LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào
khác.
Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Học viên
Lỗ Hải Nam

i


LỜI CẢM ƠN
Với tư cách là tác giả của bài luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và
chân thành đến thầy giáo PGS.TS. Hồ Hữu Hải, người đã hướng dẫn tôi tận tình chu
đáo về chuyên môn để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này.
Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Ô tô và Xe chuyên
dụng, Viện Cơ khí Động lực và Viện Đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn.
Cuối cùng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành tới gia đình, bạn bè
và đồng nghiệp, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong thời gian
tôi học tập và làm luận văn.
Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Học viên
Lỗ Hải Nam

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii

2.3.4. Phương trình lưu lượng tại điểm nút. ........................................................... 30

iii


CHƯƠNG III
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHỐNG TRƯỢT QUAY TCS TRÊN Ô TÔ
TẢI SỬ DỤNG PHANH KHÍ NÉN .............................................................................. 31
3.1 Công cụ mô phỏng Matlab – Simulink; Matlab - State flow ............................... 31
3.1.1 Matlab – Simulink ......................................................................................... 31
3.1.2 Matlab – State flow ....................................................................................... 35
3.2 Thông số hệ thống phanh khí nén. ....................................................................... 37
3.3 Sơ đồ mô phỏng .................................................................................................... 38
3.4 Mô hình mô phỏng các cụm của hệ thống............................................................ 40
3.4.1 Mô phỏng van TCS ....................................................................................... 40
3.4.2. Mô hình mô phỏng van ABS ....................................................................... 42
3.4.3. Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh .......................................... 45
3.4.4. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển điện tử (ECU) ........................................ 47
3.4.5 Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô........................................... 51
CHƯƠNG IV
MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ................................................................. 57
4.1 Trường hợp 1: ....................................................................................................... 58
4.2 Trường hợp 2 ........................................................................................................ 61
4.2.1 Khi không có TCS. ........................................................................................ 61
4.2.2 Khi có TCS .................................................................................................... 66
4.3. Trường hợp 3 ....................................................................................................... 71
4.3.1 Khi không có TCS ......................................................................................... 72
4.3.2 Khi có TCS .................................................................................................... 75
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 82


ECU

Electronic Control Unit

Bộ điều khiển điện tử

m

Khối lượng của xe

Kg

a,b

Khoảng cách từ trọng tâm của
xe tới cầu trước và sau

m

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

φ

Hệ số bám giữa bánh xe và
mặt đường

il

Tỉ số truyền hệ thống truyền
lực

ih

Tỉ số truyền hộp số

io

Tỉ số truyền truyền lực chính

vl

Vận tốc lý thuyết của xe

m/s

vt

Vận tốc thục tế của xe

m/s

φx

Hệ số bám dọc

φy


Q21, Q22

Lưu lượng khí nén phanh
bánh xe

m3/s

P21, P22

Áp suất phản hồi từ van ABS
tới van TCS

Pascal (Pa)

Pcha_RL, Pcha_RR

Áp suất phản hồi từ bầu
phanh tới van ABS

Pascal (Pa)tới van ABS

Pbình

Áp suất bình chứa khí nén

Pascal (Pa)

Cv


Tín hiệu điều khiển tăng giảm
lưu lượng qua van ABS đặt tại
bánh xe phải và trái

Slip_RL; Slip_RR

Độ trượt tại các bánh xe chủ
động

s

Quãng đường tăng tốc

m

Q_Sup_RL;
Q_Sup_RR

Lưu lượng khí nén qua van
ABS

m3/s

Q_Exh_RL;
Q_Exh_RR

Lưu lượng khí thoát ra từ van
ABS

m3/s

9

Hình 1.7: Quá trình giữ áp

9

Hình 1.8 : Bộ chấp hành TCS

10

Hình 1.9: Cấu tạo van hai chiều.

11

Hình 1.10: Sự phụ thuộc giữa hệ số bám với vận tốc và độ trượt.

15

Hình 1.11: Quan hệ giữa độ bám và độ trượt.

16

Hình 1.12: Lực tác dụng lên bánh xe chủ động.

16

Hình 1.13: Độ trượt của bánh xe chủ động

18


41

Hình 3.5: Sơ đồ khối của bộ chấp hành ABS trong simulink

43

Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng tính toán lưu lượng qua van ABS

43

Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng tính toán lưu lượng thoát khỏi van ABS

44

vii


Hình 3.8: Sơ đồ khối mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh bánh xe chủ động

46

Hình 3.9: Sơ đồ tính toán áp suất tại bầu phanh và momen phanh

46

Hình 3.10: Sơ đồ khối ECU

47

Hình 3.11: Mô phỏng khối điều khiển ECU TCS


Hình 4.1: Mô men phanh tại các bánh xe chủ động(ϕ1,2 = 0.8)

57

Hình 4.2: Độ trượt tại các bánh xe chủ động (ϕ1,2 = 0.8)

58

Hình 4.3: Vận tốc tiếp tuyến tại điểm trên các bánh xe chủ động và vận tốc chuyển
động của xe (ϕ1,2 = 0.8)
Hình 4.4: Quãng đường tăng tốc (ϕ1,2 = 0.8)
Hình 4.5: Mô men phanh tại các bánh xe chủ động khi không có TCS (ϕ1,2 =
0.25÷0,3)
Hình 4.6 : Áp suất trong bầu phanh của các bánh xe chủ động khi không có TCS
(ϕ1,2 = 0.25÷0,3)
Hình 4.7: Độ trượt tại các bánh xe chủ động khi không có TCS (ϕ1,2 = 0.25÷0,3)
Hình 4.8: Vận tốc tiếp tuyến tại điểm trên các bánh xe chủ động và vận tốc chuyển
động của xe khi không có TCS (ϕ1,2 = 0.25÷0,3)

59
60
61

62
63
64

Hình 4.9: Quãng đường tăng tốc của xe khi không có TCS (ϕ1,2 = 0.25÷0,3)


71
72
73

chuyển động của xe khi không có TCS (ϕ1 = 0; ϕ2 =0.8)
Hình 4.18: Quãng đường tăng tốc của xe khi không có TCS (ϕ1 = 0; ϕ2 =0.8)

74

Hình 4.19: Mô men phanh tại các bánh xe chủ động khi có TCS (ϕ1 = 0; ϕ2 =0.8)

75

Hình 4.20 : Áp suất trong bầu phanh của các bánh xe chủ động khi có TCS (ϕ1 = 0;
ϕ2 =0.8)
Hình 4.21: Độ trượt tại các bánh xe chủ động khi không có TCS (ϕ1 = 0; ϕ2 =0.8)
Hình 4.22: Vận tốc tiếp tuyến tại điểm trên các bánh xe chủ động và vận tốc
chuyển động của xe khi không có TCS (ϕ1,2 = 0.25÷0,3)
Hình 4.23: Quãng đường tăng tốc của xe khi có TCS (ϕ1,2 = 0.25÷0,3)

76
77
78
79

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Trang


ô tô sử dụng dẫn động phanh thủy lực. Tuy nhiên đối với các loại xe tải sử dụng phanh
khí nén việc đưa vào hệ thống phanh TCS còn nhiều hạn chế.
“Nghiên cứu mô phỏng hệ thống tự động phanh nhằm hạn chế trượt quay
bánh xe chủ động trên ô tô sử dụng hệ thống phanh khí nén” là đề tài mang tính
thực tế cao, rất cần thiết cho nhu cầu và phát triển phương tiện vận tải hiện nay, mặc dù
vậy đề tài cũng gặp không ít khó khăn do việc ứng dụng TCS trên xe tải phanh khí nén
còn khá mới.
2. Các vấn đề cần giải quyết
Hướng nghiên cứu của đề tài dựa trên các mục tiêu sau :
-

Tìm hiểu về hệ thống TCS sử dụng hệ thống phanh khí nén.
Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống
Mô phỏng khảo sát hoạt động của hệ thống.

1


3. Kết quả.
Đề tài được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS. Hồ Hữu Hải – Bộ
môn ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội. Đồng thời cũng nhận được rất nhiều sự hỗ trợ của các anh chị đồng nghiệp đã đạt
được kết quả mà đề tài đặt ra :
-

Tìm hiểu tổng quan về hệ thống TCS trên ô tô.

-

Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh chống trượt quay trên ô tô sử

thường làm việc trên loại đường xấu ta phải chọn đường kính và bề rộng của lốp tăng
lên, giảm áp suất không khí trong lốp. Giảm áp suất không khí trong lốp để đạt được
lực cản lăn nhỏ nhất, điều đó làm cho sự biến dạng của lốp lại tăng lên, làm tăng mô
men bám, dẫn đến mặt đường bị phá hỏng làm cho bánh xe chủ động bị trượt quay.
Ngược lại khi tăng áp suất không khí trong lốp lại làm tăng sự biến dạng của đường.
Như vậy ở đường có hệ số ma sát thấp như đường tuyết, đường băng, đường ướt
bánh xe chủ động sẽ bị quay tại chỗ nếu xe khởi hành hay tăng tốc nhanh, làm mất mát
mô men chủ động và có thể làm trượt xe. Việc đảm bảo mô men phù hợp với hệ số ma
sát trong các trường hợp này đôi khi không dễ dàng đối với người lái. Ở phần lớn các

3


trường hợp khi khởi hành xe đột ngột người lái đạp chân ga quá mạnh và làm bánh xe
bị trượt quay mất mát lực kéo và mô men kéo.
Chính vì vậy ở một số xe hiện nay đã bố trí hệ thống điều khiển lực kéo TCS.
Khi xảy ra hiện tượng trượt quay tại các bánh xe chủ động, hệ thống TCS điều khiển
phanh các bánh xe chủ động mà không phụ thuộc vào ý định của người lái, giảm mô
men truyền đến mặt đường tới một giá trị thích hợp. Vì vậy có thể khởi hành hay tăng
tốc một cách ổn định.
1.2 Mối quan hệ giữa hệ thống TCS và ABS trên ô tô.
Kiểm soát lực kéo là một phần của một loạt ba phát triển công nghệ phanh mà
bắt đầu xuất hiện trong các phương tiện vào giữa thập niên tám mươi bao gồm: Hệ
thống phanh chống bó cứng bánh xe ABS (1978), Hệ thống điều khiển lực kéo TCS
(1985), và chương trình cân bằng điện tử ESP (1995), cải thiện đáng kể tính ổn định
quả xe khi phanh, tăng tốc, hoặc quay vòng…
Hệ thống điều khiển lực kéo TCS làm việc ở phía đối ngược với hệ thống ABS.
ABS hoạt động bằng cách nhận biết sự trượt lết ở các bánh xe và mặt đường trong khi
phanh, hệ thống liên tục điều chỉnh áp suất phanh để đảm bảo tiếp xúc tối đa giữa lốp
xe và mặt đường và mô men phanh luôn nằm trong vùng tối ưu. Trong khi đó TCS


15: Bộ kết nối ABS

3: Van bảo vệ

11: Van kiểm tra

16: Bộ chấp hành TCS

4, 5, 6: Bình chứa khí nén

12: Van phanh tay

17: Van hai chiều

7: Tổng van

13: Van Rơle

18: Cảm biến tốc độ

5


1.3.2 Các loại bộ phận chính của hệ thống phanh TCS
1.3.2.1 Cảm biến tốc độ
Chức năng: Cảm biến tốc độ đặt tại bánh xe có chức năng phát hiện tốc độ bánh
xe và gửi tín hiệu này đến các ECU.
Cấu tạo: Cảm biến tốc độ bánh xe loại cảm biến tự phát, cảm biến tạo ra từ
trường quanh đầu của nó. Mỗi khi răng của vành răng đi ngang qua từ trương trong

một trong ba chế độ tăng áp, giữ áp hoặc giảm áp tùy theo tín hiệu từ ECU ABS/TCS.

7


Hình 1.4: Bộ chấp hành ABS
-

Chế độ tăng áp:
Các van điệnn từ I và II không

hoạt động. Áp suấtt khí nén ttừ của 1 đi
vào làm mở màng sốố 4. Áp su
suất trong
khoang b tăng
ng lên. Khí nén đi qua cửa
số 2 để đếnn các xy lanh phanh vvà vào
ống d phía trên
ên màng 5. Đồng thời khí
nén qua đường ống
ng a llàm tăng áp suất
trong khoang e phía ddưới màng 5.
Không có bất kìì tác động nào lên
cuộn từ để làm đảo
ảo chi
chiều màng 5.
Toàn bộ khí nén đi vào
ào ccửa 1 sẽ qua
quả 2 xuống bầuu phanh.
Hình 1.5:: Quá trình tăng

đóng màng ngăn số 5. Áp suất trong
khoang b tăng, van điện từ I được tác dụng
để mở van 9 đóng van 8. Áp suất trong
khoang k tăng lên đóng màng ngăn 4. Áp
suất trong khoang b được giữ lại.

Hình 1.7: Quá trình giữ áp

9


Để có được hiệu
ệu qu
quả phanh thích hợp, ECU điều chỉnh tốc
ốc độ bánh xe và xác
định khi nào cần phải
ải lặ
lặp lại áp lực phanh bằng cách trải qua rất
ất nhanh các trạng
tr
thái
van khác nhau (tăng
ng áp, gi
giữ áp, giảm áp) để kiểm soát độc lập tốc
ốc độ từng bánh xe.
1.3.2.4 Bộ chấp hành
ành phanh TCS

Hình 1.8 : Bộ chấp hành TCS
Cảm biến tốc độ bánh xe đưa tín hiệu vào bộ xử lý ECU ABS/TCS. Tại

nối với tổng van (7).

10


Hình 1.9: Cấu tạo van hai chiều.
1: Cửa cấp khí tới bộ chấp hành ABS.
2: Gioăng.
3: Cửa cấp khí từ bộ chấp hành TCS hoặc van phân phối
4: Con trượt.
5: Dẫn hướng con trượt

Khi phanh thường, khí nén từ bình chứa khí thông qua tổng (7) vào van hai
chiều đẩy con trượt 4 đóng cửa thông với bộ chấp hành TCS đồng thời mở cửa cấp
khí 1, khí nén theo cửa 1 đến bộ chấp hành ABS và bầu phanh để thực hiện chức năng
phanh thường.
Khi bộ chấp hành TCS hoạt động, khí nén qua van TCS đến van hai chiều đẩy
con trượt 4 đóng cửa thông với tổng van (7), mở cửa 1, khí nén theo cửa 1 vào bộ
chấp hành ABS và bầu phanh thực hiện phanh hãm bánh xe chống trượt quay.
1.3.2.6 Bộ xử lý ECU ABS/TCS
a, Nhiệm vụ :
Bộ xử lý ECU ABS/TCS sử dụng các tín hiệu từ các cảm biến tốc độ bánh xe và
tính toán mức độ trượt giữa các bánh xe với mặt đường, rồi giảm mô men xoắn của
động cơ và tốc độ góc bánh xe một cách tương ứng. Vì vậy điều khiển được tốc độ
bánh xe.
11


Bên cạnh đó ECU ABS/TCS còn có chức năng kiểm tra trạng thái ban điều,
chuẩn đoán và dự phòng.

thấp bánh xe chủ động dễ bị trượt quay khi xe khởi hành hay tăng tốc, vì vậy làm mất
tính ổn định của ô tô.
1.4.2 Sự trượt và hệ số bám giữa bánh xe chủ động với mặt đường.
1.4.2.1 Khá niệm về sự trượt của bánh xe chủ động.
Khi bánh xe lăn, dưới tác dụng của mô men xoắn chủ động các bánh xe có mấu
bám tác dụng lên đất, ép đất theo phương nằm ngang và có chiều ngược với chiều
chuyển động của xe. Đất bị nén về phía sau một đoạn làm cho trục bánh xe bị dịch
chuyển về phía sau một đoạn so với trường hợp không biến dạng. Đó là một trong
những nguyên nhân làm cho xe mất vận tốc tịnh tiến và cũng là bản chất của hiện
tượng trượt.
Mặt khác sự biến dạng theo phương tiếp tuyến (biến dạng vòng) của các thớ lốp
do tác dụng của mô men xoắn (Mk) cũng làm giảm vận tốc tịnh tiến của xe gây ra sự
trượt. Điều đó được giải thích rằng, các phần tử của lốp khi đi vào khu vực tiếp xúc sẽ
bị nén lại làm cho bán kính thực tế của bánh xe nhỏ lại, quãng đường mà bánh xe đi
được sau một vòng quay sẽ bị giảm đi. Vì vậy mô men xoắn (Mk) cũng là nguyên nhân
gây ra sự trượt. Ngoài ra còn những nguyên nhân khác gây ảnh hưởng tới sự trượt của
bánh xe chủ động như tải trọng tác dụng, cấu tạo vật liệu lốp, áp suất không khí trong
lốp và điều kiện đường sá.
Trong quá trình chuyển động của ô tô, sự trượt xuất hiện sẽ gây ảnh hưởng xấu
đến chỉ tiêu kinh tế và tính ổn định của nó, vì thế cần phải làm giảm bớt sự trượt bằng
cách tăng cường chất lượng bám của bánh xe với mặt đường.
13


1.4.2.2 Hệ số bám và các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số bám.
Để ô tô có thể chuyển động được thì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường
phải có độ bám nhất định được đặc trưng bằng hệ số bám.
Hệ số bám φ giữa bánh xe chủ động với mặt đường là tỷ số giữa lực kép tiếp
tuyến cực đại (sinh ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường) trên tải
trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe chủ động, tải trọng thẳng đứng này thường gọi

chủ động với mặt đường.

14


Hình 1.10: Sự phụ thuộc giữa hệ số bám với vận tốc và độ trượt.
Khi tăng độ trượt (trượt lết hay trượt quay) của bánh xe chủ động thì hệ số bám
lúc đầu tăng lên nhanh chóng (φx) và đạt giá trị cực đại trong khoảng độ trượt 15÷25%.
Nếu độ trượt tiếp tục tăng thì hệ số bám φx giảm. Khi độ trượt λ=100% (nghĩa là lốp bị
trượt lết hoàn toàn với bánh xe khi phanh hoặc trượt quay hoàn toàn với bánh xe chủ
động khi tăng tốc) thì hệ số bám φx giảm 20÷30% so với hệ số bám cực đại. Khi đường
ướt có thể còn giảm nhiều hơn nữa. Hệ số bám ở trên chúng là hệ số bám trong mặt
phẳng dọc (măt phẳng chuyển động của ô tô). Ngoài ra còn có h ệ số bám trong mặt
phẳng ngang φy (φy giảm nhanh khi tăng độ trượt)
Từ đồ thị ta thấy độ bám đạt cực đại khi λ=0.15÷0.25, ở giá trị độ trượt này
không những φx đạt giá trị max mà cả φy cũng đạt giá trị khá cao do đó trong quá trình
tăng tốc hay hởi hành mà độ trượt giữa bánh xe chủ động với mặt đường nằm trong
khoảng 15÷25% thì sẽ đạt được giá trị độ bám tối ưu, nâng cao tính kinh tế và ổn định
trong quá trình tăng tốc.

15


Hình 1.11: Quan hệ giữa độ bám và độ trượt.
1.4.2.3 Tính ổn định của bánh xe chủ động.
Xét trường hợp ô tô chuyển động tăng tốc trên đường bằng, giả sử lực ngang tác
dụng lên ô tô là rất nhỏ. Các lực tác dụng lên bánh xe chủ động như hình vẽ :

Hình 1.12: Lực tác dụng lên bánh xe chủ động.
Điều kiện để bánh xe chủ động không bị trượt là : Pkmax ≤ φx.Gφ