Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy
- 128 trang
- file .doc
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN SỸ AN
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ
TRƢỢT LẾT CHO XE MÁY
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN SỸ AN
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ
TRƢỢT LẾT CHO XE MÁY
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. Hồ Hữu Hải
2. PGS. TS. Lƣu Văn Tuấn
Hà Nội – 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Công trình đ ƣợc
thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Hồ Hữu Hải và PGS.TS L ƣu Văn Tuấn. Các số
liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đ ƣợc ai công
bố trong bất kì công trình nào khác.
Hà nội, ngày … tháng … năm 2018
TẬP THỂ HƢỚNG DẪN Ngƣời cam đoan
Ngƣời hƣớng dẫn Ngƣời hƣớng dẫn
khoa học 1 khoa học 2
PGS.TS Hồ Hữu Hải PGS.TS Lƣu Văn Tuấn Nguyễn Sỹ An
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân,
tôi đã nhận đƣợc sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều nhà khoa học và tập thể
nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Hồ Hữu Hải, PGS.TS L ƣu
Văn Tuấn – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, là những ngƣời đã tận tình h ƣớng
dẫn, định hƣớng, đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn
thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo ở Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện
Cơ khí động lực, Bộ môn Tự động hóa – Viện Điện – Trƣờng Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em đồng nghiệp trong Khoa Cơ Điện, lãnh
đạo trƣờng Đại học Công nghiệp Dệt may Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời
gian và vật chất để tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em nghiên cứu sinh, học viên cao học và
sinh viên các khóa thuộc bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện Cơ khí động lực –
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hết lòng hỗ trợ, động viên tôi trong suốt thời
gian tôi thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn tới đại gia đình, bạn bè đã
thực sự động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại Trƣờng Đại học
Bách Khoa Hà Nội.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Sỹ An
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................4
1.1. Sự cần thiết phải hạn chế trƣợt lết cho bánh xe khi phanh.............................4
1.2. Tình hình nghiên cứu hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh.............................7
1.2.1. Nghiên cứu về hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh (ABS) trên thế giới . 7
1.2.2. Nghiên cứu về hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh trong nƣớc............19
1.3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu................................................. 21
1.4. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu......................................................... 22
1.5. Kết luận chƣơng 1........................................................................................ 23
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ
THỐNG PHANH HẠN CHẾ TRƢỢT LẾT...................................................... 24
2.1. Cơ sở lý thuyết hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh.................................... 24
2.1.1. Hệ số bám của bánh xe với mặt đƣờng khi phanh.................................24
2.1.2. Phƣơng pháp điều khiển hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh...............28
2.1.3. Quá trình điều khiển hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh theo gia tốc góc
30
2.2. Cấu hình hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy................................ 32
2.2.1. Hệ thống phanh xe máy.......................................................................... 32
2.2.2. Đề xuất cấu hình hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết................................ 33
2.3. Đề xuất cơ cấu điều áp.................................................................................. 35
2.3.1. Cấu tạo cơ cấu điều áp........................................................................... 36
2.3.2. Nguyên lý làm việc cơ cấu điều áp........................................................ 37
2.3.3. Tính toán mô phỏng cơ cấu điều áp....................................................... 38
2.4. Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh xe máy có hệ thống hạn chế
trƣợt lết............................................................................................................... 42
2.4.1. Mô hình xy lanh – pít tông phanh chính................................................. 42
2.4.2. Mô hình xy lanh – pít tông công tác....................................................... 43
2.5. Mô hình mô phỏng động lực học của quá trình phanh xe.............................45
2.5.1. Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh................................................... 45
2.5.2. Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh (bánh xe trƣớc)....................46
2.5.3. Mô hình mô phỏng lốp xe...................................................................... 47
2.5.4. Mô hình mô phỏng quá trình phanh trên đƣờng thẳng...........................48
2.5.5. Kết quả mô phỏng bằng mô hình đã xây dựng....................................... 50
2.6. Mô phỏng xác định thông số cơ cấu điều áp................................................. 52
2.6.1. Mô phỏng xác định lực nam châm điện................................................. 52
2.6.2. Tính nam châm điện cơ cấu điều áp....................................................... 55
2.7. Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống có cơ cấu điều
áp......................................................................................................................... 58
2.8. Kết luận chƣơng 2........................................................................................ 60
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN (ECU)
62
3.1. Nghiên cứu chọn thuật toán điều khiển......................................................... 62
3.2. Xác định ngƣỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống.......................................66
3.2.1. Mô phỏng điều khiển theo độ trƣợt bánh xe.......................................... 67
3.2.2. Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe...................................... 72
3.3. Thiết kế chế tạo ECU.................................................................................... 79
3.3.1. Cấu trúc hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết và bộ điều khiển..................79
3.3.2. Thiết kế khối cấp nguồn......................................................................... 80
3.3.3. Giới thiệu cảm biến đo vận tốc góc bánh xe.......................................... 81
3.3.4. Khối xử lý tín hiệu cảm biến vận tốc góc............................................... 84
3.3.5. Khối xử lý tín hiệu từ công tắc bàn đạp phanh....................................... 84
3.3.6. Khối công suất điều khiển cơ cấu điều áp hệ thống phanh hạn chế trƣợt
lết..................................................................................................................... 85
3.3.7. Khối điều khiển...................................................................................... 87
3.3.8. Kiểm tra bộ điều khiển........................................................................... 88
3.4. Kết luận chƣơng 3........................................................................................ 90
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM................................................ 91
4.1. Bố trí hệ thống trên xe.................................................................................. 91
4.1.1. Sơ đồ bố trí hệ thống trên xe máy.......................................................... 91
4.1.2. Bố trí hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trên xe máy thực......................91
4.2. Thực nghiệm................................................................................................. 93
4.2.1. Mục đích thực nghiệm........................................................................... 93
4.2.2. Thiết bị đo ghi dữ liệu dùng trong thực nghiệm.....................................93
4.2.3. Phƣơng án thực nghiệm......................................................................... 97
4.2.4. Kết quả thực nghiệm hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết......................... 98
4.3. Kết luận chƣơng 4......................................................................................103
5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................104
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................106
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN...........................1
- ii -
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Giải thích
a,b m Khoảng cách từ trọng tâm xe máy đến bánh trƣớc, bánh
sau
hg m Chiều cao trọng tâm so với mặt đƣờng
Fx, Fy, Fz N Lực tƣơng tác giữa lốp và mặt đƣờng theo các phƣơng
x, y, z
Fnc N Lực nam châm điện một chiều
Fd N Lực dầu tác dộng lên đỉnh pít tông cơ cấu điều áp
klx N/m Độ cứng lò xo cơ cấu điều áp
l0 m Độ nén ban đầu của lò xo cơ cấu điều áp
Ft , F s N Lực tác dụng lên má phanh bánh xe trƣớc, bánh xe sau
Mpt, Mps Nm Mô men phanh bánh xe trƣớc, bánh xe sau
2 Áp suất dầu trong xy lanh chính, xy lanh công tác
p1, pxl N/m
N.s/m Độ nhớt động học của dầu
Hệ số tiết lƣu
s Độ trƣợt
m 1, m2, mt kg Khối lƣợng pít tông xy lanh chính, xy lanh cơ cấu điều
áp suất, xy lanh công tác
mtong kg Khối lƣợng toàn bộ xe
3 Lƣu lƣợng trƣớc, sau cơ cơ cấu điều áp, hồi vào khoang
Q1, Q2, Q3 m /s
b
r m Bánh kính lăn bánh xe
bx
dp m Đƣờng kính con trƣợt van điều áp
J kgm
2 Mô men quán tính bánh xe
bx
x , y , r Hệ số bám theo phƣơng x, y, hệ số bám tổng
x1 , x2 , x3 m Độ dịch chuyển của pít tông xy lanh chính, con trƣợt
van điều áp, pít tông xy lanh công tác
rad/s Vận tốc góc
2 Gia tốc góc
rad/s
v, v0, v1 m/s Vận tốc dài xe máy, vận tốc ban đầu, vận tốc kết thúc
điều khiển
- iii -
g 2 Gia tốc trọng trƣờng
m/s
W1,W2 vòng Số vòng dây của cuộn dây 1, cuộn dây 2
0 henry/cm Hệ số từ dẫn qua kẽ hở không khí
m W / cm2 .0 C Hệ số tỏa nhiệt cuộn dây
2 Điện trở suất của dây đồng
mm /m
B gox Cƣờng độ từ cảm
lcp m Chiều dài trung bình lõi
G henry Từ dẫn qua kẽ hở không khí
fk Hệ số điền đầy cuộn dây
Nhiệt độ chênh lệch cho phép của cuộn dây
0 C
x m Khe hở từ thông
Danh mục chữ viết tắt
Ký Giải thích
hiệu
ABS Anti-lock Braking System Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi
phanh
ASR Anti Skid Regulator Hệ thống chống trƣợt quay
VDC Vehile Dynamic Control Kiểm soát động lực xe
ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử
EBD Electronic Brake Hệ thống phân bố lực phanh điện tử
Distribution
TCS Traction control system Hệ thống điều khiển lực kéo
ESP Electronic Stability Program Chƣơng trình điều khiển ổn định điện tử
VSC Vehicle Stability Control Hệ thống điều khiển ổn định ô tô
- iv -
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thông số xe nghiên cứu.......................................................................... 21
Bảng 2.1. Hệ số theo công thức Burckhardt của một số loại đƣờng[52].................47
Bảng 2.2. Các thông số đầu vào mô phỏng............................................................. 50
Bảng 2.3. Các thông số tính nam châm................................................................... 55
Bảng 2.4. Các thông số nam châm điện một chiều.................................................. 57
Bảng 3.1. Miền biến thiên ngƣỡng giá trị gia tốc góc............................................. 72
Bảng 3.2. Tổng hợp các phƣơng án mô phỏng....................................................... 75
Bảng 3.3. Ma trận trung bình diện tích so sánh....................................................... 75
Bảng 3.4. Ngƣỡng gia tốc góc điều khiển............................................................... 76
Bảng 4.1. Thông số cảm biến do áp suất M5256-C3079E-050BG của hãng Sensys
94
Bảng 4.2. Thông số cảm biến ADXL335 của Analog Device.................................95
Bảng 4.3. Giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết
phù hợp với giá trị đo trong thực nghiệm......................................................... 98
Bảng 4.4. Phƣơng án thực nghiệm khi không điều khiển.......................................98
Bảng 4.5. Phƣơng án thực nghiệm khi có điều khiển...........................................100
-v-
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trƣợt [7], [21], [54].........................5
Hình 1.2. Trƣờng hợp 1 trong nghiên cứu của Takefumi Sato, Tenri và Japan......10
Hình 1.3. Trƣờng hợp 2 trong nghiên cứu của Takefumi Sato, Tenri và Japan......11
Hình 1.4. Nghiên cứu của Pickenhahn Josef, Barr Stephen P. J., Beuerle Christoph,
Glasmacher Klaus, Weidele Alois và Fischer Martin...................................... 12
Hình 1.5. Hệ thống đƣợc đề xuất bởi Chen Po-Hsi, Hwu Long-Cherng và Juang
Puu-An............................................................................................................. 13
Hình 1.6. Mô hình bộ điều khiển trong nghiên cứu................................................. 14
Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống của Chun-Kuei HUANG, Ming-Chang SHIH năm 2010 15
Hình 1.8. Sơ đồ thuật toán các khối trong hệ thống................................................. 16
Hình 1.9. Hệ thống đƣợc đề xuất bởi Takenouchi Kazuya, Nakayama Masanobu, 17
Hình 1.10. Hệ thống đƣợc đề xuất bởi Eckert Alfred, Olejnik Peter và Reviol Ralf18
Hình 1.11. Sơ đồ cấu tạo ABS trên xe máy............................................................. 19
Hình 2.1. Sơ đồ xác định hệ số A,B,C,D [21]......................................................... 26
Hình 2.2. Quan hệ giữa hệ số bám và độ trƣợt của một số loại đƣờng [24], [40]...27
Hình 2.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trƣợt cho trƣớc...............................28
Hình 2.4. Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc giới hạn.................................... 29
Hình 2.5. Sự thay đổi của mô men phanh M b (a), áp suất dẫn động phanh (p) và gia
tốc góc ( ) của bánh xe khi phanh có ABS [8], [25]....................................... 31
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống phanh.............................................................................. 33
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy...............34
Hình 2.8. Xy lanh chính.......................................................................................... 34
Hình 2.9. Xy lanh công tác...................................................................................... 34
Hình 2.10. Sơ đồ quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cơ cấu điều
áp..................................................................................................................... 36
Hình 2.11. Cấu tạo cơ cấu điều áp........................................................................... 36
Hình 2.12. Cơ cấu điều áp ở chế độ phanh bình thƣờng (chế độ tăng áp)...............37
Hình 2.13. Cơ cấu điều áp ở chế độ xảy ra trƣợt lết bánh xe (chế độ giảm áp).......37
Hình 2.14. Lực tác dụng lên con trƣợt van điều áp................................................. 38
Hình 2.15. Tiết diện cửa I........................................................................................ 39
Hình 2.16. Mô hình mô phỏng cơ cấu điều áp......................................................... 41
Hình 2.17. Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh............................................................. 42
Hình 2.18. Xy lanh-pít tông phanh chính................................................................ 42
Hình 2.19. Mô hình mô phỏng xy lanh phanh chính............................................... 43
Hình 2.20. Xy lanh-pít tông cơ cấu phanh............................................................... 43
Hình 2.21. Mô hình mô phỏng xy lanh công tác..................................................... 44
Hình 2.22. Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh....................................... 45
Hình 2.23. Lực tác dụng lên bánh xe khi phanh...................................................... 45
Hình 2.24. Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh.................................................. 46
- vi -
Hình 2.25. Lực tác dụng lên bánh xe không phanh................................................. 46
Hình 2.26. Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh............................................. 47
Hình 2.27. Mô hình mô phỏng lốp xe...................................................................... 48
Hình 2.28. Lực tác dụng lên xe máy........................................................................ 48
Hình 2.29. Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của xe khi phanh......................49
Hình 2.30. Mô hình mô phỏng phanh xe máy......................................................... 50
Hình 2.31. Kết quả mô phỏng trên đƣờng max 0,3.............................................. 51
Hình 2.32. Kết quả mô phỏng trên đƣờng max 0,5.............................................. 51
Hình 2.33. Kết quả mô phỏng trên đƣờng max 0,7.............................................. 52
Hình 2.34. Lò xo hồi vị cơ cấu điều áp................................................................... 53
Hình 2.35. Quy luật tác dụng lực............................................................................ 53
Hình 2.36. Đồ thị vận tốc góc bánh xe.................................................................... 54
Hình 2.37. Đồ thị độ trƣợt bánh xe......................................................................... 54
Hình 2.38. Bố trí cuộn dây của nam châm điện....................................................... 55
Hình 2.39. Chiều dài trung bình lõi nam châm điện................................................ 57
Hình 2.40. Áp suất dầu trong hệ thống khi phanh bình thƣờng..............................59
Hình 2.41. Quy luật biến thiên của áp suất dầu trong cơ cấu phanh sau khi điều
khiển ở tần số 2,0 Hz(bên trái) và 6,0 Hz (bên phải)........................................ 59
Hình 2.42. Giá trị áp suất cao nhất và thấp nhất đạt đƣợc trong cơ cấu phanh sau
theo tần số của xung điều khiển....................................................................... 60
Hình 3.1. Phạm vi điều khiển [3]............................................................................ 63
Hình 3.2. Nguyên lý xác định pha điều khiển áp suất theo gia tốc góc...................64
Hình 3.3. Lƣu đồ thuật toán điều khiển phanh theo gia tốc góc bánh xe................65
Hình 3.4. Nguyên lý xác định pha điều khiển theo độ trƣợt...................................67
Hình 3.5. Lƣu đồ thuật toán điều khiển theo độ trƣợt............................................ 67
Hình 3.6. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển theo độ trƣợt trong Matlab/Stateflow 68
Hình 3.7. Mô hình mô phỏng điều khiển phanh xe theo độ trƣợt...........................68
Hình 3.8. Đồ thị độ trƣợt của bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5................69
Hình 3.9. Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5..................69
Hình 3.10. Đồ thị áp suất phanh trên đƣờng max 0,5.......................................... 70
Hình 3.11. Đồ thị gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5..........70
Hình 3.12. Biến thiên giá trị gia tốc góc theo tín hiệu điều khiển trên đƣờng
max 0,5...........................................................................................................................................71
Hình 3.13. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển theo gia tốc góc trong
Matlab/Stateflow.............................................................................................. 72
Hình 3.14. Mô hình mô phỏng phanh xe điều khiển theo gia tốc góc.....................73
Hình 3.15. Vận tốc góc bánh xe trong quá trình điều khiển.................................... 74
Hình 3.16. Đồ thị quan hệ diện tích so sánh với ngƣỡng điều khiển.......................76
Hình 3.17. Đồ thị độ trƣợt của các bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5........77
- vii -
Hình 3.18. Đồ thị vận tốc góc của các bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5. . .77
Hình 3.19. Đồ thị áp suất phanh trên đƣờng max 0,5.......................................... 78
Hình 3.20. Đồ thị gia tốc góc bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5.................78
Hình 3.21. Cấu trúc mạch điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết..................80
Hình 3.22. Cấu trúc bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết....80
Hình 3.23. Mạch nguyên lý của khối cấp nguồn..................................................... 81
Hình 3.24. Cấu tạo của cảm biến............................................................................. 81
Hình 3.25. Sơ đồ cảm biến...................................................................................... 81
Hình 3.26. Đặc điểm tín hiệu làm việc của cảm biến.............................................. 82
Hình 3.27. Kích thƣớc vành răng tiêu chuẩn.......................................................... 83
Hình 3.28. Ảnh hƣởng của vật liệu tới khả năng phát hiện của cảm biến...............83
Hình 3.29. Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến vận tốc bánh xe........84
Hình 3.30. Sơ đồ xử lý tín hiệu từ công tắc bàn đạp phanh..................................... 85
Hình 3.31. Sơ đồ tính các thông số để transistor bão hòa........................................ 86
Hình 3.32. Khối công suất điều khiển cơ cấu điều áp của bánh xe.......................... 87
Hình 3.33. Bộ điều khiển điện tử hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết........................88
Hình 3.34. Thử nghiệm bộ điều khiển trong phòng thí nghiệm...............................89
Hình 3.35. Thử nghiệm bộ điều khiển trên đƣờng thử khô và ƣớt.........................89
Hình 3.36. Đồ thị vận tốc góc của bánh xe sau khi phanh gấp ở vận tốc 30 km/h .. 89
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí hệ thống trên xe máy............................................................ 91
Hình 4.2. Bố trí hệ thống trên xe máy..................................................................... 92
Hình 4.3. Module đo vận tốc góc bánh xe............................................................... 93
Hình 4.4. Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu vận tốc góc bánh xe............................94
Hình 4.5. Module đo áp suất................................................................................... 95
Hình 4.6. Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu áp suất phanh...................................... 95
Hình 4.7. Module đo gia tốc phanh......................................................................... 96
Hình 4.8. Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu gia tốc phanh...................................... 96
Hình 4.9. Thiết bị đo............................................................................................... 96
Hình 4.10. Sơ đồ đấu nối thiết bị đo và bộ điều khiển với nguồn............................ 97
Hình 4.11. Sơ đồ các bƣớc thực nghiệm................................................................. 97
Hình 4.12. Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh không điều khiển.......................99
Hình 4.13. Đồ thị áp suất phanh khi không điều khiển............................................ 99
Hình 4.14. Đồ thị gia tốc phanh khi không điều khiển..........................................100
Hình 4.15. Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh có điều khiển...........................101
Hình 4.16. Đồ thị áp suất phanh khi có điều khiển................................................101
Hình 4.17. Đồ thị gia tốc phanh khi có điều khiển................................................102
- viii -
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Ở Việt Nam hiện nay, xe máy là phƣơng tiện giao thông chủ yếu. Số lƣợng và
tốc độ tăng xe máy rất lớn, số liệu ƣớc tính đến hết năm 2016 Việt Nam có gần 45
triệu xe máy và năm 2017 có 3,2 triệu chiếc xe máy đ ƣợc bán ra. Trong số các
phƣơng tiện tham gia giao thông trên đƣờng bộ ở Việt Nam thì số lƣợng xe máy
đang áp đảo các phƣơng tiện khác. Ngƣời đi xe máy hầu nh ƣ chỉ trang bị duy nhất
là mũ bảo hiểm. Khi xảy ra va chạm, ngƣời ngồi trên xe máy có mức độ chấn
thƣơng cao hơn hẳn ô tô. Vì thế việc đảm bảo an toàn cho ng ƣời sử dụng ph ƣơng
tiện xe máy ở Việt Nam là rất cấp thiết.
Trên xe máy đƣợc trang bị hệ thống phanh, khi phanh sẽ làm giảm vận tốc xe.
Tuy nhiên, nếu phanh đến mức làm trƣợt lết bánh xe thì phát sinh yếu tố gây mất an
toàn khác. Khi bánh xe bị trƣợt dọc, hệ số bám ngang suy giảm rất nhanh, khi tr ƣợt
lết hoàn toàn, giá trị hệ số bám ngang rất nhỏ. Khi đó nếu có lực ngang tác dụng vào
xe thì xe sẽ quay ngang, dẫn đến đổ xe và khi đó tai nạn sẽ rất nghiêm trọng.
Khi phanh, có lực quán tính, nếu trọng tâm xe bị lệch khỏi đ ƣờng tiếp xúc
giữa bánh xe và mặt đƣờng sẽ xuất hiện mô men quán tính làm quay xe. Nếu bị
trƣợt lết, lực ngang còn rất nhỏ và khả năng làm quay xe gây ngã là rất cao. Vì thế
việc trang bị cho phanh xe máy hệ thống hạn chế trƣợt lết khi phanh là rất cần thiết.
Trên ô tô hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh ABS đã đ ƣợc sử dụng
rộng rãi. Trên xe máy ABS cũng đƣợc một số hãng sản xuất xe máy lớn nghiên cứu
và ứng dụng thành công. Tuy nhiên hệ thống ABS của các hãng trên th ƣờng chỉ
trang bị cho các xe có phân khối lớn và có giá thành rất cao. Mặt khác các tài liệu,
kết quả nghiên cứu là tƣ liệu riêng của các hãng, không đƣợc công bố hoặc có công
bố chỉ mang tính chất hƣớng dẫn sử dụng. Trong t ƣơng lai trên thế giới ít có khả
năng có công trình nghiên cứu về ABS phục vụ cho các loại xe máy phổ biến ở Việt
Nam vì trên thế giới vào thời điểm hiện tại ít tập trung phát triển về ph ƣơng tiện xe
máy.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, luận án chọn đề tài: ―Nghiên cứu hệ
thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy‖
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Xe máy sử dụng trong nƣớc chủ yếu là các xe có tốc độ thấp và ch ƣa đ ƣợc trang
bị hệ thống phanh ABS. Muốn trang bị hệ thống phanh ABS phải mua nguyên bộ của
các hãng và không phải xe máy nào cũng đ ƣợc thiết kế chờ sẵn để có thể lắp đ ƣợc. Do
đó, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lựa chọn các ph ƣơng án bố trí lắp đặt hệ thống
phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy nhằm mục đích từng b ƣớc cải thiện hiệu quả và
nâng cao tính ổn định chuyển động của xe máy trong quá trình phanh.
Luận án đã giải quyết đƣợc các vấn đề: Đề xuất đƣợc nguyên lý hệ thống điều
chỉnh áp suất phanh nhằm hạn chế trƣợt lết bánh xe; Xây dựng mô hình mô phỏng
-1-
hệ thống phanh thủy lực trên xe máy, mô phỏng chuyển động của xe máy khi
phanh, đề xuất bộ điều khiển cũng nhƣ một thuật toán điều khiển hệ thống theo gia
tốc góc bánh xe; Thông qua mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính, luận
án sơ bộ xác định đƣợc ngƣỡng giá trị gia tốc góc của bánh xe để điều khiển
chuyển đổi giữa các pha tăng áp, giảm áp trong chu trình hoạt động của hệ thống;
Nghiên cứu thiết kế chế tạo đƣợc thiết bị thu thập tín hiệu từ 3 cảm biến để đo 3
thông số trong quá trình phanh; Nghiên cứu thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh giá trị
ngƣỡng gia tốc góc điều khiển và nhận xét hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh
hạn chế trƣợt lết bánh xe. Đây là các vấn đề có tính khoa học, là cơ sở cho các
nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo để ứng dụng trên xe máy.
Nội dung và bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận
án đƣợc trình bày trong bốn chƣơng và phụ lục:
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: Trình bày cơ sở điều
khiển lực phanh, tình hình phát triển và tổng hợp kết quả nghiên cứu về hệ thống
ABS xe máy trên thế giới và trong nƣớc; qua đó xác định mục tiêu, nội dung,
phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu của luận án cần thực hiện.
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ
THỐNG PHANH HẠN CHẾ TRƢỢT LẾT: Trình bày nghiên cứu cấu tạo chung
về hệ thống phanh xe máy từ đó đề xuất hệ thống phanh điều chỉnh áp suất nhằm
hạn chế trƣợt lết bánh xe trong quá trình phanh trên xe máy, mô phỏng chuyển động
của xe máy trong quá trình phanh; mô phỏng hoạt động của hệ thống phanh có điều
chỉnh áp suất phanh trên xe nghiên cứu. Thiết kế chế tạo và thực nghiệm nghiên cứu
khả năng đáp ứng tần số điều khiển và đánh giá hoạt động của hệ thống.
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN: Trình
bày nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều khiển, đề xuất ph ƣơng pháp và thuật toán
điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trên xe máy, nghiên cứu xác định giá trị
sơ bộ ngƣỡng điều khiển hệ thống theo gia tốc góc làm cơ sở để xác định ng ƣỡng
trong thực nghiệm.
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: Trình bày nghiên cứu thực
nghiệm hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết, bố trí hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết lắp
lên xe máy, lựa chọn thiết kế thiết bị đo lƣờng các kết quả thực nghiệm, trên cơ sở
kết quả thử nghiệm nhận xét sơ bộ hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh hạn chế
trƣợt lết trên xe nghiên cứu.
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: Tóm tắt kết quả nghiên cứu của luận
án, đề xuất hƣớng phát triển của các công trình nghiên cứu tiếp theo để từng b ƣớc
hoàn thiện hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy.
Các kết quả nghiên cứu mới của luận án
Luận án đạt đƣợc các kết quả nghiên cứu mới sau:
-2-
- Đề xuất, thiết kế chế tạo đƣợc cơ cấu điều áp có thể điều chỉnh đƣợc áp
suất phanh trong hệ thống phanh dẫn động thủy lực trên xe máy;
- Xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng hệ thống phanh có điều chỉnh áp suất
phanh nhằm hạn chế trƣợt lết bánh xe trên xe máy và mô hình mô phỏng
động lực học quá trình phanh xe máy trên đƣờng thẳng;
- Xác định đƣợc khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh hạn
chế trƣợt lết đã đề xuất trên xe nghiên cứu;
- Đề xuất phƣơng pháp hiệu chỉnh và xác định đƣợc giá trị ng ƣỡng gia tốc
góc bánh xe bằng mô phỏng lý thuyết để điều khiển chuyển pha làm việc
của cơ cấu điều áp trong quá trình hệ thống hoạt động.
- Thiết kế chế tạo, bố trí lắp đặt đƣợc các thiết bị cho thực nghiệm và thực
nghiệm lấy đƣợc số liệu đánh giá hoạt động của hệ thống phanh hạn chế
trƣợt lết trên xe máy.
-3-
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Các xe máy phổ biến ở Việt Nam có phân khối nhỏ, chạy ở vận tốc thấp và
chƣa đƣợc trang bị hệ thống chống bó cứng ABS hoặc là một hệ thống t ƣơng tự.
Hiện nay đƣờng xá ở Việt Nam nhiều nơi vẫn còn lạc hậu, chất l ƣợng thấp, mặt
đƣờng xấu, hệ số bám thấp và không ổn định nên dễ xảy ra tình trạng tr ƣợt lết khi
phanh ngay cả ở vận tốc thấp. Vì vậy cần có một hệ thống phanh hạn chế tr ƣợt lết
bánh xe khi phanh cho xe máy ở Việt Nam. Từ trƣớc đến nay ch ƣa có công trình
khoa học trong nƣớc nào nghiên cứu hệ thống tƣơng tự cho xe máy phân khối nhỏ
ở Việt Nam.
Luận án nghiên cứu đề xuất hệ thống phanh có khả năng điều chỉnh áp suất
phanh từ đó kiểm soát đƣợc hiện tƣợng trƣợt lết giữa bánh xe và mặt đ ƣờng khi
phanh, tăng tính ổn định chuyển động và nhờ đó nâng cao tính an toàn khi vận hành
cho xe máy.
1.1. Sự cần thiết phải hạn chế trƣợt lết cho bánh xe khi phanh
Hệ thống chống trƣợt lết bánh xe khi phanh (tƣơng tự ABS) là một hệ thống
vòng kín giúp giảm khóa bánh xe trong quá trình phanh, giúp cải thiện sự ổn định
và kiểm soát điều khiển xe trong quá trình phanh. ABS mặc dù đã đ ƣợc trang bị rất
sớm trên ô tô trong nhiều năm nay tuy nhiên trên xe máy ít phổ biến hơn. Theo một
báo cáo số 327 về hiệu quả của hệ thống phanh chống bó cứng xe máy của Trung
tâm nghiên cứu tai nạn của Đại học Monash - Úc (MUARC) [66] chỉ ra rằng hiệu
quả của ABS trong việc giảm rủi ro va chạm cho xe máy cao hơn so với ô tô. Trong
báo cáo này cũng chỉ ra lợi ích của việc lắp ABS cho xe máy ở cả Châu Âu và các
quốc gia khác.
Một khảo sát của Bosch [67] chỉ ra rằng hiệu quả của ABS xe máy là nhất
quán trên toàn thế giới - các nghiên cứu đƣợc tham khảo trong khảo sát bao gồm:
nghiên cứu của Thụy Điển chứng minh rằng trang bị ABS mang lại khả năng giảm
va chạm ở châu Âu lên tới 39% cho tất cả các vụ tai nạn xe máy; Viện Bảo hiểm An
toàn Đƣờng cao tốc ở Mỹ đã ƣớc tính độc lập hiệu quả 37% và một nghiên cứu
riêng biệt của Bosch đã tìm thấy hiệu quả giảm 33% trong việc giảm thiểu tai nạn ở
Ấn Độ. Một nghiên cứu khác của Đức kết luận rằng trong 93% các vụ tai nạn xe
máy, ABS sẽ tránh hoặc giảm mức độ nghiêm trọng của vụ tai nạn [68]. Ở Úc, khả
năng giảm thiểu tử vong và thƣơng tích nhờ ABS xe máy là rất đáng kể: hàng năm
giúp giảm 1.128 vụ tai nạn thƣơng tích nhỏ (33%) và giảm 1.083 th ƣơng tật
nghiêm trọng hàng năm và 74 trƣờng hợp tử vong (39%). Từ các kết quả này có thể
thấy đƣợc sự cần thiết, lợi ích cũng nhƣ vai trò của một hệ thống hạn chế tr ƣợt
bánh xe tƣơng tự ABS trang bị cho xe máy.
Trong quá trình phanh xe, khả năng truyền lực dọc và lực ngang quyết định
hiệu quả phanh cũng nhƣ khả năng ổn định chuyển động của xe. Khả năng truyền
-4-
lực dọc lớn tức lực phanh lớn và hiệu quả phanh sẽ cao. Khả năng truyền lực ngang
lớn sẽ làm giảm nguy cơ quay xe nghĩa là khả năng ổn định chuyển động của xe
cao. Khả năng truyền lực dọc và ngang phụ thuộc vào hệ số bám giữa bánh xe và
mặt đƣờng theo cả hai phƣơng dọc và ngang.
Lực dọc (trong trƣờng hợp phanh là lực phanh) cực đại:
Fxmax = Fzφx
Tƣơng tự lực ngang cực đại:
Fymax = Fzφy
Mà hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy phụ thuộc độ trƣợt dọc của bánh
xe cả khi truyền lực kéo (trƣợt quay) lẫn khi truyền lực phanh (trƣợt lết).
Hình 1.1. Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt [7], [21], [54]
Hình 1.1 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy
với độ trƣợt dọc s của bánh xe khi phanh.
Từ trên đồ thị cho thấy hệ số bám dọc φx có giá trị cao nhất khi hệ số trƣợt s
nằm trong khoảng 15% - 25%. Khi hệ số trƣợt s = 1 (tr ƣợt lết hoàn toàn) giá trị φ x
chỉ còn khoảng xấp xỉ 0,6φxmax. Đối với hệ số bám ngang φy khi độ trƣợt s tăng lên,
φy suy giảm nhanh và khi hệ số trƣợt s = 1 giá trị φy không đáng kể.
Có thể chia quá trình phanh theo độ trƣợt dọc thành 3 vùng nhƣ hình vẽ có thể
thấy:
- Ở vùng I: Lực phanh tăng dần từ 0, hệ số trƣợt cũng tăng dần từ 0, hệ số bám
ngang φy từ giá trị cực đại bắt đầu suy giảm nhƣng mức độ suy giảm chậm. Vùng
này bánh xe có khả năng truyền hết lực dọc (lực phanh) có trên bánh xe. Lúc này
gia tốc phanh của xe phụ thuộc vào lực phanh và xe có khả năng ổn định cao
- Vùng II: Vùng này có hệ số bám dọc φx cao nhất tức khả năng truyền lực
phanh tốt, còn hệ số bám ngang φy có suy giảm nhƣng vẫn còn cao và xe vẫn có
khả năng ổn định.
- Vùng III: Vùng này giá trị hệ số bám dọc φx đã vƣợt qua giá trị cực đại và
suy giảm, khi hệ số trƣợt trƣợt s = 1 (trƣợt lết hoàn toàn) giá trị φx chỉ còn khoảng
xấp xỉ 0,6φxmax và do vậy khả năng truyền lực dọc giảm tức nếu phanh thì hiệu quả
-5-
phanh giảm. Còn hệ số bám ngang φy giảm nhanh và và khi hệ số trƣợt s = 1 giá trị
φy không đáng kể. Vùng này khả năng truyền lực ngang suy giảm nghiêm trọng và
rất dễ xảy ra mất ổn định xe, xe dễ bị quay ngang và ngã, rất nguy hiểm.
Nhƣ vậy có thể thấy rằng, khi phanh xe, vùng II là vùng bánh xe có khả năng
truyền lực dọc cao nhất đồng thời khả năng truyền lực ngang t ƣơng đối cao. Nếu
bánh xe hoạt động trong vùng này thì hiệu quả phanh cao và khả năng ổn định
chuyển động của xe cũng cao.
Từ các phân tích trên, luận án hƣớng tới việc nghiên cứu điều chỉnh áp suất
phanh từ đó điều chỉnh lực phanh sao cho bánh xe phanh hoạt động trong vùng II.
Nghiên cứu một hệ thống phanh thƣờng quan tâm tới hai chỉ tiêu là hiệu quả
phanh (quãng đƣờng phanh, gia tốc phanh) và khả năng lái xe khi phanh (ổn định
chuyển động khi phanh). Các nghiên cứu đều cho thấy các tr ƣờng hợp có ABS đều
không xảy ra mất kiểm soát hƣớng chuyển động khi phanh nh ƣ khi không trang bị
ABS hoặc ABS không hoạt động. Nói cách khác là ABS giúp ổn định chuyển động
của xe khi phanh.
Về hiệu quả phanh, có nghiên cứu cho thấy khi có ABS hiệu quả phanh đ ƣợc
cải thiện, nhƣng mức độ cải thiện không nhiều và không phải tất cả các tr ƣờng hợp
phanh. Trong công trình ―Nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén‖ của tác giả
Hồ Hữu Hùng, đa phần các trƣờng hợp phanh có ABS giúp cải thiện quãng đ ƣơng
phanh nhƣng trên đƣờng có độ trơn ƣớt và ở vận tốc 30km/h quãng đ ƣờng phanh
khi có ABS dài hơn khi không có ABS [3].
Tuy nhiên, theo tài liệu báo cáo nghiên cứu của RAVC (Úc) [30], ABS có thể
cải thiện hiệu quả phanh hoặc ít cải thiện hiệu quả phanh thậm chí làm hiệu quả
phanh xấu đi trong các điều kiện phanh khác nhau về điều kiện mặt đ ƣờng và vận
tốc ban đầu của xe khi phanh. Trong báo cáo này đề dẫn ra nghiên cứu của
Forkenbrock (1998-1999), trên 9 xe đƣợc trang bị ABS với 17 kịch bản thực
nghiệm phanh xe khác nhau cho thấy ABS ít giảm quãng đ ƣờng phanh trên đ ƣờng
khô, giảm đáng kể khi phanh trên đƣờng trơn ƣớt và tăng 27% quãng đƣờng phanh
trên đƣờng sỏi. Nghiên cứu của Mashek (2002), trên 6 xe có trang bị ABS cũng cho
thấy rằng ABS giảm gia tốc phanh khi phanh trung bình ở vận tốc nhỏ hơn 35 km/h
và tăng gia tốc phanh trung bình khi phanh xe ở vận tốc lớn hơn 35 km/h so với xe
không đƣợc trang bị ABS. Tƣơng tự kết quả nghiên cứu của Mashek, Strickland và
Dagg (1998) nghiên cứu thử nghiệm trên đƣờng nhựa khô với hệ số bám khác nhau
(0,61-0,87) cũng cho thấy ở vận tốc nhỏ hơn 50 km/h gia tốc phanh trung bình giảm
xuống còn 82% so với trƣờng hợp không đƣợc trang bị ABS; với vận tốc phanh
ban đầu lớn hơn 50 km/h thì hiệu quả phanh (gia tốc phanh trung bình) tăng lên khi
đƣợc trang bị ABS. Tài liệu trên cũng dẫn nghiên cứu của Macnabb (1998), khảo
sát hiệu quả phanh của 7 xe trên đƣờng sỏi cho thấy rằng quãng đ ƣờng phanh của
xe khi có ABS tăng lên 60% so với khi ABS không hoạt động; gia tốc phanh trung
bình của xe có ABS hoạt động đạt khoảng (0,37g đến 0,52g) nhỏ hơn khi ABS
-6-
không hoạt động khoảng (0,59g đến 0,66g) ( với g là gia tốc trọng trƣờng). Tuy
nhiên, tất cả các nghiên cứu này đều cho thấy các tr ƣờng hợp có ABS đều không
xảy ra mất kiểm soát hƣớng chuyển động khi phanh nh ƣ khi không trang bị ABS
hoặc ABS không hoạt động.
Nhƣ vậy, có thể thấy ý nghĩa lớn nhất của hệ thống phanh ABS là khả năng
điều khiển xe khi phanh (ổn dịnh chuyển động khi phanh) trên ô tô. Xe máy có thể
coi là một trƣờng hợp đặc biệt của ô tô, do vậy khi đề xuất hệ thống phanh hạn chế
trƣợt lết cho xe máy cần đảm bảo mục tiêu chống trƣợt dọc nhằm hạn chế tr ƣợt
ngang từ đó giúp ổn định chuyển động khi phanh. Để tìm ra phƣơng hƣớng cho
việc nghiên cứu đề xuất một hệ thống có khả năng hạn chế tr ƣợt lết và ổn định
chuyển động khi phanh, luận án đi tìm hiểu về tình hình nghiên cứu các hệ thống
tƣơng tự trên thế giới và Việt Nam trong mục tiếp theo.
1.2. Tình hình nghiên cứu hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh
1.2.1. Nghiên cứu về hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh (ABS) trên
thế giới
1.2.1.1 Nghiên cứu ABS trên ô tô
Mối quan hệ giữa hệ số bám và độ trƣợt của bánh xe (hình 1.1) đã đ ƣợc các
nhà khoa học phát hiện khá sớm (từ những năm 1950 của thế kỷ tr ƣớc). Việc
nghiên cứu chống trƣợt cho bánh xe khi phanh đã đƣợc các nhà khoa học quan tâm
từ lâu. Tuy nhiên cho đến đầu những năm 1970 khi công nghệ phát triển, đặc biệt là
trong ngành điện tử và tin học, hệ thống hạn chế trƣợt lết bánh xe (chống bó cứng
bánh xe) khi phanh ABS mới bắt đầu đƣợc sử dụng. Thời gian này hệ thống chỉ
đƣợc ứng dụng này trên ô tô vì một lý do rất đơn giản là hệ thống rất đắt tiền.
Sau ABS các hệ thống tích cực khác trên ô tô cũng lần l ƣợt ra đời nh ƣ TCS,
EBD, ESP…. cùng với sự phát triển của cảm biến và cơ cấp chấp hành. ABS bắt
đầu đƣợc trang bị cho ô tô năm 1978 và dần phổ biến trên nhiều loại xe ô tô [40],
[56]. Đến năm 1989 ABS bắt đầu đƣợc kết hợp với TCS và đến khoảng giữa thập
niên 90 ABS đƣợc kết hợp với EBD &BAS [55]. Năm 1995 hệ thống ổn định cân
bằng điện tử ESP sự ra đời và sau đó nó kết hợp với ABS, ASR, TCS,
EBD&BAS… ABS trang bị trên ô tô ra đời nhằm chống bó cứng bánh xe tức là
giảm sự trƣợt lết bánh xe tăng hiệu quả phanh, duy trì khả năng bám ngang, ổn định
hƣớng chuyển động của ô tô khi phanh [40].
Cho đến thời điểm hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ABS trên
ô tô đƣợc công bố. Các công trình nghiên cứu gần đây tập trung chủ yếu nghiên cứu
về hệ thống điều khiển ABS trên xe. Các hệ thống điều khiển theo dõi tín hiệu gia
tốc chậm dần và độ trƣợt dọc của bánh xe trong quá trình phanh [25], [52], [56].
Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển ABS theo độ tr ƣợt dọc của
bánh xe khá hoàn thiện. Tuy nhiên do độ trƣợt dọc là một đại lƣợng khó đo đạc và
-7-
xác định chính xác hơn nữa độ trƣợt dọc tối ƣu thƣờng thay đổi ở những loại
đƣờng khác nhau do vậy việc điều khiển gặp khó khăn [27], [48], [49]. Vì thế các
nghiên cứu về hệ thống ABS điều khiển theo độ trƣợt của bánh xe đều dừng lại trên
mô hình lý thuyết hoặc mô hình mô phỏng, chƣa có những ứng dụng và phát triển
trong thực tế. Nhƣng các nghiên cứu này đã giúp giải thích cơ chế và minh chứng
tính đúng đắn của việc cần thiết phải phát triển kỹ thuật ABS trong điều khiển quá
trình phanh ô tô.
Các công trình nghiên cứu về hệ thống ABS theo gia tốc góc chậm dần của
bánh xe khi phanh đã chứng minh đƣợc những ƣu điểm là duy trì đ ƣợc độ tr ƣợt
của bánh xe gần miền tối ƣu từ đó ổn định đƣợc độ bám đƣờng trong quá trình
phanh. Tuy nhiên để xác định đƣợc ngƣỡng gia tốc góc bánh xe để hệ thống điều
khiển làm việc là một việc hết sức khó khăn, phải sử dụng thống kê, mô phỏng, đo
đạc và hiệu chỉnh phức tạp trong thuật toán điều khiển [24], [40], [41], [46].
Một số công trình điển hình điều khiển ABS theo độ trƣợt bánh xe và theo gia
tốc góc bánh xe:
- Nghiên cứu ―Cosimulation of Parameter based vehicle dynamics and an
ABS control system‖ của Rengaraj, Chandrasekaran, Adgar, Adam, Cox, Chris S và
Crolla, David A năm 2006 [53], đã nghiên cứu sử dụng kết hợp xây dựng mô hình
trên Matlab-Simulink và mô phỏng trên môi trƣờng SimCar, thử nghiệm, đánh giá
trên mô hình mô phỏng. Tuy nhiên, nghiên cứu này vẫn chƣa đƣa ra một ph ƣơng
án cụ thể trong điều khiển ABS.
- Nghiên cứu ―Sliding Mode Measurement Feedback Control for Antilock
Braking Systems‖ của Cem Unsal và Pushkin Kachroo, năm 1999 [27], đã mô tả
một hệ thống điều khiển dựa trên hệ phi tuyến để điều khiển ổn định chuyển động
của xe theo phƣơng dọc. Nghiên cứu đƣa ra thuật toán điều khiển dựa trên mô hình
điều khiển trƣợt và đƣa ra nhân tố phi tuyến gây nhiễu cho quá trình điều khiển,
dụng bộ lọc Kalman để loại bỏ các thành phần nhiễu. Đề tài là sử dụng bộ điều
khiển theo độ trƣợt của xe tuy nhiên nghiên cứu của đề tài vẫn chỉ dừng ở lý thuyết.
- Nghiên cứu ―Using the sliding-mode PWM method in an anti-lock braking
system‖ của Ming-Chin Wu và Ming-Chang Shih công bố năm 2001 [48], nghiên
cứu kết hợp điều khiển độ rộng xung PWM và điều khiển tr ƣợt để tạo nên bộ điều
khiển gần nhƣ liên tục cho hệ thống phanh ABS. Các nghiên cứu chỉ dừng lại trên
băng thử với trạng thái đƣờng khô và ƣớt để đánh giá kết quả.
- Nghiên cứu ―Robust Fuzzy Sliding Mode Control for Antilock Braking
System‖ của M. Oudghiri, M. Chadli, A. El Hajjaji công bố năm 2007 [49], đã đề
xuất phát triển phƣơng pháp điều khiển theo kiểu trƣợt và logic mờ để điều chỉnh
lực phanh. Phƣơng pháp logic mờ trong nghiên cứu này đƣợc sử dụng để đánh giá
các thông số đầu vào chƣa biết của ECU - ABS. Tác giả Hyeongcheol Lee và
Masayoshi Tomizuka (Đại học California, Mỹ) trong tác phẩm ―Adaptive Traction
Control‖ từ năm 1995 [36] đã ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nghiên
-8-
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN SỸ AN
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ
TRƢỢT LẾT CHO XE MÁY
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN SỸ AN
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHANH HẠN CHẾ
TRƢỢT LẾT CHO XE MÁY
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. Hồ Hữu Hải
2. PGS. TS. Lƣu Văn Tuấn
Hà Nội – 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Công trình đ ƣợc
thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Hồ Hữu Hải và PGS.TS L ƣu Văn Tuấn. Các số
liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đ ƣợc ai công
bố trong bất kì công trình nào khác.
Hà nội, ngày … tháng … năm 2018
TẬP THỂ HƢỚNG DẪN Ngƣời cam đoan
Ngƣời hƣớng dẫn Ngƣời hƣớng dẫn
khoa học 1 khoa học 2
PGS.TS Hồ Hữu Hải PGS.TS Lƣu Văn Tuấn Nguyễn Sỹ An
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân,
tôi đã nhận đƣợc sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều nhà khoa học và tập thể
nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Hồ Hữu Hải, PGS.TS L ƣu
Văn Tuấn – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, là những ngƣời đã tận tình h ƣớng
dẫn, định hƣớng, đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn
thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo ở Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện
Cơ khí động lực, Bộ môn Tự động hóa – Viện Điện – Trƣờng Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em đồng nghiệp trong Khoa Cơ Điện, lãnh
đạo trƣờng Đại học Công nghiệp Dệt may Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời
gian và vật chất để tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em nghiên cứu sinh, học viên cao học và
sinh viên các khóa thuộc bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện Cơ khí động lực –
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hết lòng hỗ trợ, động viên tôi trong suốt thời
gian tôi thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn tới đại gia đình, bạn bè đã
thực sự động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại Trƣờng Đại học
Bách Khoa Hà Nội.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Sỹ An
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................4
1.1. Sự cần thiết phải hạn chế trƣợt lết cho bánh xe khi phanh.............................4
1.2. Tình hình nghiên cứu hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh.............................7
1.2.1. Nghiên cứu về hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh (ABS) trên thế giới . 7
1.2.2. Nghiên cứu về hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh trong nƣớc............19
1.3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu................................................. 21
1.4. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu......................................................... 22
1.5. Kết luận chƣơng 1........................................................................................ 23
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ
THỐNG PHANH HẠN CHẾ TRƢỢT LẾT...................................................... 24
2.1. Cơ sở lý thuyết hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh.................................... 24
2.1.1. Hệ số bám của bánh xe với mặt đƣờng khi phanh.................................24
2.1.2. Phƣơng pháp điều khiển hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh...............28
2.1.3. Quá trình điều khiển hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh theo gia tốc góc
30
2.2. Cấu hình hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy................................ 32
2.2.1. Hệ thống phanh xe máy.......................................................................... 32
2.2.2. Đề xuất cấu hình hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết................................ 33
2.3. Đề xuất cơ cấu điều áp.................................................................................. 35
2.3.1. Cấu tạo cơ cấu điều áp........................................................................... 36
2.3.2. Nguyên lý làm việc cơ cấu điều áp........................................................ 37
2.3.3. Tính toán mô phỏng cơ cấu điều áp....................................................... 38
2.4. Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh xe máy có hệ thống hạn chế
trƣợt lết............................................................................................................... 42
2.4.1. Mô hình xy lanh – pít tông phanh chính................................................. 42
2.4.2. Mô hình xy lanh – pít tông công tác....................................................... 43
2.5. Mô hình mô phỏng động lực học của quá trình phanh xe.............................45
2.5.1. Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh................................................... 45
2.5.2. Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh (bánh xe trƣớc)....................46
2.5.3. Mô hình mô phỏng lốp xe...................................................................... 47
2.5.4. Mô hình mô phỏng quá trình phanh trên đƣờng thẳng...........................48
2.5.5. Kết quả mô phỏng bằng mô hình đã xây dựng....................................... 50
2.6. Mô phỏng xác định thông số cơ cấu điều áp................................................. 52
2.6.1. Mô phỏng xác định lực nam châm điện................................................. 52
2.6.2. Tính nam châm điện cơ cấu điều áp....................................................... 55
2.7. Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống có cơ cấu điều
áp......................................................................................................................... 58
2.8. Kết luận chƣơng 2........................................................................................ 60
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN (ECU)
62
3.1. Nghiên cứu chọn thuật toán điều khiển......................................................... 62
3.2. Xác định ngƣỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống.......................................66
3.2.1. Mô phỏng điều khiển theo độ trƣợt bánh xe.......................................... 67
3.2.2. Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe...................................... 72
3.3. Thiết kế chế tạo ECU.................................................................................... 79
3.3.1. Cấu trúc hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết và bộ điều khiển..................79
3.3.2. Thiết kế khối cấp nguồn......................................................................... 80
3.3.3. Giới thiệu cảm biến đo vận tốc góc bánh xe.......................................... 81
3.3.4. Khối xử lý tín hiệu cảm biến vận tốc góc............................................... 84
3.3.5. Khối xử lý tín hiệu từ công tắc bàn đạp phanh....................................... 84
3.3.6. Khối công suất điều khiển cơ cấu điều áp hệ thống phanh hạn chế trƣợt
lết..................................................................................................................... 85
3.3.7. Khối điều khiển...................................................................................... 87
3.3.8. Kiểm tra bộ điều khiển........................................................................... 88
3.4. Kết luận chƣơng 3........................................................................................ 90
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM................................................ 91
4.1. Bố trí hệ thống trên xe.................................................................................. 91
4.1.1. Sơ đồ bố trí hệ thống trên xe máy.......................................................... 91
4.1.2. Bố trí hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trên xe máy thực......................91
4.2. Thực nghiệm................................................................................................. 93
4.2.1. Mục đích thực nghiệm........................................................................... 93
4.2.2. Thiết bị đo ghi dữ liệu dùng trong thực nghiệm.....................................93
4.2.3. Phƣơng án thực nghiệm......................................................................... 97
4.2.4. Kết quả thực nghiệm hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết......................... 98
4.3. Kết luận chƣơng 4......................................................................................103
5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................104
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................106
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN...........................1
- ii -
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Giải thích
a,b m Khoảng cách từ trọng tâm xe máy đến bánh trƣớc, bánh
sau
hg m Chiều cao trọng tâm so với mặt đƣờng
Fx, Fy, Fz N Lực tƣơng tác giữa lốp và mặt đƣờng theo các phƣơng
x, y, z
Fnc N Lực nam châm điện một chiều
Fd N Lực dầu tác dộng lên đỉnh pít tông cơ cấu điều áp
klx N/m Độ cứng lò xo cơ cấu điều áp
l0 m Độ nén ban đầu của lò xo cơ cấu điều áp
Ft , F s N Lực tác dụng lên má phanh bánh xe trƣớc, bánh xe sau
Mpt, Mps Nm Mô men phanh bánh xe trƣớc, bánh xe sau
2 Áp suất dầu trong xy lanh chính, xy lanh công tác
p1, pxl N/m
N.s/m Độ nhớt động học của dầu
Hệ số tiết lƣu
s Độ trƣợt
m 1, m2, mt kg Khối lƣợng pít tông xy lanh chính, xy lanh cơ cấu điều
áp suất, xy lanh công tác
mtong kg Khối lƣợng toàn bộ xe
3 Lƣu lƣợng trƣớc, sau cơ cơ cấu điều áp, hồi vào khoang
Q1, Q2, Q3 m /s
b
r m Bánh kính lăn bánh xe
bx
dp m Đƣờng kính con trƣợt van điều áp
J kgm
2 Mô men quán tính bánh xe
bx
x , y , r Hệ số bám theo phƣơng x, y, hệ số bám tổng
x1 , x2 , x3 m Độ dịch chuyển của pít tông xy lanh chính, con trƣợt
van điều áp, pít tông xy lanh công tác
rad/s Vận tốc góc
2 Gia tốc góc
rad/s
v, v0, v1 m/s Vận tốc dài xe máy, vận tốc ban đầu, vận tốc kết thúc
điều khiển
- iii -
g 2 Gia tốc trọng trƣờng
m/s
W1,W2 vòng Số vòng dây của cuộn dây 1, cuộn dây 2
0 henry/cm Hệ số từ dẫn qua kẽ hở không khí
m W / cm2 .0 C Hệ số tỏa nhiệt cuộn dây
2 Điện trở suất của dây đồng
mm /m
B gox Cƣờng độ từ cảm
lcp m Chiều dài trung bình lõi
G henry Từ dẫn qua kẽ hở không khí
fk Hệ số điền đầy cuộn dây
Nhiệt độ chênh lệch cho phép của cuộn dây
0 C
x m Khe hở từ thông
Danh mục chữ viết tắt
Ký Giải thích
hiệu
ABS Anti-lock Braking System Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi
phanh
ASR Anti Skid Regulator Hệ thống chống trƣợt quay
VDC Vehile Dynamic Control Kiểm soát động lực xe
ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử
EBD Electronic Brake Hệ thống phân bố lực phanh điện tử
Distribution
TCS Traction control system Hệ thống điều khiển lực kéo
ESP Electronic Stability Program Chƣơng trình điều khiển ổn định điện tử
VSC Vehicle Stability Control Hệ thống điều khiển ổn định ô tô
- iv -
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thông số xe nghiên cứu.......................................................................... 21
Bảng 2.1. Hệ số theo công thức Burckhardt của một số loại đƣờng[52].................47
Bảng 2.2. Các thông số đầu vào mô phỏng............................................................. 50
Bảng 2.3. Các thông số tính nam châm................................................................... 55
Bảng 2.4. Các thông số nam châm điện một chiều.................................................. 57
Bảng 3.1. Miền biến thiên ngƣỡng giá trị gia tốc góc............................................. 72
Bảng 3.2. Tổng hợp các phƣơng án mô phỏng....................................................... 75
Bảng 3.3. Ma trận trung bình diện tích so sánh....................................................... 75
Bảng 3.4. Ngƣỡng gia tốc góc điều khiển............................................................... 76
Bảng 4.1. Thông số cảm biến do áp suất M5256-C3079E-050BG của hãng Sensys
94
Bảng 4.2. Thông số cảm biến ADXL335 của Analog Device.................................95
Bảng 4.3. Giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết
phù hợp với giá trị đo trong thực nghiệm......................................................... 98
Bảng 4.4. Phƣơng án thực nghiệm khi không điều khiển.......................................98
Bảng 4.5. Phƣơng án thực nghiệm khi có điều khiển...........................................100
-v-
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trƣợt [7], [21], [54].........................5
Hình 1.2. Trƣờng hợp 1 trong nghiên cứu của Takefumi Sato, Tenri và Japan......10
Hình 1.3. Trƣờng hợp 2 trong nghiên cứu của Takefumi Sato, Tenri và Japan......11
Hình 1.4. Nghiên cứu của Pickenhahn Josef, Barr Stephen P. J., Beuerle Christoph,
Glasmacher Klaus, Weidele Alois và Fischer Martin...................................... 12
Hình 1.5. Hệ thống đƣợc đề xuất bởi Chen Po-Hsi, Hwu Long-Cherng và Juang
Puu-An............................................................................................................. 13
Hình 1.6. Mô hình bộ điều khiển trong nghiên cứu................................................. 14
Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống của Chun-Kuei HUANG, Ming-Chang SHIH năm 2010 15
Hình 1.8. Sơ đồ thuật toán các khối trong hệ thống................................................. 16
Hình 1.9. Hệ thống đƣợc đề xuất bởi Takenouchi Kazuya, Nakayama Masanobu, 17
Hình 1.10. Hệ thống đƣợc đề xuất bởi Eckert Alfred, Olejnik Peter và Reviol Ralf18
Hình 1.11. Sơ đồ cấu tạo ABS trên xe máy............................................................. 19
Hình 2.1. Sơ đồ xác định hệ số A,B,C,D [21]......................................................... 26
Hình 2.2. Quan hệ giữa hệ số bám và độ trƣợt của một số loại đƣờng [24], [40]...27
Hình 2.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trƣợt cho trƣớc...............................28
Hình 2.4. Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc giới hạn.................................... 29
Hình 2.5. Sự thay đổi của mô men phanh M b (a), áp suất dẫn động phanh (p) và gia
tốc góc ( ) của bánh xe khi phanh có ABS [8], [25]....................................... 31
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống phanh.............................................................................. 33
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy...............34
Hình 2.8. Xy lanh chính.......................................................................................... 34
Hình 2.9. Xy lanh công tác...................................................................................... 34
Hình 2.10. Sơ đồ quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cơ cấu điều
áp..................................................................................................................... 36
Hình 2.11. Cấu tạo cơ cấu điều áp........................................................................... 36
Hình 2.12. Cơ cấu điều áp ở chế độ phanh bình thƣờng (chế độ tăng áp)...............37
Hình 2.13. Cơ cấu điều áp ở chế độ xảy ra trƣợt lết bánh xe (chế độ giảm áp).......37
Hình 2.14. Lực tác dụng lên con trƣợt van điều áp................................................. 38
Hình 2.15. Tiết diện cửa I........................................................................................ 39
Hình 2.16. Mô hình mô phỏng cơ cấu điều áp......................................................... 41
Hình 2.17. Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh............................................................. 42
Hình 2.18. Xy lanh-pít tông phanh chính................................................................ 42
Hình 2.19. Mô hình mô phỏng xy lanh phanh chính............................................... 43
Hình 2.20. Xy lanh-pít tông cơ cấu phanh............................................................... 43
Hình 2.21. Mô hình mô phỏng xy lanh công tác..................................................... 44
Hình 2.22. Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh....................................... 45
Hình 2.23. Lực tác dụng lên bánh xe khi phanh...................................................... 45
Hình 2.24. Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh.................................................. 46
- vi -
Hình 2.25. Lực tác dụng lên bánh xe không phanh................................................. 46
Hình 2.26. Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh............................................. 47
Hình 2.27. Mô hình mô phỏng lốp xe...................................................................... 48
Hình 2.28. Lực tác dụng lên xe máy........................................................................ 48
Hình 2.29. Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của xe khi phanh......................49
Hình 2.30. Mô hình mô phỏng phanh xe máy......................................................... 50
Hình 2.31. Kết quả mô phỏng trên đƣờng max 0,3.............................................. 51
Hình 2.32. Kết quả mô phỏng trên đƣờng max 0,5.............................................. 51
Hình 2.33. Kết quả mô phỏng trên đƣờng max 0,7.............................................. 52
Hình 2.34. Lò xo hồi vị cơ cấu điều áp................................................................... 53
Hình 2.35. Quy luật tác dụng lực............................................................................ 53
Hình 2.36. Đồ thị vận tốc góc bánh xe.................................................................... 54
Hình 2.37. Đồ thị độ trƣợt bánh xe......................................................................... 54
Hình 2.38. Bố trí cuộn dây của nam châm điện....................................................... 55
Hình 2.39. Chiều dài trung bình lõi nam châm điện................................................ 57
Hình 2.40. Áp suất dầu trong hệ thống khi phanh bình thƣờng..............................59
Hình 2.41. Quy luật biến thiên của áp suất dầu trong cơ cấu phanh sau khi điều
khiển ở tần số 2,0 Hz(bên trái) và 6,0 Hz (bên phải)........................................ 59
Hình 2.42. Giá trị áp suất cao nhất và thấp nhất đạt đƣợc trong cơ cấu phanh sau
theo tần số của xung điều khiển....................................................................... 60
Hình 3.1. Phạm vi điều khiển [3]............................................................................ 63
Hình 3.2. Nguyên lý xác định pha điều khiển áp suất theo gia tốc góc...................64
Hình 3.3. Lƣu đồ thuật toán điều khiển phanh theo gia tốc góc bánh xe................65
Hình 3.4. Nguyên lý xác định pha điều khiển theo độ trƣợt...................................67
Hình 3.5. Lƣu đồ thuật toán điều khiển theo độ trƣợt............................................ 67
Hình 3.6. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển theo độ trƣợt trong Matlab/Stateflow 68
Hình 3.7. Mô hình mô phỏng điều khiển phanh xe theo độ trƣợt...........................68
Hình 3.8. Đồ thị độ trƣợt của bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5................69
Hình 3.9. Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5..................69
Hình 3.10. Đồ thị áp suất phanh trên đƣờng max 0,5.......................................... 70
Hình 3.11. Đồ thị gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5..........70
Hình 3.12. Biến thiên giá trị gia tốc góc theo tín hiệu điều khiển trên đƣờng
max 0,5...........................................................................................................................................71
Hình 3.13. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển theo gia tốc góc trong
Matlab/Stateflow.............................................................................................. 72
Hình 3.14. Mô hình mô phỏng phanh xe điều khiển theo gia tốc góc.....................73
Hình 3.15. Vận tốc góc bánh xe trong quá trình điều khiển.................................... 74
Hình 3.16. Đồ thị quan hệ diện tích so sánh với ngƣỡng điều khiển.......................76
Hình 3.17. Đồ thị độ trƣợt của các bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5........77
- vii -
Hình 3.18. Đồ thị vận tốc góc của các bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5. . .77
Hình 3.19. Đồ thị áp suất phanh trên đƣờng max 0,5.......................................... 78
Hình 3.20. Đồ thị gia tốc góc bánh xe khi phanh trên đƣờng max 0,5.................78
Hình 3.21. Cấu trúc mạch điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết..................80
Hình 3.22. Cấu trúc bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết....80
Hình 3.23. Mạch nguyên lý của khối cấp nguồn..................................................... 81
Hình 3.24. Cấu tạo của cảm biến............................................................................. 81
Hình 3.25. Sơ đồ cảm biến...................................................................................... 81
Hình 3.26. Đặc điểm tín hiệu làm việc của cảm biến.............................................. 82
Hình 3.27. Kích thƣớc vành răng tiêu chuẩn.......................................................... 83
Hình 3.28. Ảnh hƣởng của vật liệu tới khả năng phát hiện của cảm biến...............83
Hình 3.29. Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến vận tốc bánh xe........84
Hình 3.30. Sơ đồ xử lý tín hiệu từ công tắc bàn đạp phanh..................................... 85
Hình 3.31. Sơ đồ tính các thông số để transistor bão hòa........................................ 86
Hình 3.32. Khối công suất điều khiển cơ cấu điều áp của bánh xe.......................... 87
Hình 3.33. Bộ điều khiển điện tử hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết........................88
Hình 3.34. Thử nghiệm bộ điều khiển trong phòng thí nghiệm...............................89
Hình 3.35. Thử nghiệm bộ điều khiển trên đƣờng thử khô và ƣớt.........................89
Hình 3.36. Đồ thị vận tốc góc của bánh xe sau khi phanh gấp ở vận tốc 30 km/h .. 89
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí hệ thống trên xe máy............................................................ 91
Hình 4.2. Bố trí hệ thống trên xe máy..................................................................... 92
Hình 4.3. Module đo vận tốc góc bánh xe............................................................... 93
Hình 4.4. Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu vận tốc góc bánh xe............................94
Hình 4.5. Module đo áp suất................................................................................... 95
Hình 4.6. Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu áp suất phanh...................................... 95
Hình 4.7. Module đo gia tốc phanh......................................................................... 96
Hình 4.8. Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu gia tốc phanh...................................... 96
Hình 4.9. Thiết bị đo............................................................................................... 96
Hình 4.10. Sơ đồ đấu nối thiết bị đo và bộ điều khiển với nguồn............................ 97
Hình 4.11. Sơ đồ các bƣớc thực nghiệm................................................................. 97
Hình 4.12. Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh không điều khiển.......................99
Hình 4.13. Đồ thị áp suất phanh khi không điều khiển............................................ 99
Hình 4.14. Đồ thị gia tốc phanh khi không điều khiển..........................................100
Hình 4.15. Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh có điều khiển...........................101
Hình 4.16. Đồ thị áp suất phanh khi có điều khiển................................................101
Hình 4.17. Đồ thị gia tốc phanh khi có điều khiển................................................102
- viii -
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Ở Việt Nam hiện nay, xe máy là phƣơng tiện giao thông chủ yếu. Số lƣợng và
tốc độ tăng xe máy rất lớn, số liệu ƣớc tính đến hết năm 2016 Việt Nam có gần 45
triệu xe máy và năm 2017 có 3,2 triệu chiếc xe máy đ ƣợc bán ra. Trong số các
phƣơng tiện tham gia giao thông trên đƣờng bộ ở Việt Nam thì số lƣợng xe máy
đang áp đảo các phƣơng tiện khác. Ngƣời đi xe máy hầu nh ƣ chỉ trang bị duy nhất
là mũ bảo hiểm. Khi xảy ra va chạm, ngƣời ngồi trên xe máy có mức độ chấn
thƣơng cao hơn hẳn ô tô. Vì thế việc đảm bảo an toàn cho ng ƣời sử dụng ph ƣơng
tiện xe máy ở Việt Nam là rất cấp thiết.
Trên xe máy đƣợc trang bị hệ thống phanh, khi phanh sẽ làm giảm vận tốc xe.
Tuy nhiên, nếu phanh đến mức làm trƣợt lết bánh xe thì phát sinh yếu tố gây mất an
toàn khác. Khi bánh xe bị trƣợt dọc, hệ số bám ngang suy giảm rất nhanh, khi tr ƣợt
lết hoàn toàn, giá trị hệ số bám ngang rất nhỏ. Khi đó nếu có lực ngang tác dụng vào
xe thì xe sẽ quay ngang, dẫn đến đổ xe và khi đó tai nạn sẽ rất nghiêm trọng.
Khi phanh, có lực quán tính, nếu trọng tâm xe bị lệch khỏi đ ƣờng tiếp xúc
giữa bánh xe và mặt đƣờng sẽ xuất hiện mô men quán tính làm quay xe. Nếu bị
trƣợt lết, lực ngang còn rất nhỏ và khả năng làm quay xe gây ngã là rất cao. Vì thế
việc trang bị cho phanh xe máy hệ thống hạn chế trƣợt lết khi phanh là rất cần thiết.
Trên ô tô hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh ABS đã đ ƣợc sử dụng
rộng rãi. Trên xe máy ABS cũng đƣợc một số hãng sản xuất xe máy lớn nghiên cứu
và ứng dụng thành công. Tuy nhiên hệ thống ABS của các hãng trên th ƣờng chỉ
trang bị cho các xe có phân khối lớn và có giá thành rất cao. Mặt khác các tài liệu,
kết quả nghiên cứu là tƣ liệu riêng của các hãng, không đƣợc công bố hoặc có công
bố chỉ mang tính chất hƣớng dẫn sử dụng. Trong t ƣơng lai trên thế giới ít có khả
năng có công trình nghiên cứu về ABS phục vụ cho các loại xe máy phổ biến ở Việt
Nam vì trên thế giới vào thời điểm hiện tại ít tập trung phát triển về ph ƣơng tiện xe
máy.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, luận án chọn đề tài: ―Nghiên cứu hệ
thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy‖
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Xe máy sử dụng trong nƣớc chủ yếu là các xe có tốc độ thấp và ch ƣa đ ƣợc trang
bị hệ thống phanh ABS. Muốn trang bị hệ thống phanh ABS phải mua nguyên bộ của
các hãng và không phải xe máy nào cũng đ ƣợc thiết kế chờ sẵn để có thể lắp đ ƣợc. Do
đó, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lựa chọn các ph ƣơng án bố trí lắp đặt hệ thống
phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy nhằm mục đích từng b ƣớc cải thiện hiệu quả và
nâng cao tính ổn định chuyển động của xe máy trong quá trình phanh.
Luận án đã giải quyết đƣợc các vấn đề: Đề xuất đƣợc nguyên lý hệ thống điều
chỉnh áp suất phanh nhằm hạn chế trƣợt lết bánh xe; Xây dựng mô hình mô phỏng
-1-
hệ thống phanh thủy lực trên xe máy, mô phỏng chuyển động của xe máy khi
phanh, đề xuất bộ điều khiển cũng nhƣ một thuật toán điều khiển hệ thống theo gia
tốc góc bánh xe; Thông qua mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính, luận
án sơ bộ xác định đƣợc ngƣỡng giá trị gia tốc góc của bánh xe để điều khiển
chuyển đổi giữa các pha tăng áp, giảm áp trong chu trình hoạt động của hệ thống;
Nghiên cứu thiết kế chế tạo đƣợc thiết bị thu thập tín hiệu từ 3 cảm biến để đo 3
thông số trong quá trình phanh; Nghiên cứu thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh giá trị
ngƣỡng gia tốc góc điều khiển và nhận xét hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh
hạn chế trƣợt lết bánh xe. Đây là các vấn đề có tính khoa học, là cơ sở cho các
nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo để ứng dụng trên xe máy.
Nội dung và bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận
án đƣợc trình bày trong bốn chƣơng và phụ lục:
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: Trình bày cơ sở điều
khiển lực phanh, tình hình phát triển và tổng hợp kết quả nghiên cứu về hệ thống
ABS xe máy trên thế giới và trong nƣớc; qua đó xác định mục tiêu, nội dung,
phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu của luận án cần thực hiện.
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ
THỐNG PHANH HẠN CHẾ TRƢỢT LẾT: Trình bày nghiên cứu cấu tạo chung
về hệ thống phanh xe máy từ đó đề xuất hệ thống phanh điều chỉnh áp suất nhằm
hạn chế trƣợt lết bánh xe trong quá trình phanh trên xe máy, mô phỏng chuyển động
của xe máy trong quá trình phanh; mô phỏng hoạt động của hệ thống phanh có điều
chỉnh áp suất phanh trên xe nghiên cứu. Thiết kế chế tạo và thực nghiệm nghiên cứu
khả năng đáp ứng tần số điều khiển và đánh giá hoạt động của hệ thống.
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN: Trình
bày nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều khiển, đề xuất ph ƣơng pháp và thuật toán
điều khiển hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trên xe máy, nghiên cứu xác định giá trị
sơ bộ ngƣỡng điều khiển hệ thống theo gia tốc góc làm cơ sở để xác định ng ƣỡng
trong thực nghiệm.
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: Trình bày nghiên cứu thực
nghiệm hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết, bố trí hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết lắp
lên xe máy, lựa chọn thiết kế thiết bị đo lƣờng các kết quả thực nghiệm, trên cơ sở
kết quả thử nghiệm nhận xét sơ bộ hiệu quả hoạt động của hệ thống phanh hạn chế
trƣợt lết trên xe nghiên cứu.
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: Tóm tắt kết quả nghiên cứu của luận
án, đề xuất hƣớng phát triển của các công trình nghiên cứu tiếp theo để từng b ƣớc
hoàn thiện hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy.
Các kết quả nghiên cứu mới của luận án
Luận án đạt đƣợc các kết quả nghiên cứu mới sau:
-2-
- Đề xuất, thiết kế chế tạo đƣợc cơ cấu điều áp có thể điều chỉnh đƣợc áp
suất phanh trong hệ thống phanh dẫn động thủy lực trên xe máy;
- Xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng hệ thống phanh có điều chỉnh áp suất
phanh nhằm hạn chế trƣợt lết bánh xe trên xe máy và mô hình mô phỏng
động lực học quá trình phanh xe máy trên đƣờng thẳng;
- Xác định đƣợc khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh hạn
chế trƣợt lết đã đề xuất trên xe nghiên cứu;
- Đề xuất phƣơng pháp hiệu chỉnh và xác định đƣợc giá trị ng ƣỡng gia tốc
góc bánh xe bằng mô phỏng lý thuyết để điều khiển chuyển pha làm việc
của cơ cấu điều áp trong quá trình hệ thống hoạt động.
- Thiết kế chế tạo, bố trí lắp đặt đƣợc các thiết bị cho thực nghiệm và thực
nghiệm lấy đƣợc số liệu đánh giá hoạt động của hệ thống phanh hạn chế
trƣợt lết trên xe máy.
-3-
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Các xe máy phổ biến ở Việt Nam có phân khối nhỏ, chạy ở vận tốc thấp và
chƣa đƣợc trang bị hệ thống chống bó cứng ABS hoặc là một hệ thống t ƣơng tự.
Hiện nay đƣờng xá ở Việt Nam nhiều nơi vẫn còn lạc hậu, chất l ƣợng thấp, mặt
đƣờng xấu, hệ số bám thấp và không ổn định nên dễ xảy ra tình trạng tr ƣợt lết khi
phanh ngay cả ở vận tốc thấp. Vì vậy cần có một hệ thống phanh hạn chế tr ƣợt lết
bánh xe khi phanh cho xe máy ở Việt Nam. Từ trƣớc đến nay ch ƣa có công trình
khoa học trong nƣớc nào nghiên cứu hệ thống tƣơng tự cho xe máy phân khối nhỏ
ở Việt Nam.
Luận án nghiên cứu đề xuất hệ thống phanh có khả năng điều chỉnh áp suất
phanh từ đó kiểm soát đƣợc hiện tƣợng trƣợt lết giữa bánh xe và mặt đ ƣờng khi
phanh, tăng tính ổn định chuyển động và nhờ đó nâng cao tính an toàn khi vận hành
cho xe máy.
1.1. Sự cần thiết phải hạn chế trƣợt lết cho bánh xe khi phanh
Hệ thống chống trƣợt lết bánh xe khi phanh (tƣơng tự ABS) là một hệ thống
vòng kín giúp giảm khóa bánh xe trong quá trình phanh, giúp cải thiện sự ổn định
và kiểm soát điều khiển xe trong quá trình phanh. ABS mặc dù đã đ ƣợc trang bị rất
sớm trên ô tô trong nhiều năm nay tuy nhiên trên xe máy ít phổ biến hơn. Theo một
báo cáo số 327 về hiệu quả của hệ thống phanh chống bó cứng xe máy của Trung
tâm nghiên cứu tai nạn của Đại học Monash - Úc (MUARC) [66] chỉ ra rằng hiệu
quả của ABS trong việc giảm rủi ro va chạm cho xe máy cao hơn so với ô tô. Trong
báo cáo này cũng chỉ ra lợi ích của việc lắp ABS cho xe máy ở cả Châu Âu và các
quốc gia khác.
Một khảo sát của Bosch [67] chỉ ra rằng hiệu quả của ABS xe máy là nhất
quán trên toàn thế giới - các nghiên cứu đƣợc tham khảo trong khảo sát bao gồm:
nghiên cứu của Thụy Điển chứng minh rằng trang bị ABS mang lại khả năng giảm
va chạm ở châu Âu lên tới 39% cho tất cả các vụ tai nạn xe máy; Viện Bảo hiểm An
toàn Đƣờng cao tốc ở Mỹ đã ƣớc tính độc lập hiệu quả 37% và một nghiên cứu
riêng biệt của Bosch đã tìm thấy hiệu quả giảm 33% trong việc giảm thiểu tai nạn ở
Ấn Độ. Một nghiên cứu khác của Đức kết luận rằng trong 93% các vụ tai nạn xe
máy, ABS sẽ tránh hoặc giảm mức độ nghiêm trọng của vụ tai nạn [68]. Ở Úc, khả
năng giảm thiểu tử vong và thƣơng tích nhờ ABS xe máy là rất đáng kể: hàng năm
giúp giảm 1.128 vụ tai nạn thƣơng tích nhỏ (33%) và giảm 1.083 th ƣơng tật
nghiêm trọng hàng năm và 74 trƣờng hợp tử vong (39%). Từ các kết quả này có thể
thấy đƣợc sự cần thiết, lợi ích cũng nhƣ vai trò của một hệ thống hạn chế tr ƣợt
bánh xe tƣơng tự ABS trang bị cho xe máy.
Trong quá trình phanh xe, khả năng truyền lực dọc và lực ngang quyết định
hiệu quả phanh cũng nhƣ khả năng ổn định chuyển động của xe. Khả năng truyền
-4-
lực dọc lớn tức lực phanh lớn và hiệu quả phanh sẽ cao. Khả năng truyền lực ngang
lớn sẽ làm giảm nguy cơ quay xe nghĩa là khả năng ổn định chuyển động của xe
cao. Khả năng truyền lực dọc và ngang phụ thuộc vào hệ số bám giữa bánh xe và
mặt đƣờng theo cả hai phƣơng dọc và ngang.
Lực dọc (trong trƣờng hợp phanh là lực phanh) cực đại:
Fxmax = Fzφx
Tƣơng tự lực ngang cực đại:
Fymax = Fzφy
Mà hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy phụ thuộc độ trƣợt dọc của bánh
xe cả khi truyền lực kéo (trƣợt quay) lẫn khi truyền lực phanh (trƣợt lết).
Hình 1.1. Đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt [7], [21], [54]
Hình 1.1 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy
với độ trƣợt dọc s của bánh xe khi phanh.
Từ trên đồ thị cho thấy hệ số bám dọc φx có giá trị cao nhất khi hệ số trƣợt s
nằm trong khoảng 15% - 25%. Khi hệ số trƣợt s = 1 (tr ƣợt lết hoàn toàn) giá trị φ x
chỉ còn khoảng xấp xỉ 0,6φxmax. Đối với hệ số bám ngang φy khi độ trƣợt s tăng lên,
φy suy giảm nhanh và khi hệ số trƣợt s = 1 giá trị φy không đáng kể.
Có thể chia quá trình phanh theo độ trƣợt dọc thành 3 vùng nhƣ hình vẽ có thể
thấy:
- Ở vùng I: Lực phanh tăng dần từ 0, hệ số trƣợt cũng tăng dần từ 0, hệ số bám
ngang φy từ giá trị cực đại bắt đầu suy giảm nhƣng mức độ suy giảm chậm. Vùng
này bánh xe có khả năng truyền hết lực dọc (lực phanh) có trên bánh xe. Lúc này
gia tốc phanh của xe phụ thuộc vào lực phanh và xe có khả năng ổn định cao
- Vùng II: Vùng này có hệ số bám dọc φx cao nhất tức khả năng truyền lực
phanh tốt, còn hệ số bám ngang φy có suy giảm nhƣng vẫn còn cao và xe vẫn có
khả năng ổn định.
- Vùng III: Vùng này giá trị hệ số bám dọc φx đã vƣợt qua giá trị cực đại và
suy giảm, khi hệ số trƣợt trƣợt s = 1 (trƣợt lết hoàn toàn) giá trị φx chỉ còn khoảng
xấp xỉ 0,6φxmax và do vậy khả năng truyền lực dọc giảm tức nếu phanh thì hiệu quả
-5-
phanh giảm. Còn hệ số bám ngang φy giảm nhanh và và khi hệ số trƣợt s = 1 giá trị
φy không đáng kể. Vùng này khả năng truyền lực ngang suy giảm nghiêm trọng và
rất dễ xảy ra mất ổn định xe, xe dễ bị quay ngang và ngã, rất nguy hiểm.
Nhƣ vậy có thể thấy rằng, khi phanh xe, vùng II là vùng bánh xe có khả năng
truyền lực dọc cao nhất đồng thời khả năng truyền lực ngang t ƣơng đối cao. Nếu
bánh xe hoạt động trong vùng này thì hiệu quả phanh cao và khả năng ổn định
chuyển động của xe cũng cao.
Từ các phân tích trên, luận án hƣớng tới việc nghiên cứu điều chỉnh áp suất
phanh từ đó điều chỉnh lực phanh sao cho bánh xe phanh hoạt động trong vùng II.
Nghiên cứu một hệ thống phanh thƣờng quan tâm tới hai chỉ tiêu là hiệu quả
phanh (quãng đƣờng phanh, gia tốc phanh) và khả năng lái xe khi phanh (ổn định
chuyển động khi phanh). Các nghiên cứu đều cho thấy các tr ƣờng hợp có ABS đều
không xảy ra mất kiểm soát hƣớng chuyển động khi phanh nh ƣ khi không trang bị
ABS hoặc ABS không hoạt động. Nói cách khác là ABS giúp ổn định chuyển động
của xe khi phanh.
Về hiệu quả phanh, có nghiên cứu cho thấy khi có ABS hiệu quả phanh đ ƣợc
cải thiện, nhƣng mức độ cải thiện không nhiều và không phải tất cả các tr ƣờng hợp
phanh. Trong công trình ―Nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén‖ của tác giả
Hồ Hữu Hùng, đa phần các trƣờng hợp phanh có ABS giúp cải thiện quãng đ ƣơng
phanh nhƣng trên đƣờng có độ trơn ƣớt và ở vận tốc 30km/h quãng đ ƣờng phanh
khi có ABS dài hơn khi không có ABS [3].
Tuy nhiên, theo tài liệu báo cáo nghiên cứu của RAVC (Úc) [30], ABS có thể
cải thiện hiệu quả phanh hoặc ít cải thiện hiệu quả phanh thậm chí làm hiệu quả
phanh xấu đi trong các điều kiện phanh khác nhau về điều kiện mặt đ ƣờng và vận
tốc ban đầu của xe khi phanh. Trong báo cáo này đề dẫn ra nghiên cứu của
Forkenbrock (1998-1999), trên 9 xe đƣợc trang bị ABS với 17 kịch bản thực
nghiệm phanh xe khác nhau cho thấy ABS ít giảm quãng đ ƣờng phanh trên đ ƣờng
khô, giảm đáng kể khi phanh trên đƣờng trơn ƣớt và tăng 27% quãng đƣờng phanh
trên đƣờng sỏi. Nghiên cứu của Mashek (2002), trên 6 xe có trang bị ABS cũng cho
thấy rằng ABS giảm gia tốc phanh khi phanh trung bình ở vận tốc nhỏ hơn 35 km/h
và tăng gia tốc phanh trung bình khi phanh xe ở vận tốc lớn hơn 35 km/h so với xe
không đƣợc trang bị ABS. Tƣơng tự kết quả nghiên cứu của Mashek, Strickland và
Dagg (1998) nghiên cứu thử nghiệm trên đƣờng nhựa khô với hệ số bám khác nhau
(0,61-0,87) cũng cho thấy ở vận tốc nhỏ hơn 50 km/h gia tốc phanh trung bình giảm
xuống còn 82% so với trƣờng hợp không đƣợc trang bị ABS; với vận tốc phanh
ban đầu lớn hơn 50 km/h thì hiệu quả phanh (gia tốc phanh trung bình) tăng lên khi
đƣợc trang bị ABS. Tài liệu trên cũng dẫn nghiên cứu của Macnabb (1998), khảo
sát hiệu quả phanh của 7 xe trên đƣờng sỏi cho thấy rằng quãng đ ƣờng phanh của
xe khi có ABS tăng lên 60% so với khi ABS không hoạt động; gia tốc phanh trung
bình của xe có ABS hoạt động đạt khoảng (0,37g đến 0,52g) nhỏ hơn khi ABS
-6-
không hoạt động khoảng (0,59g đến 0,66g) ( với g là gia tốc trọng trƣờng). Tuy
nhiên, tất cả các nghiên cứu này đều cho thấy các tr ƣờng hợp có ABS đều không
xảy ra mất kiểm soát hƣớng chuyển động khi phanh nh ƣ khi không trang bị ABS
hoặc ABS không hoạt động.
Nhƣ vậy, có thể thấy ý nghĩa lớn nhất của hệ thống phanh ABS là khả năng
điều khiển xe khi phanh (ổn dịnh chuyển động khi phanh) trên ô tô. Xe máy có thể
coi là một trƣờng hợp đặc biệt của ô tô, do vậy khi đề xuất hệ thống phanh hạn chế
trƣợt lết cho xe máy cần đảm bảo mục tiêu chống trƣợt dọc nhằm hạn chế tr ƣợt
ngang từ đó giúp ổn định chuyển động khi phanh. Để tìm ra phƣơng hƣớng cho
việc nghiên cứu đề xuất một hệ thống có khả năng hạn chế tr ƣợt lết và ổn định
chuyển động khi phanh, luận án đi tìm hiểu về tình hình nghiên cứu các hệ thống
tƣơng tự trên thế giới và Việt Nam trong mục tiếp theo.
1.2. Tình hình nghiên cứu hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh
1.2.1. Nghiên cứu về hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh (ABS) trên
thế giới
1.2.1.1 Nghiên cứu ABS trên ô tô
Mối quan hệ giữa hệ số bám và độ trƣợt của bánh xe (hình 1.1) đã đ ƣợc các
nhà khoa học phát hiện khá sớm (từ những năm 1950 của thế kỷ tr ƣớc). Việc
nghiên cứu chống trƣợt cho bánh xe khi phanh đã đƣợc các nhà khoa học quan tâm
từ lâu. Tuy nhiên cho đến đầu những năm 1970 khi công nghệ phát triển, đặc biệt là
trong ngành điện tử và tin học, hệ thống hạn chế trƣợt lết bánh xe (chống bó cứng
bánh xe) khi phanh ABS mới bắt đầu đƣợc sử dụng. Thời gian này hệ thống chỉ
đƣợc ứng dụng này trên ô tô vì một lý do rất đơn giản là hệ thống rất đắt tiền.
Sau ABS các hệ thống tích cực khác trên ô tô cũng lần l ƣợt ra đời nh ƣ TCS,
EBD, ESP…. cùng với sự phát triển của cảm biến và cơ cấp chấp hành. ABS bắt
đầu đƣợc trang bị cho ô tô năm 1978 và dần phổ biến trên nhiều loại xe ô tô [40],
[56]. Đến năm 1989 ABS bắt đầu đƣợc kết hợp với TCS và đến khoảng giữa thập
niên 90 ABS đƣợc kết hợp với EBD &BAS [55]. Năm 1995 hệ thống ổn định cân
bằng điện tử ESP sự ra đời và sau đó nó kết hợp với ABS, ASR, TCS,
EBD&BAS… ABS trang bị trên ô tô ra đời nhằm chống bó cứng bánh xe tức là
giảm sự trƣợt lết bánh xe tăng hiệu quả phanh, duy trì khả năng bám ngang, ổn định
hƣớng chuyển động của ô tô khi phanh [40].
Cho đến thời điểm hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ABS trên
ô tô đƣợc công bố. Các công trình nghiên cứu gần đây tập trung chủ yếu nghiên cứu
về hệ thống điều khiển ABS trên xe. Các hệ thống điều khiển theo dõi tín hiệu gia
tốc chậm dần và độ trƣợt dọc của bánh xe trong quá trình phanh [25], [52], [56].
Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển ABS theo độ tr ƣợt dọc của
bánh xe khá hoàn thiện. Tuy nhiên do độ trƣợt dọc là một đại lƣợng khó đo đạc và
-7-
xác định chính xác hơn nữa độ trƣợt dọc tối ƣu thƣờng thay đổi ở những loại
đƣờng khác nhau do vậy việc điều khiển gặp khó khăn [27], [48], [49]. Vì thế các
nghiên cứu về hệ thống ABS điều khiển theo độ trƣợt của bánh xe đều dừng lại trên
mô hình lý thuyết hoặc mô hình mô phỏng, chƣa có những ứng dụng và phát triển
trong thực tế. Nhƣng các nghiên cứu này đã giúp giải thích cơ chế và minh chứng
tính đúng đắn của việc cần thiết phải phát triển kỹ thuật ABS trong điều khiển quá
trình phanh ô tô.
Các công trình nghiên cứu về hệ thống ABS theo gia tốc góc chậm dần của
bánh xe khi phanh đã chứng minh đƣợc những ƣu điểm là duy trì đ ƣợc độ tr ƣợt
của bánh xe gần miền tối ƣu từ đó ổn định đƣợc độ bám đƣờng trong quá trình
phanh. Tuy nhiên để xác định đƣợc ngƣỡng gia tốc góc bánh xe để hệ thống điều
khiển làm việc là một việc hết sức khó khăn, phải sử dụng thống kê, mô phỏng, đo
đạc và hiệu chỉnh phức tạp trong thuật toán điều khiển [24], [40], [41], [46].
Một số công trình điển hình điều khiển ABS theo độ trƣợt bánh xe và theo gia
tốc góc bánh xe:
- Nghiên cứu ―Cosimulation of Parameter based vehicle dynamics and an
ABS control system‖ của Rengaraj, Chandrasekaran, Adgar, Adam, Cox, Chris S và
Crolla, David A năm 2006 [53], đã nghiên cứu sử dụng kết hợp xây dựng mô hình
trên Matlab-Simulink và mô phỏng trên môi trƣờng SimCar, thử nghiệm, đánh giá
trên mô hình mô phỏng. Tuy nhiên, nghiên cứu này vẫn chƣa đƣa ra một ph ƣơng
án cụ thể trong điều khiển ABS.
- Nghiên cứu ―Sliding Mode Measurement Feedback Control for Antilock
Braking Systems‖ của Cem Unsal và Pushkin Kachroo, năm 1999 [27], đã mô tả
một hệ thống điều khiển dựa trên hệ phi tuyến để điều khiển ổn định chuyển động
của xe theo phƣơng dọc. Nghiên cứu đƣa ra thuật toán điều khiển dựa trên mô hình
điều khiển trƣợt và đƣa ra nhân tố phi tuyến gây nhiễu cho quá trình điều khiển,
dụng bộ lọc Kalman để loại bỏ các thành phần nhiễu. Đề tài là sử dụng bộ điều
khiển theo độ trƣợt của xe tuy nhiên nghiên cứu của đề tài vẫn chỉ dừng ở lý thuyết.
- Nghiên cứu ―Using the sliding-mode PWM method in an anti-lock braking
system‖ của Ming-Chin Wu và Ming-Chang Shih công bố năm 2001 [48], nghiên
cứu kết hợp điều khiển độ rộng xung PWM và điều khiển tr ƣợt để tạo nên bộ điều
khiển gần nhƣ liên tục cho hệ thống phanh ABS. Các nghiên cứu chỉ dừng lại trên
băng thử với trạng thái đƣờng khô và ƣớt để đánh giá kết quả.
- Nghiên cứu ―Robust Fuzzy Sliding Mode Control for Antilock Braking
System‖ của M. Oudghiri, M. Chadli, A. El Hajjaji công bố năm 2007 [49], đã đề
xuất phát triển phƣơng pháp điều khiển theo kiểu trƣợt và logic mờ để điều chỉnh
lực phanh. Phƣơng pháp logic mờ trong nghiên cứu này đƣợc sử dụng để đánh giá
các thông số đầu vào chƣa biết của ECU - ABS. Tác giả Hyeongcheol Lee và
Masayoshi Tomizuka (Đại học California, Mỹ) trong tác phẩm ―Adaptive Traction
Control‖ từ năm 1995 [36] đã ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nghiên
-8-