Nghiên cứu khả năng đáp ứng của dẫn động khí nén trong hệ thống phanh ABS

Nghiên cứu khả năng đáp ứng của dẫn động khí nén trong hệ thống phanh ABS

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

1 Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS Nguyễn Trọng Hoan

2 Mọi tài liệu tham khảo trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng

3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

jpmax Gia tốc phanh lớn nhất

tp thời gian phanh

fc Tiết diện của dòng khí

f Tiết diện của lỗ tiết lưu

Bảng 3.6 Giá trị áp suất cầu sau theo áp suất ABS bắt đầu làm việc ở

=4Hz và hệ số thời gian tăng áp =0.80

69

Bảng 3.7 Giá trị áp suất cầu trước theo tần số ở hệ sốthời gian tăng áp

 =0.6 và áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

72

Bảng 3.8 Giá trị áp suất trên và áp suất dưới cầu sau theo tần số ở hệ số

thời gian tăng áp  =0.6 và áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

74

Bảng 3.9 Giá trị áp suất cầu trước theo hệ số thời gian tăng áp ở tần số

 =8 Hz và áp suất ps=6.9 (x105N/m2) trên xe cải biên

75

Bảng 3.10 Giá trị áp suất cầu sau theo hệ số thời gian tăng áp  ở tần số

 =8 Hz và áp suất ps=6.9 (x105N/m2) trên xe cải biên

76

Bảng 3.11 Giá trị áp suất cầu trước xe cơ sở theo tần số  ở hệ số hệ số

thời gian tăng áp  = 0.73 và áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

78

Bảng 3.12 Giá trị áp suất cầu trước xe cải biên theo tần số ở hệ số hệ

số thời gian tăng áp  = 0.35 và áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

78

Bảng 3.13 Giá trị áp suất cầu sau xe cơ sở theo tần số ở hệ số hệ số

thời gian tăng áp  = 0.73 và áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

79

Bảng 3.14 Giá trị áp suất cầu sau xe cải biên theo tần số ở hệ số hệ số

thời gian tăng áp  = 0.35 và áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Đồ thị chỉ sự phụ thuộc của quãng đường phanh nhỏ nhất vào

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén có trang bị ABS 12

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén 28

Hình 2.3 Tiết lưu và ký hiệu của nó trên sơ đồ mô phỏng 30 Hình 2.4 Sơ đồ lưu lượng đi qua van tiết lưu vào dung tích 33 Hình 2.5 Sơ đồ lưu lượng đi vào dung tích thay đổi 34

Hình 3.1 Sơ đồ và thông số hệ thống phanh chân xe tham khảo 38 Hình 3.2 Sơ đồ tính toán nhánh phanh cầu trước 39 Hình 3.3 Sơ đồ tính toán nhánh phanh cầu sau 43 Hình 3.4 Sơ đồ khối trong quá trình mô phỏng tăng áp cầu trước 49 Hình 3.5 Sơ đồ khối trong quá trình mô phỏng tăng áp cầu sau 50 Hình 3.6 Sơ đồ khối trong quá trình mô phỏng giảm áp cầu trước 51 Hình 3.7 Sơ đồ khối trong quá trình mô phỏng giảm áp cầu sau 52

Hình 3.8 Sơ đồ khối điều khiển nhánh cầu trước 53 Hình 3.9 Sơ đồ khối điều khiển nhánh cầu sau 54 Hình 3.10 Sơ đồ và thông số hệ thống phanh chân xe tham khảo 55

Hình 3.13 Các thông số của tần số điều khiển 58

Hình 3.16 Dạng áp suất khi chạy mô phỏng với tân số 3Hz và hệ số tăng

Hình 3.18 Sự phụ thuộc của áp suất trên và áp suất dưới cầu trước theo

tần số ở hệ số thời gian tăng áp = 0.85

Hình 3.23 Sự phụ thuộc của áp suất trên và áp suất dướii cầu sau theo

hệ số thời gian tăng áp ở tần số = 4Hz

66

Hình 3.24 Dạng áp suất trên và áp suất dưới cầu trước theo áp suất ABS

bắt đầu hoạt động ps = 6.9 (at), tần số = 4Hz và =0.80

67

Hình 3.25 Dạng áp suất trên và áp suất dưới cầu trước theo áp suất ABS

bắt đầu hoạt động ps= 5 (at), tần số = 4Hz và =0.80

68

Hình 3.26 Sự phụ thuộc của áp suất trên và áp suất dưới cầu trước theo

áp suất bắt đầu làm việcps ở =4Hz và=0.80

Hình 3.29 Áp suất hệ thống khi chạy mô phỏng với tần số  = 8Hz và

hệ số thời gian tăng áp  =0.8

72

Hình 3.30 Sự phụ thuộc của áp suất trên và áp suất dươi cầu trước theo

tần số ở ở hệ sốthời gian tăng áp  =0.6 và áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

73

Hình 3.31 Sự phụ thuộc của áp suất trên và áp suất dươi cầu sau theo

tần số ở hệ số thời gian tăng áp  =0.6 và áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

74

Hình 3.32 Sự phụ thuộc của áp suất trên và áp suất dưới cầu trước theo

 ở tần số  =8 Hz và áp suất ps=6.9(x105N/m2)

76

Hình 3.33 Sự phụ thuộc của áp suất trên và áp suất dươi cầu sau theo hệ

số thời gian tăng áp ở tần số  =8 Hz và áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

77

Hình 3.34 So sánh sự biến đổi áp suất cầu trước của xe cơ sở và xe cải

biên trong điều kiện tối ưu  = 0.73 và  = 0.35 ở áp suất

ps=6.9 (x105N/m2)

79

Hình 3.35 So sánh sự biến đổi áp suất cầu sau của xe cơ sở và xe cải

biên trong điều kiện tối ưu  = 0.73 đối với xe cơ sở và = 0.35 đối với xe cải biên ở áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

80

Hình 3.36 So sánh sự biến đổi áp suất cầu trước của xe cơ sở và xe cải

biên trong hai trường hợp  =6Hz đối với xe cải biên

và =4Hz đối với xe cơ sở ở áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

82

Hình 3.37 So sánh sự biến đổi áp suất cầu trước của xe cơ sở và xe cải

biên trong hai trường hợp  =6Hz đối với xe cải biên và

=4Hz đối với xe cơ sở ở áp suất ps=6.9 (x105N/m2)

84

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục các ký hiệu Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ và đồ thị MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH ÔTÔ TẢI DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN CÓ TRANG BỊ ABS 3

1.1Công dụng, yêu cầu và phân loại hệ thống phanh 3

1.1.1Công dụng 3

1.1.2 Yêu cầu 3

1.1.3 Phân loại 4

1.2 Các yếu tố đánh giá hiệu quả phanh 4

1.2.1 Gia tốc chậm dần khi phanh 4

1.2.2 Thời gian phanh 6

1.2.3 quãng đường phanh 7

1.2.4 Lực phanh và lực phanh riêng 8

1.3 Giới thiệu chung về ABS và phanh khí nén có trang bị ABS 9

1.3.1 Giới thiệu chung về ABS 9

1.3.2 Phanh khí nén có trang bị ABS 12

1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về ABS khí nén bằng phương pháp mô phỏng 23

1.5 Vấn đề nghiên cứu 24

1.6 Mục tiêu, phạm vi, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài 25

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 26

2.1 Phương pháp mô phỏng với các thông số tập trung 27

2.1.1 Lưu lượng tức thời đi qua tiết lưu 29

2.1.2Hàm lưu lượng 30

2.2 Phương trình lưu lượng đi vào dung tích 32

2.2.1Lưu lượng tức thời vào dung tích không đổi 32

2.2.2 Lưu lượng tức thời vào dung tích thay đổi 33

2.3Phương trình lưu lượng đi qua điểm nút 34

2.4 Các đồ thị thực nghiệm 34

CHƯƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ TẢ HỆ THỐNG 37

3.1 Sơ đồ tính toán và thông số của xe tham khảo 37

3.2 Xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống 37

3.2.1 Xây dựng mô hình toán học mô tả nhánh phanh cầu trước của hệ thống 37

3.2.2 Xây dựng mô hình toán học mô tả nhánh phanh cầu sau của hệ thống 42

3.3Xây dựng chương trình tính toán bằng phần mềm Matlab Simulink 45

3.3.1 Giới thiệu về Matlab Simulink 45

3.3.2 Mô phỏng quá trình tăng áp và giảm áp của hệ thống bằng Matlab Simulink 47

3.3.3 Tính toán và khảo sát hệ thống phanh 54

3.4 Khảo sát các quá trình của phanh ABS khí nén trên xe cơ sở 56

3.4.1 Tìm các thông số của tần số ảnh hưởng đến sự biến đổi áp suất của hệ thống 56

3.4.2 Khảo sát sự phụ thuộc của áp suất theo một số thông số 57

3.5 Giải pháp nâng cao tần số điều khiển 69

3.5.1Khảo sát áp suất hệ thống phụ thuộc vào tần sốtrên xe cải biên 70

3.5.2Khảo sát áp suất hệ thống phụ thuộc vào hệ số thời gian tăng áp trên xe cải biên 74

3.6 so sánh hiệu quả của hệ thống phanh ABSxe cải biên và xe cơ sở 76

3.6.1 so sánh sự phụ thuộc áp suất xe cải biên và xe cơ sở theo khi =const 76

3.6.2so sánh sự phụ thuộc áp suất xe cải biên và xe cơ sở theo  khi  =const 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

1

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nghành công nghiệp ô tô trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ Ô tô được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân như: Giao thông vận tải, nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, quốc phòng… Trong đó Để đáp ứng được xu thế đó, nghành công nghiệp ô tô Việt Nam đã ra đời Hàng loạt các liên doanh sản xuất lắp ráp ô tô được thành lập nhằm cung cấp cho thị trường những loại ô tô có kết cấu, tải trọng

và giá thành phù hợp với yêu cầu của thị trường trong nước

Khi thiết kế chế tạo một chiếc ô tô mới, ngoài việc lựa chọn kết cấu, mẫu mã, chủng loại, giá cả…của ô tô và thị hiếu của thị trường thì một trong những quan tâm hàng đầu là tính năng an toàn khi chuyển động và tính hiệu quả kinh tế của ô tô Tính năng an toàn khi chuyển động được thể hiện rõ rệt nhất ở sự làm việc của hệ thống phanh Trên mỗi loại ô tô khác nhau sẽ được trang bị các hệ thống phanh có kết cấu khác nhau như: hệ thống phanh dẫn động bằng cơ khí, hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén, hệ thống phanh dẫn động bằng thuỷ lực, hệ thống phanh kết hợp dẫn động khí nén - thuỷ lực…

Số lượng các xe tải và xe khách ở Việt Nam đang tăng lên nhanh chóng và ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong nền công nghiệp vận tải nội địa, nhưng đi kèm với đó là số lượng các tai nạn nghiêm trọng liên quan đến xe tải và xe khách ngày càng tăng

Trên các loại ô tô tải hạng trung đến hạng nặng thường được trang bị hệ thống phanh khí nén nhằm đảm bảo an toàn cho xe khi chuyển động Với ưu điểm là lực tác động lên bàn đạp nhỏ, nhưng vẫn đảm bảo được lực phanh cần thiết cho xe Hơn nữa ngày nay trên các xe khách hay ô tô tải, các nhà sản xuất đã trang bị thêm hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS, nhằm cải thiện tốt hơn tính an toàn cho xe

Hệ thống phanh khí nén có nhược điểm là độ trễ của khí nén vậy độ trễ này có ảnh hưởng như thế nào đến ABS của hệ thống đặc biệt là tần số điều khiển vì khi tần số quá cao hệ thống có thể không đáp ứng kịp, nhưng tần số điều khiển càng cao hiệu quả của ABS cũng càng cao Để hiểu rõ được quá trình xảy ra bên trong hệ

luận văn đã chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng đáp ứng của dẫn động khí nén trong hệ thống phanh ABS”.Với mục đích tìm hiểu quá trình thay đổi áp suất tại

bầu phanh khi hệ thống ABS tác động với các tần số điều khiển khác nhau và tìm ra tần số điều khiển giới hạn cũng nhƣ đƣa ra giải pháp để nâng cao tần số điều khiển

- Giữ cho xe đứng yên một chỗ trong thời gian dài

- Kết hợp với các hệ thống khác như hệ thống treo, hệ thống lái… Để ổn định hướng chuyển động của xe, cân bằng thân xe và cải thiện khả năng tăng tốc của xe

- Trong một số xe chuyên dụng, hệ thống phanh còn kết hợp với hệ thống lái để quay vòng xe

1.1.2 Yêu cầu

- Có hiệu quả phanh cao nhất ( thời gian phanh nhỏ, quãng đường phanh nhỏ, gia tốc phanh lớn)

- Phanh êm dịu và đảm bảo ổn định của ôtô khi phanh

- Dẫn động phanh phải có độ nhạy cao, thời gian chậm tác dụng nhỏ

- Điều khiển nhẹ nhàng ( lực tác động nhỏ, nhưng phải tạo được cảm giác khi phanh)

- Phân bố mômen phanh hợp lý, tận dụng tối đa trọng lượng bám tại các bánh xe khi phanh, không xảy ra hiện tượng trượt lết khi phanh

- Không có hiện tượng tự xiết

- Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt

- Hệ số masát giữa má phanh và tang trống hay đĩa phanh cao, ổ định trong điều kiện sử đụng

- Lực phanh trên các bánh xe tỷ lệ với lực điều khiển trên bàn đạp

- Có khả năng giữ xe trên dốc trong thời gian dài

- Dễ lắp ráp, điều chỉnh, sửa chữa

- Ngày nay một yêu cầu gần như mang tính bắt buộc cho các xe là không có hiện tượng trượt lết khi phanh để đảm bảo tính điều khiển và ổn định hướng chuyển

4

động của xe

1.1.3 Phân loại

a) Phân loại theo đặc điểm điều khiển:

- Phanh chính ( phanh chân): dùng để giảm tốc độ của xe khi đang chuyển động

- Phanh phụ ( phanh tay): dùng để đỗ xe khi người lái rời khỏi buồng lái và dùng làm phanh dự phòng

- Phanh bổ trợ ( phanh bằng động cơ, thủy lực hay điện từ): dùng để tiêu hao bớt một phần động năng của ôtô khi cần tiến hành phanh lâu dài ( phanh trên dốc …) b) Theo kết cấu cơ cấu phanh:

- Cơ cấu phanh tang trống

- Cơ cấu phanh dạng phanh đĩa

- Cơ cấu phanh dạng phanh dải

d) Theo mức độ hoàn thiện hệ thống phanh:

- Phanh có trang bị bộ điều hòa lực phanh

- Phanh có trang bị ABS

1.2 Các yếu tố đánh giá hiệu quả phanh

1.2.1 Gia tốc chậm dần khi phanh

Gia tốc chậm dần khi phanh là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả phanh Phương trình cân bằng lực kéo khi phanh như sau:

Khi tính toán cho xe chạy trên đường bằng ta bỏ qua Pi

Như vậy phương trình cân bằng lực kéo trở thành:

 jpmax i : Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay

jpmax: Gia tốc phanh lớn nhất

Biểu thức (1.1) cho thấy rằng gia tốc chậm dần khi phanh tỷ lệ thuận với hệ số bám () giữa lốp xe và mặt đường Với loại đường nhựa tốt thì hệ số bám lớn = 0,7 0,8 (ngày nay ở một số trường hợp đặc biệt hệ số bám có thể lớn hơn 1) vì vậy

1.2.2 Thời gian phanh

Thời gian phanh cũng là một chỉ tiêu dùng để đánh giá hiệu quả của quá trình phanh.Thời gian phanh càng nhỏ thì hiệu quả phanh càng lớn

v

j j

dv t

v1-vận tốc của xe tại thời điểm bắt đầu phanh

v2-vận tốc của xe ở cuối quá trình phanh

Biểu thức (1.2) cho thấy, thời gian phanh nhỏ nhất tỷ lệ thuận với hệ số (j) và vận tốc bắt đầu phanh (v1), tỷ lệ nghịch với hệ số bám () và gia tốc trọng trường (g) Như vậy, để cho thời gian phanh nhỏ cần phải giảm (j), do đó người lái cần cắt

ly hợp khi phanh để giảm thời gian phanh

Thời gian phanh tính theo các công thức (1.2) là thời gian phanh mang tính chất

lý thuyết, nghĩa là thời gian này được tính trong điều kiện lý tưởng, khi phanh áp suất chất lỏng (hoặc khí nén) đạt giá trị cực đại ngay tại thời điểm bắt đầu phanh và không kể đến thời gian phản ứng của lái xe

Thực tế, thời gian phanh bao gồm những khoảng thời gian sau:

7

 Thời gian phản xạ của người lái (t1): là khoảng thời gian tính từ thời điểm lái

xe quyết định phanh đến lúc tác dụng lên bàn đạp phanh, thời gian này phụ thuộc vào phản xạ của người lái, thường nằm trong khoảng: t1 = 0,3  0,8 s

 Thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh (t2): là khoảng thời gian tính từ

lúc người lái tác dụng lên bàn đạp phanh đến lúc má phanh ép sát vào trống phanh, thời gian (t2) phụ thuộc vào kiểu dẫn động phanh

t2 = 0,03 s Đối với dẫn động phanh thủy lực

t2 = 0,56 s Đối với dẫn động phanh bằng khí nén

 Thời gian phát triển lực phanh (t3): là khoảng thời gian tính từ thời điểm lực phanh bắt đầu có tác dụng hãm bánh xe đến thời điểm lực phanh đạt đến một giá trị nhất định ( có thể coi thời điểm này là thời điểm lực phanh đạt giá trị cực đại)

 Thời gian phanh chính (t4): thời gian này được xác định theo công thức (1.2) Trong thời gian này, lực phanh (Fp) hoặc gia tốc chậm dần (jp) được duy trì ở giá trị cực đại

 Thời gian nhả phanh (t5): là khoảng thời gian tính từ thời điểm người điều khiển thôi tác dụng lên bàn đạp phanh đến khi lực phanh được loại bỏ (Fp = 0) Khi ôtô dừng hoàn toàn thì thời gian t5 không ảnh hưởng gì đến quãng đường phanh nhỏ nhất Như vậy, thời gian phanh thực tế của quá trình phanh kể từ khi người điều khiển ra quyết định phanh xe cho đến khi xe dừng hẳn được tính như sau:

t = t1 + t2 + t3 + t4

1.2.3 quãng đường phanh

Quãng đường phanh (Sp) là đoạn đường mà ôtô tiếp tục di chuyển tính từ thời điểm bắt đầu phanh đến thời điểm quá trình phanh kết thúc.Quãng đường phanh là một chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá hiệu quả phanh của ô tô Đây là chỉ tiêu mà người điều khiển xe thường quan tâm nhất và có thể nhận thức được một cách trực quan điều đó giúp người điều khiển sử lý tốt các tình huống khi phanh ôtô trên đường

8

Trong trường hợp phanh khẩn cấp:

j p

g dt

dv j

p g dS dS

dt

dv

.

.







p j dS

g dv

1

2

v v g dv v g

phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc

chuyển động của ôtô lúc bắt đầu phanh (theo

hàm bậc hai), phụ thuộc vào hệ số bám ()

và hệ số quán tính quay (j) Để giảm quãng

đường phanh cần giảm hệ số (j) bằng cách

cắt ly hợp khi phanh

Đồ thị hình (H 1-1) cho thấy sự thay

đổi của quãng đường phanh nhỏ nhất theo

(v1)và () Vận tốc ban đầu càng lớn thì

quãng đường phanh càng lớn Hệ số bám

càng lớn thì quãng đường phanh càng nhỏ

1.2.4 Lực phanh và lực phanh riêng

Khi kiểm tra hệ thống phanh trên bệ thử người ta thường dùng chỉ tiêu lực phanh và lực phanh riêng để đánh giá hiệu quả của hệ thống phanh Lực phanh Ppđược xác định theo biểu thức:

Hình 1.1 Đồ thị chỉ sự phụ thuộc của quãng đường phanh nhỏ nhất vào v1 và 

9

Pp = pb

M r

Mp: tổng mô men phanh sinh ra tại các cơ cấu phanh

Rb: Bán kính làm việc trung bình của các bánh xe Lực phanh riêng (p) – còn gọi là hiệu suất phanh là tỷ số giữa lực phanh và

1.3 Giới thiệu chung về ABS và phanh khí nén có trang bị ABS

1.3.1 Giới thiệu chung về ABS

Như đã biết ở phần trên khi lốp bị bó cứng thì hệ số bám  sẽ giảm đi và đặc biệt là hệ số bám ngang giảm đi nhiều, khi đó sẽ làm giảm hiệu quả phanh làm mất khả năng điều khiển hướng và mất ổn định thân xe Vì vậy ngăn chặn hiện tượng bó cứng bánh xe là điều cần thiết để tăng độ an toàn cho xe Để làm được điều này cần lặp lại động tác đạp và nhả bàn đạp phanh nhiều lần Tuy nhiên, đối với người lái để làm được việc này là không thể khi phanh khẩn cấp, để thực hiện công việc này thay cho người lái các xe hiện nay sử dụng hệ thống gọi là ABS ( Anti-lock Brake System)

* Vai trò của ABS

ô tô bố trí ABS khi phanh ô tô sẽ chuyển động với hướng ổn định đến khi nào dừng lại, kể cả khi hoạt động trên đường cong, hoặc trên nền đường có trạng thái khác nhau

- Thông qua việc chống bó cứng từ đó đảm bảo hệ số bám luôn ở giá trị cao từ

đó đảm bảo khả năng điều khiển hướng của xe luôn được đảm bảo ở mức tốt nhất

- Tạo điều kiện nâng cao hiệu quả phanh đặc biệt khi sử dụng ở đường tốt

*Hoạt động của hệ thống phanh ABS

Nguyên lý hoạt động của ABS được trình bày như trong hình 1.2

Hệ thống ABS dùng một ECU để xác định tình trạng quay của 4 bánh xe trong khi phanh từ cảm biến tốc độ bánh xe và có thể tự động tăng giảm áp suất ở các xilanh bánh xe hay bầu phanh

Sự khác nhau về tỷ lệ giữa tốc độ của xe và tốc độ của các bánh xe được gọi là

“hệ số trượt”

Khi sự chênh lệch giữa tốc độ của xe và tốc độ của các bánh xe trở nên quá lớn,

sự quay trượt sẽ xảy ra giữa các lốp và mặt đường

Điều này cũng tạo nên ma sát và cuối cùng có thể tác động như một lực phanh

Do đó, để duy trì mức tối đa của lực phanh, cần phải duy trì hệ số trượt trong giới

hạn 10-30% ở mọi thời điểm

11

Hình 1.2 Nguyên lý điều khiển ABS Ngoài ra, cũng cần phải giữ lực bám ngang ở mức cao để duy trì sự ổn định về hướng (nếu mất lực bám ngang xe sẽ mất khả năng điều khiển hướng) Để thực hiện điều này, người ta thiết kế hệ thống ABS để tăng hiệu suất phanh tối đa bằng cách

sử dụng hệ số trượt là 10-30% bất kể các điều kiện của mặt đường, đồng thời giữ lực quay vòng càng cao càng tốt để duy trì sự ổn định về hướng

12

1.3.2 Phanh khí nén có trang bị ABS

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén có trang bị ABS

15 tổng phanh

16 Bàn đạp phanh

a)Van chia ngả bảo vệ hai dòng

Van có công dụng chia dòng khí thành hai nhánh tạo nên các dòng khí độc lập, khi một trong hai dòng bị mất áp suất thì dòng còn lại vẫn làm việc đƣợc

Cấu tạo của van chia ngả bảo vệ hai dòng đƣợc mô tả nhƣ trong hình 1.4

12 13 14 15

16 17

18

13

Khi có khí nén cấp vào đường I, khí nén sẽ đẩy mở các van một chiều 3, cấp khí cho các khoang B và Cdưới tác dụng của áp suất khí nén ép lò xo 5 đẩy píttôngsố 4

Hình 1.4 Van chia ngả bảo vệ hai dòng theo chiều mở van 3, van 3 được mở lớn hơn Khí có áp suất cấp vào đường II và III

đi đến các bình chứa khí

Khi đường số III bị mất áp suất, áp suất khí bên đường II lớn hơn sẽ đẩy pittông trung tâm sang phải, đồng thời lò xo số 5 bên phải đẩy pittông 4 sang trái đóng van một chiều 3 bên phải ngừng cung cấp khí cho đường III, đường II vẫn hoạt động bình thường

b Van phân phối

Cấu tạo của van phân phối trình bày trong hình 1.5

*Cụm bàn đạp:

Bàn đạp phanh 22 có cơ cấu hoạt động 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

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 piston dưới 11- Lò xo hồi vị van trên 12- Van trên

13- Lò xo đỡ trục xuyên tâm 14- Lò xo ép piston trên

15- Piston trên 16- Thân van trên 17- Nắp van phanh 18- Vít điều chỉnh 19- Cốc ép

20- Chốt tỳ 21- Con lăn 22- Bàn đạp phanh

van trên, Van dưới của van phân phối

*Cụm van điều khiển dòng phanh sau:

15

Nhiệm vụ chính là đóng mở dòng phanh dẫn ra cầu sau Cụm van này bao gồm: nắp van phanh 17 và các chi tiết nằm trong thân van trên 16 Pittong 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 pittong 15là đế van trong của cụm van Đế van trong dịch chuyển cùng với pittông 15, van 12 ép sát vào đế van Khi không phanh , van 12 đóng đường cung cấp khí nén từ P1 sang B1, đồng thời mở đường dẫn khí B1 qua lỗ xuyên tâm thông

ra khí quyển R

*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 Pittông 4 có lõi là ống trụ rỗng làm nhiệm vụ xả khí ra khí quyển.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 ép vào đế van ngoài

Khi không phanh van 9 đóng đường cấp khí nén từ P2 sang B2, đồng thời mở đường thông ra khí quyển Lò xo 5 tỳ lên đế đỡ 8, luôn có xu hướng ép van 9 đóng đường cấp khí từ P2 sang B2 Đế đỡ 8 được cố định nhờ vòng khóa hở miệng nằm trong thân van dưới 6.Van 12 chế tạo bằng cao su được định dạng nhờ ống trụ dẫn hướng

*Nguyên lý làm việc

-Khi không phanh các lò xo hồi vị 2, 5, 10, 11, giữ cho các van 12 và van 9 ở

trạng thái đóng, không cung cấp khí từ P1 P2 sang B1 B2 đồng thời thông đường B1 B2 với khí quyển qua đường tâm van

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

19 đi xuống Khi khắc phục xong khe hở tự do bích chặn ép lò xo 14 đẩy pittông trên 15 đi xuống Ban đầu đế van 12 tiếp xúc với mặt van đóng đường thông B1 ra khí quyển Đế van 12 tiếp tục đi xuống mở van 12 thông đường P1 với B1cấp khí nén đi tới các bầu phanh cầu sau

Đồng thời khí nén từ B1 qua lỗ nhỏ lên mặt dưới của pittông 15 sinh lực ngược chiều với lực bàn đạp gây cảm giác nặng cho người lái Khí nén còn qua lỗ nhỏ

-Khi nhả phanh, bàn đạp phanh 21 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, đẩy pittông dưới 4 và pittông trên

15 dịch chuyển lên trên Quá trình dịch chuyển xảy ra: 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 B2bị ngắt và nối thông đường khí B2, B1 ra khí quyển E Khí nén từ các bầu phanh được

xả ra ngoài nhờ lò xo hồi vị ở cơ cấu phanh và bầu phanh bánh xe, quá trình phanh kết thúc

-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 piston 15 và mặt trên của piston 4

Giữ nguyên vị trí bàn đạp (không tăng lực điều khiển), áp suất sau van sẽ tiếp tục tăng theo quán tính dòng khí và có xu hướng đẩy piston trên 15 dịch lên, tạo điều kiện cho van 12 đi lên, đóng mặt van 12 với đế van ngoài, bịt đường khí cấp cho đường P1, áp suất sau van 12 không tăng được nữa Khi đó, áp suất ở mặt trên piston dưới 4 không tăng được nữa, tạo điều kiện cho piston 4 đi lên, đóng mặt van

9 với đế van ngoài, bịt đường khí cấp cho đường B1, 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 ở cơ cấu phanh

17

-Khi một dòng phanh bị hỏng:

Van phân phối hai dòng còn cho phép làm việc khi bị hỏng một dòng phanh bất

kì, tuy nhiên hiệu quả phanh sẽ kém hơn

Khi dòng phanh sau bị hỏng: Giả thiết dòng 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 đường 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 Khi dòng phanh trước bị hỏng: nếu dòng phanh trước bị mất áp suất, quá trình đóng mở cụm van trên vẫn thực hiện được 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 Khi một trong hai dòng phanh bị hỏng, vùng áp suất cao tại một dòng phanh được ngăn cách với dòng phanh còn lại nhờ piston 4 và các phớt cao su bao kín, đảm bảo cho dòng phanh có áp suất vẫn hoạt động

c Bầu phanh bánh xe

Bầu phanh bánh xe có cấu trúc như xi lanh lực tác động một chiều Vỏ của bầu phanh được bắt cố định trên vỏ cầu, đòn đẩy tựa chặt trên piston đẩy và dịch chuyển

để điều khiển cam quay

Bầu phanh bánh xe có nhiệm vụ tạo lực khí nén đẩy đòn đẩy dịch chuyển, tạo nên xoay cam quay ở cơ cấu phanh

*Bầu phanh đơn

Cấu tạo của bầu phanh đơn được mô tả trong hình 1.6

Cấu tạo của bầu phanh đơn dạng màng gồm hai nửa vỏ của bầu phanh 1,7 Màng cao su 5 bố trí giữa hai nửa vỏ, chia bầu phanh thành hai khoang.Khoang trên có cửa P dẫn khí nén từ van phân phối đến, khoang dưới có lỗ thông R với khí quyển

Lò xo hồi vị 2 có tác dụng đẩy màng 5 về vị trí ban đầu khi không phanh

Màng 5 được đỡ bằng tấm đỡ 4, và nối liền với đòn đẩy 6.Đòn đẩy 6 và đầu nối 10 liên kết bắt ren với nhau, tạo thành đòn đẩy dẫn động quay cam quay đóng mở cơ

Khi không phanh, dưới tác dụng của lò xo hồi vị 2, màng 5 ở vị trí tận cùng phía trên Khi phanh, khí nén có áp suất cao được dẫn tới khoang trên của bầu phanh qua

lỗ P, đẩy màng 5 và đòn đẩy 6 dịch chuyển về xuống dưới, thực hiện sự xoay cam quay trong cơ cấu phanh Khi nhả phanh, dưới tác dụng của lò xo hồi vị 2 đẩy màng

5, kéo đòn 6 trở về vị trí ban đầu Khí nén ở khoang trên theo đường ống quay về van phân phối thoát ra ngoài, kết thúc quá trình phanh

*Bầu phanh tích năng

Cấu tạo của bầu phanh và các trạng thái làm việc thể hiện trên hình 1.7:

Bầu phanh tích năng gồm hai bầu phanh được ghép nối tiếp nhau, một bầu phanh chính và một bầu phanh tích năng

19

Bầu phanh chính có cấu tạo và nguyên lý làm việc trên cơ sở bầu phanh đơn dạng màng Trong bầu phanh chính có hai khoang: khoang P thông với khí quyển, khoang S thông với đường cấp và thoát khí nén khi phanh từ van phân phối

Bầu phanh tích năng dạng xi lanh piston khí cũng chia làm hai khoang: khoang T thông với khí trời nhờ đường ống 4, còn khoang Q thông với van phanh

13- 13.Piston tích năng 14- 14.Lò xo tích năng A-Điều khiển phanh chân B-Điều khiển nhả phanh

T- Khoang tích năng

S- Thông với A P-Thông với khí quyển

Q-Khoang thông với B

Hình 1.7 : Bầu phanh tích năng tay qua đường dẫn B Trong khoang tích năng T gồm: vỏ bầu phanh tích năng 3, piston tíchnăng 13, ốc điều chỉnh 1 Toàn bộ các chi tiết của buồng tích năng đặt nối tiếp với bầu phanh chính thông qua ống đẩy 2

20

Nguyên lý làm việc:

Trạng thái ban đầu, khi chưa có khí nén, dưới tác dụng của lò xo tích năng 14, đẩy piston 13, ống đẩy 2, màng 6 và đòn đẩy 7 về bên phải, thực hiện phanh bánh

xe Đây là trạng thái phục vụ việc đỗ xe trên dốc ( chức năng phanh tay)

Khi không phanh, máy nén khí đạt áp suất khoảng 0,7 MPa, đường B được cấp khí từ bình chứa khí (hoặc van phanh tay) vào khoang Q Khí nén đẩy piston tích năng 13, nén lò xo tích năng về bên trái Dưới tác dụng của lò xo hồi vị 9, màng 6 dịch chuyển sang trái, kéo cam quay cơ cấu phanh về vị trí nhả phanh, bánh xe lăn trơn

Khi phanh bằng phanh chân, van phân phối mở đường khí vào đường A tới khoang S, đồng thời trong khoang Q có khí nén, màng 6 bị dịch chuyển về bên phải, đòn đẩy 7 sẽ kéo cam quay thực hiện xoay cam để phanh bánh xe

Khi thôi phanh, khí nén theo đường A thoát ra ngoài qua van phân phối, thực hiện sự nhả phanh

Nếu trên ô tô không còn khí nén, lò xo tích năng 14 luôn có xu hướng đẩy ống đẩy 2 và đòn đẩy 7 về trạng thái phanh làm cơ cấu phanh bị phanh cứng Bầu phanh tích năng có thể thay thế cho chức năng của phanh tay hoặc phanh khẩn cấp, do đó thường được bố trí trên các cầu sau của ô tô tải và rơ mooc

d van gia tốc

Cấu tạo van gia tốc được mô tả trên hình 1.8

Van gia tốc có công dụng giảm quãng đường đi của khí nén, làm giảm thời gian chậm tác dụng của phanh

Khi không có khí nén vào đường A (không đạp bàn đạp phanh), van dưới 6 đóng, van trên 3 mở Đường B thông ra khí quyển, không có khí nén đến bầu phanh Khi có khí nén từ van phân phối đến đường A ( đạp bàn đạp phanh) , khí nén đẩy piston trên đi xuống, đóng van trên( đường B ngăn không thông ra môi trường), piston trên tiếp tục đi xuống, van đưới mở ra thông đường D và đường B cấp khí nén từ bình tới bầu phanh

Khi dừng đạp bàn đạp phanh tại một vị trí, áp suất tại A không tăng, nhưng theo

7 7.Thân van dưới

A A.Đường khí từ van phân phối

B B.Đường khí ra bầu phanh

C C.Đường khí ra môi trường

D D.Đường khí từ bình khí nén tới

Hình 1.8 Van gia tốc Khi thôi cấp khí từ van phân phối đến A, đưới tác dụng của lò xo hồi vị, cần đẩy 4 và piston đi lên, đóng đường thông từ B sang D và mở đường thông từ B ra môi trường, xả khí ở bầu phanh ra môi trường

e Van ABS khí nén

Cấu tạo của van ABS khí nén được trình bày như trong hình 1.9:

*Trạng thái tăng áp hay khi van ABS chưa làm việc

Khi van ABS chưa làm việc van 7 đóng, van 14 mở

Van 7 đóng, khoang I không thông với khoang H và mở đường thông khoang H

ra môi trường Van 14 mở, khoang I thông với khoang K, khoang K ngăn cách với môi trường

Khi đạp bàn đạp phanh, khí nén từ van phân phối hay van gia tốc cấp vào đường I, áp suất phía trên màng 19 thấp( van 7 đóng), khí nén đẩy mở màng 19,

23

Van 14 đóng, khoang I ngăn cách với khoang K, khoang K thông ra môi trường.áp suất phía dưới màng 17 thấp, màng 17 mở xả khí từ khoang 0( bầu phanh) ra môi trường Áp suất bầu phanh giảm

*Trạng thái giữ áp

Van 7 mở, van 14 mở

Van 7 mở, khoang I thông với khoang H, khoang H ngăn cách với môi trường

Áp suất từ khoang I đến phía trên màng 19, màng 19 đóng ( áp suất phía trên màng

19 cao )

Van 14 mở, khoang I thông với khoang K, khoang K ngăn cách với môi trường,

áp suất phía dưới màng 17 cao, màng 17 đóng

Cả hai màng 19 và 17 đóng, không cho khí từ khoang I sang khoang 0, đồng thời không cho khí từ khoang 0 xả ra môi trường, áp suất khoang 0 ổn định

Trong quá trình điều khiển ABS khí nén, khi đưa tần số điều khiển lên cao như hệ thống phanh thủy lực sảy ra vấn đề là quá trình thay đổi áp suất khi tăng và giảm

áp không đáp ứng được dẫn đến hệ thống không làm việc ở tần số cao

1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về ABS khí nén bằng phương pháp mô phỏng

Một số nghiên cứu đã ứng dụng phương pháp mô phỏng tập trung để giải bài toán dẫn động phanh khí nén trên ô tô, mô phỏng quá trình tăng áp và giảm áp khi đạp phanh và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của hệ thống phanh đến thời gian chậm tác dụng như: đường kính ống, chiều dài ống, đường kính bầu phanh, thể tích của tổng van và các ngả chia dòng Mô phỏng đường đặc tính làm việc của máy nén khí với bộ điều hòa áp suất trên ô tô

- Luận văn: “Nghiên cứu mô phỏng động lực học dẫn động điều khiển phanh

khí nén trên xe ô tô quân sự” – Vương Xuân Sinh

Nội dung của luận văn là “mô phỏng dẫn động điều khiển hệ thống phanh khí nén của xe zil130 và zil130 cải tiến có thí nghiệm thực tế”

- Luận án “Nghiên cứu hệ thống ABS dùng cho phanh khí nén’’ – Hồ Hữu Hùng

24

Nội dung của luận án là xây dựng mô hình mô phỏng bộ điều khiển hệ thống phanh ABS khí nén sử dụng thuật toán điều khiển theo độ trượt của các bánh xe khi phanh bằng phương pháp thực nghiệm

- Luận văn “Điều khiển mờ trượt cho hệ điều khiển áp suất khí nén” -

Nguyễn Thị Minh Thi

Nội dung chính của luận văn là “ Nghiên cứu bài toán điều khiển cho hệ áp suất bằng bộ điều khiển trượt và nghiên cứu bài toán điều khiển cho hệ áp suất bộ điều khiển mờ trượt.”

- Bài báo đăng trên tạp chí quốc tế CAD/CAM “Hardware-in-the-Loop Simulation of Pneumatic Antilock Braking System Based on Modelica” -

Zhang Hongchang, Zhang Yunqing, and Chen Liping - Center for

Computer-Aided Design Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, China

Nội dung là đánh giá hiệu quả của phanh khí nén ABS

- Luận văn “A pressure control scheme for air brakes in commercial vehicles”

– Christopher Leland Bowlin- Submitted to the Office of Graduate Studies of

Texas A&M University

Nội dung của đề tài là nghiên cứu và phát triển hệ thống phanh ABS khí nén cho xe thương mại

1.5 Vấn đề nghiên cứu

Quá trình điều khiển phanh ABS khí nén cũng tương tự như phanh thủy lực đều gồm 3 quá trình: Tăng áp, Giảm áp và Giữ áp Trong phanh ABS khí nén quá trình tăng áp không khí được nạp vào các bầu phanh, ở quá trình giảm áp không khí được

xả ra ngoài môi trường

Nhược điểm lớn của hệ thống phanh khí nén là độ chậm tác dụng lớn do bản chất không khí có thể nén được, nên quá trình truyền áp suất trong hệ thống chậm hơn thủy lực nhiều.Đặc điểm này cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình điều khiển ABS của hệ thống phanh khí nén Ở các tần số điều khiển cao hệ thống không đáp ứng

25

được, làm cho quá trình biến đổi áp suất ở bầu phanh trong quá trình tăng và giảm

áp, không được như mong muốn

Khi nghiên cứu hệ thống phanh ABS khí nén vấn đề đặt ra là:

1-Tìm các quy luật biến đổi áp suất để đưa ra các tư vấn trong quá trình chế tạo và điều khiển hệ thống phanh ABS khí nén

1.6 Mục tiêu, phạm vi, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Xác định tần số điều khiển giới hạn của hệ thống ABS

Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống phanh khí nén trên ô tô tải có trang bị ABS

Phạm vi nghiên cứu

- Xác định một số các quy luật trong quá trình điều khiển ABS khí nén

- Xác định tần số điều khiển giới hạn của hệ thống ABS

Phương pháp nghiên cứu

- Vận dụng lý thuyết động lực học khí nén kết hợp mô phỏng trên máy tính cho hệ dẫn động phanh khí nén trên ô tô tải

Nội dung nghiên cứu

- Xây dựng mô hình mô phỏng dẫn động phanh khí nén

- Xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống với các thông số tập chung

- Xây dựng chương trình tính toán bằng Matlab Simulink

- Xác định một số các quy luật trong quá trình điều khiển ABS khí nén

- Xác định tần số điều khiển giới hạn của hệ thống ABS

26

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN

Để nghiên cứu động học của hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén cần phải thiết lập được các phương trình vi phân mô tả quá trình làm việc của hệ thống Vì trong thực tế bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong hệ thống rất phức tạp nên việc mô phỏng một cách chính xác là không thể thực hiện được, đặc biệt là quá trình quá độ Do vậy, người ta thường phải sử dụng các phương pháp mô phỏng gần đúng để giải quyết vấn đề này Để nghiên cứu động học của hệ thống dẫn động phanh khí nén trên xe ô tô có nhiều phương pháp để nghiên cứu Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp mô phỏng có tên gọi là

“Mô phỏng tập trung” Bản chất của phương pháp này là tính toán động học khí

nén qua các phần tử của hệ thống dẫn động phanh khí nén (máy nén khí, các bình chứa khí, đường ống dẫn khí và van phân chia, van hạn chế áp suất, van phanh chính, các bầu phanh ở các bánh xe, các van phụ) thực hiện theo các nguyên tắc sau:

1 - Thể tích khí chứa trong phần tử được coi là tập trung tại một dung tích Dung tích này có thể là không đổi hoặc biến đổi trong quá trình hệ thống làm việc (quá trình tính toán)

2 - Sức cản dòng chuyển động của các phần tử khí được ký hiệu tập trung bằng một tiết lưu, tiết lưu này có thể có tiết diện không đổi hoặc có thể thay đổi Đặc trưng sức cản khí động qua mỗi phần tử là hệ số cản khí động 

3 - Mối ghép giữa các phần tử gọi là điểm nút Tổng lưu lượng khí đi vào và ra khỏi điểm nút (có xét đến dấu) tại thời điểm xét bằng 0

Phương pháp chung để tính toán các thông số trạng thái của hệ thống là tiến hành tính toán lần lượt từng nút theo trình tự kể từ đầu vào lần lượt tới các nút kế tiếp sau Lấy kết quả tính áp suất cuối của nút trước làm áp suất đầu vào cho nút sau

Phương pháp “Mô phỏng tập trung” có ưu điểm là tương đối đơn giản, dễ

thực hiện Mặc dù khối lượng tính toán lớn nhưng nó cho phép nghiên cứu hệ thống phức tạp có những giả thiết gần giống với thực tế với độ chính xác cao

27

2.1 Phương pháp mô phỏng với các thông số tập trung

Các hệ thống dẫn động bằng khí nén bao gồm các nguồn cung cấp khí (máy nén, các van an toàn, các bình chứa,…) và các thiết bị khác như van điều khiển và các xi lanh chấp hành Ví dụ điển hình của một hệ thống dẫn động khí nén trên ô tô

là hệ thống dẫn động phanh (xem hình 2-1) được sử dụng trên các xe tải cỡ trung bình và cỡ lớn

Hình 2.1.Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén 1-Tổng van phanh; 2, 3- Các bầu phanh trước;

4, 5, 6, 7- Các bầu phanh sau

Để nghiên cứu động lực học của hệ thống cần phải thiết lập được các phương trình mô tả quá trình làm việc của hệ thống hay nói cách khác là mô tả toán học hệ thống Tuy nhiên bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong hệ thống rất phức tạp và 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 phải sử dụng các phương pháp

mô phỏng gần đúng để giải quyết bài toán này, nó có ưu điểm là tương đối đơn giản, dễ thực hiện và cho phép nghiên cứu những hệ thống phức tạp với độ chính xác cao

Bản chất của phương pháp mô phỏng tập trung dựa trên 2 nguyên tắc sau:

28

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

 Áp dụng quy tắc tính dòng điện đi qua điểm nút để tính lưu lượng khí đi qua điểm nút của sơ đồ mô phỏng

Sử dụng các quy tắc trên ta có thể biến đổi sơ đồ hệ thống phanh trên hình 2-1 thành sơ đồ mô phỏng có dạng như thể hiện hình 2-2

a) Sơ đồ mô phỏng dẫn động phanh ra cầu trước

b) Sơ đồ mô phỏng dẫn động phanh ra cầu sau Hình 2.2.Sơ đồ mô phỏng hệ thống phanh

Ví dụ trên cho thấy, 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 thông số dòng chảy đi qua điểm nút;

29

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

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

2.1.1 Lưu lượng tức thời đi qua tiết lưu

Hình 2.3.Tiết lưu và ký hiệu của nó trên sơ đồ mô phỏng

Phương trình lưu lượng tức thời đi qua tiết lưu:

,

D

m =( ) =µfv*

φ(σ) Trong đó:

,

D

m -lưu lượng tức thời đi qua tiết lưu;

µ - hệ số lưu lượng: µ=

fc,f – tiết diện của dòng khí và của lỗ tiết lưu;

v* - vận tốc tới hạn: v*=√ (~330 m/s – vận tốc truyền sóng trong không khí);

k=1,4;

T – nhiệt độ tuyệt đối;

R=287,14 m2/(s2K) ;

φ(σ) – hàm lưu lượng, với σ là áp suất không thứ nguyên: σ =

p0, p1 – áp suất trước và sau tiết lưu;

Do mức độ phức tạp của các quá trình xảy ra trong hệ thống mà cho tới nay người ta chưa tìm được biểu thức toán học chính xác tả hàm lưu lượng trong các tính toán vẫn phải sử dụng các công thức kinh nghiệm hoặc các công thức gần đúng được xây dựng trên cơ sở một loạt các giả thiết nên thiếu chính xác Các sai số này được bù trừ trong hệ số µ, còn µ thì được xác định bằng thực nghiệm

Theo Saint-Venant tồn tại 2 chế độ dòng chảy của các chất khí tùy thuộc vào

áp suất không thứ nguyên σ Nghĩa là tồn tại một giá trị giới hạn σ*=0,528:

σ>0,528: φ(σ) = √

( )

σ≤0,528: φ(σ*) = 0,2588√

= 0,579 Các công thức trên quá phức tạp nên khi tính toán người ta thường đơn giản hóa:

σ>0,528: φ(σ) = √

σ≤0,528: φ(σ*) = √

= 0,598 Các công thức của Saint-Venant được xây dựng trên cơ sở thực nghiệm trên các tiết lưu có dạng như mô tả trên hình 2-3.Trên thực tế, dòng chảy trên các máy thủy lực và trong các đường ống không hoàn toàn giống như vậy Các nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện thực đã 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 các van công nghiệp: σ*=0,2 – 0,4 ;