Hệ thống chống bó cứng phanh ABS

Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 1 A - MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hệ thống phanh sử dụng trên ôtô là một cơ cấu an toàn quan trọng, nhằm giảm tốc hay dừng xe trong những trường hợp cần thiết. Nó là một trong những bộ phận chính của ôtô, đóng vai trò quyết định cho việc điều khiển ôtô lưu thông trên đường. Chất lượng phanh của ôtô được đánh giá qua hiệu quả phanh (như quãng đường phanh, gia tốc chậm dần khi phanh, thời gian và lực phanh) và đồng thời bảo đảm cho ôtô chạy ổn định khi phanh. Đây là mấu chốt mà các nhà nghiên cứu ôtô luôn quan tâm và tìm giải pháp. Một trong những vấn đề được quan tâm hơn là phanh khi ôtô trên đường trơn hay đường có hệ số bám ϕ thấp sẽ xảy ra hiện tượng trượt lết trên đường do bánh xe sớm bị hãm cứng. Do vậy, quãng đường phanh dài hơn và hiệu quả phanh kém. Hơn nữa, nếu bánh xe bị hãm cứng thì ôtô sẽ mất ổn định gây khó khăn cho việc điều khiển. Trong trường hợp quay vòng, điều này dẫn đến hiện tượng quay vòng thiếu hoặc thừa làm mất ổn định khi quay vòng. Để giải quyết về bài toán phanh, hệ thống phanh chống hãm cứng cho ôtô đã ra đời, gọi là “Anti – lock Braking System” viết tắt là ABS. Ngày nay, ABS đã giữ một vai trò quan trọng không thể thiếu trong các xe hiện hiện đại, đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc đối với phần lớn các nước trên thế giới. Ở thị trường Việt Nam, ngoài một phần lớn các xe nhập cũ đã qua sử dụng, một số lọai xe được lắp ráp trong nước cũng đang trang bị hệ thống này. Tại cuộc hội thảo khoa học “Quản lý – Kỹ thuật trong công tác đăng kiểm phương tiện cơ giới đường bộ – Nha Trang 2000”, các nhà quản lý, khoa học và chuyên gia đầu ngành cũng đã đề xuất đến vấn đề ban hành các tiêu chuẩn quy định về việc sử dụng ô tô có trang bị hệ thống ABS với các mốc thời gian cụ thể. Trước tiên là ô tô khách liên tỉnh, trong tương lai sẽ không dùng ô tô không có trang bị ABS. Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 2 Với xu thế hội nhập, thị trường ôtô nước ta sẽ sôi động, ngày càng nhiều chủng loại lẫn số lượng. Việc khai thác và bảo trì sửa chữa là cực kỳ quan trọng cho nền thị trường ôtô hiện nay, nhằm sử dụng khai thác lắp lẫn thay mới có hiệu quả tối đa của các hệ thống nói chung và ABS nói riêng. 2 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển ABS có chức năng làm việc tối ưu nhằm thay thế bộ điều khiển trên xe hư hỏng, giải quyết bài toán kinh tế và khan hiếm phụ tùng trên thị trường hoặc cung cấp cho các hãng lắp ráp xe tại Việt nam. 3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài Đề tài thực hiện việc cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ABS loại 4 kênh. Không nghiên cứu chế tạo mạch tự chẩn đoán, cơ cấu chấp hành và các cảm biến. 4 Phương pháp nghiên cứu Mục tiêu đề tài nghiên cứu ABS để phục vụ cho việc sửa chữa thay thế, lắp mới cho ô tô có trang bị ABS. Phương pháp nghiên cứu chính ở đây là phương pháp sưu tầm tài liệu, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp thiết kế mạch, phương pháp lập trình vi điều khiển. Từ những nguồn tài liệu liên quan đến nghiên cứu quá trình phanh chống hãm cứng, chế tạo mạch điều khiển. Sàn lọc, phân tích, tính toán quá trình điều khiển phanh chống hãm cứng. 5 Nội dung nghiên cứu Việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình phanh chống hãm cứng rất quan trọng, và các chế độ hoạt động của ABS. Bên cạnh đó cũng nghiên cứu các hệ thống đi cùng với ABS. Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 3 MỤC LỤC I - Giới thiệu chung: ................................................................................................................... 4 1.Thế nào là ABS ................................................................................................................... 4 2.Lịch sử của ABS .................................................................................................................. 5 3.Các loại ABS: ...................................................................................................................... 6 II - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ABS ............................................................................ 8 2.1 Cấu tạo: ............................................................................................................................. 9 2.1.1 Cảm biến tốc độ (Speed sensors) ............................................................................. 10 2.1.3 Bộ chấp hành ABS (Brake actuator) ....................................................................... 12 2.1.4 ECU của ABS .......................................................................................................... 14 2.1.4.1 Điều khiển tốc độ xe ............................................................................................. 14 2.1.4.2 Điều khiển các rơle ............................................................................................... 16 2.1.4.3 Chức năng kiểm tra ban đầu ................................................................................. 17 2.1.4.4 Chức năng chuẩn đoán ......................................................................................... 17 2.1.4.5 Chức năng kiểm tra cảm biến ............................................................................... 17 2.1.4.6 Chức năng dự phòng ............................................................................................. 18 2.2 Nguyên lý hoạt động của ABS ....................................................................................... 18 2.2.1 Hệ số bám (trượt) ..................................................................................................... 18 2.2.2 Khi phanh bình thường (ABS không hoạt động) ..................................................... 20 2.2.3 Khi phanh gấp (ABS hoạt động) ............................................................................. 20 III- ABS kết hợp với các hệ thống khác ................................................................................... 23 3.1 ABS kết hợp với TRC: ................................................................................................... 23 3.1.1 Bộ chấp hành phanh TRC ........................................................................................ 24 Chế độ tăng áp: ................................................................................................................ 29 3.1.2 ECU ABS và TRC ................................................................................................... 31 3.2 ABS kết hợp với BA (Brake assist) ................................................................................ 33 3.2.1 Cấu tạo ..................................................................................................................... 33 3.2.2 Nuyên lý hoạt động ................................................................................................. 33 IV Hệ thống phanh khí kiểu tang trống có ABS ...................................................................... 36 4.1 Cấu tạo ............................................................................................................................ 36 4.2 Nguyên lý hoạt động: ..................................................................................................... 39 V - Hệ thống phanh khí kiểu đĩa ABS ...................................................................................... 40 5.1 Cấu tạo ............................................................................................................................ 40 5.2 Nguyên lý hoạt động: ..................................................................................................... 41 VI- EBS (electronically controlled braking system) trên hệ thống phanh điện khí nén .......... 41 6.1 Giới thiệu ........................................................................................................................ 42 6.2 Cấu tạo ............................................................................................................................ 42 6.3 Nguyên lý hoạt động: ..................................................................................................... 46 C- KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 49 Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 4 B - NỘI DUNG I - Giới thiệu chung: 1.Thế nào là ABS Ở hệ thống phanh thường thì chức năng của nó để giảm tốc độ hay dừng xe bằng cách sử dụng 2 loại lực cản. Loại thứ nhất là lực cản giữa má phanh và đĩa phanh và loại thứ hai là giữa lốp và mặt đường. Phanh có thể ổn định là nhờ vào: < Tuy nhiên mối liên hệ trên bị đảo ngược thì bánh xe sẽ bó cứng và bắt đầu trượt: mất ổn định lái > Còn đối với ABS điều khiển áp suất dầu tác dụng lên các xylanh bánh xe để ngăn không cho nó bị bó cứng khi phanh trên đường trơn hay khi phanh gấp. Nó cũng đảm bảo tính ổn định đẫn hướng trong quá trình phanh, nên xe vẫn có thể lái được. Bảng so sánh hệ thống phanh không có ABS và hệ thống phanh có ABS Loại đường Tốc độ bắt đầu phanh V, m/s Quãng đường phanh Sp, m Lợi về hiệu quả phanh % Có ABS Không có ABS Đường bê tông khô Đường bê tông ướt 13.88 13.88 10.6 18.7 13.1 23.7 19.1 21.1 Đường bê tông khô Đường bê tông ướt 27.77 27.77 41.1 62.5 50.0 100.0 17.8 37.5 Lực cản hệ thống phanh Lực cản giữa lốp và mặt đường Lực cản hệ thống phanh Lực cản giữa lốp và mặt đường Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 5 2.Lịch sử của ABS Phanh ABS được giới thiệu lần đầu tiên vào thập niên 1960 trên các máy bay thương mại. Khi một máy bay có trọng lượng 50 tấn đáp xuống đường băng bị đóng băng ở tốc độ 210 km/h, nếu người phi công không thể phanh bằng cách nhịp liên tục trên bàn đạp phanh thì chiếc máy bay trị giá 20 triệu đô la sẽ trượt khỏi đường băng và trở thành đống sắt vụn. Để khắc phục hiện tượng trên, người ta bắt đầu ứng dụng phanh ABS vào máy bay. Với công nghệ thời đó, các chi tiết phanh ABS rất lớn và đắt tiền. ABS sử dụng Hidrô – cơ khí hoạt động không tin cậy và không đủ nhanh trong mọi tình huống. Điểm bất lợi của máy tính thập niên 60 là rất lớn và cống kềnh. Và không có vấn đề gì nếu ta lắp một máy tính điều khiển ABS có kích thước nhỏ như một cái máy giặt lên một cái máy bay to như một cái nhà nhưng để đặt nó lên một cái ôtô thì đó là điều không thể. Cũng vào thập niên này, người ta chế tạo ra các vi mạch nhỏ hay các chip điện tử. Vì vậy, các máy tính nhỏ hơn, mạnh hơn được ra đời và ứng dụng trên nhiều lĩnh vực. Trải qua nhiều thập kỷ, bộ vi xử lý đã được sử dụng nhiều trên ôtô và nó cho phép đạt độ chính xác rất cao. Ngày nay, rất nhiều hệ thống trên ôtô trang bị hệ thống điện tử như: hộp số tự động, hệ thống treo,… Hệ thống phanh ABS được điều khiển bằng điện tử. Bộ điều khiển ABS, được gọi là ABS ECU (Electronic Control Unit) theo dõi tốc độ các bánh xe nhờ vào các cảm biến bánh xe. Nếu xảy ra hiện tượng trượt khi phanh, các cảm biến gửi tín hiệu về thông báo cho ECU, ngay lập tức ECU điều khiển áp suất dầu phanh đến các bánh xe bị trượt thông qua các van điện từ (solenoid) bên trong bộ chia dầu HCU (Hydraulic Control Unit) làm áp suất dầu giảm loại bỏ được sự trượt bánh xe. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình cực mạnh 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 hóa quá trình điều khiển ABS. Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 6 Các công ty như BOSCH, AISIN, DENSO, BENDIX là những công ty đi đầu trong việc nghiên cứu, cải tiến và chế tạo ABS và cung cấp cho các công ty sản xuất ôtô trên toàn thế giới. 3.Các loại ABS: a) Phân loại theo chất tạo áp suất phanh: + Phanh khí + Phanh thủy lực b) Phân loại theo cách bố trí cảm biến: Van điều khiển Cảm biến I, II mạch dẫn động phanh Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 7 c) Phân loại theo bộ chấp hành: + Van điện 2 vị trí có van điều khiển lưu lượng + Van điện 2 vị trí có van điều khiển tăng áp Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 8 + Van điện 3 vị trí có van cơ khí + Van điện 3 vị trí II - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ABS Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 9 2.1 Cấu tạo: Sơ đồ bố trí các bộ phận của hệ thống trên xe. Sơ đồ điều khiển phanh của hệ thống Cảm biến tốc độ Cảm biến tốc độ Bộ chấp hành Công tắc phanh Cảm biến giảm tốc ECU ABS Đèn báo kết nối Hệ Th SVTH 2 a) Cấ Cả và lõi cảm b b) Ho Và chiều Đi 2 Vi xe tro Kết qu bị bó Cả a Cả và mộ ống Chống : Lớp ĐHO .1.1 Cảm b u tạo m biến tốc từ.Vị trí lắ iến thay đổ ạt động nh ngoài c có tần số tỷ ện áp AC n .1.2 Cảm b ệc sử dụng ng quá trìn ả là, mức cứng. m biến giả ) Cảm biến m biến giả t mạch biế Bó Cứng P T2 iến tốc độ ( độ bánh x p cảm biến i theo kiểu ủa các rôto lệ với tốc ày báo cho iến giảm t cảm biến h phanh. V độ chính xá m tốc còn đ giảm tốc m tốc bao n đổi tín hiệ hanh ABS Speed sens e trước và tốc độ hay xe. có các răn độ quay củ ABS ECU ốc (chỉ có giảm tốc ch í vậy cho p c khi phan ược gọi là đặt dọc gồm hai cặ u. Tốc ors) sau bao gồm rôto cảm b g, nên khi a rôto. biết tốc độ ở vài xe) o phép AB hép nó biế h được cải cảm biến “ p đèn LED GVH Tốcđộ cao một nam iến cũng n rôto quay, bánh xe. S đo trực t rỏ hơn tr thiện để trá G” và photot 1 2 3 4 5 6 D: NGUYỄ độ thấp châm vĩnh hư số lượn sinh ra mộ tiếp sự giảm ạng tthái c nh cho các ransistor, m Dây cáp cảm Đuôi lõi từ Bệ lõi từ Cuộn giây Đầu lõi từ Rôto gắn trê N HỒNG cữu, cuộn g răng của t điện áp x sốc của b ủa mặt đườ bánh xe kh ột đĩa xẻ biến n bán trục SƠN 10 dây rôto oay ánh ng . ông rảnh Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 11 Cảm biến giảm tốc Đĩa cảm biến Transistor quang Transistor quang 1 Tốc độ giảm tốc Vi trí đĩa trượt Rất thấp Thấp Trung bình Cao Transistor quang 2 Transistor quang 1 ON Transistor quang 2 ON Cảm biến giảm tốc nhận biết mức độ giảm tốc độ bánh xe và gửi các tín hiệu về ABS ECU. ECU dùng những tín hiệu này để xác định chính xác tình trạng mặt đường và thực hiện các biện pháp điều khiển thích hợp. Khi mức độ giảm tốc của xe thay đổi, đĩa xẻ rảnh lắc theo chiều dọc xe tương ứng với mức độ giảm tốc độ. Các rảnh trên đĩa cắt ánh sáng tứ đèn LED đến phototransistor và làm phototransistor đóng, mở. Người ta sử dụng 2 cặp đèn LED và phototransistor. Tổ hợp tạo bởi các phototransistor này tắt và bật, chia mức độ giảm tốc làm 4 mức và gửi về ABS ECU dưới dạng tín hiệu. Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 12 b) Cảm biến gia tốc ngang Cảm biến gia tốc ngang được trang bị trên một vài kiểu xe, giúp tăng khả năng ứng xử của xe khi phanh trong lúc đang quay vòng, có tác dụng làm chậm quá trình tăng moment xoay xe. Trong quá trình quay vòng, các bánh xe phía trong có xu hướng nhấc lên khỏi mặt đất do lực ly tâm và các yếu tố góc đặt bánh xe. Ngược lại, các bánh xe bên ngoài bị tì mạnh xuống mặt đường, đặc biệt là các bánh xe phía trước bên ngoài. Vì vậy, các bánh xe phía trong có xu hướng bó cứng dễ dàng hơn so với các bánh xe ở ngoài. Cảm biến gia tốc ngang có nhiệm vụ xác định gia tốc ngang của xe khi quay vòng và gởi tín hiệu về ECU. Trong trường hợp này, một cảm biến kiểu phototransistor giống như cảm biến giảm tốc được gắn theo trục ngang của xe hay một cảm biến kiểu bán dẫn được sử dụng để đo gia tốc ngang. Ngoài ra, cảm biến kiểu bán dẫn cũng được sử dụng để đo sự giảm tốc, do nó có thể đo được cả gia tốc ngang và gia tốc dọc. 2.1.3 Bộ chấp hành ABS (Brake actuator) Bộ chấp hành cấp hay ngắt áp suất dầu từ xi lanh chính đến mỗi xi lanh phanh đĩa theo tín hiệu từ ECU để điều khiển tốc độ bánh xe . Có nhiều kiểu bộ chấp hành ABS ở đây chúng ta sẽ mô tả 4 van điện 3 vị trí trong bộ chấp hành ABS. Transistor quang Số 2 Cảm biến bán dẫn Số 1 Phía trước Đĩa cảm biến Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 13 Bộ chấp hành thủy lực có chức năng cung cấp một áp suất dầu tối ưu đến khi các xylanh phanh bánh xe theo sự điều khiển của ABS ECU, tránh hiện tượng bị bó cứng bánh xe khi phanh. Cấu tạo của một bộ chấp hành thủy lực gồm có các bộ phận chính sau: các van điện từ, motor điện dẫn động bơm dầu, bơm dầu và bình tích áp. a/ Van điện từ: Van điện từ trong bộ chấp hành có hai loại, loại 2 vị trí và 3 vị trí. Cấu tạo chung của một van điện gồm có một cuộn dây điện, lõi van, các cửa van và van một chiều. Van điện từ có chức năng đóng mở các cửa van theo sự điều khiển của ECU để điều chỉnh áp suất dầu đến các xylanh bánh xe. b/ Motor điện và bơm dầu: Một bơm dầu kiểu piston được dẫn động bỡi một motor điện, có chức năng đưa ngược dầu từ bình tích áp về xylanh chính trong các chế độ giảm và giữ áp. Bơm được chia ra làm hai buồng làm việc độc lập thông qua hai piston trái và phải được điều khiển bằng cam lệch tâm. Các van một chiều chỉ cho dòng dầu đi từ bơm về xylanh chính. Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 14 c/ Bình tích áp: Chứa dầu hồi về từ xylanh phanh bánh xe, nhất thời làm giảm áp suất dầu ở xylanh phanh bánh xe. 2.1.4 ECU của ABS Trên cơ sở tín hiệu từ các cảm biến tốc độ của các bánh xe, ABS ECU biết được tốc độ góc của các bánh xe cũng như tốc độ xe.trong khi phanh mặc dù tốc độ góc của bánh xe giảm, mức độ giảm tốc sẽ thay đổi phụ thuộc vào cả tốc độ xe khi phanh và tình trạng mặt đường, như nhựa asphalt khô, mặt đường ướt hoặc đóng băng…… Nói cách khác, ECU đánh giá được mức độ trượt giữa các bánh xe và mặt đường do sự thay đổi tốc độ góc của bánh xe khi phanh và điều khiển bộ chấp hành ABS để cung cấp áp suất dầu tối ưu đến các xi lanh bánh xe. ABS ECU cũng bao gồm chức năng kiểm tra ban đầu, chức năng chẩn đoán,chức năng kiểm tra cảm biến tốc độ và chức năng dự phòng. 2.1.4.1 Điều khiển tốc độ xe ECU liên tục nhận được các tín hiệu tốc độ bánh xe từ bốn cảm biến tốc độ xe bằng cách tính toán tốc độ và sự giảm tốc của mỗi bánh xe. Khi đạp phanh, áp suất dầu tại mỗi xy lanh bánh xe bắt đầu tăng và tốc độ mỗi bánh xe bắt đầu giảm. Nếu có bất kì bánh xe nào sắp bị bó cứng, ECU giảm áp suất dầu trong xi lanh bánh xe đó. Hệ Thống Chống Bó Cứng Phanh ABS GVHD: NGUYỄN HỒNG SƠN SVTH: Lớp ĐHOT2 15 Tốc độ Tốc độ xe A B C D Tốc độ bánh xe + - Mức độ tăng tốc bánh xe Giảm Giữ Tăng Tín hiệu Áp suất dầu xylanh bánh xe Thời gian (s) - Giai đoạn A ECU đặt van điện 3 ở chế độ giảm áp theo mức độ giảm tốc của các bánh xe,vì vậy giảm áp suất dầu trong xi lanh của mỗI xi lanh phanh bánh xe. Sau khi áp suất giảm,ECU chuyển van điện 3 vị trí sang chế độ “giữ” để theo dõi sự thay đổI về tốc độ của bánh xe.nếu ECU thấy áp suất dầu cần giảm hơn nữa nó sẽ lạI gaimr áp suất. - Giam đoạn B Khi áp suất dầu bên trong xi lanh bánh xe giảm (giai đoạn A) áp suất dầu cấp cho bánh xe cũng giảm. Nó cho phép bánh xe gần bị bó cứng lạI tăng tốc độ.Tuy nhiên,nếu áp suất dầu giảm, lực phanh tác dụng lên bánh xe trở nên quá nhỏ.Để tránh hiện tượng này ECU Hệ Thống Chống Bó