1
MỞ ĐẦU
Tính cp thiết của đề tài
Vit Nam hiện nay, xe máy phƣơng tin giao thông ch yếu. S ng và tốc độ tăng xe
máy rt ln, s liệu ƣớc tính đến hết năm 2016 Việt Nam gn 45 triệu xe máy năm 2017
3,2 triu chiếc xe máy đƣợc bán ra. Trong s các phƣơng tiện tham gia giao thông trên đƣờng b
Vit Nam thì s ợng xe máy đang áp đảo các phƣơng tiện khác. Ngƣời đi xe y hầu nhƣ chỉ
trang b duy nhất bo him. Khi xy ra va chạm, ngƣời ngi trên xe máy mức độ chn
thƣơng cao hơn hn ô . thế việc đảm bảo an toàn cho ngƣời s dụng phƣơng tiện xe máy
Vit Nam là rt cp thiết. Xut phát t nhng yêu cu thc tế trên, lun án chọn đề tài: “Nghiên cứu
h thng phanh hn chế trƣợt lết cho xe máy
Ý nghĩa khoa học và thc tin ca lun án
Xe y s dụng trong nƣớc ch yếu các xe tốc độ thấp và chƣa đƣc trang b h thng
phanh ABS. Mun trang b h thng phanh ABS phi mua nguyên b ca các hãng không phi
xe máy nào cũng đƣc thiết kế ch sẵn đth lắp đƣợc. Do đó, vic nghiên cu thiết kế, chế to,
la chọn các phƣơng án bố trí lp đặt h thng phanh hn chế trƣợt lết cho xe máy nhm mục đích
từng bƣớc ci thin hiu qu nâng cao tính ổn định chuyển động ca xe máy trong quá trình
phanh.
Luận án đã giải quyết đƣc các vấn đề: Đề xuất đƣợc nguyên lý h thống điều chnh áp sut
phanh nhm hn chế trƣợt lết bánh xe; Xây dng hình phng h thng phanh thy lc trên
xe y, phng chuyển động của xe y khi phanh, đ xut b điều khiển cũng nhƣ mt thut
toán điu khin h thng theo gia tc góc bánh xe; Thông qua phng hoạt động ca h thng
trên máy tính, luận án bộ xác định đƣợc ngƣỡng giá tr gia tc góc của bánh xe để điều khin
chuyển đổi giữa các pha tăng áp, giảm áp trong chu trình hoạt động ca h thng; Nghiên cu thiết
kế chế tạo đƣợc thiết b thu thp tín hiu t 3 cm biến để đo 3 thông s trong quá trình phanh;
Nghiên cu thc nghim nhm hiu chnh giá tr ngƣỡng gia tốc góc điều khin nhn xét hiu
qu hoạt động ca h thng phanh hn chế trƣợt lết bánh xe. Đây các vấn đề tính khoa hc,
cơ sở cho các nghiên cu hoàn thin tiếp theo để ng dng trên xe máy.
Ni dung và b cc ca lun án
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CU
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUT HÌNH PHNG H THNG PHANH
HN CH TRƢỢT LT
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIT K CH TO B ĐIU KHIN
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THC NGHIM
PHN KT LUN VÀ KIN NGH
Các kết qu nghiên cu mi ca lun án: Luận án đạt đƣợc các kết qu nghiên cu mi sau:
- Đề xut, thiết kế chế tạo đƣợc cấu điều áp th điều chỉnh đƣợc áp sut phanh trong h
thng phanh dẫn động thy lc trên xe máy;
- y dựng đƣợc hình phng h thống phanh điều chnh áp sut phanh nhm hn
chế trƣợt lết bánh xe trên xe máy hình phng động lc hc quá trình phanh xe y trên
đƣờng thng;
- Xác định đƣợc kh năng đáp ng tn s điều khin ca h thng phanh hn chế trƣợt lết đã
đề xut trên xe nghiên cu;
- Đề xuất phƣơng pháp hiệu chnh và xác định đƣợc giá tr ngƣỡng gia tc góc bánh xe bng
phng lý thuyết đ điều khin chuyn pha làm vic ca cấu điều áp trong quá trình h thng
hoạt động.
2
- Thiết kế chế to, b trí lắp đặt đƣợc các thiết b cho thc nghim và thc nghim lấy đƣợc s
liu đánh giá hoạt động ca h thng phanh hn chế trƣợt lết trên xe máy.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Sự cần thiết phải hạn chế trƣợt lết cho bánh xe khi phanh
H thng chống trƣợt lết bánh xe khi phanh (tƣơng t ABS) mt h thng vòng kín giúp
gim khóa bánh xe trong quá trình phanh, giúp ci thin s ổn định kiểm soát điều khin xe
trong quá trình phanh. ABS mặc đã đƣợc trang b rt sm trên ô trong nhiều năm nay tuy
nhiên trên xe y ít ph biến hơn. S cn thiết, lợi ích cũng nhƣ vai trò của mt h thng hn chế
trƣợt bánh xe tƣơng tự ABS trang b cho xe máy đƣợc th hin: Theo mt báo cáo s 327 v hiu
qu ca h thng phanh chng cng xe máy ca Trung tâm nghiên cu tai nn của Đại hc
Monash - Úc (MUARC) [66] ch ra rng hiu qu ca ABS trong vic gim ri ro va chm cho xe
máy cao hơn so với ô tô. Kho sát ca Bosch [67] ch ra rng hiu qu ca ABS xe y nht
quán trên toàn thế gii - các nghiên cứu đƣợc tham kho trong kho sát bao gm: nghiên cu ca
Thụy Điển chng minh rng trang b ABS mang li kh năng giảm va chm châu Âu lên ti 39%
cho tt c các v tai nn xe máy; Vin Bo hiểm An toàn Đƣờng cao tc M đã ƣớc tính độc lp
ABS cho xe máy giúp tăng hiu qu 37%. Mt nghiên cu khác ca Đức kết lun rng trong 93%
các v tai nn xe máy, ABS s tránh hoc gim mức độ nghiêm trng ca v tai nn [68]. Úc, kh
năng giảm thiu t vong thƣơng tích nhờ ABS xe máy là rất đáng kể giúp gim 1.128 v tai nn
thƣơng tích nhỏ (33%) và gim 1.083 thƣơng tt nghiêm trng và 74 trƣờng hp t vong (39%).
Lc dọc (trong trƣờng hp phanh lc
phanh) cực đại:
Fxmax = Fzφx
Tƣơng tự lc ngang cực đại:
Fymax = Fzφy
h s bám dọc φx h s bám
ngang φy ph thuộc độ trƣợt dc ca bánh xe
c khi truyn lực kéo (trƣợt quay) ln khi
truyn lực phanh (trƣợt lết). Hình 1.1 th hin
mi quan h gia h s bám dc φx h s
bám ngang φy với độ trƣợt dc s ca bánh xe
khi phanh. T trên đồ th cho thy h s bám
dc φx có giá tr cao nht khi h s trƣợt s nm
trong khong 15% - 25%. Khi h s trƣợt s = 1 (trƣợt lết hoàn toàn) giá tr φx ch còn khong xp x
0,6φxmax. Đối vi h s bám ngang φy khi độ trƣợt s tăng lên, φy suy gim nhanh và khi h s trƣợt s
= 1 giá tr φy không đáng kể.
Chia quá trình phanh theo đ trƣợt dọc thành 3 vùng nhƣ hình v th thy: Khi phanh xe,
vùng II vùng bánh xe kh năng truyền lc dc cao nhất đồng thi kh năng truyền lc ngang
tƣơng đối cao. Nếu bánh xe hoạt động trong vùng y thì hiu qu phanh cao kh năng ổn định
chuyển động của xe cũng cao. T các phân tích trên, luận án hƣớng ti vic nghiên cứu điều chnh
áp sut phanh t đó điều chnh lc phanh sao cho bánh xe phanh hoạt động trong vùng II.
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
Cho đến thời điểm hiện nay đã có rt nhiu công trình nghiên cu v ABS trên ô tô đƣợc công
b. Các công trình nghiên cu gần đây tp trung ch yếu nghiên cu v h thống điều khin ABS
Hình 1.1. Đồ th quan h gia h s bám và độ trượt
[7][21][54]
3
trên xe. Các h thống điều khin theo dõi tín hiu gia tc chm dn độ trƣợt dc ca bánh xe
trong quá trình phanh [25], [52], [56]. Các công trình nghiên cu v h thống điều khin ABS theo
độ trƣợt dc ca bánh xe khá hoàn thin [27], [48], [49]. thế các nghiên cu v h thng ABS
điều khiển theo độ trƣợt của bánh xe đều dng li trên hình lý thuyết hoc hình phng,
chƣa những ng dng phát trin trong thc tế. Các công trình nghiên cu v h thng ABS
theo gia tc góc chm dn ca bánh xe khi phanh đã chứng minh đƣợc những ƣu điểm duy trì
đƣợc độ trƣợt ca bánh xe gn min 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 đ h thống điều khin làm vic mt
vic hết sức khó khăn, phải s dng thng kê, mô phỏng, đo đạc hiu chnh phc tp trong thut
toán điều khin [24], [40], [41], [46].
1.2.1.2. Nghiên cứu về ABS trên xe máy
Các nghiên cu v h thng ABS hoc mt h thống nh năng tƣơng t nhƣ ABS cho xe
máy đƣc tp trung ch yếu nghiên cứu đề xuất cấu chấp hành phƣơng pháp điều khin cho
xe máy. Mt s nghiên cứu đã đề xut h thng chng cng cho xe máy bng cách đề xuất
cu chp hành hoạt động theo nguyên khác vi ABS trên ô [59], [51], [28], [39], [58]. Mt s
nghiên cứu đƣa ra phƣơng pháp điều khin bằng cách xác định h s bám ca bánh xe vi mt
đƣờng bằng phƣơng pháp đo góc nghiêng thân xe sử dng ngun phát sóng siêu âm [37], điều khin
bng logic m [28], điều khin theo PID [58].
1.2.2. Nghiên cứu về hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh trong nƣớc
1.2.2.1. Nghiên cứu về ABS trên ô tô
Ti Việt Nam lƣợng ô ngày càng tăng nhanh phát triển đa dạng c v chng loại cũng
nhƣ các hãng xe. Các xe ô lƣu hành Vit nam hin nay rt nhiều xe đƣợc trang b c h thng
tích cực nhƣ ABS, ASR, VSC, VDC… Do đó đã các nghiên cu v h thng tích cc trên ô
nhm làm ch công ngh cũng nhƣ làm sở để nội địa hóa các h thng trên ô tô. Các công trình
nghiên cu v lý thuyết phanh ô [19], [8], động lc hc phanh ô [9] hay các đề tài nghiên cu
v qu đạo chuyển động ca ô trang b các h thng tích cực nhƣ ABS, ASR, VSC [15], [20].
Ngoài ra còn các công trình nghiên cứu tƣơng đối đầy đủ hoàn thin v điều khin h thng
ABS cho nhiều đối ng khác nhau t xe ô con [2] đến xe du lch [4] xe quân s [14] c
h thng phanh dẫn động thy lc [5] h thng phanh dẫn động khí n [3]. Các nghiên cu v
phƣơng pháp điều khiển nhƣ điều khin theo logic m [5], điều khin theo gia tc góc bánh xe [3],
điều khin thích nghi theo logic m và mạng nơ ron nhân tạo [18]. T các nghiên cu ABS trên ô tô
trong nƣớc đã giúp giải thích cơ chế minh chứng tính đúng đắn ca vic cn thiết phi phát trin
k thuật ABS trong điu khin quá trình phanh ô . Đây cũng sở để lun án la chn các
phƣơng án thu thập tín hiệu điều khiển đề xut thiết kế chế to b điều khin vi thông s điều
khin phù hp cho h thng phanh hn chế trƣợt lết ca lun án.
1.2.2.2. Nghiên cứu về ABS trên xe máy
Trong nƣớc hin nay mc vấn đề ci thin tính an toàn hiu qu khi s dng xe máy
tham gia giao thông ngày càng cp thiết tuy nhiên chƣa đề tài khoa hc nào nghiên cu v vic
thiết kế ABS hoc h thống phanh tƣơng tự cho xe máy.
T nhng phân tích cho thy trên thế giới đã nhiều đề xut nhiu h thng ABS cho xe
máy. Tuy nhiên, các đ xut khá phc tp, các h thống ABS đã trên xe máy lý do quyết
công ngh không đƣợc công b và giá thành rất đắt tin. Ti Vit Nam chƣa có mt công trình khoa
hc nào nghiên cứu đƣa ra một h thng tƣơng tự. Do vy cn thiết mt nghiên cu v h
thng phanh hn chế trƣợt lết cho xe máy có kết cấu đơn giản và phù hp với điều kin Vit Nam.
4
1.3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Mc tiêu ca lun án: Nghiên cu, tính toán thiết kế, chế to th nghiệm đánh giá hệ
thng phanh có kh năng điều chnh áp sut nhm hn chế trƣợt lết bánh xe cho xe máy.
Đối tƣợng nghiên cu: Xe máy có h thống phanh trƣớc và phanh sau đều là phanh dẫn động
thy lc không có ABS.
Phm vi nghiên cu: Lun án nghiên cứu quá trình phanh xe máy trên đƣờng thng, bng
phng xe y chuyển đng thng khi phanh, thân xe thẳng đứng không nghiêng v hai bên.
Luận án không xét đến các lc bên (lực ngang) tác đng vào xe nghiên cu. B qua men cn
lăn, cản không khí tác động vào xe nghiên cu, b qua s đàn hồi ca lp s thay đổi chiu cao
trng tâm trong quá trình phanh phanh.
Do điều kin thc nghim trên xe thc nhiều khó khăn, luận án ch nghiên cu h thng
phanh hn chế trƣợt lết cho bánh xe phía sau. Trong quá trình thc nghim phanh xe máy s
phân b li trọng lƣợng làm trng tâm xe dch v phía trƣớc dẫn đến bánh xe phía sau thƣờng có xu
hƣớng d trƣợt hơn. Do vậy luận án đề xut thiết kế chế to th nghim h thng phanh hn chế
trƣợt lết trang b trên h thống phanh bánh xe phía sau xe máy để thun li cho thc nghim h
thng. Lun án thc hin nghiên cu thc nghim trên hi loại đƣờng thng, b mt bng phng
đƣờng asphalt khô asphalt ph bùn sét vn tc t 30 km/h đến 50 km/h nhằm đánh giá hiệu
qu hoạt động ca h thng phanh hn chế trƣợt lết trang b trên xe máy.
1.4. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
Lun án nghiên cu phát trin mt h thống điều khiển đin t do đó nội dung nghiên cu ca
lun án gm các bƣớc chính sau đây:
- Nghiên cu thiết kế, phỏng đối tƣợng điều khin nhm kim tra hiu chnh thiết kế (nếu
cn). Để rút ngn quá trình thiết kế luận án đi nghiên cứu v h thng phanh trên đối tƣợng nghiên
cu, nghiên cu h thng ABS trên ô tô, mô phỏng động hc ca xe máy khi phanh và mô phỏng cơ
cấu điều áp - đối tƣợng điều khiển đã đề xut t đó hiệu chnh thiết kế.
- Nghiên cu kh năng đáp ng tn s điều khin ca h thng phanh khi lắp thêm cấu
điều áp. Đề xut thut toán điều khin và mô phng quá trình hoạt động ca h thng phanh hn chế
trƣợt lết (h thng phanh lp thêm cấu điều áp) điều khin nhằm đánh giá hiệu chnh
thuật toán điều khin. Sau đó tiến hành mô phỏng xác định sơ bộ ngƣỡng điều khin theo lý thuyết.
- Nghiên cu chế to hình thc nghim phng thc nghim nhằm đánh giá hot
động ca h thng.
Lun án s dng kết hợp phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cu thc nghim:
Nghiên cu lý thuyết: xây dng hình phng h thng trên máy tính, thc hin
phỏng để khảo sát đặc tính ca h thng, t đó xác định các thông s cấu điu áp, xác đnh sơ bộ
giá tr ngƣỡng điều khin.
Nghiên cu thc nghim: Thiết kế, chế to h thng phanh hn chế trƣợt lết bánh xe. Thc
nghiệm đánh giá kh năng đáp ng tn s điu khin ca h thng. Thc nghim trên sở giá tr
ngƣỡng đƣợc xác định t mô phng lý thuyết và nhn xét kh năng hoạt động thc tế ca h thng.
1.5. Kết luận chƣơng 1
Trong chƣơng này của lun án, tng quan các vấn đề trong nƣớc cũng nhƣ trên thế gii liên
quan đến đề tài đã đƣợc nghiên cu, t đó làm cơ sở đề la chọn đề tài nghiên cu c th:
Trên thế gii có các công trình nghiên cu v ABS cho xe máy ch yếu đi nghiên cứu đ xut
cấu chấp hành phƣơng pháp điều khin. Tuy nhiên, các công trình ch yếu dng các sáng
chế kết qu mi ch dng li phng trên các phn mềm. Đây cũng là các s để luận án đề
xuất cơ cấu chấp hành và phƣơng pháp điều khin h thng hn chế trƣợt lết của đề tài
5
Vit Nam rt nhiu c công trình nghiên cu v ABS cho ô tô. Các công trình nghiên
cu gần đây chủ yếu là v điều khin ABS cho ô tô khá hoàn thin. T các công trình nghiên cu v
ABS cho ô tô, lun án la chọn phƣơng pháp điu khin h thng phanh hn chế trƣợt lết cho xe
máy theo gia tc góc bánh xe. Tuy Việt Nam chƣa công trình nghiên cứu v ABS hoc mt h
thống tính năng tƣơng t cho xe y, mc xe y vẫn phƣơng tin ch yếu và vấn đề an
toàn cho ngƣời xe máy khi tham gia giao thông vn cp thiết. Đây do cần thiết các
công trình nghiên cu v h thng hn chế trƣợt lết cho xe máy Vit Nam.
Thc tế v thƣơng mi, ABS cho xe máy trên thế giới đã chế to thành công mt s hãng xe
gn máy lớn đã cho ng dng trên mt s mu xe. Tuy nhiên, ch yếu các mẫu xe đƣợc trang b
các xe phân khi ln giá thành cao. Ngoài ra, do yếu t mt kinh doanh nên các hãng này
không công b nguyên lý cũng nhƣ kết cu ca h thống ABS đó.
T các phân tích trong chƣơng này, luận án đã xác định đƣợc mc tiêu nghiên cứu, đối tƣợng
nghiên cu, nội dung cũng nhƣ phm vi nghiên cu phù hp với hƣớng đề tài phát trin mt h
thng phù hp s đƣợc trình bày trong các phn sau.
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH
HẠN CHẾ TRƢỢT LẾT
2.1. Cơ sở lý thuyết hạn chế trƣợt lết bánh xe khi phanh
2.1.1. Hệ số bám của bánh xe với mặt đƣờng khi phanh
S bám ca bánh xe vi mặt đƣờng đƣợc đặc trƣng bởi h s bám
ca bánh xe vi mt
đƣờng. H s bám
ph thuc loại đƣờng, tình trng mặt đƣờng; kết cu, vt liệu, độ cng, áp sut
lp xe; ti trng lên bánh xe, vn tc chuyn động của xe; điu kin, nhiệt độ môi trƣờng hoạt động
ca ô tô. H s bám bao gm h s bám theo phƣơng dọc
x
, h s bám theo phƣơng ngang
y
.
S trƣợt bánh xe, bánh xe chu men (mô men kéo hoc men phanh) khi chuyển động
thƣờng xy ra hiện tƣợng trƣợt bánh xe. S trƣợt bánh xe xy ra khi s sai khác gia vn tc
thuyết (
bx
r
) vn tc tht ca xe (
v
). S trƣợt bánh xe xy ra do hai nguyên nhân theo hai
quá trình do s biến dng tiếp tuyến ca lốp xe đồng thi do có s trƣợt cc b gia bánh xe và mt
đƣờng. Để đánh giá mức độ trƣợt s dng khái niệm độ trƣợt tƣơng đối s khi phanh [8], [52]:
(2.1)
Để xác định đƣợc độ trƣợt tƣơng đối trong quá trình phanh trong quá trình nghiên cứu tƣơng
tác gia bánh xe và mặt đƣờng khi phanh cần xác định đƣợc vn tc dài ca bánh xe và vn tc góc
ca bánh xe. Vn tc dài ca bánh xe (chính vn tc xe vi gi thiết thân xe bánh xe cùng
vn tốc dài) đƣợc xác định thông qua phƣơng trình chuyển động tnh tiến dc ca xe (2.3) [21]:
sin
0210 Gwxxx FFFFxm
(2.3)
Trong đó: Fx1,Fx2: lc tiếp tuyến bánh xe (dƣơng khi tăng tốc và âm khi phanh) đƣợc tính theo
Fz1,Fz2
21,xx
bng công thc (2.4). H s bám
21,xx
ca các bánh xe ph thuộc vào độ
trƣợt s và góc lch bên
đƣợc xác định thông qua mô hình lp [21].
Vn tc góc của bánh xe đƣợc xác định thông qua phƣơng trình chuyển đng quay ca bánh
xe (vt rn chuyn động quay) (2.10) [21]:
1111111 xzbxxbx eFrFMJ
2222222 xzbxxbx eFrFMJ
(2.10)