Nghiên cứu đề xuất mô hình hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc dựa trên hệ thống phanh khí nén có ABS

ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology100 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH HỆ THỐNG HỖ TRỢ KHỞI HÀNH 
NGANG DỐC DỰA TRÊN HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN CÓ ABS
Lê Anh Vũ 1, Trần Văn Thoan1,
Phan Doãn Thuần2, Trần Văn Chinh3
1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
2 Trường Cao đẳng Giao thông vận tải đường bộ
3 Trường Trung cấp nghề giao thông công chính Hà Nội
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 20/04/2020
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 05/06/2020
Ngày bài báo được duyệt đăng: 20/06/2020
Tóm tắt:
Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc góp phần hỗ trợ người lái điều khiển xe thuận lợi hơn khi khởi 
hành xe trên dốc. Bài báo tiến hành đề xuất cấu trúc hệ thống khởi hành ngang dốc dựa trên hệ thống phanh 
khí nén có ABS và xây dựng mô hình mô phỏng bằng Matlab / Simulink. Kết quả khảo sát hoạt động của hệ 
thống ở xe tải thử nghiệm có công thức bánh xe 4x2 trên dốc 10 % cho thấy sự biến thiên áp suất khí nén 
tại bầu phanh bánh xe phù hợp với quy luật vật lý, hệ thống đã đề xuất có thể sử dụng để điều khiển hỗ trợ 
khởi hành ngang dốc giúp cho người lái điều khiển xe dễ dàng.
Từ khóa: Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc, hệ thống phanh ABS, TCS, Phanh dừng đỗ.
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, số lượng ô tô ở Việt Nam đang gia 
tăng, đặc biệt xe tải với nhiều chủng loại khác nhau 
và được trang bị nhiều hệ thống tiện ích trong khi 
điều kiện đường giao thông chưa đáp ứng theo nhu 
cầu sử dụng. Đường giao thông thuộc cấp tỉnh và 
khu vực nông thôn còn nhiều khu vực có độ bám bề 
mặt thấp và nhiều chỗ có độ dốc lớn gây khó khăn 
cho quá trình khởi hành trên dốc. Bên cạnh đó, các 
nhà máy ô tô hiện nay tập trung nhập khẩu và lắp 
ráp xe tải chưa được trang bị nhiều các thiết bị có 
điều khiển hỗ trợ khởi hành ngang dốc do kinh phí 
chế tạo cao. Trong quá trình leo dốc, xe bị chết máy 
hoặc gặp phải tình huống cần dừng xe trên dốc thì 
người lái buộc phải dừng xe và tiếp theo là thực hiện 
quá trình khởi hành ngang dốc. Cho nên, cần thiết 
nghiên cứu các giải pháp về kết cấu của ô tô để sử 
dụng hiệu quả, an toàn cho các xe loại này khi lưu 
hành.
Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc giúp ô tô 
dừng đỗ ngang dốc và cần phải khởi hành lại ngay 
sau đó giúp cho nhiều người cảm thấy bớt áp lực, 
nhất là đối với các lái xe mới, hay những trường 
hợp đột xuất ngoài mong muốn. Hiện tượng xe bị 
trôi xuống dốc là do tự trọng của ô tô khi sự thay 
đổi chân phanh sang chân ga của người lái diễn ra 
rất nhanh (có thể trong khoảng vài giây). Để điều 
khiển tự động chống trôi xuống dốc của ô tô có 
rất nhiều biện pháp khác nhau như tác động nguồn 
động lực của ô tô, tác động vào ly hợp (loại truyền 
lực thường), tác động vào hệ thống phanh và cùng 
lúc tác động một số hệ thống. Đối với phương pháp 
tác động qua hệ thống phanh đang được các hãng 
xe áp dụng[1].
Bài báo này trình bày nội dung nghiên cứu 
đề xuất cấu trúc hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang 
dốctrên cơ sở hệ thống phanh khí nén có ABS (Anti-
lock Brake System) và mô phỏng nhằm đánh giá 
khả năng ứng dụng của mô hình.
2. Đề xuất cấu trúc hệ thống 
Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc được 
nghiên cứu đề xuất trên cơ sở hệ thống phanh khí 
nén có ABS gồm những thành phần cơ bản như trên 
Hình 1[1,2,3,8].
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020 Journal of Science and Technology 101
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống chống trượt quay bánh xe bằng phanh khí nén
Trên sơ đồ, hệ thống phanh khí nén có ABS 
bao gồm: máy nén khí; các bình khí nén; van phân 
phối; bộ điều khiển; ở mỗi bánh xe có van ABS, 
bầu phanh và các cơ cấu phanh, có thể có thêm van 
xả nhanh và van gia tốc. Ở trạng thái phanh thông 
thường, người lái tác động mở van phân phối cấp 
khí nén đến van ABS thực hiện chức năng phanh ô 
tô và chống bó cứng bánh xe ở trường hợp phanh 
gấp. Trường hợp chống trượt quay bánh xe thì hệ 
thống phanh khí nén có ABS đã bổ sung van chia 
3/2, điều khiển độc lập chống trượt quay bánh xe tự 
động và đường khí nén cấp riêng cho hệ thống. Đối 
với hệ thống trên thì vấn đề hỗ trợ khởi hành trên 
dốc của ô tô chưa được đề cập, nên bài báo trình 
bày nghiên cứu phát triển nhằm bổ sung tính năng 
này cho ô tô.
Với ECU đã tích hợp hệ thống ABS sẽ bổ sung 
thêm chương trình điều khiển khi nhận các tín hiệu 
về từ cảm biến để giúp phát hiện ra góc nghiêng của 
xe, tính toán mô men phanh cần thiết từ đó đưa ra 
các tín hiệu điều khiển riêng rẽ đến các cơ cấu chấp 
hành (van chia 3/2, bầu phanh) bên các bánh xe chủ 
động, tác động điều khiển mô men phanh cục bộ 
bên bánh xe chủ động để duy trì dừng xe trên đường 
dốc [1], [2].
Đối với hệ thống đã đề xuất có thể hoạt động 
độc lập với dẫn động phanh khí nén thông thường, 
không làm việc khi điều khiển trượt quay và trượt 
lết bánh xe. Trường hợpnày hệ thống kích hoạt van 
chia 3/2 nối thông đường khí từ bình khí nén qua 
van ABS đến bầu phanh, đồng thời đóng kín đường 
khí từ van phân phối xuống van ABS, thực hiện 
quá trình tác động phanh bánh xe. Trường hợp ô tô 
chuyển động trên đường bằng phẳng, van chia 3/2 
ở trạng thái ban đầu (không kích hoạt) nối thông 
đường khí từ van phân phối qua van ABS đến bầu 
phanh, đồng thời đóng kín đường khí từ bình khí 
nén đến van ABS, lúc này hệ thống phanh khí nén 
làm việc như hệ thống phanh khí thông thường có 
ABS.
Để kiểm chứng hệ thống đã xây dựng, cần 
nghiên cứu mô hình mô phỏng với ô tô cụ thể cũng 
như mô phỏng hoạt động của các cụm chi tiết trong 
hệ thống.
3. Mô hình mô phỏng hệ thống
Mô hình mô phỏng bầu phanh
Mô hình mô phỏng van bầu phanh đã được 
nghiên cứu xây dựng và công bố [6] và được thể 
hiện bằng phương trình xác định áp suất khí nén 
trong bầu phanh theo công thức:
( )0
. .
( )
. in out
cha Q Q
y F V
dp k R T
dt g
= −
+ (1)
Trong đó:
F: Diện tích màng piston trong bầu phanh [m2]; 
y: Dịch chuyển của màng bầu phanh và cần đẩy [m]; 
V
0
: Thể tích ban đầu của bầu phanh [m3]; 
k: nhiệt trị riêng (với không khí, k = 1,4); 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology102 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020
R: hằng số chất khí [Jmol-1K-1];
T: nhiệt độ của chất khí [K].
Mô hình mô phỏng dẫn động khí nén qua 
van chia 3/2
Trong hệ thống sử dụng van chia 3/2 loại 
KTA317 với phạm vi áp suất khí cho phép từ 0,1 
đến 1Mpa, tín hiệu điều khiển van là tín hiệu điện 
áp với mức điện áp 24V. Cửa cấp khí 3(R) nối với 
tổng van phanh, cửa van 2(A) nối thông sang van 
ABS và dầu còn lại nối thông với bình khí nén như 
Hình 2.
Hình 2. Kết cấu van chia 3/2 loại KTA317
Khi hệ thống trượt quay hoạt động, lưu lượng 
khí nén từ bình chứa qua van chia 3/2, qua van 
ABS đến bầu phanh bên bánh xe bị trượt quay. Lưu 
lượng khí nén qua van chia 3/2 đến bánh xe bên trái 
và phải lần lượt là Q1, Q2 [m
3/s] và được xác định 
[7][6]:
21
1
21 a( - ).( )= . . . _
.
binh
g v
u
p
Q K C
G T
p p p
DK RL
+
 (2)
22
2
22 a( - ).( )= . . . _
.
binh
g v
u
p
Q K C
G T
p p p
DK RR
+ 
 (3)
Trong đó: 
p
binh
, p21, p22 lần lượt là áp suất khí nén trong bình 
chứa, áp suất khí nén tại cửa ra của van bên trái, áp 
suất khí nén tại cửa ra của van bên phải.
DK_RL, DK_RR - lần lượt là biến điều khiển dòng 
khí nén đi vào van chia bên trái và bên phải. Ở trạng 
thái bình thường các biến điều khiển này có giá trị 
bằng 0, khi ECU cấp tín hiệu điều khiển đến van 
chia 3/2, tín hiệu điều khiển cho van tương ứng 
bằng 1.
Mô hình mô phỏng cơ cấu phanh bánh xe
Sơ đồ lực tác dụng trong cơ cấu phanh tang 
trống như trên Hình 3.
Hình 3. Sơ đồ lực tác động trong cơ cấu phanh tang 
trống
Trong đó: F
N
, F
N
, F
p
,F
x
,Fz, Fccp- lần lượt là lực pháp 
tuyến và tiếp tuyến của tang trống tác dụng lên guốc 
phanh, lực tác dụng của cam quay, lực tác dụng của 
gốc tựa guốc tác dụng lên guốc phanh, lực cần đẩy 
trong bầu phanh [N]; a, h, r
t
 - lần lượt là khoảng cách 
từ tâm chốt cố định đến tâm trục bánh xe, khoảng 
cách từ tâm chốt cố định đến tâm cam quay, khoảng 
cách từ tâm chốt cố định đến vết tiếp xúc của trống 
phanh và má phanh, µ – hệ số ma sát; c – cánh tay 
đòn lực F
ccp
 đến tâm cam dẫn động cơ cấu phanh 
(m); ɳ
T
 – hiệu suất truyền động cam (ɳ
T
 =0,93); 
Theo Hình 3 có thể xác định phương trình cân 
bằng lực và mô men như sau [4],[5]:
 F
x
 + F
p
 - F
N
 = 0 (4)
 F
p
.h + n .F
N 
.r
t 
– F
N 
.a = 0 (5)
F
pt
 + F
ps
 = F
ccp
.c.ɳ
T
/d = F.p
cha
.c.ɳ
T
 (6)
Fpt, Fps- lần lượt là lực tác động từ tâm cam 
quay với guốc phanh trước và sau được xác định:
2
1
.
. . .
4
3,258.
bau c
pt
D
p c
F
d
π η
=
Fps =2,258 Fpt (7)
Như vậy, xác định được mô men cơ cấu phanh 
M
ccp 
[N.m][4]:
1 1
( ) .
. .
t s
ccp pt ps t
t t
h h
M F F r
a r a r
µ
µ µ
= +
− + (8)
Như vậy, công thức (8) có thể xác định mô 
men phanh theo lực tác dụng trong cơ cấu phanh tức 
là theo áp suất trong bầu phanh.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020 Journal of Science and Technology 103
4. Kết quả mô phỏng
Để đánh giá sơ bộ hoạt động của hệ thống 
đã đề xuất, bài báo tiến hành mô phỏng hệ thống, 
khảo sát áp suất khí nén trong bầu phanh và mô 
men phanh bánh xe bị trượt quay theo các tín hiệu 
điều khiển van chia 3/2 với thông số đầu vào như 
trong Bảng 1.
Mô phỏng quá trình tác động phanh đối với 
bánh xe chủ động cầu sau ô tô với giả thiết áp suất 
khí nén trong bình chứa là không đổi và bằng 0.8 
Mpa, sau khi xe ô tô dừng lại trong trạng thái vẫn 
đang nổ máy và ở khu vực dốc cao từ 50 trở lên, lúc 
này các cảm biến sẽ có thể phát hiện ra độ nghiêng 
rồi gửi lại tín hiệu đến ECU. 
Kết quả mô phỏng ở các trường hợp ô tô trên 
đường có hệ số bám hai bên bánh xe bằng bằng 0,6 
và xe ở trạng thái toàn tải, được thể hiện trên Hình 4.
Bảng 1. Thông số mô phỏng
Các thông số Giá trị
Trọng lượng bản thân (m0) 33850 N
Trọng lượng toàn bộ (m) 67800 N
Mô men lớn nhất của động cơ (M
e
- 
diezen) 320 Nm
Thông số lốp (B-d) 7,5-16
Chiều cao trọng tâm hg (mm) 980
Khoảng sáng gầm xe (mm) 215
Dẫn động 4x2
Hình 4. Biến thiên áp suất bầu phanh khi hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc hoạt động
Từ kết quả mô phỏng có thể thấy bằng 
cáchphối hợp các tín hiệu điều khiển van chia 3/2 
trong hệ thống phanh có điều khiển có thể thay đổi 
áp suất (do dó thay đổi mô men phanh) tùy theo 
trạng thái thực của ô tô với mặt đường.
Các tín hiệu điều khiển của ECU tới van 3/2 
tương ứng với các trạng thái điều khiển tăng, giữ 
và giảm áp suất khí nén trong bầu phanh bánh xe. 
Tín hiệu điều khiển DK_R = 1; DK_R = 0 ứng với 
trường hợp mở van và đóng van 3/2. 
Sự biến thiên của mô men phanh bánh xe 
tương ứng với biến thiên áp suất khí nén trong bầu 
phanhvà tín hiệu đóng mở các van 3/2. Áp suất khí 
nén trong bầu phanh ở mức 0.8 Mpa khi đang phanh 
dừng đỗ xe trên dốc dọc, người lái chuyển đổi trạng 
thái nhả phanh sang tăng ga để di chuyển, áp suất 
khí nén trong bầu phanh nhanh chóng giảm xuống 
0,62 Mpa và được tăng trở lại trong khoảng 0,25 s 
(quá trình giảm áp suất và tăng áp suất khoảng 0,5 
s là do ban đầu phải khắc phục khe hở má phanh và 
hiệu suất truyền động cơ khí) sau đó áp suất khí nén 
được giữu không đổi trong bầu phanh theo thời gian 
đã định của chương trình điều khiển.
5. Kết luận
Bài báo đã đề xuất cấu trúc hệ thốnghỗ trợ 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology104 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020
khởi hành ngang dốc trên cơ sở hệ thống phanh khí 
nén có ABS, TCS trong chuyển động thẳng của ô tô 
tải 4x2 trên đường có độ dốc.
Kết quả mô phỏng hệ thống phù hợp với điều 
kiện thực tế và quy luật biến thiên áp suất bầu 
phanh, mômen phanh bánh xe. Mô hình mô phỏng 
đã mô tả được bản chất hoạt động của hệ thống hỗ 
trợ xe khi khởi hành trên dốc.
Với việc lựa chọn điều khiển cơ cấu chấp hành 
và cấu trúc hệ thống đã xây dựng có thể tin cậy 
và có thể sử dụng để nghiên cứu xây dựng thuật 
toán điều khiển cho ECU hỗ trợ khởi hành ngang 
dốc, xác định giá trị thời gian giữ phanh phù hợp. 
Nghiên cứu tiếp theo là hoàn thiện thuật toán và 
ngưỡng điều khiển cho ECU này có thể tích hợp 
với ABS-TCS ECU thành một hệ thống điều khiển 
của ô tô tải 4x2.
Lời cám ơn 
Nội dung nghiên cứu của bài báo được thực 
hiện với sự hỗ trợ của đề tài B2020-SKH-01.
Tài liệu tham khảo
[1]. Lê Anh Vũ, Hồ Hữu Hải, Đàm Hoàng Phúc, Dương Ngọc Khánh, Mô hình mô phỏng chuyển 
động của ô tô tải trên đường có hệ số bám không đồng nhất. Tạp chí Giao thông vận tải, số tháng 
6/2017, tr. 121-123.
[2]. Lê Anh Vũ, Hồ Hữu Hải, Đàm Hoàng Phúc, Dương Ngọc Khánh, Khảo sát ảnh hưởng của mô 
men phanh tới đặc tính tăng tốc của ô tô tải khi đi vào đường có hệ số bám không đồng đều. Tạp chí 
Cơ khí Việt nam, số 9/2017, tr. 25-30.
[3]. Hồ Hữu Hùng, Nguyễn Trung Kiên, Hồ Hữu Hải, Mô phỏng hệ thống phanh khí nén trên ô tô. 
Tạp chí giao thông vận tải, số 12/2013, tr. 11-13.
[4]. Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên, Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo, NXB Đại học và trung 
học chuyên nghiệp, 1985.
[5]. Trương Minh Chấp, Dương Đình khuyến, Nguyễn Khắc Trai, Thiết kế và tính toán ô tô, NXB 
Bách Khoa Hà Nội, 1998.
[6]. Dr.Ing T.Hong, Dr. Richard K. Tessmann, The Dynamic Analysis of Pneumatic Systems Using 
Hypneu. International Fluid Power Exposition and Technical Conference, April 1996, Chicago.
[7]. SaschaSemmler, Rolf Isermann, Wheel Slip Control for Antilock Braking Systems using Brake-
by-Wire Actuators, SAE Technical Paper 2003-01-0325, 2003.
[8]. WABCO Training, Anti-Lock Braking System (ABS) and Anti-Slip Regulation (ASR), Edition 
October, 2003.
STUDY PROPOSED MODEL HILL-START ASSIST SYSTEM
ON ABS PNEUMATIC BRAKING SYSTEM
Abstract:
The slope departure system contributes to helping the driver to control the vehicle more smoothly 
when starting the car on the slope. The paper proposes a structure of a horizontal departure system based 
on ABS air brakes and The model was built with Matlab/Simulink. Survey results of the system performance 
in a test truck with a 4x2 wheel formula on a 10% slope show that the variation in pneumatic pressure at 
the wheel brake bulb is consistent with the physical laws, the proposed system can be used to control the 
support for starting a steep slope to help the driver adjust easy to control. 
Keywords: Hill-Start Assist System, Anti-Lock Brake System, Traction control, electronic parking brake.