Đề tài Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe du lịch

ĐỀ TÀI “Ứng dụng phần mềm Matlab- Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe du lịch” Giảng viên hướng dẫn : Ths Đồng Minh Tuấn Sinh viên thực hiện : Nguyễn Trọng Khương LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển của ngành ô tô của Việt Nam như hiện nay, cùng với chiến lược phát triển của nhà nước, chính sách nội địa hoá phụ tùng ôtô trong việc sản xuất và lắp ráp đã tạo điều kiện cho các nhà thiết kế nghiên cứu, chế tạo các cụm, các hệ thống trên ôtô trong nước, trong đó có hệ thống phanh. Vấn đề nghiên cứu thiết kế và chế tạo các phần tử của hệ thống phanh ABS là phù hợp với xu hướng phát triển của thế giới và chủ trương nội địa hoá sản phẩm ôtô của Việt Nam. Chính vì vậy, chúng em được giao đề tài: “Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe du lịch” Trong tình hình hiện nay, ngành ôtô của nước ta chủ yếu là lắp ráp nên để có thể độc lập chế tạo các chi tiết của ôtô rất cần những nghiên cứu ứng dụng vào thực tế. Nghiên cứu các vấn đề về lý thuyết và điều khiển hệ thống phanh ôtô hiện đại nhằm ứng dụng thiết kế và chế tạo các hộp đen ECU điều khiển hệ thống phanh là một vấn đề rất phức tạp nhưng đó là công việc cần phải bắt tay vào làm để trong tương lai khô ng xa chúng ta có thể tự nghiên cứu và sản xuất ra những sản phẩm ôtô riêng của Việt Nam. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là nhằm xây dựng cơ sỏ lí thuyết cho hệ thống phanh ABS,trên cơ sở đó mô phỏng trên simulink để thấy rừ nhất mụ hỡnh và hiệu quả của cơ cấu phanh Đề tài cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc nghiên cứu về tính hiệu quả của phanh khi cần giảm tốc độ cũng như hiệu quả phanh trong quá trình điều khiển động học của ôtô thông qua việc sử dụng phần mềm lập trình. Em xin chân thành cảm ơn thầy Ths.Đồng Minh Tuấn người trực tiếp hướng dẫn cùng các thầy trong bôn môn ôtô, Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường ĐHSPKT Hưng Yên đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài. Hưng yên, ngày 15 tháng 7 năm 2009 Sinh viên thực hiện Nguyễn Trọng Khương www.oto-hui.com NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Hưng yên, ngày…...tháng..…năm..… Giáo viên hướng dẫn. www.oto-hui.com NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Hưng yên, ngày…...tháng..…năm..… Giáo viên phản biện. www.oto-hui.com MỤC LỤC Trang Giới thiệu chung…………………………………………............................................... 4  Lý do chọn đề tài……...………………………...…….…………......................... . 4  Bố cục của đồ án...……………...…………………………………...................... 5 Chương I : Tổng quan các vấn đề nghiên cứu 1.1. Lịch sử phát triển của cơ cấu ABS...................................................................... 6 1.2. Nội dung , nhiệm vụ của đề tài........................................................................... 7 1.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu.................................................................... 8 Chương II : Hệ thống chống bó cứng bánh xe 2.1. Lực và mô men tác động lên xe trong trong mặt phẳng dọc............................ . 9 2.2. Cơ sở lí thuyết về điều hòa lực phanh chống bó cứng bánh xe khi phanh……. 17 2.3. Sự bám của bánh xe với mặt đường………………………………………… 27 2.4. Hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS....................................................... 33 2.5. Sơ đồ của hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS)…………………............. 40 2.6. Quá trình điều khiển của ABS…………………………………................... 46 2.7. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cả cơ cấu ABS …………………… .55 2.8. Các trạng thái phanh……………………………………………………… 65 Chương III : Mô phỏng bằng Matlab - Simulink 3.1 Giới thiệu nội dung chính của Matlab – Simulink; Matlab - State flow……… 67 3.2. Sơ đồ mô phỏng ............................................................................................... 69 3.3. Mô phỏng các cụm của hệ thống ……………………………………………… 71 Chương IV : Kết quả mô phỏng và phân tích 4.1. Trường hợp 1 : ...................................................... 90 4.2. Trường hợp 2 : .................................................... 92 4.3. Trường hợp 3 : ........................................................ 95 4.4. Trường hợp 4: ................................................... 97 4.5. Trường hợp5: bốn bánh hệ số bám khác nhau……………………………… 101 4.6. Kết luận và kiến nghị ………………………………………………………….. 103 www.oto-hui.com GIỚI THIỆU CHUNG 1. Lý do chọn đề tài Cơ cấu phanh là cơ cấu an toàn chủ động của ô tô, dùng để giảm tốc độ hay dừng và đỗ ôtô trong những trường hợp cần thiết. Nền công nghiệp ô tô đang ngày càng phát triển mạnh, số lượng ô tô tăng nhanh, mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn. Các xe ngày càng được thiết kế với công suất cao hơn, tốc độ chuyển động nhanh hơn thì yêu cầu đặt ra với cơ cấu phanh cũng càng cao và nghiêm ngặt hơn. Một ô tô có cơ cấu phanh tốt, có độ tin cậy cao thì mới có khả năng phát huy hết công suất, xe mới có khả năng chạy ở tốc độ cao, tăng tính kinh tế nhiên liệu, tính an toàn và hiệu quả vận chuyển của ô tô. 10% số vụ tai nạn xảy ra trong trường hợp cần dừng khẩn cấp, tài xế đạp phanh mạnh đột ngột làm xe bị rê bánh và trượt đi, dẫn đến mất lái. Hệ thống ABS giúp khắc phục tình trạng này không phụ thuộc vào kỹ thuật phanh của người lái. Ở VN tai nạn giao thông ngày một gia tăng cả về số vụ và tính chất nguy hiểm Năm 2005 2006 2007 2008 Số vụ tai nạn 15000 15500 16060 16700 Số người chết( người ) 11200 12300 14600 15740 Số người bị thương( người ) 11840 12140 12410 12780 Trên thế giới cũng có nhiều diễn biến hết sức phức tạp,số vụ tai nạn ngày càng tăng nên tính cấp thiết là phải nâng cao kỹ thuật cho xe cơ giới nói chung và cho ô tô nói riêng Báo cáo năm 2004 của WHO cho biết mỗi ngày trên thế giới, hơn 3000 người chết do tai nạn giao thông. Trong số này, cá c nước có thu nhập thấp và trung bình chiếm đến 85% số ca tử vong. Do tầm quan trọng của hệ thống phanh trên ô tô về sự an toàn giao thông trong quá trình hoạt động mà việc nghiên cứu để nâng cao kỹ thuật sử lí cho hệ thống phanh.mà nhà trường đã giao cho em tìm hiểu về hệ thống phanh ABS 2. Bố cục của đồ án * Đồ án gồm 4 chương - Chương I : Tổng quan các vấn đề nghiên cứu - Chương II : Hệ thống chống bó cứng bánh xe - Chương III : Mô phỏng hệ thống chống bó cứng bánh xe - Chương IV : Phân tích các kết quả mô phỏng điển hình Kết luận và kiến nghị www.oto-hui.com CHƯƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Lịch sử phát triển của cơ cấu ABS. Với sự hiểu biết đơn giản và kinh nghiệm, tránh hiện tượng các bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe trên đường trơn trượt, người lái xe đạp phanh bằng cách nhấn liên tục lên bàn đạp phanh để duy trì lực bám ngăn không cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển được hướng chuyển động của xe. Về cơ bản chức năng của cơ cấu phanh ABS cũng giống như vậy nhưng hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn. Cơ cấu ABS được sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm 1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh. Với công nghệ thời đó, kết cấu của cơ cấu ABS còn cồng kềnh, hoạt động không tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi tình huống. Trong quá trình phát triển ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay là loại điện tử. Vào thập niên 60, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử ra đời, giúp cơ cấu ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô vào năm 1969, sau đó cơ cấu ABS được nhiều công ty sản suất ô tô nghiên cứu và đưa vào ứng dụng vào năm 1970. Công ty toyota sử dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật Bản vào năm 1971 đây là cơ cấu ABS một kênh điều khiển đồng thời hai bánh sau. Nhưng phải đến thập niên 80 cơ cấu này mới được phát triển mạnh nhờ cơ cấu điều khiển kĩ thuật số, vi xử lý thay cho các cơ cấu điều khiển tương tự đơn giản trước đó. Lúc đầu cơ cấu ABS chỉ được lắp ráp trên các xe du lịch mới, đắt tiền, được trang bị theo yêu cầu và theo thị trường. Dần dần cơ cấu này được đưa vào sử dụng rộng rãi hơn, đến nay ABS gần như trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đường băng, tuyết dễ trơn trượt, ngày nay cơ cấu ABS không chỉ được thiết kế trên các cơ cấu phanh thuỷ lực mà còn ứng dụng rộng rãi trên các cơ cấu phanh khí nén của các xe tải và xe khách lớn. Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động như khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với t ốc độ cao, khi phanh trong những trường hợp khẩn cấp … Cơ cấu ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều cơ cấu khác. Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu kiểm soát lực kéo Traction Control (hay ASR) làm giảm bớt công suất động cơ và phanh các bánh xe để tránh hiện tượng các bánh xe bị trượt lăn tại chỗ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, bởi điều này làm tổn hao vô ích một phần công suất của động cơ và mất tính ổn định chuyển động của ô tô. www.oto-hui.com Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu phân phối lực phanh bằng điện tử EBD (Electronic Break force Distribution) nhằm phân phối áp suất dầu phanh đến các bánh xe phù hợp với các chế độ tải trọng và các chế độ chạy của xe. Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu BAS (Break Assist System) làm tăng thêm lực phanh ở các bánh xe để quãng đường phanh là ngắn nhất trong trường hợp phanh khẩn cấp. Cơ cấu ABS kết hợp với cơ cấu ổn định ô tô bằng điện tử (ESP) không chỉ có tác dụng trong khi dừng xe, mà còn can thiệp vào cả quá trình tăng tốc và chuyển động quay vòng của ô tô, giúp nâng cao hiệu quả chuyển động của ô tô trong mọi trường hợp. Ngày nay với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kĩ thuật điện tử của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hoá quá trình điều khiển ABS. Các công ty như BOSCH, AISIN, DENCO, BENDI là những công ty đi đầu trong việc nghiên cứu, cải tiến và chế tạo các cơ cấu ABS và cung cấp cho các công ty sản xuất ô tô trên toàn thế giới. 1.2 Các thành tựu đạt được trong lĩnh vực chống bó cứng bánh xe 1.2.1. Tình hình nghiên cứu chống bó cứng bánh xe trên thế giới. Trên thế giới đã có rất nhiều nhà nghiên cứu về lĩnh vực này ví dụ như : Asami, K., Nomura, Y. and Naganawa, T.(1989). Traction Control (TRC) System for 1987 Toyota Crown. Cho, D. and Hedrick, J.K. (1989). Choi, S. H. and Cho, D. W. (1998). Nonlinear Sliding mode controller with pulse width modulation for vehicular slip ratio control. Proceedings of the KSAE 1999 Spring Annual Meeting. K. Fujita, K., Inous, Y. and Masutomi S. (1990). The ‘Lexus’ Traction Control (TRAC) System. Kawabe, T., Nakazawa, M.,Notsu, I. and Watanabe, Y. (1997). A Sliding Mode Controller for Wheel Slip Ratio Control System. Vehicl Systems Dynamics, Vol. 27.Tan, H.S. and Chin, Y. K. (1992). Vehicle antilock braking and traction control. Qua nghiên cứu các đề tài trên, mỗi đề tài có mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu khác nhau và đạt được kết quả nhất định trong đó nổi trội nhât là: Công trình nghiên cứu với đề tài (wheel slip control with moving slipding surface for traction control system) của K.CHUN và M.SUNWOO đại học Hanyang –seoul -Hàn Quốc (11/4/2004); trong đó tác giả đã phân tích được quá trình điều khiển, tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Matlap- Simulink và được thử nghiệm trên xe điện (electric kart) công trình đã đạt được : www.oto-hui.com - Đã tính tới yếu tố thời gian tăng tốc và thời gian phản ứng của hệ thống - Mô phỏng được quá trình điều khiển - Kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm trên loại xe điện nhỏ Hạn chế của đề tài : - Mới chỉ kiểm nghiệm dưới dạng mô hình đơn giản 1.2.2. Tình hình nghiên cứu chống bó cứng bánh xe ở Việt Nam. Những kết quả nghiên cứu về về hệ thống chống bó cứng bánh xe trên ô tô ở việt nam đến nay còn rất nhiều hạn chế,chưa có công trình chuyên sâu nghiên cứu tổng thể về hệ thống .Một số công trình đã được thực hiện ở Việt Nam hoặc ở nước ngoài của các tác giả Việt Nam chủ yếu đi sâu vào nghiên cứu một phần trong hệ thống như hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh như: Đề tài: Nghiên cứu hệ thống phanh ABS trên cơ sở hệ thống thử nghiệm tương đương, thực hiện năm 2005; Đề tài : Mô phỏng hệ dẫn động phanh dầu sử dụng trợ lực chân không, thực hiện năm 2005; Đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe, thực hiện năm 2006; Đề tài “Tổng hợp bộ điều khiển điện tử và mô phỏng hệ thống phanh có ABS trên ô tô du lịch” của tác giả anh Vũ. v.v. Nhìn chung với các hiểu biết chưa nhiều ở nước ta, đề tài mong muốn tham gia một phần trong mảng nghiên cứu chống trượt quay bánh xe giúp ô tô tăng khả năng tăng tốc trên đường đặc biệt là đường có hệ số bám thấp. Đây là vấn đề liên quan đến an toàn giao thông khi điều kiện đường xá nước ta còn chưa phát triển và tạo điều kiện cho xe có khả năng tăng tốc tốt khi điều kiện thời tiết xấu. Để khắc phục những hiện tượng đó, phần lớn các ô tô con sang trọng hiện nay đều được trang bị hệ thống chống trượt quay bánh xe, gọi tắt là ASR (Traction Control System). Tại thị trường ô tô Việt Nam rất ít hãng trang bị hệ thống này trên ôtô chỉ có vài hãng như: BMW, GM Daewoo,Toyota. 1.3. Nội dung , nhiệm vụ của đề tài 1.3.1.Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu quá trình điều khiển của hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS) trên xe du lịch. - Mô phỏng và diễn tả quá trình làm việc của hệ thống chống bó cứng bánh xe bằng Simulink, từ đó phân tích yếu tố như: vận tốc chuyển động của xe, hệ số bám bánh xe với mặt đường đến quá trình phanh ôtô - Đánh giá kết quả mô phỏng các chế độ làm việc điển hình www.oto-hui.com 1.3.2. Nội dung nghiên cứu - Một là : Phân tích làm rõ quá trình chống bó cứng bánh xe và thông số đánh giá, từ đó phân tích hệ số bám của bánh xe với mặt đường và ảnh hưởng của nó đến quá trình phanh ôtô - Hai là : Trình bày quá trình điều khiển và mô tả các phần tử chính của hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe(ABS). - Ba là : Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS và tiến hành mô phỏng quá trình làm việc ở một số chế độ làm việc điển hình - Bốn là : Phân tích kết quả mô phỏng. 1.4. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 1.4.1. Phạm vi nghiên cứu. Do giới hạn về thời gian và kinh phí, nên phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn ở hệ thống phanh thuỷ lực có trang bị cơ cấu ABS trên xe đu lịch, đây là cơ cấu phanh điển hình được trang bị cơ cấu ABS nhiều trên các xe hiện nay. 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu Với mục tiêu là “mô phỏng cơ cấu phanh ABS bằng simulink” để phục vụ công tác nghiên cứu và giảng dạy, nên phương pháp nghiên cứu chính ở đây là phương phá p tham khảo tài liệu kết hợp với phương pháp thực nghiệm, phù hợp với nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài. Dựa trên các nguồn tài liệu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài, tiến hành chọn lọc, phân tích và cơ cấu hóa, giải thích bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong quá trình phanh, từ đó có những phân tích đánh giá tính hiệu quả và phạm vi ứng dụng của cơ cấu ABS, giúp người đọc nắm được một cách có cơ cấu bản chất hoạt động của cơ cấu. Sử dụng phương pháp nghiên cứu để xây dựng mô hình hoạt động của cơ cấu ABS và giải thích cơ chế các quá trình điều khiển của ABS. 1.5. Mục tiêu của đề tài Trước những yêu cầu cấp thiết đó về sự an toàn và chất lượng điều khiển thì đề tài ”mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe du lịch” được thực hiện với mục tiêu sau * Mục tiêu: - Nghiên cứu quá trình điều khiển của hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS) trên xe du lịch. - Mô phỏng và diễn tả quá trình làm việc của hệ thống chống bó cứng bánh xe bằng Simulink, từ đó phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như: vận tốc chuyển động của xe, hệ số bám bánh xe với mặt đường.đến quá trình phanh ôtô - Đánh giá kết quả mô phỏng các chế độ làm việc điển hình www.oto-hui.com CHƯƠNG II HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG BÁNH XE ABS 2.1. Lực và mô men tác động lên xe trong trong mặt phẳng dọc 2.1.1. Lực phanh sinh ra ở bánh xe  Khi người lái tác dụng vào bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra mô men ma sát còn gọi là mô men phanh MP nhằm hãm bánh xe lại. Lúc đó ở bánh xe xuất hiện phản lực tiếp tuyến pP - Chiều pP ngược chiều chuyển động - Phương song song với mạt phẳng nằm ngang - Điểm đặt tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp và đường  Xét tại một bánh xe như hình vẽ: Hình 1: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh. Trong đó : MP: mô men phanh tác dụng lên bánh xe PP: lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường M jb : Mômen quán tính của bánh xe M f : Mômen cản lăn P f : Lực cản lăn Z b : Phản lực của bánh xe r b : bán kính làm việc trung bình của bánh xe www.oto-hui.com - Khi đó lực phanh pP được xác định theo công thức: b P P r MP = (2.1) - Do đó lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường ϕϕ .max bp ZPP == (2.2) Trong đó: Ppmax: Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường Pϕ: Lực bám giữa bánh xe với mặt đường ; Zb: Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe ; ϕ : Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường Khi phanh thì bánh xe chuyển động với gia tốc chậm dần, do đó trên bánh xe sẽ có mô men quán tính Mjb tác dụng, mô men này cùng với chiều chuyển động của bánh xe; ngoài ra còn có mômen cản lăn Mf tác dụng, mômen này ngược với chiều chuyển động và có tác dụng hãm bánh xe lại. Như vậy trong khi phanh bánh xe thì lực hãm tổng cộng là: b jbf p b jbfp po r MM P r MMM P − += −+ = (2.3) Trong quá trình phanh ôtô, mômen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lên, đến một lúc nào đấy sẽ dẫn đến sự trượt lê bánh xe. Khi bánh xe