ta phải sử dụng hệ thống phanh
ABS. Khi sử dụng hệ thống phanh ABS thì ơ tơ c thể đạt gia tốc phanh lớn
nhất và góc quay thân xe nhỏ nhất nên xe đạt hiệu quả phanh rất cao và
chuyển động ổn định hơn.
1.1.2. Khái niệm hiệu quả phanh
Hiệu quả phanh của ô tô đƣợc xác định bởi hai yếu tố:
(i) Gia tốc phanh x , ho c các thơng số tƣơng đƣơng đánh giá q
trình phanh là quãng đƣờng phanh sP , thời gian phanh t p , lực phanh riêng

Fx
.
G

(ii) Ổn định phanh và tính dẫn hƣớng của ô tô khi phanh: thông số
đánh giá là g c quay thân xe.
Ơ tơ c hiệu quả phanh cao khi gia tốc phanh đạt giá trị lớn nhất (ho c
quãng đƣờng phanh ng n ho c thời gian phanh nhỏ) và g c xoay thân xe đạt
giá trị nhỏ nhất. Hệ thống phanh c hiệu quả tốt thì ph n động năng phải đƣợc
tiêu tán trong cơ cấu phanh dƣới dạng nhiệt, tức là bánh xe không bị b cứng.

Hình 1.6 Năng ượng ti u tán trong cơ cấu phanh
6


Một trong những vấn đề đ t ra là phải giải quyết vấn đề hoạt động của hệ
thống phanh khi phanh trên các loại đƣờng c hệ số bám thấp nhƣ đƣờng trơn,
ƣớt, đƣờng cát, điều này dẫn đến bánh xe nhanh ch ng bị b cứng và mất ổn
định. Khi phanh ô tô, nếu bánh xe trƣớc bị b cứng trƣớc thì sẽ làm cho xe
khơng thể chuyển hƣớng theo sự điều khiển của ngƣời lái; nếu bánh xe sau bị
b cứng trƣớc, ôtô sẽ bị trƣợt ngang. Đ c biệt khi ơ tơ quay vịng, hiện tƣợng

trƣợt ngang của các bánh xe sẽ dẫn đến hiện tƣợng quay vòng thiếu ho c quay
vòng thừa làm mất tính ổn định khi xe quay vịng.

Hình 1.7 Quay vịng thiếu và quay vòng thừa
Để c thể nâng cao hiệu quả phanh chúng ta phải xác định rõ các quan
hệ nội hàm liên quan đến quá trình phanh. Điều đ chỉ c thể đƣợc xác định
thơng qua các mơ hình động lực học của q trình phanh; trong đ mơ hình
lốp là hạt nhân của mơ hình vì các lực tƣơng tác bánh xe sẽ quyết định đến
các giá trị nội hàm và ảnh hƣởng đến quãng đƣờng phanh, ổn định phanh và
ổn định dẫn hƣớng.
+ Hiệu quả phanh là một hàm đa biến chỉ c thể khảo sát sự phụ thuộc
bằng mơ hình;
+ Hiệu quả phanh thực chất phụ thuộc vào phản lực FZ và hệ số bám
 x ,  y . Các hệ số  x ,  y là một hàm đa biến, trƣớc hết phải đƣợc nghiên cứu

dƣới dạng quy luật và sau đ tuỳ vào điều kiện cụ thể của xe và đƣờng mà xác
định các trị số (tham số) để mô tả chính xác các quá trình phanh cụ thể. Hình
1.6 là sơ đồ phanh thông thƣờng, không c ABS. Khi lái xe đạp bàn đạp, áp
7


suất d u xy lanh chính tăng lên; tƣơng ứng áp trong xy lanh bánh xe cũng
tăng theo một tỷ lệ nào đ , tạo ra mô men phanh. Đây là mơ men ma sát của
cơ cấu, sẽ chuyển hóa ra mơ men phanh: mơ men bám, xem hình (1.6). Khi
mô men của cơ cấu vƣợt ngƣỡng mô men bám, bánh xe sẽ trƣợt, làm giảm
hiệu quả phanh:
M bcc  M b
Fb

 Fz ,max x,max  M b / r

Vì vậy, ngƣời ta đã đề xuất hệ thống phanh ABS c sơ đồ nhƣ hình
(1.32). Nguyên lý nhƣ sau: Khi lái xe đạp phanh tạo ra một mô men phanh
vƣợt qua ngƣỡng, ABS-ECU sẽ điều khiển van điện từ giảm áp, sao cho mô
men tạo ra do xy lanh bánh xe khơng vƣợt q mơ men bám.

Hình 1.8. Nguy n

ph nh thơng thường

Trong các xe có ABS thƣờng có trang bị cảm biến gia tốc dọc để xác
định vận tốc dọc; cảm biến gia tốc ngang để xác định vận tốc ngang; tại các
bánh xe có các cảm biến đo vận tốc góc. Do vậy có thể xác định các hệ số
trƣợt của bánh xe, là thông số điều khiển ABS. Cơ cấu chấp hành là van điện
từ ba cửa. Van đ sẽ làm tăng, giữ áp, giảm áp theo tín hiệu điều khiển của
ABS-ECU. Hình (1.32) chỉ ra quan hệ các vận tốc, ngƣỡng điều khiển, tín
hiệu điều khiển và áp suât cấp từ xy lanh chính và áp suất đƣợc điều khiển
cho xy lanh bánh xe.
8


1.1.3. Yếu tố ảnh hƣởng
Quá trình phanh là một quá trình phức tạp và c nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến
quá trình phanh nhƣ sau:
(i) Phản lực thẳng đứng của đƣờng tác dụng lên bánh xe FZ: Vì FB  FZ Xmax
nên khi FZ thay đổi thì FB cũng thay đổi. Phản lực FZ thay đổi khi đoàn xe
chạy trên đƣờng c

mấp mô đƣờng, đƣờng nghiêng, đƣờng c

gi

ngang…v.v.
(ii) Lực quán tính ly tâm khi tăng tốc, khi phanh, chất tải lệch trọng tâm.
(iii) Độ bám giữa lốp và đƣờng: mấp mô tế vi của đƣờng, môi chất giữa lốp
và đƣờng (nƣớc, bụi, cát…).
(iv) Cấu trúc của lốp: độ đàn hồi hƣớng kính, độ đàn hồi tiếp tuyến và độ
đàn hồi ngang.
(v) Động lực học bánh xe: cƣờng độ phanh, tốc độ tăng mơmen khi phanh.
1.1.4. Đánh giá hiệu quả phanh

Hình 1.9. Sơ đồ điều khiển ơ tơ
Nhìn vào hình 1.9 chúng ta thấy lái xe c ba tác động: Ga để thay đổi
mômen của động cơ (MA), phanh để tạo ra mô mem phanh (MB) và quay vô
lăng δ. Dƣới điều kiện ngoại cảnh nhƣ gi , đƣờng nghiêng, lực quán tính, c
thể làm thay đổi phản lực Fz lên các bánh xe và từ đ làm thay đổi các lực

9


phƣơng dọc và phƣơng ngang tại các bánh xe, khi đ ô tô sẽ chuyển động với
vận tốc dọc x , vận tốc ngang y , vận tốc g c quay thân xe  [1].
Khi ô tô chuyển động trên đƣờng, nó chịu sự điều khiển của lái xe với 3
thao tác là quay vô lăng, đạp chân ga để tăng tốc ho c đạp chân phanh để
phanh xe ho c tích hợp tác thao tác phanh và quay vơ lăng, tăng tốc và quay
vòng. Với các tác động đ của lái xe, sẽ xuất hiện các gia tốc ngang và gia tốc
dọc cũng nhƣ gia tốc góc trục đứng, làm thay đổi phản lực từ đƣờng lên bánh
xe phƣơng thẳng đứng. Chuyển động của ô tô phụ thuộc các lực và mô men
tƣơng tác bánh xe

Fxj , Fyj, M zj

.Các lực tƣơng tác này c bản chất truyền lực theo

ngun lý “khớp-đàn hồi-ma sát”. Ơ tơ c thể trƣợt ngang trƣợt dọc ho c góc
quay thân xe. Ở phƣơng ngang c hai quá trình là (i) trƣợt và (ii) góc quay
thân xe. Hai q trình này là độc lập nhƣng cùng chịu một ngoại lực là lực
quán tính ly tâm, gi ngang và đƣờng nghiêng. Quá trình trƣợt xảy ra trƣớc
khi ngoại lực ngang lớn hơn lực bám ngang. Có 3 trạng thái có thể xảy ra:
(i) C u trƣớc trƣợt: tùy vào mức độ trƣợt, xe b t đ u quay vịng thiếu ít
cho đến khi trƣợt nhiều, xe khơng có khả năng vào cua, chuyển động theo
phƣơng quán tính (tiếp tuyển);
(ii) C u sau trƣợt: khi c u sau trƣợt, xe b t đ u quay vòng thừa, xe mất ổn
định, bán kính quay vịng có thể bằng 0;
(iii)Khi hai c u cùng trƣợt, tuỳ theo mức độ và tƣơng quan giữa 2 c u, xe
có thể quay vòng thừa ho c thiếu. C 2 giai đoạn trƣợt là trƣợt đàn hồi và
trƣợt lết. Trƣợt đàn hồi là trƣợt tƣơng đối bởi các phân tử cao su của lốp; trƣợt
lết là di chuyển tƣơng đối trên bề m t lốp đƣờng. Quá trình trƣợt lết phụ thuộc
hệ số bám ngang.
Quá trình lật là quá trình sau trƣợt. Q trình lật sẽ xảy ra khi khơng có
khả năng trƣợt. Điều đ xảy ra khi c “sự bám ngang” tăng đột ngột. C nghĩa
là, đã trƣợt thì thân xe bị quay.
Qua phân tích, chúng ta có thể tóm t t bản chất giữa trƣợt và góc quay
thân xe nhƣ sau:
10


(i) Ngoại lực (ngang) gây trƣợt/quay: lực quán tính ly tâm và mơ men
qn tính của xe trục “z” my, J z , gi ngang, đƣờng nghiêng tạo ra thành
ph n FGy  FG sin  . Gián tiếp chúng ta thấy phản xạ của lái xe có ảnh hƣởng lớn

đến sự trƣợt là lật của xe;
(ii) Sự trƣợt của xe bị giới hạn bởi lực bám ngang. Lực bám ngang phụ
thuộc phản lực Fz và hệ số bám ngang  y max . Sự trƣợt của ơ tơ có thể đƣợc
xét qua đ c tính quay vịng: quay vịng thiếu, quay vịng đủ, quay vịng thừa;
(iii) Q trình trƣợt xảy ra trƣớc, làm thay đổi quỹ đạo chuyển động. Góc
quay thân xe chỉ xẩy ra khi khả năng bám ngang khơng đủ lớn. Nếu cịn trƣợt
thì thân xe quay. Các kết luận này là rất quan trọng, làm nền tảng cho thiết lập
mơ hình nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả phanh.

Hình 1.10. Động lực học bánh xe khi ph nh và tăng tốc
Bản chất là giống nhau, chỉ khác chiều của mơ men cấp. Phương trình mô tả
chuyển động của bánh xe trong các ô tô cơ điện tử à như nh u:
J Ayij Aij  M ij  ( Fxij  Fzij f )[r0ij  (hij  ij )]
(1.1)
M ij  M Aij  M Bij

Trong đ M Aij là mô men từ động cơ, M Bij là mô men phanh.
Khi tăng tốc, mô men tuyền từ động cơ qua bán trục tạo ra mô men chủ
động M Aij , khác với mô men phanh về cơ chế truyền. Tuy nhiên, quan hệ
11


truyền dƣới đƣờng gồm hai pha kết tiếp nhau: Pha 1 là “Truyền khớp-đàn hồi
là pha ổn định, pha 2 là pha “trƣợt ma sát”; pha không ổn định”. Trong hệ
truyền lực cũng tồn tại nhiều khâu ma sát mà xét đến vƣợt ra khỏi nội dung
của luận văn này. Chúng ta chỉ xét mô men truyền, chủ động ho c phanh
truyền xuống đƣờng nhƣ một khâu ma sát.
(i) Quá trình ma sát trong cơ cấu đ c trƣng bởi hệ số ma sát khô ho c
ƣớt; phụ thuộc lực ép (cƣờng độ phanh) và nhiệt độ má phanh;
(ii) Quá trình ma sát giữa lốp và đƣờng phức tạp hơn nhiều, phụ thuộc

cấu trúc lốp và áp suất lốp với độ mấp mô tế vi của đƣờng, đ c trƣng bởi hệ
số bám cực đại và hệ số bám cực tiểu, phụ thuộc động lực học bánh xe đàn
hồi (phụ thuộc phản lực đƣờng lên bánh xe phƣơng thẳng đứng và mơ men
chủ động/mơ men phanh).

Hình 1.11. Lực tương tác bánh xe phụ thuộc hệ số trượt
Hiệu quả phanh đƣợc xác định bởi hai yếu tố:
+ Quãng đường ph nh sP . Các thông số tƣơng đƣơng đánh giá quá trình
phanh là gia tốc phanh x , thời gian phanh t p , lực phanh riêng

Fx
.
G

+ Ổn định ph nh và tính dẫn hướng khi phanh: thơng số đánh giá là g c
quay thân xe.
Trong thực tế, khi phanh thì trục dọc của ôtô c thể bị lệch đi một g c 
so với phƣơng chuyển động ban đ u. Sở dĩ nhƣ vậy là do tổng các lực phanh
12


sinh ra ở các bánh xe bên phải khác với tổng lực phanh sinh ra ở các bánh xe
bên trái và tạo thành mơ men quay vịng quanh trục thẳng đứng đi qua trọng
tâm của ôtô.
Nhƣ vậy hiệu quả phanh đƣợc xác định bởi:
(a) Gia tốc phanh (tƣơng đƣơng quãng đƣờng phanh, lực phanh)
(b) Góc lệch thân xe (ho c đánh giá qua quay vòng thiếu quay vòng thừa
và đủ thông qua hàm vận tốc quay thân xe  (t )
1.2. Nhiệm vụ của hệ thống phanh
Ngày nay, hệ thống phanh c 3 nhiệm vụ nhƣ sau:

(1) Giảm vận tốc khi c n thiết;
(2) Đỗ/dừng xe;
(3) Cùng với Cơ cấu lái, hệ thống phanh là cơ cấu điều khiển động lực
học nhƣ ESP, ACC,ACC++,ACCPLUS, GCC.
GCC: Điều khiển g m tích hợp là tích hợp các hệ thống con sau: (i) ESP
điều khiển ổn định điện tử; ARP chống l c ngang tích cực; CDC giảm chấn
điều khiển liên tục; EAS hệ thống treo khí điều khiển điện tử; EPS Hệ thống
lái trợ lực điện; 4WS lái bốn bánh; AWS chống l c ngang tích cực. Mục tiêu
của điều khiển tích hợp là nâng cao độ an toàn động lực học, nâng cao độ êm
dịu chuyển động.

Hình 1.12. Quan hệ về điều khiển
13


1: đàn hồi thụ động; 2:Khí thụ động; 3: đàn hồi tích cực; 4: giảm chấn thủy ực th y
đổi ực cản; 5:Th nh ổn định thụ động; 6: th nh ổn định tích cực; 7 cản khí thụ động; 8:
khí nén điều khiển;HB: ph nh thủy ực; EHB: ph nh thủy ực điện; EMB: ph nh điện cơ;
EPB: ph nh khí điều khiển điện tử; HL: ái trợ ực thủy ực;ESP điều khiển ổn định điện
tử; ACC: điều khiển khoảng cách;FSR-ACC: điều khiển khoảng cách nâng c o; ULL: hệ
thống ái có tỷ số ái th y đổi.

Hình 1.10. trình bày tƣơng quan điều khiển tích hợp và kế hoạch triển
khai của Châu Âu cách đây 10 năm. Trong sơ đồ ta c 5 ph n (quạt):
(i)

Điều khiển Hệ thống treo gồm 1: đàn hồi thụ động; 2:Khí thụ

động; 3: đàn hồi tích cực; 4: giảm chấn thủy lực thay đổi lực cản; 7 cản khí
thụ động ;8: khí nén điều khiển.

(ii)

Điều khiển chống l c ngang; 5:Thanh ổn định thụ động; 6: thanh

ổn định tích cực.
(iii)

Điều khiển hệ thống phanh: Gồm hệ thống phanh thủy lực HB;

Hệ thống phanh khí điều khiển điện tử EPB; Hệ thống phanh Điện-thủy lực
EHB; Hệ thống phanh Điện-cơ EMB.
(iv)

Hệ thống lái: Hệ thống lái thủy lực HL; hệ thống lái co tỷ số

truyền thay đổi ULL; Điều khiển ổn định ESP; lái bằng dây “Steer-by-Wire”.
(v)

Hệ thống hỗ trợ lái xe: ACC, ACC++, cảnh báo đâm, tránh đâm.

Trong sơ đồ trên, mục (i) và (ii) là điều khiển động lực học phƣơng
thẳng đứng, c mục tiêu về độ êm dịu và bảo đảm phản lực phản phƣơng
thẳng đứng ít thay đổi. Nếu phản lực các bánh xe không đổng đều, lực phanh
và lực ngang cũng thay đổi theo; kéo theo tạo ra mô men quay thân xe. Trên
thực tế điều khiển động lực học phƣơng thẳng đứng là độc lập.
Điều khiển thống phanh (iii) độc lập với điều khiển hệ thống lai (iv)
nhƣng cả hai loại điều khiển này đều g p ph n điều khiển trong hệ thống hỗ
trợ lái xe (v). Hệ thống này c vai trò hỗ trợ lái xe để giảm tai nạn giao thông.

14

Trong trƣờng hợp c một mô men quay thân xe, hình 1.10., ta c thể
điều khiển tích hợp nhƣ thơng qua hệ thống phanh và kết hợp hệ thống lái để
tạo ra lực ngang.
1.3. Các hệ thống phanh
1.3.1. Cơ cấu phanh
Khi chuyển động ô tô mang một động năng F  mv . Lái xe tạo ra lực
Fk sinh ra mô men phanh (cơ cấu), mô men này dƣợc truyền xuống đƣờng tạo
ra mô men phanh (bám/ma sat). Nhƣ vậy trong hệ thống phanh c hai khâu
ma sát: (i) trong cơ cấu phanh và (ii) tƣơng tác lốp đƣờng.
Khi lái xe đạp phanh, tạo ra lực đẩy hai má phanh tạo ra lực ép của má
phanh với trống phanh. Tùy theo chiều quay bánh xe ta có má thuận (Tự siết)
và má nghịch (không tự siêt). Gọi C* là hệ số khuếch đại, có quan hệ với lực
phanh của cơ cấu và lực dõng của má phanh:
C*  Fms / Fd

(1.2)

Hệ số C* phụ thuộc hệ số ma sát trong cơ cấu. Lấy đạo hàm của hệ số
khuyếch đại C* theo hệ số ma sát ta c độ nhạy của cơ cấu phanh E:
E  dC * / d 

(1.3)

Hình 1.12. Đặc tính m sát cơ cấu phanh
15