Mô phỏng và khảo sát hệ thống dẫn động phanh khí nén trên ô tô tải cỡ lớn

Trên thực tế, các loại xe tải trung bình và cỡ lớn thường được trang bị hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén với đặc điểm nổi bật là thời gian chậm tác dụng thời gian phản ứng tương đối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- NGUYỄN VĂN BẰNG

MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG PHANH KHÍ NÉN

TRÊN Ô TÔ TẢI CỠ LỚN (N3)

Chuyên ngành : KỸ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN THANH QUANG

Hà Nội – Năm2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu: Mô phỏng và khảo sát hệ thống dẫn

của thầy TS Nguyễn Thanh Quang Đề tài được thực hiện tại Bộ môn ôtô và xe

chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào

Hà Nội, ngày 18 tháng 09 năm 2012

Tác giả

Nguyễn Văn Bằng

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA……….1

LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN 5

DANH MỤC CÁC BẢNG THÔNG SỐ TRONG LUẬN VĂN 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN 8

MỞ ĐẦU 12

Chương I: ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG PHANH BẰNG KHÍ NÉN TRÊN Ô TÔ TẢI 14

1.1 Tổng quan về tình hình sản xuất và lưu hành xe tải ở Việt Nam và trên thế giới 14

1.2 Tổng quan về hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén 15

1.2.1 Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn động phanh khí nén trên xe tải 15

1.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống phanh khí nén 16

1.2.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc van phân phối hai dòng cho xe tải 17

1.2.4 Van phanh gia tốc 23

1.3 Đặc điểm của hệ thống dẫn động phanh khí nén trên xe tải: 25

1.3.1 Thời gian chậm tác dụng: 25

1.3.2 Các biện pháp làm giảm độ chậm tác dụng của hệ thống: 25

1.4 Nội dung luận văn 26

Chương II: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 28

2.1 Phương pháp mô phỏng: 28

2.2 Phương trình lưu lượng đi qua tiết lưu: 29

2.3 Phương trình lưu lượng đi vào dung tích 32

2.3.1 Lưu lượng tức thời vào dung tích không đổi 32

2.3.2 Lưu lượng tức thời đi vào dung tích thay đổi: 33

2.4 Phương trình lưu lượng tại điểm nút: 35

2.5 Các phương trình tính toán: 35

2.5.1 Các phương pháp tính toán: 35

2.5.2 Giới thiệu khái quát về phần mềm Matlab 38

Chương III: MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG PHANH KHÍ NÉN 40

3.1 Đặt vấn đề 40

3.2 Mô phỏng và tính toán hệ thống dẫn động phanh khí nén với các dung tích không đổi 41

3.2.1 Giới thiệu chung và xác định sơ đồ hệ thống dẫn động phanh: 41

3.2.2 Xây dựng mô hình hệ thống phanh khí nén: 42

3.2.3 Mô hình toán học và phương pháp giải: 43

3.2.4 Các giả thiết tính toán: 45

3.2.5 Lập và giải hệ phương trình vi phân 46

3.3 Mô phỏng và tính toán hệ thống dẫn động phanh khí nén với các dung tích thay đổi 62

3.3.1 Mô phỏng và tính toán hệ thống dẫn động phanh khí nén ở cầu trước 63

3.3.2 Mô phỏng và tính toán hệ thống dẫn động phanh khí nén với các dung tích thay đổi ở cầu sau 68

3.4 So sánh các trường hợp có dung tích thay đổi và dung tích không thay đổi 72 3.4.1 Hệ thống phanh cầu trước 73

3.4.2 Hệ thống phanh cầu sau 75

3.5 Mô phỏng và tính toán hệ thống dẫn động phanh khí nén với các dung tích thay đổi có lắp van gia tốc 79

3.5.1 Sơ đồ hệ thống dẫn động hệ thống phanh: 79

3.5.2 Mô hình toán học và phương pháp giải: 79

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC……….89

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

vị

Hệ thống phanh khí nén với các dung tích không đổi

1 P1 Áp suất tại tổng phanh ra cầu trước N/m2

2 P2 Áp suất từ tổng phanh đến ngã ba cầu trước ( nút 2) N/m 2

3 P3 Áp suất từ ngã ba đến bát phanh trái cầu trước ( nút 3) N/m 2

4 P4 Áp suất từ ngã ba đến bát phanh phải cầu trước ( nút 4) N/m 2

5 P5 Áp suất tại tổng phanh ra cầu sau (nút 5) N/m2

6 P6 Áp suất tại tổng phanh ra ngã ba thứ nhất cầu sau ( nút 6 ) N/m2

7 P7 Áp suất từ ngã ba thứ nhất đến ngã ba trái cầu sau ( nút 7 ) N/m 2

8 P8 Áp suất từ ngã ba thứ nhất đến ngã ba phải cầu sau ( nút 8 ) N/m 2

Hệ thống phanh khí nén với các dung tích thay đổi

11 P1t Áp suất tại tổng phanh ra cầu trước N/m2

12 P2t Áp suất từ tổng phanh đến ngã ba cầu trước ( nút 2) N/m 2

13 P3t Áp suất từ ngã ba đến bát phanh trái cầu trước ( nút 3) N/m 2

14 P4t Áp suất từ ngã ba đến bát phanh phải cầu trước ( nút 4) N/m 2

15 P5t Áp suất tại tổng phanh ra cầu sau (nút 5) N/m2

16 P6t Áp suất tại tổng phanh ra ngã ba thứ nhất cầu sau ( nút 6 ) N/m2

17 P7t Áp suất từ ngã ba thứ nhất đến ngã ba trái cầu sau ( nút 7 ) N/m 2

18 P8t Áp suất từ ngã ba thứ nhất đến ngã ba phải cầu sau ( nút 8 ) N/m 2

21 µf1 Hệ số cản của tổng phanh ra cầu trước m 2

22 µf2 Hệ số cản của đường ống từ tổng phanh đến ngã ba cầu

Hệ số cản của tổng phanh ra cầu sau m2

26 µf6 Hệ số cản của đường ống từ tổng phanh đến ngã ba cầu thứ

2

27 µf7 Hệ số cản của đường ống từ ngã ba cầu thứ nhất đến ngã ba

28 µf8

Hệ số cản của đường ống từ ngã ba cầu thứ nhất đến ngã ba m2

bên trái cầu sau

29 µf9 , 11 Hệ số cản của đường ống từ ngã ba bên phải cầu sau đến

30 µf10 , 12 Hệ số cản của đường ống từ ngã ba bên trái cầu sau đến hai

31 µ Hệ số lưu lượng

34 V* Vận tốc truyền sóng trong không khí m/s

35 F Diện tích màng bát phanh (piston) m2

36 C Độ cứng quy đổi

38 y Khoảng dịch chuyển của màng bát phanh M

39 x Khoảng dịch chuyển piston van gia tốc M

40 mi Lưu lượng đi qua tiết lưu thứ i

41 mE Lưu lượng đi vào dung tích

DANH MỤC CÁC BẢNG THÔNG SỐ TRONG LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN

1 Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh khí nén 15

2 Hình 1.2 Cấu tạo van phân phối ( tổng van phanh) 18

4 Hình 3.1 Sơ đồ dẫn động phanh khí nén không lắp van gia tốc 42

5 Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống dẫn động phanh khí nén 43

7 Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống phanh trước 46

8 Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng áp suất p1 bằng các khối simulink

9 Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng áp suất p2 bằng các khối simulink

10 Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng áp suất ở các bát phanh bánh xe p3

bằng các khối simulink trong matlab 50

11 Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng áp suất ở các bát phanh bánh xe p4

bằng các khối simulink trong matlab 51

12 Hình 3.9 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống phanh trước bằng các

13 Hình 3.10 Đồ thị biến thiên áp suất hệ thống phanh trước 53

14 Hình 3.11 Sơ đồ mô phỏng hệ thống phanh sau không lắp van

15 Hình 3.12 Sơ đồ mô phỏng áp suất đầu vào tổng p5 bằng các

16 Hình 3.13 Sơ đồ mô phỏng áp suất đầu vào p6 từ tổng p5 bằng

17 Hình 3.14 Sơ đồ mô phỏng áp suất p7 bằng các khối Simulink

23 Hình 3.20 Sơ đồ khối mô phỏng phanh sau bằng các khối

24 Hình 3.21 Đồ thị biến thiên áp suất hệ thống phanh sau 62

25 Hình 3.22 Sơ đồ mô phỏng phanh trước với các dung tích thay

26 Hình 3.23 Sơ đồ khối mô phỏng phanh trước với các dung tích

thay đổi bằng các khối Simulink trong matlab 66

27 Hình 3.24 Sơ đồ mô phỏng hành trình piston (màng bát phanh)

cầu trước bằng các khối Simulink trong matlab 67

28 Hình 3.25 Đồ thị biến thiên áp suất của hệ thống phanh trước khi

29 Hình 3.26 Sơ đồ khối mô phỏng phanh sau có dung tích thay đổi

bằng các khối Simulink trong matlab 71

30 Hình 3.27 Đồ thị biến thiên áp suất của hệ thống phanh sau khi

31 Hình 3.28 Sơ đồ khối so sánh mô phỏng phanh trước bằng các

32 Hình 3.29 Kết quả so sánh áp suất p1 và p1t vào dung tích không

thay đổi và thay đổi của hệ thống phanh trước 73

33 Hình 3.30 Kết quả so sánh áp suất p2 và p2t vào dung tích không

thay đổi và thay đổi của hệ thống phanh trước 74

34 Hình 3.31

Kết quả so sánh áp suất p3,4 và p3t,4t của hệ thống phanh trước khi lưu lượng tức thời đi vào dung tích không thay đổi và thay đổi

74

35 Hình 3.32 Sơ đồ khối so sánh mô phỏng phanh sau bằng các

36 Hình 3.33 Kết quả so sánh áp suất p5 và p5t vào dung tích không

thay đổi và thay đổi của hệ thống phanh sau 77

37 Hình 3.34 Kết quả so sánh áp suất p6 và p6t vào dung tích không

thay đổi và thay đổi của hệ thống phanh sau 77

38 Hình 3.35 Kết quả so sánh áp suất p7,8 và p7t,8t vào dung tích

không thay đổi và thay đổi của hệ thống phanh sau 78

39 Hình 3.36

Kết quả so sánh áp suất p9,10,11,12 và p9t,10t,11t,12t vào dung tích không thay đổi và thay đổi của hệ thống phanh sau

78

40 Hình 3.37 Sơ đồ dẫn động phanh bằng khí nén có lắp van gia tốc 79

41 Hình 3.38 Sơ đồ mô phỏng phanh sau có lắp van gia tốc 80

42 Hình 3.39 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống phanh sau có lắp van

gia tốc bằng các khối simulink trong Matlab 83

43 Hình 3.40 Đồ thị biến thiên áp suất hệ thống phanh sau có lắp

MỞ ĐẦU

A ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay ô tô đã trở thành phương tiện giao thông vận tải không thể thiếu đối với xã hội Bởi vậy, những chiếc ô tô luôn được cải thiện theo xu hướng hiện đại hơn, thân thiện hơn với con người và môi trường ngày càng cao Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ô tô ở việt nam đã có những tiến bộ rõ rệt., bước đầu đã dáp ứng được những nhu cầu của nền kinh tế quốc dân với một chủng loại

xe Tuy nhiên ngành công nghiệp này vẫn trong giai đoạn sơ khai nên còn rất nhiều việc phải làm để có thể sản xuất ra các loại ô tô chất lượng cao, không những phục

vụ cho nhu cầu sản xuất trong nước mà còn hướng đến xuất khẩu Trong bối cảnh như vậy , việc nghiên cứu động lực học ô tô phục vụ cho quá trình thiết kế chế tạo, các cụm, các hệ thống trên xe và tiến tới chế tạo các chiếc ô tô hoàn chỉnh mang thương hiệu Việt Nam đáp ứng được các tiêu chuẩn quốc tế là rất quan trọng và cần thiết

Đối với ô tô tải, một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu là chất lượng và hiệu quả của hệ thống phanh, bởi vì nó liên quan trực tiếp đến an toàn giao thông và tiêu chuẩn mang tính pháp lý Trên thực tế, các loại xe tải trung bình và cỡ lớn thường được trang bị hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén với đặc điểm nổi bật là thời gian chậm tác dụng (thời gian phản ứng ) tương đối lớn, nó dẫn đến thời gian phanh và quãng đường phanh cũng lớn Vấn đề càng trở nên nghiêm trọng hơn đối với các xe tải loại N3 vì chúng có kích thước lớn nên đường ống dẫn khí rất dài làm tăng thêm thời gian chậm tác dụng của hệ thống Trong những trường hợp như vậy rất khó đảm bảo được thời gian phản ứng của hệ thống và quãng đường phanh trong phạm vi cho phép của các tiêu chuẩn quy định

Do đó, trong quá trình thiết kế hệ thống phanh, việc nghiên cứu tính toán để biết được một cách tương đối chính xác quãng đường phanh và mức độ đáp ứng các tiêu chuẩn, quy định bằng phương pháp mô phỏng là rất cần thiết Phương này cho phép đánh giá sơ bộ hiệu quả phanh ô tô ngay trong quá trình thiết kế và giúp cho các nhà thiết kế có thể điều chỉnh kết cấu hoặc tìm ra các giải pháp nhằm nâng cao

hiệu quả phanh trước khi đưa ra sản xuất thử nghiệm Với cách làm như vậy, người

ta có thể tiết kiệm được thời gian, công sức và tiền của, giảm bớt các thử nghiệm và

nhờ đó rút ngắn được thời gian thiết kế và tiết kiệm được chi phí

Với sự học hỏi và tìm hiểu của bản thân và sự hướng dẫn trực tiếp, tận tình

của thầy: TS Nguyễn Thanh Quang, PGS TS Nguyễn Trọng Hoan và sự giúp đỡ

của các thầy, cô trong bộ môn ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ Khí Động Lực

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: Mô phỏng và

B MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

Mô phỏng, tính toán và đánh giá ảnh hưởng của các phần tử trong hệ thống

phanh khí nén tới hiệu quả phanh Trên cơ sở đó tìm ra các biện pháp thích hợp để

nâng cao hiệu quả phanh trong quá trình thiết kế hệ thống

C ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phanh dẫn động khí nén trên ô tô

tải loại N3 (có trọng lượng toàn bộ trên 12 tấn) và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu

quả phanh

D NỘI DUNG LUẬN VĂN

Mô phỏng hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén, tính toán và đánh giá ảnh

hưởng của các phần tử trong hệ thống tới hiệu quả phanh

Chương I: Đặc điểm của hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén trên ô tô tải

Chương II: Phương pháp mô phỏng dẫn động khí nén

Chương III: Mô phỏng và khảo sát hệ thống dẫn động phanh khí nén trên ô

tô tải cỡ lớn (N3)

Phần kết luận:

Chương I: ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG PHANH BẰNG KHÍ

NÉN TRÊN Ô TÔ TẢI 1.1 Tổng quan về tình hình sản xuất và lưu hành xe tải ở Việt Nam và trên thế giới

Ngày nay, khi ô tô trở thành phương tiện vận chuyển chủ yếu đối với bất kỳ quốc gia nào trên thế giới, số lượng ô tô ngày càng tăng nhanh hơn nên ở nhiều nơi, nhiều lúc chúng đã đặt ra những vấn đề không nhỏ đối với xã hội loài người

Chỉ riêng hai quốc gia có nền công nghiệp ô tô phát triển là Mỹ và Nhật hàng năm sản xuất khoảng 24÷ 25 triệu chiếc ( năm 1992 Nhật sản xuất 12.5 triệu chiếc) Trong đó ô tô du lịch chiếm tỷ lệ 70÷ 80%, ô tô tải chiếm 18÷20%, còn lại là các ô

tô khác

Với số lượng ô tô ngày càng tăng như vậy, ô tô đã đặt ra nhiều vấn đề lớn cho xã hội như ô nhiễm môi trường, tai nạn giao thông, Trong đó, tai nạn giao thông trở thành một mối quan tâm lớn bởi vì ô tô là phương tiện giao thông gây tai nạn (chết người) nhiều nhất so với các loại phương tiện giao thông thông dụng

Ở Việt Nam

Theo thống kê của các nước thì trong tai nạn giao thông đường bộ 60÷70%

do con người gây ra như ( lái xe say rượu, mệt mỏi, buồn ngủ,… ) và 10÷15% do

hư hỏng máy móc, trục trặc kỹ thuật, 20÷ 30% do đường xá quá xấu

Trong số các nguyên nhân hư hỏng do máy móc, trục trặc kỹ thuật thì tỷ lệ tai nạn

do các cụm, hệ thống trên ô tô gây nên được thống kê như sau:

Hệ thống phanh: (52,0÷ 74,4)%

Hư hỏng khác: (25,6÷48)%

Các số liệu trên cho thấy rằng, tai nạn giao thông do hệ thống phanh chiếm tỷ

lệ cao nhất Do vậy các yêu cầu đối với hệ thống phanh, được pháp lý hóa thông qua các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế, ngày càng trở lên khắt khe hơn Để đáp ứng được những tiêu chuẩn này, các nhà sản xuất phải thường xuyên cải tiến hệ thống phanh cho ô tô nhằm nâng cao hiệu quả ổn định khi phanh, tăng tính an toàn khi chuyển động

Vì lý do trên, việc mô phỏng hệ thống dẫn động phanh để xác định hiệu quả

phanh và tìm các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả phanh đáp ứng các tiêu chuẩn

hiện hành ngay trong quá trình thiết kế là rất cần thiết Không những thế, phương

pháp mô phỏng và tính toán với trợ giúp của máy tính sẽ giúp cho các nhà thiết kế

tiết kiệm được thời gian và kinh phí cho quá trình thiết kế và hoàn thiện hệ thống

phanh Trong điều kiện thiếu thốn về trang thiết bị thí nghiệm như ở nước ta hiện

nay thì đây là phương pháp nghiên cứu rất thích hợp và hoàn toàn khả thi

Trên hình thể hiện sơ đồ điển hình của hệ thống dẫn động phanh khí nén trên

ô tô tải, nó bao gồm những bộ phận chính như sau: 1- máy nén khí; 2- bộ điều chỉnh áp suất; 3- bộ chống đông đặc; 4- van bảo vệ ba ngả; 5,6- bình khí nén; 7,8,10,11 Bầu phanh tích năng,; 9- van gia tốc hệ thống phanh phụ; 12- Bộ điều hòa lực phanh; 13- Van gia tốc hệ thống phanh chính; 14- bình khí nén mạch; 15- tổng phanh; 16- van chia áp; 17,18- Bát phanh trước; 19- Van phanh tay

1.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống phanh khí nén

a Hệ thống phanh chính

Khi phanh,người lái tác động lên bàn đạp phanh làm mở tổng van 15, khí nén

từ bình 5 được chuyển đến bộ điều chỉnh phanh( van gia tốc 13 hoặc bộ điều hòa lực phanh 12) và khí nén được chuyển đến bát phanh 7,8,10,11 qua cửa trên của tổng van 15 Đồng thời khí nén được lấy từ bình khí 14 qua cửa dưới của tổng phanh 15 đến van chia 16 tới bát phanh trước 17,18 ép má phanh vào trống phanh Khi nhả phanh, tầng dưới của tổng van 15 thông với khí quyển, khí nén từ các bát phanh17,18 qua van 16 thoát ra ngoài khí quyển Từ các bát phanh 7,8,10,11 ở bánh xe sau thoát ra ngoài qua bộ điều chỉnh( van gia tốc 13 hoặc bộ điều hòa lực phanh 12 ) Nhờ vậy quá trình nhả phanh bánh xe trước và sau được nhanh hơn Từ tầng trên tầng dưới tổng phanh 15 khí nén cũng được thoát ra ngoài qua cửa xả và ngừng cung cấp tới mạch điều khiển hệ thống

b Hệ thống phanh dừng

Khi phanh, người lái tác dụng vào van phanh tay 19, mạch điều khiển van gia tốc 9 nối với bình khí nén 6 Khí nén đi vào các bát phanh 7,8,10,11 bánh xe cầu sau để thực hiện quá trình phanh

Khi nhả phanh, người lái điều khiển phanh tay 19, khí nén từ mạch điều khiển thoát ra ngoài qua van gia tốc 9 Do vậy, bát phanh 7,8,10,11 phanh sau được nối thông với khí quyển qua van 9 và nhả guốc phanh các bánh xe cầu sau

Để nghiên cứu hiểu rõ nguyên lý làm việc của hẹ thống dẫn động phanh trên, trước hết cần nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc của một số van sau:

1.2.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc van phân phối hai dòng cho xe tải

Van phân phối dẫn động hai dòng trên ô tô tải, được sử dụng lắp cho hệ

thống phanh khí nén và phanh thủy lực điều khiển bằng khí nén của ô tô tải (hình 1.2)

Cấu tạo van phân phối chia làm ba cụm chính: cụm bàn đạp, cụm van điều

khiển phía trên (dòng phanh ra cầu sau), cụm van điều khiển phía dưới (dòng phanh

ra cầu trước)

1 Cụm bàn đạp:

Bàn đạp phanh (22) có cơ cấu kiểu đòn bẩy với điểm tựa O nằm trên nắp van

phanh (17) Điểm thấp nhất của bàn đạp bị hạn chế bởi vít điều chỉnh (18), đầu kia

là trục lăn (20) Vít (18) tì vào nắp (17) để hạn chế hành trình của trục lăn (20) khi

nhả phanh, đồng thời là cơ cấu điều chỉnh hành trình tự do của bàn đạp

Con lăn (20) quay quanh điểm tựa O và dịch chuyển theo chiều quay của bàn đạp

khi phanh, ép cốc (19), đẩy pittông trên (15), pittông dưới (4) làm thay đổi vị trí các

cụm van trên, dưới của van phân phối

2 Cụm van điều khiển dòng phanh sau:

Nhiệm vụ chính của cụm van trên là điều khiển đóng mở dòng phanh dẫn ra

cầu sau của ô tô Cụm van điều khiển dòng phanh sau bao gồm: nắp van phanh (17)

và các chi tiết nằm trong thân van trên (16)

Pittông trên (15) được giữ và dịch chuyển trong thân van (16) bởi các lò xo hồi vị

(2), lò xo ép (14) Mặt dưới của pittông (15) là đế van trong của cụm van Đế van

trong dịch chuyển cùng với pittông (15) Van (12) nằm dưới pittông (15), do tác

dụng của lực căng lò xo (11), ép sát vào đế van ngoài (là một mặt phẳng của thân

van 16) Khi không phanh van (12) đóng đường cung cấp khí nén từ P1 sang B1,

đồng thời mở đường dẫn khí B1, qua lỗ rỗng xuyên tâm trên pittông dưới (4), thông

qua khí quyển R

Van (12) chế tạo bằng cao su và được định dạng nhờ ống trụ rỗng, van có thể

dịch chuyển lên xuống theo trục dẫn của pittông dưới (4) Nhờ cấu trúc như trên,

cụm van điều khiển dòng phanh sau là một van kép thực hiện hai chức năng: đóng

mở đường khí nén từ P1 sang B1, và mở đóng đường khí nén từ B1 sang R tùy thuộc vào vị trí của van kép

Hình 1.2- Cấu tạo van phân phối (tổng van phanh)

B2

P1

P2

5 Lò xo hồi vị van dưới

6 Thân van dưới

7 Van xả khí

8 Đế đỡ lò xo hồi vị van dưới

9 Van dưới

10 Lò xo hồi vị pittông dưới

11 Lò xo hồi vị van trên

3 Cụm van điều khiển dòng phanh trước

Cụm van điều khiển dòng phanh trước bao gồm: pittông (4) nằm dưới thân van trên (16) và các chi tiết nằm trong thân van dưới (6) Nhiệm vụ chính của cụm van trên là điều khiển đóng mở dòng phanh dẫn ra cầu trước của ô tô

Pittông (4) có lõi là ống trụ rỗng làm nhiệm vụ dẫn khí xả ra khí quyển (thông đường thoát khí từ B1 và B2 đến R) Pittông được ép lên trên nhờ lò xo hồi vị (10) Mặt dưới của pittông (4) là đế van trong của cụm van dưới Đế van trong dịch chuyển cùng với pittông (4) Dưới tác dụng của lò xo (5), van (9), nằm dưới pittông (4), ép sát vào đế van ngoài (là một mặt phẳng của thân van dưới (6)

Khi không phanh, van (9) đóng đường cung cấp khí nén từ P2 sang B2, đồng thời

mở đường dẫn khí R, qua lỗ rỗng xuyên tâm trên trục dẫn của van (9), thông ra khí quyển Lò xo (5) tỳ lên đế đỡ (8) và luôn có xu hướng ép van (9) đóng kín đường cung cấp khí nén từ P2 sang B2 Đế đỡ (8) được cố định bởi vòng khóa hở miệng, nằm trong thân van dưới (6)

Van (12) chế tạo bằng cao su và được định dạng bằng ống trụ dẫn hướng, van có thể dịch chuyển lên xuống theo trục dẫn hướng

Nhờ cấu trúc như trên, cụm van điều khiển dòng phanh trước là một van kép thực hiện hai chức năng: đóng mở đường cấp khí nén từ P2 sang B2, và mở đóng đường khí từ B2 sang R tùy thuộc vào vị trí của van kép dưới

Phần dưới cùng của thân van dưới (6) là màng ngăn bụi có các lỗ thông không gian trung tâm van phân phối với khí quyển

4 Nguyên lý làm việc:

Khi không phanh lò xo (5) và lò xo (11) giữ cho van trên (12) và van dưới (10) đóng cửa nạp, nên khí từ bình chứa tới các cửa P1, P2 bị chặn lại và thường trực ở đó Không khí có áp suất bằng áp suất khí quyển thông vào đường B1 và đường B2 qua đường R cho phép các bầu phanh bánh xe ở trạng thái nhả phanh, bánh xe lăn trơn

Khi phanh bàn đạp phanh quay quanh chốt cố định O, ép con lăn (20) tỳ cốc

ép (19) đi xuống Khi đã khắc phục xong khe hở tự do giữa cốc ép và bích chặn, bích chặn ép lò xo (14) tỳ vào pittông trên (15) xuống Khi đế trong của van tiếp xúc với mặt van (12), thì đường B1 ra khí quyển R đóng lại và đế van trong tiếp tục

đi xuống, tách đế ngoài của van khỏi mặt van (12), van nạp khí nén trên bắt đầu mở Khí nén đi từ cửa P1 qua van nạp ngăn trên thông sang cửa B1 để dẫn đến các bầu phanh bánh xe sau

Đồng thời với quá trình này, ở cạnh cửa B1 có một lỗ nhỏ thông với mặt dưới của pittông (15), và một lỗ khác thông với mặt trên của pittông dưới (4) Với pittông trên áp suất khí nén có tác dụng cùng chiều với lực đẩy của lò xo hồi vị (2) tăng lực đẩy lên pittông (15) gây cảm giác nặng cho người lái

Với pittông dưới (4), chiều tác dụng của lực bàn đạp qua pittông trên (15) truyền tới pittông dưới (4), đẩy pittông (4) đi xuống, ép sát vào mặt van dưới (9), đường thông B2 ra khí quyển R đóng lại và pittông (4) tiếp tục đi xuống, tách đế ngoài của van khỏi mặt van (9), van nạp khí nén bắt đầu mở Khí nén đi từ cửa P2 qua van (9) thông sang cửa B2 để dẫn đến các bầu phanh bánh xe trước

Mặt khác áp suất khí nén qua lỗ nhỏ tác dụng lên mặt trên của pittông dưới (4) đẩy pittông dưới đi xuống Lực khí nén của khoang trên (từ P1 sang B1) cùng chiều lực bàn đạp hỗ trợ đẩy pittông (4) đi xuống làm nhanh quá trình đóng mở cụm van dưới

Như vậy cơ cấu phanh trên cầu sau được tiến hành phanh sớm hơn cơ cấu phanh trên cầu trước một khoảng thời gian rất nhỏ, nhằm mục đích tăng tính ổn định cho ô tô khi phanh

Khi nhả phanh, bàn đạp (22) trở về vị trí ban đầu, cốc ép (19) được đẩy về

vị trí ban đầu dưới tác động của lực lò xo hồi vị (10), (2), đẩy pittông dưới (4) và pittông trên (15) dịch chuyển lên trên Quá trình dịch chuyển ngược lại với trạng thái phanh: đóng van cấp khí nén và mở van thông khí quyển Như vậy dòng cấp khí nén từ P1 sang B1 và từ P2 sang B2 bị ngắt và nối thông đường khí B1 và B2 ra khí quyển (qua cửa R) Khí nén từ các bầu phanh được xả hết ra ngoài nhờ các lò xo hồi vị trong cơ cấu phanh và các bầu phanh bánh xe, quá trình phanh kết thúc, các bánh xe lăn trơn

Cần chú ý: áp suất của nguồn cung cấp khí nén là không đổi, nhưng tùy thuộc vào mức độ mở rộng của các cửa van cấp khí, áp suất sau van phân phối khí

sẽ thay đổi theo mức độ mở (rộng, hẹp) của van cấp khí, tức là áp suất điều khiển cấp vào bầu phanh bánh xe sẽ nhỏ hơn hay bằng áp suất của nguồn cung cấp Giá trị lớn nhất của áp suất điều khiển bằng áp suất của nguồn cung cấp, tương ứng với khi van cấp khí mở rộng nhất Sự tăng áp suất đều đặn sự thuộc vào tốc độ ấn sâu bàn đạp của người lái xe khi phanh xe, điều này góp phần tăng đều đặn mômen phanh ở các bánh xe và giữ tỷ lệ thuận với vị trí đạp sâu của bàn đạp phanh

Rà phanh là quá trình phanh xe và duy trì phanh ở một mức độ nhất định nhằm giữ ô tô ở tốc độ nào đó Khi rà phanh, ban đầu người lái phanh xe bằng cách tăng dần lực điều khiển bàn đạp,sau đó không tăng và giữ nguyên bàn đạp ở vị trí nào đó

Khi người lái tăng dần lực bàn đạp, các van cấp khí đang mở rộng dần và tạo điều kiện cho tăng dần áp suất sau van Áp suất khí nén thông qua các lỗ nhỏ tăng dần, tác dụng lên mặt dưới của pittông (15) và mặt trên của pittông (4)

Khi giữ nguyên vị trí bàn đạp (không tăng lực điều khiển), áp suất sau van sẽ tăng theo quán tính dòng khí và có xu hướng đẩy pittông trên (15) dịch lên, tạo điều kiện cho van (12) đi lên đóng mặt van (12) với đế van ngoài, bịt kín khí cấp cho đường B1, áp suất sau van (12) không tăng được nữa Khi đó, áp suất ở mặt trên pittông dưới (4) không tăng được nữa Tạo điều kiện cho pittông (4) đi lên, đóng mặt van (9) với đế van ngoài, bịt đường khí cấp cho đường B2, áp suất sau van (9) không tăng được nữa Lực bàn đạp không tăng nhưng duy trì ở mức độ nhất định chưa đủ để mở van xả khí Do đó trong trường hợp rà phanh các van đều nằm trong trạng thái đóng kín Áp suất khí nén sau van duy trì ở mức độ nhất định và bầu phanh không tăng lực điều khiển, cơ cấu phanh vẫn bị phanh ở mức độ tương ứng với vị trí bàn đạp phanh, tạo nên trạng thái rà phanh của cơ cấu phanh

Nếu khi rà phanh xuất hiện sự giảm lực bàn đạp quá mức, có thể một phần khí trong bầu phanh qua đường B1 và B2 bị xả ra ngoài và thiết lặp lại trạng thái rà phanh với lực điều khiển nhỏ hơn tương ứng với vị trí của bàn đạp phanh lúc đó

Có thể giải thích các trạng thái phanh thông qua việc cân bằng các lực tác dụng lên các pittông Các trạng thái của pittông đều được thiết lập ở trạng thái cân bằng tĩnh hay cân bằng động thông qua các lực điều khiển từ bàn đạp và lực lò xo hồi vị

Các lực tác dụng lên pittông của lò xo hồi vị đều rất nhỏ vì chúng chỉ có tính chất giữ các chi tiết của van ở trạng thái cố định Riêng lò xo (14) đảm nhận vai trò chính tạo cảm giác cho người lái tùy theo mức độ đạp sâu bàn đạp Qua đó có thể coi việc thực hiện điều khiển bàn đạp phanh của hệ thống dẫn động khí nén là nhằm mục đích đóng mở các đường khí nén cấp cho các bầu phanh bánh xe

Van phân phối hai dòng còn cho phép làm việc khi bị hỏng một dòng phanh bất kỳ, nhưng hiệu quả phanh sẽ kém hơn

Khi dòng phanh sau bị hỏng:

Giả thiết đường khí P1 mất áp suất, hành trình của bàn đạp phanh vẫn phải khắc phục hết khe hở để đóng van xả của cụm van trên khí nén và mở van thông đường P1 sang B1, sau đó đẩy tiếp pittông (4) đi xuống, mở van nạp khí từ P2 sang B2 Nhưng do không có áp suất hỗ trợ mở cụm van dưới của dòng phanh sau (phía trên), do vậy hành trình và lực bàn đạp yêu cầu lớn hơn

Ở dòng phanh trước, vùng áp suất cao được ngăn cách với dòng phanh sau bởi pittông (4) và các joăng cao su bao kín, đảm bảo cho dòng phanh trước vẫn hoạt động

Khi dòng phanh trước bị hỏng:

Giả thiết dòng phanh trước mất áp suất, quá trình đóng mở cụm van trên vẫn được thực hiện Khi tiếp tục đạp phanh, pittông (15) đi xuống, đẩy tiếp pittông (4) đóng van xả và mở van cấp cho cụm van dưới Hai dòng khí vẫn được ngăn cách nhờ pittông (4), đảm bảo cho dòng phanh sau vẫn hoạt động

1.2.4 Van phanh gia tốc

Thường trên các ô tô nhỏ khi sử dụng van phan phối như là “van mở dòng dẩn khí”, gây nên giảm độ nhạy của hệ thống Điều này có thể hiểu như sau: khi van

đã mở đường khí nén, cần phải mất quá trình để nạp đầy khí nén từ van phân phối đến bầu phanh trên đường ống Trên các ô tô có yêu cầu cao về độ nhạy sử dụng thêm một bộ van gia tốc trên đường cấp khí nén cho bát phanh cầu sau nhằm khắc phục sự giảm độ nhạy nói trên

Cấu trúc của van gồm các chi tiết chính: pittông van (1), cụm van hai trạng thái (2 – van kép), các đường cấp khí nén P, đường dẫn khí nén tới bầu phanh B, đường dẫn khí nén điều khiển Z, lỗ thoát khí R

Hình 1.3- Van gia tốc

* Các trạng thái làm việc của van:

Trạng thái không phanh: khí nén từ bình chứa đến (không qua van phân phối) qua đường P và nằm chờ ở đó, cụm van (2) mở đường B thông với khí quyển qua lổ

R

Khi phanh: một đường cấp khí nén khác đi qua van phân phối tới đường Z, đẩy pittông (1) đi xuống và đóng kín lổ R, sau đó mở thông P với đường B, cấp khí nén vào bầu phanh bánh xe

Khi thôi phanh: áp suất khí nén của đường Z giảm (do khí thoát qua van phân phối) còn khí nén từ bầu phanh thoát qua đường B tới lỗ R thoát ra khí quyển thực hiện nhả phanh

Van có khả năng sao chép lại trạng thái làm việc của van phân phối hai dòng, nhưng có khả năng tác động nhanh

Sự tác động nhanh được thực hiện do cấp khí nén từ bình chứa tới gần bầu phanh, còn dòng khí qua van phân phối đóng vai trò khí cấp “tín hiệu điều khiển” Van cho phép xả khí nhanh tại chỗ khi thôi phanh, và được dùng mạch cấp khí đến các bầu phanh cầu sau

Trên xe tải có phanh rơmooc cũng thường gặp loại van này, chúng được dùng để điều khiển phanh rơmooc theo tín hiệu điều khiển từ bàn đạp của van phân phối hai dòng

1.3 Đặc điểm của hệ thống dẫn động phanh khí nén trên xe tải:

1.3.1 Thời gian chậm tác dụng:

Thời gian chậm tác dụng( hay còn gọi thời gian phản ứng) của hệ thống dẫn động phanh là thời gian người lái tác động vào bàn đạp phanh cho đến khi áp suất trong bát phanh xa nhất đạt tới mức quy định (ứng với thời điểm má phanh áp sát vào tang trống phanh) Thời gian này đối với phanh dầu là rất nhỏ, đối với phanh khí thời gian phản ứng nói chung là tương đối lớn, thường lớn hơn phanh dầu hàng chục lần, đó là nhược điểm lớn nhất của phanh khí nén Điều này càng thể hiện rõ

và nghiêm trọng hơn đối với xe có đường ống phanh dài như xe tải cỡ lớn Bởi vì tổng cộng các đường ống dẫn tới cơ cấu phanh chấp hành xa nhất có thể đạt hàng chục mét Trong những trường hợp như vậy rất khó đạt dược thời gian phản ứng của

hệ thống nằm trong phạm vi cho phép của các tiêu chuẩn quy định, nếu như không

có giải pháp thích hợp Thông thường trên các hệ thống dẫn động khí nén , để giảm thời gian tác dụng tùy theo điều kiện cụ thể, người ta áp dụng các biện pháp khác nhau để đạt được yêu cầu mong muốn

1.3.2 Các biện pháp làm giảm độ chậm tác dụng của hệ thống:

Để giảm độ chậm tác dụng của hệ thống người ta có thể áp dụng một số biện pháp sau:

- Chọn tiết diện thông qua của đường dẫn và của thiết bị tối ưu nhất: vấn đề này là một tiêu chí rất quan trọng, nó có ảnh hưởng đến thời gian chậm tác dụng và ngày càng được chú ý Tuy nhiên để giải quyết triệt để cần phải thực hiện hàng loạt các khảo sát về lý thuyết và thực nghiệm Vì nếu tăng đường kính lên quá mức sẽ làm tăng kết cấu đồng thời làm tăng tổn hao khí nén dẫn đến làm tăng thời gian chậm tác dụng Trong cơ cấu dẫn động nhiều nhánh sự lựa chọn mặt cắt thông qua các ống và thiết bị hợp lý là vấn đề khó khăn và chỉ có thể giải quyết được bằng cách sử dụng lý thuyết hệ thống tối ưu

- Sử dụng van gia tốc trong hệ thống: Việc trang bị van gia tốc thường được thực hiện ở đường ống dài và đường ống làm việc chính, nó làm giảm thời gian chậm tác dụng một cách đáng kể Tuy nhiên, van gia tốc làm phức tạp thêm hệ thống và làm xấu đi đặc tính tĩnh, bởi vì xuất hiện vùng không nhạy cảm Nghĩa là việc lắp van gia tốc dẫn tới tăng kích thước và khối lượng không mong muốn, nên người ta chỉ sử dụng nó khi thực sự cần thiết

- Sử dụng các loại van hiệu chỉnh: Đây là biện pháp hiệu quả nhằm tăng phản ứng của hệ thống dẫn động, bằng cách sử dụng các thiết bị hiệu chỉnh Các thiết bị này thường rất phức tạp nên chỉ sử dụng khi mọi khả năng của các phương

án trên không còn nữa

Ưu điểm nổi bật của van hiệu chỉnh là tăng phản ứng nhanh của hệ thống hiện thời mà không làm xấu đi đặc tính tĩnh cũng như những tác động tùy động Trong hệ thống dẫn động phanh ta có thể trang bị các van này để giảm thời gian tác dụng của hệ thống

Ngoài các biện pháp nêu trên, trong thiết kế chế tạo cũng cần quan tâm đến tối ưu chiều dài các đường ống dẫn trong hệ thống và việc bố trí các van điều khiển

ở các vị trí sao cho hợp lý, có như vậy sự dẫn động các dòng khí sẽ hợp lý và khả năng phản ứng của hệ thống cũng tăng nhanh, thời gian chậm tác dụng của hệ thống cũng được giảm tối đa nhất

Để làm rõ một số lý do trên tác giả của luận văn nghiên cứu một số nội dung sau:

1.4 Nội dung luận văn

Tên đề tài: Mô phỏng và khảo sát hệ thống dẫn động phanh khí nén trên ô tô tải cỡ lớn N3

Mục đích: Mô phỏng, tính toán và đánh giá ảnh hưởng của các phần tử trong

hệ thống phanh khí nén tới hiệu quả phanh Trên cơ sở đó tìm ra các biện pháp thích hợp để nâng cao hiệu quả phanh trong quá trình thiết kế hệ thống

Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp mô phỏng, tính toán để nghiên cứu động lực học dòng khí trong dẫn động khí nén của hệ thống phanh ô tô

Nội dung:

Chương I: Đặc điểm của hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén trên ô tô tải

Chương II: Phương pháp mô phỏng dẫn động khí nén

Chương III: Mô phỏng và khảo sát hệ thống dẫn động phanh khí nén trên ô

tô tải cỡ lớn

Chương II: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 2.1 Phương pháp mô phỏng:

Để nghiên cứu động lực học của hệ thống bất kỳ cần phải thiết lập được các phương trình mô tả quá trình làm việc của nó hay nói cách khác là mô phỏng toán học hệ thống Tuy nhiên, do bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong hệ thống dẫn động khí nén rất phức tạp nên cho tới nay việc mô phỏng một cách hoàn toàn chính xác là không thể thực hiện được, đặc biệt là quá trình quá độ Do vậy người ta thường sử dụng các phương pháp mô phỏng gần đúng để giải quyết bài toán này Hiện nay có khá nhiều phương pháp mô phỏng hệ thống khí nén và nói chung chúng đều có ưu nhược điểm riêng Trong luận văn này sử dụng phương pháp mô phỏng đã được áp dụng và kiểm chứng bằng các kết quả nghiên cứu các hệ thống khí nén của ô tô, đó là phương pháp mô phỏng tập trung của GS Metliuc Nó

có ưu điểm tương đối đơn giản, dễ thực hiện và cho phép nghiên cứu những hệ thống phức tạp và có độ chính xác cao

Để giải bài toán mô phỏng hệ thống phanh dẫn động khí nén có thể sử dụng các công cụ khác nhau Hiện nay, nhờ sự phát triển của công nghệ tin học, phương pháp thông dụng nhất để giải các bài toán này là sử dụng các phần mềm chuyên dụng Luân văn này sẽ sử dụng một trong những phần mềm hiện đại và đang được ứng dụng phổ biến hiện nay là Matlab 7.0

* Phương pháp mô phỏng tập trung

Như đã trình bày ở trên, sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng tập trung để

mô phỏng hệ thống dẫn động khí nén trên ô tô tải

Bản chất của phương pháp mô phỏng tập trung dựa trên hai nguyên tắc:

- Thể tích khí tất cả các phần tử của hệ thống ( van, đường ống, cơ cấu chấp hành, … ) được coi là tập trung tại một dung tích và sức cản của các phần tử này tập trung tại một tiết lưu

- Lưu lượng đi qua các điểm nút trên sơ đồ mô phỏng được tính theo quy tắc tính dòng điện đi qua điểm nút

Việc áp dụng phương pháp mô phỏng tập trung cho phép đơn giản hóa bài toán mô phỏng và quy về việc xác định:

Quan hệ giữa các dòng chảy tại điểm nút

Quan hệ giữa các thông số dòng chảy khi đi qua tiết lưu

Quan hệ giữa các thông số dòng chảy đi vào dung tích

2.2 Phương trình lưu lượng đi qua tiết lưu:

a Lưu lượng tức thời đi qua tiết lưu

Phương trình lưu lượng tức thời đi qua tiết lưu

( )σϕ

µ

RT

p fv dt

dm m

D D

0 ,

m D :lưu lượng tức thời qua tiết lưu

µ : hệ số lưu lượng

f v

p0, p1 : áp suất trước và sau tiết lưu

µ, còn µ thì được xác định bằng thực nghiệm

Theo Saint-Venant tồn tại hai dòng chảy của chất khí tùy thuộc vào áp suất không thứ nguyên σ Nghĩa là tồn tại một giá trị giới hạn σ *=0.528:

;528,0

1 2

1

σϕ

1

2 2588 , 0

; 528 ,

Các công thức trên quá phức tạp nên khi tính toán người ta thường đơn giản hóa:

; 528 , 0

k

σϕσ

Các công thức của Saint-Venant được xây dựng trên cơ sở thực nghieemjtreen các tiết lưu có dạng như mô tả trên hình…Tên thực tế, dòng chảy trong các máy thủy lực và trong các đường ống không hoàn toàn giống như vậy Các nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện thực chỉ ra rằng chế độ giới hạn hoặc không đạt được, hoặc đạt được với σ nhỏ hơn nhiều so với giá trị 0,528:

Đối với van công nghiệp: σ =0,2÷0,4 ∗

Trong đó σ được xác định bằng thực nghiệm.Khi ∗ σ =0,5 thì ∗ ϕ( )σ =2 σ(1−σ)

ta lại có công thức Saint-Venant Có thể thấy trong công thức này sự tồn tại của hai chế độ dòng chảy gây khó khăn cho việc tính toán, còn thêm vấn đề nữa là phải xác định bằng thực nghiệm giá trị σ∗cho từng giá trị cụ thể

Còn nhiều công thức tính hàm lưu lượng của các tác giả khác , nhưng ở đây ta xét hàm lưu lượng do giáo sư N.P.Metliuc đề xuất:

( )

σ

σσ

1 654 , 0

Có thể thấy ngay rằng nếu sử dụng công thức này trong tính toán thì ta có thể đơn giản hóa bài toán đi khá nhiều ( không còn 2 chế độ dòng chảy nữa) Hơn nữa các ứng dụng cụ thể đã cho thấy công thức này cho kết quả rất gần với thực nghiệm

Vì vậy trong các tính toán sau này ta sẽ sử dụng công thức trên Nghĩa là ta

có công thức tính lưu lượng tức thời đi qua tiết lưu:

σ

σµ

p fv dt

dm

2.3 Phương trình lưu lượng đi vào dung tích

2.3.1 Lưu lượng tức thời vào dung tích không đổi

Từ phương trình trạng thái chất khí

dt

dp kRT

V dt

dV RT

p dt

dm m

dt

dp kRT

V dt

V B

A RT

σ

σµ

p fv k dt

1 0

1 0 0 1

p Bp

p p A V

p fv k dt

Công thức cho trường hợp xả khí từ dung tích ra:

0 1

0 1 0 1

p Bp

p p A V

p fv k dt

2.3.2 Lưu lượng tức thời đi vào dung tích thay đổi:

Phần lớn các cơ quan chấp hành đều là các dung tích có thể tích thay đổi trong quá trình làm việc.Chẳng hạn đối với một xi lanh công tác (hình vẽ ) quá trình nạp xảy ra theo ba giai đoạn I,II,III

V- Thể tích làm việc ở giai đoạn II

V0- Thể tích làm việc ở giai đoạn I

F là diện tích tiết diện của piston

y- Khoảng dịch chuyển của piston

Sơ đồ mô phỏng của một nhánh D-E có dung tích thay đổi được thể hiện ở hình dưới đây

pmax

y

p0 Y1

D p1 E Giải kết hợp phương trình (1),(4) và (• ta có: )

1 0

1 0 0 1

1

0

p Bp

p p A p fv dt

dy Fp dt

dp k

y F V

−

−

∗

=+

Đối với trường hợp xả khí:

1 0

1 0 0 1

1

0

p Bp

p p A p fv dt

dy Fp dt

dp k

y F V

Trong đó: f - ms hệ số ma sát giữa đệm làm kín và thành xi lanh

Fk- diện tích tiếp xúc

b- hệ số ma sát nhớt

P- lực sinh công hữu ích trong phần lớn các trường hợp:

P=C.y, với C là độ cứng quy đổi

Vậy phương trình chuyển động có dạng:

F dt

dy p

p F

=

Vt

Kết hợp với phương trình (5) ta được:

1 0

1 0 0 1

1

2

0

p Bp

p p A p fv dt

dp p C

F k

y F V

2.4 Phương trình lưu lượng tại điểm nút:

Trên sơ đồ mô phỏng của hệ thống phanh khí thường có điểm nút, tại mỗi điểm nút sẽ có các nhánh đi vào và đi ra (hình dưới ) Để tính lưu lượng đi qua điểm nút người ta áp dụng quy tắc tính dòng điện

1−m −m −m +m =

2.5 Các phương trình tính toán:

2.5.1 Các phương pháp tính toán:

a Phương pháp giải bài toán côsi:

Nhiều bài toán khoa học kỹ thuật dẫn đến giải phương trình vi phân thường Bài toán đơn giản nhất của hệ phương trình vi phân côsi như sau:

(x y y y n)

f dx

dy

,, 1 2

1

1 =(x y y y n)

f dx

dy

,, 1 2

2

2 =Tìm các nghiệm y1 =ϕ1( )x,y2 =ϕ2( )x , ,y n =ϕn( )x , của hệ phương trình vi phân thỏa mãn điều kiện côsi hay các điều kiện ban đầu:

Đối với bài toán côsi thường chỉ có thể tìm được nghiệm đúng của một số phương trình đơn giản như phương trình có biến phân ly độc lập, phương trình đẳng cấp cấp 1, phương trình tuyến tính cấp1,…còn đối với bài toán vế phải f( )x,y có dạng bất kỳ thì nói chung không có phương pháp giải đúng Nếu tính gần đúng thì quá phức tạp nên ít sử dụng trong thực tế

b Phương pháp ơle hoặc ơle cải tiến:

Đặc điểm của phương pháp owle là tính toán đơn giản Bài toán này có dạng như sau:

( )

y

y x f y

Để tìm các giá trị gần đúng của nghiệm y( )x cho bài toán:

Ta chia khoảng [x ,0 X)thành n đoạn nhỏ bằng nhau bởi các điểm chia Xi

n

x X h X X

n i

h i X X

n

i

0 0

;

1 , , 2 , 1 , 0

;

−

=

−

= +

=

Giá trị gần đúng tại x i là ( )y i , giá trị đúng của nghiệm tại x i là ( )y i của nghiệm y(x i +1) Chẳng hạn giải cấp 2, cấp 3, hoặc cấp 4…tùy theo yêu cầu chính xác nghiệm bài toán, ta có dùng cấp chính xác cụ thể của phương pháp giải

Để tăng độ chính xác của phương pháp Ơle người ta có thể giải bài toán theo phương pháp sau:

Khai triển chuỗi taylo, nghiệm y( )x x icủa bài toán tại x i

Thay x=x i+1 =x i+h,y( )x i = f(x i,y( )x i ) vào đẳng thức trên ta có:

=

−

+ +

0 0

1

1

1 , , , ,

x y y

n o i y x hf y y

x x hf y y

i i i

i

i i

Với phương pháp giải Ơle cải tiến, áp dụng công thức Niutơn-Lepnit.Tính gần đúng tích phân xác định ở vế phải bằng công thức hình thang ta nhận được:

Nhược điểm của phương pháp này là độ chính xác thấp(độ chính xác cấp 1)

Để khắc phục nhược điểm này, có thể giải bài toán bằng cách giảm bước h, nhưng khi đó khối lượng tính toán tăng lên và sai số tích lũy do thực hiện các phép tính sẽ tăng lên

c Phương pháp Runge- Kutta

Phương pháp Runge- Kutta là phương pháp giải có độ chính xác cao và cũng như giải phương pháp Ơle Nhưng khi xây dựng công thức Ơle có độ chính xác cấp

1, ta dùng khai triển Taylo, nghiệm y( )x của bài toán tạix ivới ba số hạng Để thành lập những công thức Runge- Kutta có độ chính xác cao hơn Xây dựng công thức Runge- Kutta trong trường hợp tổng quát khá phức tạp, ở đây ta chỉ xét chi tiết trong trường hợp đơn giản nhất

Ta chia khoảng [x ,0 X) thành n đoạn nhỏ bằng nhau bởi các điểm chia Xi

n

x X h X x

n i

h i x x

n

i

0 0

,

1 , , 3 , 2 , 1 , 0 ,

Ví dụ : Khi khai triển Taylo nghiệm y(x i +1) của bài toán tại xi, ta bỏ số hạng 0(h5) của phương pháp giải nghiệm giải bài toán với độ chings xác cấp 4 như sau:

1 , 0

,

2

, 2

2 ,

,

3 4

2 3

1 2

1

4 3 2 1 1 6 1

−

=

+ +

=

=

+ + + +

=

+

n i

k y h x hf k

k y

h x hf k

k y h x hf k

y x hf k

k k k k y y

i i i i

i

i i

i

i

i i i

i i i

i i i i i i

Trong công thức Runge- Kutta nên trên, người ta thường dùng giải bài toán với cấp chính xác cấp 4 vì nó có độ chính xác cao và công thức tính toán cũng không quá phức tạp

Nếu so sánh các phương pháp trên (Ơle, Côsi) thì phương pháp Runge- Kutta

có độ chính xác cao hơn nhưng tính toán phức tạp hơn Ngày nay, các công cụ tính toán chuyên dụng dưới các dạng phần mềm trọn gói đã trở nên rất phổ biến nên trong Luận văn này sẽ sử dụng phần mềm Matlab để giải bài toán mô phỏng hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén

2.5.2 Giới thiệu khái quát về phần mềm Matlab

Matlab7.0, là phần mềm tính toán hiện đại khá thong dụng hiện nay trong các tính toán kỹ thuật, thường được sử dụng để giải các bài toán phức tạp và bài toán tổ hợp với các phần tử là các ma trận mô tả những nghiên cứu kỹ thuật bằng toán học

Đây là phần có giao diện mạnh cùng nhiều lợi thế trong kỹ thuật lập trình để giải quyết những vấn đề rất đa dạng trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật và có thể ứng dụngvào việc giải các bài toán mô phỏng hoạt động của các hệ thống trong ô tô.Các câu lệnh đơn giản, dễ hiểu được viết sát với mô tả kỹ thuật, tạo cho việc lập trình bằng ngôn ngữ nhanh và chính xác hơn, cho phép giải các loại hình toán học

khác nhau nhất là rất hữu dụng cho hệ phương trình vi phân tuyến tính hay các bài toán về ma trận

Matlab đóng vai trò như một công cụ tính toán cho phép tính nhanh các trị số biểu thức và lưu trữ trị số của biểu thức vào bộ nhớ của máy tính

Matlab cung cấp xử lý các mảng dữ liệu, véc tơ ma trận, tính toán và xuất kết quả của các biẻu thức với dữ liệu đầu vào là các véc tơ

Matlab cung cấp các hàm để giải các vấn đề thường gặp trong kỹ thuật Ngoài ra còn có các mô đun ứng dụng riêng phục vụ cho nghiên cứu như phương trình vi phân đạo hàm riêng, giải các bài toán bền bằng phương pháp hữu hạn

Cú pháp odesol dùng để định nghĩa và giải các phương trình vi phânvới thuật toán giải theo phương pháp Runge- Kutta

Đặc biệt Matlab có công cụ Simulink có thể sử dụng rất thuận tiện để mô phỏng các hệ thống, hoạt động của các cơ cấu máy,…dưới dạng nhiều phần tử liên kết với nhau Simulink là phương pháp lập trình trực quan bằng cách chọn và kết nối những khối chức năng có sẵn trong thư viện của nó để tạo thành một chương trình tính toán dưới dạng sơ đồ khối Cách làm này có ưu điểm là trực quan và rất thuận tiện cho người sử dụng, tránh được việc phải ghi nhớ các quy tắc lập trình và các câu lệnh phức tạp bằng tiếng Anh Vì vậy, Luận văn đã lựa chon công cụ này để giải bài toán mô phỏng hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén, tính toán và đánh giá ảnh hưởng của các phần tử trong hệ thống tới hiệu quả phanh

Chương III: MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG

PHANH KHÍ NÉN 3.1 Đặt vấn đề

Hiệu quả phanh ô tô phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, nhưng có thể phân chúng thành hai nhóm: nhóm các thông số kết cấu ( các thông số dẫn động phanh cơ cấu phanh) và các thông số khai thác và vận hành

Trong quá trinh tính toán, thiết kế hệ thống phanh, nhiệm vụ của các nhà thiết kế là tìm các giải pháp kết cấu để đảm bảo chất lượng phanh Đối với hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén hiện nay thường sử dụng một số giải pháp sau:

- Giảm tối đa chiều dài các đường ống dẫn nhằm giảm cản trở dòng khí

- Lựa chọn đường kính ống hợp lý nhằm tạo điều kiện chuyển động tối ưu cho dòng khí

- Giảm tối đa thể tích làm việc của các bát phanh để giảm thời gian điền đầy khí vào các thể tích này

- Sử dụng van gia tốc để rút ngắn đường ống nạp khí tới các bát phanh

Tất cả các giải pháp kết cấu nêu trên đều nhằm một mục đích chung là giảm thời gian chậm tác dụng của hệ thống dẫn động và nhờ đó tăng hiệu quả phanh ô tô

Từ những nội dung nêu trên, tác giả tính toán, mô phỏng hệ thống dẫn động phanh khí nén để biết được những ảnh hưởng của những thông số kết cấu Trong luận văn này tác giả sử dụng những thông số kết cấu của hệ thống phanh khí nén của ô tô tải

cỡ lớn KAMAZ – 5511