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

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 Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 85.20.11.6 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng- Năm 2020 Công trình được hoàn thành tại TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM QUỐC THÁI Phản biện 1: TS. NGUYỄN VĂN ĐÔNG Phản biện 2: TS. HỒ SĨ XUÂN DIỆU Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực họp tại trường Đại học Bách khoa vào ngày 30 tháng 05 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu và truyền thông, trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN 1 MỞ DẦU I. Lý do chọn đề tài Hệ thống phanh là một trong những hệ thống quan trọng nhất trên xe, cùng với hệ thống lái, hệ thống phanh góp phần giữ an toàn cho người ngồi trên xe khi giảm tốc độ và dừng xe và đặc biệt là trong những tình huống nguy hiểm. Vì thế, hệ thống phanh được đặc biệt chú ý trong tính toán thiết kế xe cũng như trong quá trình vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa. Ở nước ta hiện nay, phương tiện tham gia giao thông chủ yếu là các loại mô tô. Phương tiện này có tính cơ động cao, rất phù hợp với thị hiếu và nhu cầu của người dân Việt Nam. Tuy nhiên, tình hình tai nạn giao thông trong năm 2019 là rất cao. Cụ thể là: BIỂU ĐỒ THỐNG 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 xe ô tô du lịch lắp ráp ở Việt Nam đều được khuyến cáo trang bị hệ thống phanh này. Tuy nhiên, đối với xe mô tô ở Việt Nam thì phanh ABS vẫn chưa được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi. Bình quân mỗi năm thị trường Việt Nam "khai sinh” thêm hơn 3 triệu chiếc xe máy. Với đà tăng tiến như vậy, đến 2020 thì tổng số lượng xe máy lưu hành trên thị trường có khả năng đạt tới 60 triệu chiếc. (Trích nguồn thông tin từ “Tri thức thời đại”). Mặc khác, số lượng mô tô trang bị phanh đĩa trước, phanh trống phía sau còn tồn tại rất nhiều và ngày càng tăng do cuộc đua vể kiểu dáng của nhà sản 2 xuất và thị hiếu của người tiêu dùng. Việc lắp phanh đĩa không có hệ thống chống bó cứng ở bánh trước đã được khẳng định là “chỉ có hại cho người tiêu dùng hơn là lợi” từ năm 2002 tại Hội 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 đã được đăng trên Báo Thanh Niên, số 181 ngày 30 tháng 6 năm 2002. Các hệ thống phanh ABS do các hãng mô tô của nước ngoài sản xuất có giá thành quá cao, khoảng 1000 USD. Vì thế việc chế tạo hệ thống phanh ABS có giá rẻ, 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 được 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 III. Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu 1. Phạm vi nghiên cứu  Trong trường hợp xe chuyển động với tốc độ cao phanh gấp trên đường ướt.  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 trên mô tô. 2. Đối tƣợng nghiên cứu  Xe mô tô Husky 150cc IV. Phƣơng pháp nghiên cứu 3 1. Về lý thuyết  Sử dụng các giáo trình, tài liệu nước 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 trước, 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 đường phanh để tiến hành điều chỉnh cho hợp lý  Đo đạc các thông số và đánh giá kết quả. V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn  Làm chủ về công nghệ phanh ABS trên mô tô  Nâng cao trình độ kỹ năng khai thác bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống phanh ABS  Lắp đặt trên các loại mô tô thông dụng nhằm giảm thiểu tai nạn giao thông đường bộ. VI. Cấu trúc luận văn Chương 1. Nghiên cứu tổng quan Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương 3. Tính toán và thiết kế hệ thống phanh ABS Chương 4. Thử nghiệm và đánh giá Chƣơng 1- NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. Lịch sử phát triển phanh ABS Để tránh hiện tượng các bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe trên đường trơn, người lái xe đạp phanh bằng cách nhịp liên tục lên bàn đạp phanh để duy trì lực bám, ngăn không cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển được hướng 4 chuyển động của xe. Về cơ bản, chức năng của hệ thống phanh ABS cũng giống như vậy nhưng hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn. ABS được sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm 1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh. 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 được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay là loại điện tử. Hình 1.1- Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS Ngày nay, với sự phát triển vượt 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 đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hóa quá trình điều khiển ABS. 1.2. Công nghệ mới trên mô tô - Công nghệ phanh ABS - Công nghệ kiểm soát độ bám TCS - Công nghệ sang số Quickshift - Công nghệ chống trượt khi dồn số Assist & Slipper Clutch - Công nghệ ga điện tử Ride by Wire 5 - Công nghệ cảnh báo va chạm - Công nghệ kết nối thông tin liên lạc từ xe máy và xe hơi. - Công nghệ trong tương lai trên mô tô là khả năng tự cân bằng 1.3. Tổng quan về hệ thống phanh ABS 1.3.1. Sơ đồ cấu tạo Hình 1.2- Cấu tạo hệ thống phanh ABS Chú thích: 1: Bộ chấp hành thủy lực 2: ABS-ECU 3: Cơ cấu phanh sau 4: Đĩa phanh 5: Vành răng 6: Cảm biến tốc độ bánh xe 7: Cơ cấu phanh trước 1.3.2. Nguyên lý làm việc - Khi không phanh - Khi phanh thường(ABS chưa làm việc) - Khi phanh các bánh xe bị bó cứng (ABS làm việc) Chƣơng 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cơ sở lý thuyết về phanh 2.1.1. Lực phanh sinh ra ở bánh xe Khi người lái tác dụng vào bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra momen ma sát còn gọi là momen phanh Mp nhằm hãm bánh xe lại. Lúc đó ở bánh xe xuất hiện phản lực tiếp tuyến Pp ngược với 6 chiều chuyển động. Phản lực tiếp tuyến này được gọi là lực phanh và được xác định theo biểu thức: Pp  Mp (2-1) rb Lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường nghĩa là: Ppmax= Pφ = Zb.φ (2-2) Hình 2.1- Sơ đồ lực và momen tác dụng lên bánh xe khi phanh Khi phanh thì bánh xe chuyển động với gia tốc chậm dần, do đó trên bánh xe sẽ có momen quán tính Mjb tác dụng, momen này cùng với chiều chuyển động của bánh xe; ngoài ra còn có momen cản lăn Mf tác dụng, momen này ngược với chiều chuyển động và có tác dụng hãm bánh xe lại. Như vậy trong khi phanh bánh xe thì lực hãm tổng cộng Ppo sẽ là: Ppo  M p  M f  M jb rb 2.1.2. Các ch tiêu đánh giá chất 2.1.2.1. Gia tốc phanh chậm dần  Pp  M f  M jb rb ng c a quá tr nh phanh (2-3) 7 Gia tốc chậm dần đều khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh và là đại lượng đặc trưng cho mức độ giảm tốc độ của mô tô trong quá trình phanh. Vậy có thể xác định gia tốc chậm dần cực đại khi phanh: j p. max  g. j (2-4) 2.1.2.2. Thời gian phanh nhỏ nhất tmin Thời gian phanh là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh. Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt. t min  v1 . j  .g (2-5) 2.1.2.3. Quãng đường phanh Khi phanh mô tô đến lúc dừng hẳn thì v2 = 0, ta có: v1 S p.min   v2 j j 2 .v.dv  .v1 g. 2 g. (2-6) Từ biểu thức trên ta thấy, quãng đường phanh nhỏ nhất của mô tô phụ thuộc vào: - Vận tốc chuyển động của mô tô lúc bắt đầu phanh v1 - Hệ số bám φ - Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay δi 2.1.3. Cơ sở lý thuyết về chống hãm cứng bánh xe khi phanh gấp Hệ thống chống hãm cứng bánh xe gồm các phần tử sau: - Cảm biến để phát tín hiệu về tình trạng của đối tượng cần được thông tin. - Bộ điều khiển để xử lý các thông tin và phát các lệnh nhả phanh hoặc phanh bánh xe - Bộ thực hiện để thực hiện các lệnh do bộ điều khiển phát ra 8 Các hệ thống chống hãm cứng bánh xe hiện nay thường sử dụng nguyên lý điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh theo gia tốc chậm dần của bánh xe và ở bánh xe có bố trí cảm biến vận tốc góc. Hình 2.2- Sự thay đổi các thông số Mp, P và J khi phanh có chống hãm cứng bánh xe 2.2. Kết cấu hệ thống phanh ABS 2.2.1. Cảm biến tốc độ bánh xe 2.2.1.1. Chức năng 2.2.1.2. Cấu tạo Hình 2.3- Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh xe 9 Chú thích: 1: Dây cáp 2: Đôi lõi từ. 3: Bệ lõi từ 4: Cuộn dây. 5: Đầu lõi từ. 6: Rô to gắn trên bán trục 2.2.1.3. Nguyên lý hoạt động: Khi bánh xe quay thì vành răng quay theo, khe hở (5) giữa đầu lõi từ và vành răng thay đổi, từ thông biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động xoay chiều dạng hình sin có biên độ và tần số thay đổi tỉ lệ theo tốc độ góc của bánh xe .Tín hiệu này liên tục được gửii về ABS-ECU. Tùy theo cấu tạo của cảm biến, vành răng và khe hở giữa chúng, các xung điện áp tạo ra có thể nhỏ dưới 100mV ở tốc độ rất thấp của xe, hoặc cao hơn 100V ở tốc độ cao. Chú thích: 1: Vành răng 2: Cuộn dây 3: Nam châm vĩnh cửu 4: Điện áp ra 5: Khe hở từ 6: Ở tốc độ thấp Hình 2.4- Dạng xung của cảm biến tốc độ bánh xe 7: Ở tốc độ cao 2.2.2. Bộ chấp hành th y lực 2.2.2.1. Chức năng 2.2.2.2. Cấu tạo - Van điện từ: gồm cuộn dây điện từ, lõi van và các cửa van - Mô tơ điện và bơm dầu - Bình tích áp - Các van một chiều Hình 2.5- Sơ đồ cấu tạo bộ chấp hành thủy lực 10 Chú tích: 1: Xylanh chính đến 2: Van giữ 3: Đến xylanh bánh xe 4: Van giảm 5: Cuộn dây 6: Bình tích áp 7: Van một chiều 8: Bơm dầu 9: Tín hiệu đến điều khiển 2.2.2.3. Nguyên lý hoạt động: - Khi phanh bình thường (ABS không hoạt động): - Khi phanh gấp (bánh xe sắp bị bó cứng) thì ABS hoạt động 2.2.3. Bộ điều khiển ABS-ECU 2.2.3.1. Chức năng 2.2.3.2. Cấu tạo: gồm 4 phần chính. - Phần xử lý tín hiệu - Phần logic - Bộ phận an toàn - Bộ chẩn đoán và lưu giữ mã lỗi 2.2.3.3. Nguyên lý hoạt động 2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh ABS trên mô tô 2.3.1. Sơ đồ cấu tạo Hình 2.6- Sơ đồ cấu tạo hệ thống phanh ABS trên mô tô 11 Chú thích: 1: Đĩa phanh 2: Vành răng 4: Xylanh bánh xe 5: Bộ chấp hành thủy lực 7: Xylanh chính 8: Tay phanh 10: Đường dây điện 11: ABS-ECU 3: Cảm biến 6: Đường ống dầu 9: Cảm biến phanh 12: Ắc quy 2.3.2. Nguyên lý hoạt động Khi người lái bóp phanh mạnh để phanh khẩn cấp thì các bánh xe có xu hướng xuất hiện sự trượt giữa lốp với mặt đường thì ABS sẽ bắt đầu làm việc. Khi hệ số trượt vượt đạt giới hạn (10  30)% thì hệ số bám đạt giá trị cực đại và hệ thống ABS bắt đầu phát huy tác dụng và hoạt động theo các giai đoạn: 2.3.2.1. Giai đoạn giữ áp 2.3.2.2. Giai đoạn giảm áp 2.3.2.3. Giai đoạn tăng áp Chƣơng 3- TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHANH ABS 3.1. Tính toán hệ thống phanh 3.1.1. Giới thiệu mô tô Husky 150cc Mô tô Husky 150cc là loại xe phân khối lớn của hãng SYM, được sử dụng tương đối rộng rãi và là một loại xe đặc trưng cho dòng xe thông dụng ở Việt Nam hiện nay là phanh Hình 3.1- Mô tô Husky 150cc trước đĩa sau tang trống guốc. 12 Dưới đây là bảng thông số kỹ thuật cơ bản của dòng xe này: TÊN CHỈ TIÊU THÔNG SỐ KỸ THUẬT Kích th ớc tổng thể: Chiều dài cơ sở 1.360 mm Chiều rộng mô tô 715 mm Chiều cao 1.080 mm Chiều cao yên 775 mm Khoảng sáng gầm xe 130 mm Bán kính quay vòng 1.900 mm Trọng lượng (khô/ướt) 139/149 kg Bánh trước 69 kg Bánh sau 80 kg Lốp xe: Kích thước lốp trước 80/100-18TL Kích thước lốp sau 130/90-15TL Hệ thống phanh: Phanh trước Phanh đĩa Vận hành Phanh sau Phanh tay phải Phanh trống guốc Vận hành Phanh chân phải Bảng 3.1- Thông số kỹ thuật của mô tô Husky 150cc 3.1.2. Tính toán thiết kế hệ thống phanh ABS cho mô tô Husky 150cc 3.1.2.1. Xác định momen phanh yêu cầu Momen phanh cần sinh ra được xác định từ điều kiện đảm bảo hiệu quả phanh lớn nhất, tức là sử dụng hết lực bám để tạo lực phanh. Muốn đảm bảo điều kiện đó lực phanh sinh ra cần phải tỉ lệ thuận với các phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe. 13 Hình 3.2- Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi phanh - Momen phanh của bánh xe trước Mp1: Mp1 = 2638,69 .(0,63 +  .0,3575).0,286998 1,360 Mp1 = 350,8. + 199.2 (3.1) - Momen phanh của bánh xe sau Mp2: Mp2 = 422.16. - 206,745.2 (3.2) 3.1.2.2. Xác định momen phanh các cơ cấu phanh sinh ra a. Đối với cơ cấu phanh trước Cơ cấu phanh trước sử dụng 2 piston thủy lực để ép đĩa ma sát, do đó momen mà cơ cấu phanh trước có thể sinh ra là: Mp1 =2.2.  . .d1 2 4 2 R23  R13 . p. . 2 3 R2  R12 Mp1 = 0,68.10-4.p (N.m) (3-3) b. Đối với cơ cấu phanh sau Suy ra momen phanh do các guốc tạo ra cho tang trống: 14 c. Momen phanh mà các cơ cấu phanh có thể sinh ra M p2 Ta có: M p1 = 0,389.104. p = 0,573 0,68.104. p Xác định áp suất dầu khi phanh: Ta có: Mp2 = 422,16. - 206,745.2 = 0,389.10-4.p => p2 = 4,957.106 (N/m2) Mp1 = 350,8. + 199.2 = 0,68.10-4.p => p1 = 4,952.106 (N/m2) Vậy momen phanh sinh ra thực tế : Cơ cấu phanh trước : Mp1 = 0,68.10-4 x 4,952.106 = 336,7 (N.m) Cơ cấu phanh sau : Mp2 = 0,389.10-4 x 4,957.106 = 192,8 (N.m) 3.1.2.3. Lực tác dụng lên tay phanh Ta có phương trình cân bằng lực tay phanh: d c2 .p d Ptp.itp. ηdđ = . 4 (3-4) Lực tay phanh: 3,14. Ptp = 0,008 2 4,952.10 6 4 = 43,65 (N) 6.0,95 3.1.2.4. Tính toán các chỉ tiêu phanh a. Gia tốc chậm dần khi phanh. Gia tốc chậm dần khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh mô tô. Ta có: jpmax =  P .g i Ta chọn  i ~1. Nên: jpmax =  P .g = 0,69.9,81 = 6,76 (m/s2) (3-5) 15 b. Thời gian phanh. Khi phanh mô tô đến lúc dừng hẳn thì v2 = 0. tpmin = v1  P .g (3-6) Trong đó : v1 - Vận tốc của xe ứng với thời điểm bắt đầu phanh Chọn v1 = 50 (km/h) = 13,89 (m/s), vận tốc tại thời điểm bắt đầu phanh. tpmin = 13,89 = 2,05 (s) 0,69.9,81 c. Quãng đường phanh. Quãng đường phanh được xác định bằng cách tích phân dS trong giới hạn từ v1 đến v2. Ta có: S  v1  v2 i i vdv  vdv  .g .g v2 v1 ( ) Khi phanh đến lúc xe dừng hẳn v2 = 0: Quãng đường phanh thực tế là: = = 14,25 (m) 3.2. Thiết kế bộ điều khiển điện tử 3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển phanh ABS trên mô tô 3.2.1.1. Sơ đồ cấu trúc Bộ điều khiển phanh ABS trên mô tô Husky 150cc được thiết kế dựa trên cấu trúc như sau: - Tín hiệu đầu vào - Xử lý tín hiệu - Tín hiệu đầu ra 16 Hình 3.3- Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phanh ABS 3.2.1.2. Kết cấu các bộ phận a. Cảm biến tốc độ bánh xe Tín hiệu trước khi khuếch đại (màu đỏ) với tỉ lệ 10mV/ô. Và tín hiệu sau khi khuếch đại (màu vàng) với tỉ lệ 1V/ô/. Nhận thấy thông qua bộ khuếch đại AD620 tín hiệu được khuếch đại rất nhiều lần trong khi tần số và biên dạng sóng không hề thay đổi. Hình 3.4- Tín hiệu trước khi khuếch đại và sau khi khuếch đại Ngoài ra sử dụng chính công tắc phanh có sẵn của xe để lấy tín hiệu phanh. Mỗi lúc bóp phanh sẽ có điện áp 12V gửi đến bộ xử lý tín hiệu phanh. Và dùng chính nguồn điện áp cấp cho bộ điều khiển làm tín hiệu để đo đạc điện áp ắc quy. b. Bộ chấp hành thủy lực Do chưa chế tạo được bộ chấp hành ABS nên nghiên cứu sử dụng bộ chấp hành thủy lực của ô tô loại 4 kênh, van điện 2 vị trí có các thông số như sau: 17 Bảng 3.2- Thông số cơ bản của bộ chấp hành thủy lực Cuộn thường đóng (NC) Cuộn thường mở (NO) Môtơ bơm Điện áp định mức 12V 12V 12V Dòng diện tiêu thụ 3.7A 4.5A 13.7A 4Ω 8Ω 10 Ω Thông số Điện trở 3.2.2. Thuật toán điều khiển phanh ABS 3.2.2.1. Thuật toán tự kiểm tra lỗi Hình 3.5- Lưu đồ thuật toán tự kiểm tra lỗi 18 3.2.2.2. Thuật toán điều khiển bộ chấp hành thủy lực Hình 3.6- Lưu đồ thuật toán điều khiển bộ chấp hành thủy lực 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển ABS-ECU 3.2.3.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển Hình 3.7- Sơ đồ khối bộ điều khiển Bộ điều khiển bao gồm 4 khối cơ bản sau: mạch nguồn, mạch giao tiếp đâu vào, mạch giao tiếp đầu ra và mạch xử lý trung tâm.