Tài liệu Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển phanh abs cho mô tô

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- PHAN VĂN BÌNH C C R L T. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHANH ABS CHO MÔ TÔ DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- PHAN VĂN BÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHANH ABS CHO MÔ TÔ C C R L T. DU CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM QUỐC THÁI Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như ở nước ngoài và cho đến nay vẫn chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây. Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên C C DU R L T. Phan Văn Bình NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHANH ABS CHO MÔ TÔ Học viên: Phan Văn Bình Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 85.20.11.6 Khóa: K36 Trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng. Tóm tắt: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển phanh ABS cho mô tô nhằm nâng cao tính năng an toàn. Sử dụng Arduino làm bộ điều khiển trung tâm để nhận tín hiệu của mô tô từ cảm biến tốc độ bánh xe, tính toán xử lý tín hiệu và điều khiển cơ cấu chấp hành hoạt động. Trong trƣờng hợp phanh gấp với lực phanh lớn sẽ làm cho bánh xe bị bó cứng và mô tô có khả năng bị trƣợt lê trên đƣờng, mất ổn định gây ngã xe. Lúc này ABS hoạt động sẽ thông qua bộ chấp hành thủy lực điều khiển các van điện từ đóng mở cũng nhƣ mô tơ bơm hoạt động để làm giảm và tăng áp suất thủy lực trong hệ thống phanh một cách liên tục nhằm không cho bánh xe bị bó cứng. Qua đó sẽ tăng đƣợc hiệu quả phanh và độ ổn định cho mô tô trong trƣờng hợp phanh gấp nhất là trên các đoạn đƣờng trơn ƣớt. Vấn đề làm tăng giảm áp suất thủy lực trong hệ thống phanh để tránh bánh xe bị bó cứng đƣợc kết hợp với điện tử nên khả năng điều khiển rất nhanh với độ chính xác cao. Nghiên cứu này góp phần làm cơ sở để thiết kế, chế tạo hệ thống phanh ABS trang bị cho các dòng mô tô với cơ cấu phanh trƣớc đĩa – cơ cấu phanh sau guốc ở Việt Nam. Từ khóa: mô tô, Arduino, ABS, trƣợt lê bánh xe, phanh gấp ABSTRACT RESEARCH AND DESIGN OF CREATING ABS BRAKE CONTROL SYSTEM FOR MOTORCYCLE Abstract: Researching on the designing and manufacturing of ABS brake control system for motorcycles is improving safety features. Using Arduino as the central controller is to receive motorbike signals from wheel speed sensors, to calculate for processing signals and to control actuators. In the case of emergency braking with high braking force, the wheels will be locked and the motorcycle may be slipped on the road, which causes the motorcycle to fall by the instability. At this time, the ABS will operate through hydraulic actuators that control the solenoid valve to open and close as well as control the pump motor to operate, which reduces and increases the hydraulic pressure in the brakes continuously so that the wheel can not be locked.. Thereby it will increase braking efficiency and stability of the motorcycle in the case of emergency braking, especially on slippery wet roads. The problem of increasing or decreasing hydraulic pressure in the braking system to avoid the locked wheel is combined with electronics, so the ability of the control is very quickly with high accuracy. This research contributes to the basis for designing and manufacturing ABS brakes for motor vehicles with front disc brakes - rear brake mechanism in Vietnam. Keywords: motorcycles, Arduino, ABS, roller skates, emergency braking C C DU R L T. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i TÓM TẮT...................................................................... Error! Bookmark not defined. MỤC LỤC ...................................................................................................................... ii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................iv DANH SÁCH CÁC BẢNG ...........................................................................................vi DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 I. Lý do chọn đề tài ..........................................................................................................1 III. Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu ..............................................................................2 1. Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................................2 2. Đối tƣợng nghiên cứu ..................................................................................................2 IV. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................... 2 Chƣơng 1- NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ....................................................................4 1.1. Lịch sử phát triển phanh ABS ..................................................................................4 1.2. Công nghệ mới trên mô tô ........................................................................................ 6 1.3. Tổng quan về hệ thống phanh ABS ..........................................................................8 1.3.1. Sơ đồ cấu tạo .........................................................................................................8 1.3.2. Nguyên lý làm việc ................................................................................................ 9 C C R L T. DU Chƣơng 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................10 2.1. Cơ sở lý thuyết về phanh ........................................................................................ 10 2.1.1. Lực phanh sinh ra ở bánh xe ...............................................................................10 2.1.2. Các ch tiêu đánh giá chất lƣợng của quá trình phanh ........................................11 2.1.3. Cơ sở lý thuyết về chống hãm cứng bánh xe khi phanh gấp ............................... 15 2.2. Kết cấu hệ thống phanh ABS .................................................................................19 2.2.1. Cảm biến tốc độ bánh xe ..................................................................................... 19 2.2.2. Bộ chấp hành thủy lực ......................................................................................... 20 2.2.2.3. Nguyên lý hoạt động: ....................................................................................... 21 2.2.3. Bộ điều khiển ABS-ECU..................................................................................... 21 2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS trên mô tô...................23 2.3.1. Sơ đồ cấu tạo .......................................................................................................23 2.3.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................................................... 24 Chƣơng 3- TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ TH NG PHANH ABS ........................ 27 3.1. Tính toán hệ thống phanh ....................................................................................... 27 3.1.1. Giới thiệu mô tô Husky 150cc ..............................................................................27 3.1.2. Tính toán thiết kế hệ thống phanh ABS cho mô tô Husky 150cc ........................ 28 3.1.2.1. Xác định momen phanh yêu cầu ......................................................................28 3.1.2.2. Xác định momen phanh các cơ cấu phanh sinh ra ...........................................31 a. Đối với cơ cấu phanh trƣớc ....................................................................................... 31 b. Đối với cơ cấu phanh sau .......................................................................................... 33 c. Momen phanh mà các cơ cấu phanh có thể sinh ra ...................................................35 3.1.2.3. Lực tác dụng lên tay phanh .............................................................................. 35 3.1.2.4. Tính toán các ch tiêu phanh ............................................................................. 36 a. Gia tốc chậm dần khi phanh. ..................................................................................... 37 b. Thời gian phanh .........................................................................................................37 3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển phanh ABS trên mô tô.................................................... 38 3.2.1.1. Sơ đồ cấu trúc ...................................................................................................38 3.2.1.2. Kết cấu các bộ phận .......................................................................................... 39 3.2.2. Thuật toán điều khiển phanh ABS.......................................................................41 3.2.2.1. Thuật toán tự kiểm tra lỗi .................................................................................41 3.2.2.2. Thuật toán điều khiển bộ chấp hành thủy lực ..................................................42 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển ABS-ECU .......................................................................43 3.2.3.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển ..................................................................................43 3.2.3.2. Mạch xử lý trung tâm ....................................................................................... 43 3.2.3.3. Mạch nguồn ......................................................................................................45 3.2.3.4. Khối mạch giao tiếp đầu vào ............................................................................46 3.2.3.5. Khối mạch giao tiếp đầu ra ...............................................................................49 3.2.3.6. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển .........................................................................51 3.2.4. Lập trình điều khiển phanh ABS .........................................................................52 3.2.4.1. Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE.................................................... 52 3.2.4.2. Viết chƣơng trình điều khiển ............................................................................53 Chƣơng 4- THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................................ 57 4.1. Thử nghiệm.............................................................................................................57 4.1.1. Kết quả thử nghiệm xe có ABS trên đƣờng khô .................................................58 4.1.2. Kết quả thử nghiệm xe không có ABS trên đƣờng khô ......................................60 4.1.3. Kết quả thử nghiệm xe có ABS trên đƣờng ƣớt ..................................................62 4.1.4. Kết quả thử nghiệm xe không có ABS trên đƣờng ƣớt .......................................64 4.1.5. Kết quả thử nghiệm xe có ABS trên đƣờng nữa khô nữa ƣớt ............................. 66 4.1.6. Kết quả thử nghiệm xe không có ABS trên đƣờng nữa khô nữa ƣớt ..................68 4.2. Đánh giá ..................................................................................................................70 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 71 C C R L T. DU TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 72 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1- Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS ..................................................5 Hình 1.2- Phanh ABS trên mô tô ................................................................................6 Hình 1.3- Cấu tạo hệ thống phanh ABS......................................................................8 Hình 2.1- Sơ đồ lực và momen tác dụng lên bánh xe khi phanh .............................. 10 Hình 2.2- Đồ thị thể hiện sự thay đổi quãng đƣờng phanh nhỏ nhất ........................ 14 Hình 2.3- Sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo ...................... 15 Hình 2.4- Sự thay đổi các thông số Mp, P và J khi phanh .........................................17 Hình 2.5- Sự thay đổi tốc độ góc ωb của bánh xe, tốc độ mô tô v và độ trƣợt λ ......18 Hình 2.6- Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh xe .............................................................. 19 Hình 2.7- Dạng xung của cảm biến tốc độ bánh xe ..................................................19 Hình 2.8– Sơ đồ cấu tạo bộ chấp hành thủy lực ....................................................... 20 Hình 2.9– Sơ đồ cấu tạo hệ thống phanh ABS trên mô tô ........................................23 Hình 2.10- Phanh ABS hoạt động ở giai đoạn giữ áp ...............................................24 C C R L T. Hình 2.11- Phanh ABS hoạt động ở giai đoạn giảm áp ............................................25 Hình 2.12- Phanh ABS hoạt động ở giai đoạn tăng áp .............................................26 Hình 3.1- Mô tô Husky 150cc .................................................................................... 27 Hình 3.2- Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi phanh ......................................................... 28 DU Hình 3.3- Sơ đồ phân bố tải trọng lên 2 bánh xe ...................................................... 29 Hình 3.4- Sơ đồ tính toán bán kính trung bình của đĩa ma sát..................................32 Hình 3.5- Sơ đồ tính toán cơ cấu phanh trồng guốc .................................................34 Hình 3.6- Sơ đồ tính tỷ số truyền dẫn động tay phanh .............................................36 Hình 3.7- Giảng đồ phanh ......................................................................................... 36 Hình 3.8- Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phanh ABS .......................................38 Hình 3.9- Cảm biến tốc độ bánh xe...........................................................................39 Hình 3.10- Module AD620 ....................................................................................... 39 Hình 3.11- Tín hiệu trƣớc khi khuếch đại và sau khi khuếch đại ............................. 40 Hình 3.12- Bộ chấp hành thủy lực ............................................................................40 Hình 3.13- Lƣu đồ thuật toán tự kiểm tra lỗi ............................................................ 41 Hình 3.14- Lƣu đồ thuật toán điều khiển bộ chấp hành thủy lực ............................. 42 Hình 3.15- Sơ đồ khối bộ điều khiển ........................................................................43 Hình 3.16- Sơ đồ phần cứng Arduino .......................................................................44 Hình 3.17- Sơ đồ kết nối khối điều khiển trung tâm với các bộ phận ...................... 45 Hình 3.18- Sơ đồ mạch điện khối nguồn ..................................................................45 Hình 3.19- Tụ điện ................................................................................................... 46 Hình 3.20- IC7805 ................................................................................................... 46 Hình 3.21- Sơ đồ mạch điện kiểm tra tín hiệu phanh ...............................................46 Hình 3.22- LM358 ....................................................................................................47 Hình 3.23- Sơ đồ mạch điện kiểm tra tín hiệu ắc quy...............................................47 Hình 3.24- Sơ đồ mạch điện xử lý tín hiệu cảm biến ...............................................48 Hình 3.25- Tín hiệu trƣớc và sau khi đƣợc xử lý ...................................................... 48 Hình 3.26- Sơ đồ mạch điện điều khiển các van điện từ ..........................................49 Hình 3.27- PC817......................................................................................................49 Hình 3.28- IRF540 .................................................................................................... 49 Hình 3.29- Sơ đồ mạch điện điều khiển mô tơ bơm ................................................. 50 Hình 3.30- IRF9540 .................................................................................................. 50 Hình 3.31- Transistor C1815..................................................................................... 50 Hình 3.32- Sơ đồ mạch điện điều khiển đèn báo lỗi ................................................. 51 Hình 3.33- Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ........................................................... 51 Hình 3.34- Vi mạch bộ điều khiển hệ thống phanh ABS ......................................... 52 C C R L T. Hình 3.35- Giao diện phần mềm Arduino IDE ......................................................... 52 DU DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1- Thông số kỹ thuật của mô tô Husky 150cc .................................................... 27 Bảng 3.2- Thông số kỹ thuật module AD620 ............................................................... 39 Bảng 3.3- Thông số cơ bản của bộ chấp hành thủy lực ................................................ 40 Bảng 3.4- Thông số kỹ thuật Ardino Nano ................................................................... 44 Bảng 3.5- Thông số kỹ thuật của tụ điện ....................................................................... 46 Bảng 3.6- Thông số kỹ thuật của IC7805 ...................................................................... 46 Bảng 3.7- Thông số kỹ thuật của LM358 ...................................................................... 47 Bảng 3.8- Thông số kỹ thuật của PC817 ....................................................................... 49 Bảng 3.9- Thông số kỹ thuật của IRF............................................................................ 49 Bảng 3.10- Thông số kỹ thuật của IRF9540 ............................................................................. 50 Bảng 3.11- Thông số kỹ thuật của Transistor C1815 ............................................................. 50 Bảng 4.1- Kết quả phanh xe có trang bị ABS trong điều kiện đƣờng khô.................... 58 Bảng 4.2- Kết quả phanh khi xe không trang bị ABS trong điều kiện đƣờng khô ....... 60 C C R L T. Bảng 4.3- Kết quả phanh khi xe có trang bị ABS trong điều kiện đƣờng ƣớt .............. 62 Bảng 4.4- Kết quả phanh xe không trang bị ABS trong điều kiện đƣờng ƣớt .............. 64 Bảng 4.5- Kết quả phanh xe trang bị ABS trong điều kiện đƣờng nữa khô nữa ƣớt .... 66 Bảng 4.6- Kết quả phanh không trang bị ABS trong điều kiện đƣờng nữa khô nữa ƣớt...... 68 DU Bảng 4.7- Bảng so sánh kết quả thực nghiệm .............................................................. 70 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu: Ga G0 Gn [N] [N] [N] Trọng lƣợng toàn bộ xe Trọng lƣợng xe khi không tải Trọng lƣợng ngƣời sử dụng Gt G01 [N] [N] Trọng lƣợng chất lên xe Trọng lƣợng phân bố lên bánh xe trƣớc G02 [N] Trọng lƣợng phân bố lên bánh xe sau Z1, Z2 [N] Phản lực tiếp tuyến của mặt đƣờng tác dụng lên các bánh xe L0 S a, b [mm] Chiều dài cơ sở [mm] Chiều rộng xe [mm] Khoảng cách từ tâm của xe theo chiều cao hg P1 P2 Pj Mp1 Mp2 [mm] [N] [N] [N] [Nm ] [Nm ] Tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao Lực phanh tác dụng lên bánh xe trƣớc Lực phanh tác dụng lên bánh xe sau Lực quán tính Momen phanh của bánh xe trƣớc Momen phanh của bánh xe trƣớc Rbx d dc B [mm] [mm] [mm] [mm] Bán kính làm việc của bánh xe Đƣờng kính xylanh bánh xe trƣớc Đƣờng kính xylanh chính Bề rộng của lốp R1 R2 Ptp itp ηtp S0 [mm] Bán kính trong của đĩa ma sát [mm] Bán kính ngoài của đĩa ma sát [N] Lực tác dụng lên tay phanh Tỷ số truyền dẫn động tay phanh Hiệu suất dẫn động tay phanh [mm] Hành trình tự do của tay phanh Slv Stp jpmax t v1 v2 S [mm] [mm] [m/s2] [s] [m/s] [m/s] [m] C C R L T. DU Hành trình làm việc của tay phanh Hành trình tay phanh Gia tốc chậm dần khi phanh lớn nhất Thời gian phanh Vận tốc của mô tô tại thời điểm bắt đầu phanh Vận tốc của mô tô lúc dừng hẳn Quãng đƣờng phanh ECU (Electronic Control Units)- Bộ điều khiển trung tâm. CPU (Central Processing Unit)- Là các mạch điện tử trong một máy tính, thực hiện các câu lệnh của chƣơng trình máy tính bằng cách thực hiện các phép tính số học, logic, so sánh và các hoạt động nhập/xuất dữ liệu (I/O) I/O VCC GND IC cơ bản do mã lệnh ch ra. Input/ Output. Nguồn dƣơng. Điểm nối đất. (Intergated Circuit)- Là vi mạch tích hợp nhiều linh kiện điện tử nhƣ tụ điện, điện trở, transistor… với số lƣợng lớn, ghép lại với nhau theo một PCB mạch đã đƣợc thiết kế. (Printed Cricuit Boards)- Bo mạch in. MCU (Module Control Unit)- Bộ điều khiển. DU R L T. C C 1 MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài Hệ thống phanh là một trong những hệ thống quan trọng nhất trên mô tô, cùng với hệ thống lái, hệ thống phanh góp phần giữ an toàn cho ngƣời ngồi trên xe khi giảm tốc độ và dừng xe, đặc biệt là trong những tình huống nguy hiểm. Vì thế, hệ thống phanh đƣợc đặc biệt chú ý trong tính toán thiết kế mô tô cũng nhƣ trong quá trình vận hành, bảo dƣỡng và sửa chữa. Ở nƣớc ta hiện nay, phƣơng tiện tham gia giao thông chủ yếu là các loại mô tô. Phƣơng tiện này có tính cơ động cao, rất phù hợp với thị hiếu và nhu cầu của ngƣời dân Việt Nam. Tuy nhiên, tình hình tai nạn giao thông trong năm 2019 là rất cao. Cụ thể là: C C R L T. DU BIỂU ĐỒ TH NG KÊ TÌNH HÌNH TAI NẠN GIAO THÔNG NĂM 2019 Ở Việt Nam, phanh ABS xuất hiện trên ô tô vào những năm cuối thế kỷ 20 và đến năm 2005 hầu hết các ô tô lắp ráp ở Việt Nam đều đƣợc khuyến cáo trang bị hệ thống phanh này. Tuy nhiên, đối với mô tô ở Việt Nam thì phanh ABS vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Bình quân mỗi năm thị trƣờng Việt Nam "khai sinh” thêm hơn 3 triệu chiếc xe máy. Với đà tăng tiến nhƣ vậy, đến 2020 thì tổng số lƣợng xe máy lƣu hành trên thị trƣờng có khả năng đạt tới 60 triệu chiếc. (Trích nguồn thông tin từ “Tri thức thời đại”). Mặc khác, số lƣợng mô tô trang bị phanh đĩa trƣớc phanh trống phía sau còn tồn tại rất nhiều và ngày càng tăng do cuộc đua vể kiểu dáng của nhà sản xuất và thị hiếu của ngƣời tiêu dùng. Việc lắp phanh đĩa không có hệ thống chống bó cứng ở bánh trƣớc đã đƣợc khẳng định là “ch có hại cho ngƣời tiêu dùng hơn là lợi” từ năm 2002 tại Hội 2 thảo về phanh đĩa xe gắn máy do PGS. TS Nguyễn Lê Ninh – Chủ tịch Hội ô tô và thiết bị động lực TP. Hồ Chí Minh đã chủ trì và đăng trên Báo Thanh Niên, số 181 ngày 30 tháng 6 năm 2002. Các hệ thống phanh ABS do các hãng mô tô của nƣớc ngoài sản xuất có giá thành quá cao, khoảng 1000 USD/ chiếc. Vì thế việc chế tạo hệ thống phanh ABS có giá rẻ và phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam cũng là một nhu cầu cấp thiết. Vì vậy, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển phanh ABS cho mô tô” với mong muốn tất cả mô tô đều đƣợc lắp hệ thống phanh ABS để giảm thiểu tai nạn khi tham gia giao thông. II. Mục tiêu đề tài - Tính toán thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống phanh ABS trên mô tô Husky 150cc - Thực nghiệm trên thực tế để đánh giá hiệu quả trang bị ABS cho hệ thống phanh trên mô tô C C III. Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu 1. Phạm vi nghiên cứu - Trong trƣờng hợp mô tô chuyển động với tốc độ cao phanh gấp trên đƣờng ƣớt. - Tính toán lắp đặt bộ chấp hành thủy lực và thiết kế bộ điều khiển điện tử - Thực nghiệm trên thực tế để đánh giá hiệu quả trang bị ABS cho hệ thống phanh R L T. trên mô tô. DU 2. Đối tượng nghiên cứu - Mô tô Husky 150cc IV. Phƣơng pháp nghiên cứu 1. Về lý thuyết - Sử dụng các giáo trình, tài liệu nƣớc ngoài, các bài báo, các trang Web về ABS trên ô tô và mô tô. - Sử dụng phần phềm thiết kế Auto CAD để thiết kế xe. 2. Về thực nghiệm - Trên nền tảng là mô tô Husky sử dụng hệ thống phanh thủy lực ở cơ cấu phanh đĩa trƣớc và lắp đặt bộ chấp hành thủy lực. - Chế tạo vi mạch cho hộp ABS-ECU và sử dụng phần mềm để lập trình cho hệ thống điều khiển. - Chạy thử nghiệm sau khi lắp đặt. - Kiểm tra độ ổn định và lắp đặt cơ cấu đánh dấu đo quảng đƣờng phanh để tiến hành điều ch nh cho hợp lý - Đo đạc các thông số và đánh giá kết quả. 3 V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Làm chủ công nghệ về phanh ABS trên mô tô - Nâng cao trình độ kỹ năng khai thác bảo dƣỡng và sửa chữa hệ thống phanh ABS - Lắp đặt trên các loại mô tô thông dụng nhằm giảm thiểu tai nạn giao thông đƣờng bộ. VI. Cấu trúc luận văn Chƣơng 1- NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. Lịch sử phát triển phanh ABS 1.2. Công nghệ mới trên mô tô 1.3. Tổng quan về hệ thống phanh ABS Chƣơng 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cơ sở lý thuyết về phanh 2.2. Kết cấu hệ thống phanh ABS 2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS trên mô tô Chƣơng 3- TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ TH NG PHANH ABS C C R L T. 3.1. Tính toán hệ thống phanh 3.1.1. Giới thiệu về xe mô tô Husky 150cc 3.1.2. Tính toán thiết kế hệ thống phanh ABS cho mô tô Husky 150cc 3.1.3. Tính toán các ch tiêu phanh. DU 3.2. Thiết kế bộ điều khiển điện tử 3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển phanh ABS trên mô tô 3.2.2. Thuật toán điều khiển phanh ABS 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển ABS-ECU 3.2.4. Lập trình điều khiển phanh ABS Chƣơng 4- THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1. Thử nghiệm 4.2. Đánh giá 4 Chƣơng 1- NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. Lịch sử phát triển phanh ABS Để tránh hiện tƣợng các bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe trên đƣờng trơn, ngƣời lái xe đạp phanh bằng cách nhịp liên tục lên bàn đạp phanh để duy trì lực bám, ngăn không cho bánh xe bị trƣợt lết và đồng thời có thể điều khiển đƣợc hƣớng chuyển động của xe. Về cơ bản thì chức năng của hệ thống phanh ABS cũng giống nhƣ vậy nhƣng hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn. ABS đƣợc sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thƣơng mại vào năm 1949 nhằm chống hiện tƣợng trƣợt ra khỏi đƣờng băng khi máy bay hạ cánh. Tuy nhiên, kết cấu của ABS lúc đó còn cồng kềnh, hoạt động không tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi tình huống. Trong quá trình phát triển, ABS đã đƣợc cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay là loại điện tử. Vào năm 1960, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển nên các vi mạch điện tử (microchip) ra đời nhằm giúp hệ thống ABS lần đầu tiên đƣợc trang bị trên ôtô. Sau đó, hệ thống ABS đã đƣợc nhiều công ty sản xuất ôtô nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng từ những C C R L T. năm 1970. Công ty Toyota sử dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật từ năm 1971, đây là hệ thống ABS 1 kênh điều khiển đồng thời hai bánh sau. Nhƣng phải đến thập niên 80 hệ thống này mới đƣợc phát triển mạnh nhờ hệ thống điều khiển kỹ thuật số, vi xử lý (digital microprocessors/microcontrollers) thay cho các hệ thống điều khiển tƣơng DU tự (analog) đơn giản trƣớc đó. Lúc đầu hệ thống ABS ch đƣợc lắp trên các xe du lịch cao cấp, đắt tiền và đƣợc trang bị theo yêu cầu của thị trƣờng. Dần dần hệ thống này đƣợc đƣa vào sử dụng rộng rãi hơn, đến nay ABS gần nhƣ đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại xe tải, một số xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đƣờng băng tuyết dễ trơn trƣợt. Hệ thống ABS không ch đƣợc thiết kế trên các hệ thống phanh thủy lực, mà còn ứng dụng rộng rãi trên các hệ thống phanh khí nén của các xe tải và xe khách. Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động nhƣ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đƣờng vòng với tốc độ cao, khi phanh trong những trƣờng hợp khẩn cấp,… Hệ thống ABS còn đƣợc thiết kế kết hợp với nhiều hệ thống khác. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo TRC (Traction Control) hay còn gọi là hệ thống ASR. Hệ thống này sẽ làm giảm bớt công suất động cơ và phanh các bánh xe để chống hiện tƣợng các bánh xe bị trƣợt lăn tại chỗ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, bởi điều này làm tổn hao vô ích một phần công suất của động cơ và mất tính ổn định chuyển động của ôtô. 5 Hình 1.1- Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử EBD (Electronic Brake-force Distribution) nhằm phân phối áp suất dầu phanh đến các bánh C C xe phù hợp với các chế độ tải trọng và chế độ chạy của xe. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp BAS (Brake Assist System) làm tăng thêm lực phanh ở các bánh xe để có quãng đƣờng phanh là ngắn nhất trong trƣờng hợp phanh khẩn cấp. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống ổn định ôtô bằng điện tử (ESP), không ch có tác dụng trong khi dừng xe, mà còn can thiệp R L T. DU vào cả quá trình tăng tốc và chuyển động quay vòng của ôtô nhằm giúp nâng cao hiệu suất chuyển động của ôtô trong mọi trƣờng hợp. ESP (Electronic Stability Program): Chƣơng trình kiểm soát ổn định động học của ôtô. Chƣơng trình là một phần của hệ thống VSC, đƣợc dùng để kiểm soát khả năng ổn định và hƣớng của ôtô khi phanh, khi đi trên đƣờng vòng hay chuyển động thẳng gặp ngoại lực ngẫu nhiên tác động. SBC (Sensoelectric Braking Control): Hệ thống phanh thủy lực điện tử đƣợc bố trí theo sự mở rộng kiểm soát nhờ các cảm biến và chƣơng trình điều khiển thích hợp của ôtô con. EHB (Electrohydraulic Brake): Hệ thống phanh thủy lực điện tử là một phân khúc của hệ thống phanh điện tử có sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực. BBW (Brake By Wirre): Hệ thống phanh điện là một phân khúc của hệ thống phanh điện tử không có sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực. Ngày nay, với sự phát triển vƣợt bậc và hỗ trợ rất lớn của kỹ thuật điện tử, của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình cực mạnh đã cho phép nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng các phƣơng pháp điều khiển mới trong ABS nhƣ điều khiển mờ, điều khiển thông minh cũng nhƣ là tối ƣu hóa quá trình điều khiển ABS. 6 1.2. Công nghệ mới trên mô tô Song hành cùng sự phát triển của ngành công nghệ ô tô thì ngày nay những dòng mô tô phân khối lớn luôn đóng vai trò quan trọng bởi lẽ những dòng xe này có thể đạt đến tốc độ xấp x trên 300km/h. Do đó ngoài những kỹ năng điều khiển của ngƣời lái thì các công nghệ trang bị hỗ trợ là vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, hầu hết các công nghệ này thƣờng đƣợc các hãng xe lấy từ chính những phiên bản đƣờng đua (racing), sau đó tinh ch nh và phát triển để phù hợp cho các tiêu chuẩn của xe thƣơng mại. Dƣới đây là một số công nghệ đáng chú ý trên các dòng mô tô phân khối lớn: C C R L T. DU Hình 1.2- Phanh ABS trên mô tô * Công nghệ phanh ABS Là viết tắt của Anti-lock Brake System (một trong những công nghệ chống bó cứng phanh). So với dòng xe „bình dân‟, thì ABS trên mô tô phân khối lớn cao cấp hơn khi có nhiều chế độ tùy chọn và nhiều „biến thể‟ hơn. Mở rộng, kết hợp và phát triển trên nền tảng hệ thống phanh ABS là hệ thống kiểm soát ổn định vào cua cho mô tô – MSC (hay Cornering ABS). Công nghệ Cornering ABS ban đầu do Bosch phát triển để trang bị cho các dòng xe KTM vào khoảng năm 2013. Kể từ đó tới nay, nó đã ngày càng đƣợc nhiều hãng đƣa vào áp dụng cho các dòng mô tô ở phân khúc cao cấp. Mục tiêu chính của ABS đó là chống bánh trƣớc của xe bị khóa lại trong trƣờng hợp ngƣời điều khiển phanh trong cua, từ đó hạn chế các tai nạn do trƣợt ngã. Chính vì vậy, Cornering ABS thƣờng đƣợc so sánh với hệ thống điều khiển lực kéo (Traction Control) do cả 2 công nghệ này đều đƣợc phát triển nhằm hạn chế sự trƣợt bánh xe. Cũng giống nhƣ nhiều hệ thống hỗ trợ ngƣời lái khác, nguyên lý hoạt động của Cornering ABS rất đơn giản, nhƣng lại khó khăn để thực hiện. Đóng vai trò chính của hệ thống này đó là một bộ xử lý tính toán quán tính (IMU - Inertial Measurement Unit) với khả năng theo dõi các chuyển động các momen đảo lại, dọc-xuống, nghiêng (yaw, 7 pitch và roll), cũng nhƣ gia tốc của chiếc xe theo cả 3 trục X, Y và Z. Phổ biến nhất là một số hãng xe sử dụng bộ IMU theo dõi đƣợc 5 trục, với các bộ IMU 5 trục. * Công nghệ kiểm soát độ bám TCS So với phanh ABS thì công nghệ kiểm soát độ bám (Traction Control) đƣợc trang bị ít hơn, hay có thể nói cách khác thì đây là công nghệ cao cấp hơn khi đa số ch đƣợc trang bị trên dòng mô tô Sport-bike. Với công dụng tránh hiện tƣợng trƣợt bánh khi vào vào cua, tăng tốc hay những tình huống sợ mất độ bám ở bánh xe. * Công nghệ sang số Quickshift Là công nghệ giúp cải thiện khả năng tăng tốc, với nguyên lý hỗ trợ ngƣời lái gài số mà không cần bóp côn. Công nghệ này thƣờng đƣợc trang bị trên các dòng mô tô Sport-bike. * Công nghệ chống trượt khi dồn số Assist & Slipper Clutch So với những công nghệ trên, thì Assist & Slipper Clutch có phần „đại trà hóa‟ khi đƣợc lần đầu tiên trang bị trên dòng xe phân khối nhỏ. Với công nghệ này sẽ hỗ trợ ngƣời lái trong việc „hãm tốc‟ bằng thao tác dồn số mà không bị „khóa bánh‟. C C R L T. * Công nghệ ga điện tử Ride by Wire Là công nghệ đƣợc áp dụng khá rộng rãi trên những dòng mô tô nhƣ Sport-bike, Naked-Bike hay Adventure. Ga điện tử hoạt động theo nguyên lý từ hệ thống điện, tại tay ga sau đó đƣợc xử lý bởi ECU. Với công nghệ này sẽ giúp mẫu xe có nhiều chế độ DU lái và hơn hết là nó sẽ trở thành nền tảng cho công nghệ Cruise Control (điều khiển hành trình). * Công nghệ cảnh báo va chạm Trong giao thông đƣờng bộ, ngay cả sự mất hiệu lực ngắn nhất trong tập trung có thể có hậu quả nghiêm trọng. Vì vậy trên mô tô đã phát triển một hệ thống cảnh báo va chạm cho mô tô để giảm nguy cơ va chạm từ phía sau hoặc giảm thiểu hậu quả của nó. Hệ thống hoạt động ngay sau khi xe bắt đầu hoạt động và nó hỗ trợ ngƣời lái trong tất cả các phạm vi tốc độ có liên quan. Nếu hệ thống phát hiện thấy một phƣơng tiện khác đang đóng cửa nguy hiểm và ngƣời lái không phản ứng với tình huống này, nó sẽ cảnh báo ngƣời lái bằng một tín hiệu âm thanh hoặc quang học. * Công nghệ kết nối thông tin liên lạc từ mô tô và xe hơi. Hiện nay các hãng xe đang nghiên cứu và áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật nhƣ là hệ thống giao thông thông minh, giúp hạn chế tối đa tai nạn. Bằng cách cho phép mô tô và ô tô giao tiếp với nhau, hệ thống này sẽ giúp các xe trong phạm vi bán kính vài trăm mét trao đổi với nhau về loại xe, tốc độ, vị trí và hƣớng di chuyển của nhau. Điều này rất hữu ích đối với tình huống vƣợt xe, lên xuống dốc ở những khúc cua bị khuất tầm nhìn. 8 Tiêu chuẩn WLAN công cộng (ITS G5) đƣợc sử dụng làm cơ sở cho việc trao đổi dữ liệu giữa mô tô và ô tô. Hệ thống sẽ cập nhật dữ liệu thông tin liên tục tối đa mƣời lần một giây. Thời gian truyền tín hiệu ch một vài phần nghìn giây giữa máy phát và máy thu có nghĩa là ngƣời tham gia giao thông trên cả ô tô và mô tô có thể tạo ra và truyền thông tin quan trọng liên quan đến tình hình giao thông dự đoán đƣợc tình hình giao thông phía trƣớc. Nếu đƣợc áp dụng rộng rãi trên xe thƣơng mại thì công nghệ này sẽ góp phần giảm thiếu tối đa tai nạn. * Công nghệ trong tương lai trên mô tô là khả năng tự cân bằng Sự xuất hiện của Yamaha MOTOROID hay Honda RIDING ASSIST-E chứng tỏ công nghệ xe tự cân bằng sẽ là xu hƣớng tƣơng lai. Xe có thể đứng thẳng bằng cách sử dụng các cảm biến IMU, bao gồm cảm biến gia tốc, cảm biến góc quay. Với công nghệ này thì mô tô tự lái sẽ đến rất gần trong tƣơng lai. Hệ thống này hỗ trợ ngƣời lái dựa trên radar đã áp dụng trên xe hơi và xe máy, từ đó góp phần vào sự an toàn khi điều khiển xe đặc biệt trong những dòng xe Adventure hay Touring chạy những hành trình dài và trên những đoạn đƣờng “mới mẻ”. C C R L T. * Hiện nay trên thế giới, các hãng xe từ ô tô đến mô tô luôn chú trọng nâng cao phát triển những công nghệ mới hơn nữa… nhằm đảm bảo khả năng an toàn và vấn đề môi trƣờng cho nhân loại. DU 1.3. Tổng quan về hệ thống phanh ABS 1.3.1. Sơ đồ cấu tạo Hình 1.3- Cấu tạo hệ thống phanh ABS Chú thích: 1: Bộ chấp hành thủy lực 4: Đĩa phanh 7: Cơ cấu phanh trƣớc 2: ABS-ECU 5: Vành răng 3: Cơ cấu phanh sau 6: Cảm biến tốc độ bánh xe 9 1.3.2. Nguyên lý làm việc * Khi không phanh: - Khi không phanh, không có lực tác dụng lên bàn đạp phanh nên chƣa có tín hiệu cảm biến hiện tƣợng phanh gửi về ABS-ECU nhƣng tín hiệu cảm biến tốc độ luôn đo tốc độ bánh xe và gửi về khối điều khiển ABS-ECU khi xe hoạt động. Không có áp lực dầu phanh đến các xylanh bánh xe nên bánh xe chuyển động tự do. * Khi phanh thƣờng (ABS chƣa làm việc): - Khi ngƣời lái đạp phanh hay rà phanh thì đã có tín hiệu cảm biến hiện tƣợng phanh gửi về ABS-ECU. Tuy nhiên lực phanh chƣa đủ lớn để xảy ra hiện tƣợng bánh xe bị bó cứng và trƣợt lết nên tín hiệu cảm biến tốc độ bánh xe đã gửi về ABS-ECU báo bằng tín hiệu điện áp là bánh xe chƣa bị bó cứng. Dầu phanh từ xylanh chính qua bộ chấp hành thủy lực sẽ đƣợc đi đến các xylanh bánh xe hoàn toàn giống với hoạt động của phanh thủy lực khi không có ABS. * Khi phanh các bánh xe bị bó cứng (ABS làm việc): - Khi ngƣời lái đạp phanh gấp thì đã có tín hiệu cảm biến hiện tƣợng phanh gửi về C C R L T. ABS-ECU. Phanh gấp và mạnh nên áp lực dầu phanh cao sẽ tạo nên lực phanh lớn và làm bó cứng các bánh xe. Các cảm biến tốc độ bánh xe sẽ gửi tín hiệu điện áp là các bánh xe bị bó cứng về ABS-ECU nên ABS-ECU sẽ xuất tín hiệu điện áp cấp đến điều khiển bộ chấp hành thủy lực làm việc để xả áp lực dầu phanh nhằm làm giảm áp ở cơ DU cấu phanh nên các bánh xe lại quay. Cứ nhƣ vậy các quá trình phanh giữ áp, giảm áp rồi lại tăng áp cứ liên tục đƣợc tiếp diễn với tốc độ khoảng (12÷15)lần/giây cho đến khi tốc độ xe giảm xuống để quá trình phanh lại trở về trạng thái phanh thủy lực bình thƣờng. Kết luận Dựa trên nền tảng là những công nghệ mới đƣợc ứng dụng trên mô tô mà thế giới công nghệ hiện nay đang dần dần một tiến đến. Thì việc ứng dụng công nghệ ABS trên mô tô sẽ là một công nghệ hết sức cần thiết bởi lẽ nó đem lại tính năng an toàn cao nhất cho ngƣời vận hành mô tô. Việc ứng dụng công nghệ ABS trên các loại mô tô phổ thông nhƣ hiện nay sẽ là một bƣớc ngoặc rất lớn trong lịch sử phát triển công nghệ nói chung và cũng là tính cấp thiết cho các dòng mô tô ở Việt Nam nói riêng.