1
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
HỆ THỐNG THỬ PHANH Ô TÔ
Investigation and realization of a model of brake test system for automobiles
Sinh viên: Nguyễn Viết Luân – Vũ Trung Kiên
Cán bộ hướng dẫn: Lê Cung, Nguyễn Thế Tranh
Chương trình ðào tạo Kỹ sư Chất lượng cao PFIEV-ðà Nẵng
TÓM TẮT:
ðề tài nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thử phanh ô tô kiểu con lăn quán tính,
ñiều khiển tự ñộng sử dụng vi ñiều khiển PIC18F4550, ñồng thời xây dựng chương trình tính toán lực
phanh bằng ngôn ngữ Visual Basic.
ABSTRACT:
This article presents the investigation and the realisation of a model of automatic brake test
system using microcontroller PIC18F4550, and the elaboration of a program on Visual Basic language
for calculating automobile brake system factors.
I. Mở ñầu:
1. Lý do chọn ñề tài và ý nghĩa thực tiễn:
Cùng với sự phát triển nền kinh tế, ôtô ngày càng ñóng vai trò quan trọng trong vận
chuyển trên toàn thế giới. Các nhà thiết kế ôtô ngày càng chú trọng ñến vấn ñề kiểm tra, bảo
dưỡng thường xuyên nhằm ñảm bảo an toàn trong lưu thông, trong ñó hiệu quả phanh là yếu tố
quan trọng ñược quan tâm nghiên cứu.
Ở nước ta hiện nay ñã tồn tại nhiều hệ thống thử phanh hoạt ñộng với nhiều nguyên lý
khác nhau. Tại công ty Máy ñộng lực và nông nghiệp, nhà máy Ôtô VEAM (Thanh Hóa) có
trang bị hệ thống thử phanh BEP3600 kiểu con lăn quán tính hoạt ñộng với nguyên lý khác hẳn
với những hệ thống cũ và thể hiện những ưu ñiểm nổi trội. Tuy vậy, hệ thống này ñã bị hư hỏng,
không hoạt ñộng ñược, cần ñược phục hồi.
Chính vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt ñộng của hệ thống thử
phanh BEP3600, xây dựng mô hình mô phỏng và chương trình ñiều khiển hệ thống, tính toán
lực phanh… Sau khi nghiên cứu hoàn chỉnh trên mô hình thực nghiệm, sẽ tiến tới áp dụng vào
việc sửa chữa khôi phục hệ thống thử phanh tại nhà máy Ôtô Veam Thanh Hóa.
2. Mục ñích và phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý làm việc của hệ thống thử phanh BEP3600 trang bị tại
nhà máy Ôtô Veam Thanh Hóa, nghiên cứu lý thuyết các phương pháp tính toán lực phanh.
- Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống thử phanh, thiết kế vi mạch ñiều khiển hệ thống
thử phanh sử dụng PIC18F4550, xây dựng chương trình ñiều khiển hệ thống và tính toán lực
phanh. Trên cơ sở thành công của việc ñiều khiển trên mô hình, sẽ ứng dụng vào việc ñiều khiển
hệ thống thử phanh thực tế BEP3600.
Hệ thống thử phanh BEP3600 có thể thực hiện ñược rất nhiều ứng dụng như ño lực phanh
tay, kiểm tra tốc ñộ ñồng hồ kilomét, ño lực phanh khi phanh xe, do vận tốc bánh xe khi
phanh…. Tuy nhiên, ñề tài chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp ño lực phanh, vận tốc bánh xe
khi phanh (phanh chính và phanh tay) và giới thiệu ba ứng dụng cơ bản của hệ thống thử phanh.
3. Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu các phương pháp lý thuyết hay thực nghiệm ñể xác ñịnh lực phanh, quãng
ñường phanh, vận tốc phanh.
2
- Nghiên cứu thực nghiệm dựa trên việc chế tạo mô hình hệ thống thử phanh, lập trình
ñiều khiển mô hình nhằm kiểm chứng các phương pháp lý thuyết. Sau ñó áp dụng chương trình
ñiều khiển vào ñiều khiển hệ thống phanh thực tế tại nhà máy Ôtô VEAM Thanh Hóa.
II. Tổng quan:
Hiện nay ở nước ta, số lượng các băng thử phanh trong các xí nghiệp sửa chữa, trạm kiểm
ñịnh cũng như ở các trường ðại học Kỹ thuật ngày càng tăng cùng với yêu cầu ngày càng khắt
khe về chất lượng kiểm tra. ðiển hình là hệ thống thử phanh AHS của hãng AHS Wildau
GmdH+ Co. KG Bussinesspark Berlin Windau ðức ñược lắp ñặt tại trường ðại học Bách khoa
ðà Nẵng, hệ thống thử phanh RAVAGLIOLI của hãng Pontecchi Marconi Bologna Italia Via
Maggio Italia tại Công ty Ô tô Trường Hải, hệ thống thử phanh Micro Brake 6000 của hãng
Biess Marth Automobil-Servicegerate ðức tại Garage Sài Gòn, Long An, hệ thống thử phanh
của hãng Nissan Nhật Bản ñược lắp tại nhà máy Cơ khí Ô tô ðà Nẵng...
Mỗi hệ thống ñều sử dụng nguyên lý tính toán lực phanh riêng và có những ưu khuyết
ñiểm nhất ñịnh. Nhược ñiểm cơ bản mà hầu hết các hệ thống phanh thường gặp là vận hành chế
ñộ thử ở vận tốc tĩnh (2,3-5km/h) và vì vậy không giống với ñiều kiện thực tế của xe chạy trên
ñường. Hệ thống thử phanh BEP3600 khắc phục ñược nhược ñiểm ñó, có thể vận hành ở chế ñộ
ñộng với vận tốc có thể lên tới 180 km/h ở chế ñộ thử vận tốc. Hơn nữa, hệ thống này ñược tích
hợp nhiều chức năng cho phép xác ñịnh ñược nhiều yếu tố ñánh giá hiệu quả phanh, ño ñược giá
trị quãng ñường phanh, lực phanh… của mỗi bánh xe.
III. Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:
1. Nguyên lý xác dịnh lực phanh của ô tô:
Hình 1 trình bày mô hình nhằm xác ñịnh lực phanh
trên bánh xe. Bánh xe ñược ñặt trên một rulô dưới một áp
lực nhất ñịnh. Khi cho rulô quay, bánh xe sẽ quay theo. Khi
rulô và bánh xe ñạt ñược vận tốc góc ổn ñịnh, tài xế ñạp
phanh, tạo ra momen phanh tác ñộng lên bánh xe, làm bánh
xe dừng lại, ñồng thời tạo nên một lực phanh
phanh
F
tác
ñộng lên rulô làm rulô chuyển ñộng chậm dần.
Phương trình chuyển ñộng của ru lô như sau:
2
can phanh
M M mR
ω
+ =
∑
&
(1)
Trong ñó:
2
mRJ =
và
ω
&
lần lượt là mômen quán
tính và gia tốc góc của rulô; R và m: bán kính và khối
lượng của ru lô,
M
∑
: tổng các thành phần momen cản tác ñộng lên rulô, không kế momen
phanh
M
do lực
phanh
F
tác ñộng lên rulô. Từ (1), có thế suy ra công thức tính toán lực phanh:
v
can phanh
d
F F m
dt
+ =
∑
, với v là vận tốc tiếp tuyến trên bánh xe:
v
R
ω
=
.
Như vậy, ñể xác ñịnh lực phanh, cần thiết phải xác ñịnh gia tốc tiếp tuyến dv/dt của rulô.
2. Sơ ñồ nguyên lý làm việc hệ thống thử phanh BEP3600:
Khi xe vào vị trí thử phanh, bốn bánh xe ô tô ñược ñặt trên bốn rulô. Bốn ñộng cơ sẽ kéo
bốn ru lô chuyển ñộng, tương ứng làm bốn bánh xe quay theo. Khi các rulô ñạt ñược tốc ñộ ổn
ñịnh (vận tốc thử), bốn ñộng cơ ñược ngắt khỏi nguồn ñiện và các rulô sẽ quay tự do. Kể từ lúc
ngắt ñiện ñến thời ñiểm ñược cài ñặt trước, chương trình sẽ tính toán lực cản của xe. Sau ñó, hệ
thống thông báo ñể tài xế ñạp phanh, chương trình bắt ñầu thực hiện việc ño lực phanh. Do tác
Hình 1
Bánh xe
Rulô
phanh
F
r
3
ñộng của lực cản của xe và của momen phanh, rulô chuyển ñộng chậm dần. Bốn encoder ñược
bố trí nhằm xác ñịnh gia tốc góc của các rulô, từ ñó xác ñịnh ñược lực cản và lực phanh. Các
biến tần ñược bố trí nhằm ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ, khi cần thử phanh ở các chế ñộ khác nhau
(hình 2).
Hình 2 : Sơ ñồ nguyên lý mô hình hệ thống thử phanh
BEP3600 tại nhà máy ôtô Veam Thanh Hóa
Bánh ñà 1
ðộng cơ 2
Encoder 3
Mạch
ñiều
khiển 4
Máy
tính 5
Hình 3 : Mô hình thực
nghiệm hệ thống thử phanh
Khởi ñộng ñộng cơ V = V
thử
Dừng ñộng cơ
Xác ñịnh gia tốc rulô
F
ti
= m.dv/dt
F
t
= Max(F
ti
)
Bắt ñầu
Kết thúc
Hình 4 :
Kh
ởi ñộng ñộng c
ơ V = V
th
ử
Dừng ñộng cơ. Gốc thời gian t = 0.
Xác ñịnh gia tốc của
rul
ô
F
ci
= m.dv/dt - F
t
t = t
1
?
F
c
= Max (F
ci
)
Bắt ñầu
S
ð
A
ð
Hình 5
ðạp phanh
F
pi
= m.dv/dt – F
c
- F
t
V = 0
?
F
p
= Max (F
pi
)
Kết thúc
S
ð
A
4
3. Sơ ñồ nguyên lý làm việc của mô hình hệ thống thử phanh:
ðể tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trước khi áp dụng vào ñiểu khiển và xác ñịnh lực
phanh trên hệ thống thử phanh thực tế, chúng em xây dựng mô hình thực nghiệm như trên hình
3. Hai bánh ñà (1) mô phỏng hai rulô trước của hệ thống thử phanh. Khi ñộng cơ (2) quay sẽ
làm quay các bánh ñà. Tín hiệu từ encoder ñưa về mạch ñiều khiển, mạch này sẽ tính toán và
truyền lên máy tính giá trị vận tốc góc, gia tốc góc của bánh ñà, ñồng thời mạch này cũng ñóng,
ngắt và ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ, thực hiện các chế ñộ thử ở vận tốc khác nhau. Quá trình vận
hành ñược ñiều khiển trên máy tính, các lệnh ñiều khiển ñược truyền xuống mạch ñiện ñể ñiều
khiển trạng thái ñộng cơ.
4. Phương pháp thực nghiệm xác ñịnh lực phanh:
Trước hết cần
xác ñịnh lực cản F
t
của
hệ thống, lực này ñược
xác ñịnh khi không có
xe trên bệ thử. Hình 4
trình bày sơ ñồ thuật
toán xác ñịnh lực cản F
t
của hệ thống. Sau ñó,
xác ñịnh lực cản F
c
của
xe và lực phanh F
p
, theo
sơ ñồ thuật toán cho
trên hình 5.
Vận tốc và gia tốc
rulô ñược xác ñịnh theo
phương pháp như sau:
Giá trị vận tốc ñược lấy
mẫu với chu kỳ 140ms,
cùng với thời gian
tương ứng và ñược lưu
vào mảng hai chiều.
Bằng cách xem như vận
tốc là tuyến tính theo
thời gian trong khoảng giữa hai lần lấy mẫu, có thể tính toán ñược gia tốc rulô như sau:
1
1
v v
v
n n
n n
d
dt t t
+
+
−
=
−
, trong ñó t
n
, t
n+1
: thời ñiểm lấy mẫu liên tiếp thứ n và n+1 với vận tốc tương
ứng là v
n
, v
n+1
với
1
v v v
n n
+
≤ ≤
.
5. Quy trình thử phanh:
Quá trình thử phanh bao gồm thử phanh chính (gọi tắt là thử phanh) và thử phanh tay.
Quy trình vận hành ñược mô tả ở sơ ñồ cho trên hình 6.
6. Chương trình ñiều khiển hệ thống và tính toán lực phanh:
ðể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ quay rulô, thu nhận tín hiệu từ encoder…, chúng em ñã thiết
kế và chế tạo bộ vi mạch ñiều khiển sử dụng PIC18F4550, ñồng thời xây dựng chương trình
ñiều khiển, tính toán xác ñịnh vận tốc xe khi phanh, xác ñịnh gia tốc rulô (hay bánh xe), xác
ñịnh lực phanh. Chương trình ñược viết trên ngôn ngữ Visual Basic.
Giao diện chính của chương trình ñiều khiển ñược trình bày trên hình 7 bao gồm:
Hình 6
THỬ PHANH
Ru lô quay ñến vận tốc
th
ử, bánh xe quay theo
Cắt nguồn ñộng cơ,
ru lô quay tự do
Từ lúc cắt nguồn t = 0 ñến
thời ñiểm cài ñặt trước t = t
1
:
Tính l
ực cản
Tại t = t
1
, bắt ñầu ñạp phanh
Từ t = t
1
ñến khi V = 0:
Tính lực phanh
Bắt ñầu THỬ
PHANH TAY
Tương tự chế ñộ
THỬ PHANH,
nhưng chỉ có 2
rulô sau quay,
dùng phanh tay
Tiếp tục
Th
ử lại
5
Nút CÀI ðẶT: thiết lập các thông số ban ñầu như vận tốc thử phanh, các hệ số hiệu
chỉnh... Nút BẮT ðẦU: bắt ñầu thử phanh, toàn bộ quá trình thử ñều thực hiện tự ñộng. Nút
BIỂU ðỒ: hiển thị ñồ thị sau mỗi quá trình thử phanh. Nút STOP: dừng ñộng cơ. Nút EXIT:
thoát khỏi chương trình.
Trên màn hình giao diện hiển thị bằng số một số kết quả như: vận tốc bánh xe, lực cản tác
ñộng lên hệ thống, lực phanh… Kết quả xác ñịnh vận tốc và lực phanh (tại thời ñiểm phanh)
ñược hiển thị bằng số trên màn hình giao diện (hình 7) và ñược biểu diễn bằng ñồ thị như trên
hình 8 và hình 9.
Hình 8 : ðồ thị vận tốc xe Hình 9 : ðồ thị lực phanh
Hình 7 : Giao diện chính của chương trình ñiều khiển