Khảo sát và tính toán động lực học hệ thống dẫn động phanh ô tô bằng khí nén

3 Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: “Khảo sát và tính toán động lực học hệ thống dẫn động phanh khí nén” sẽ góp một phần nhỏ trong quá trình nghiên cứu, cải thiện dẫn động điều khiển h

1

LỜI CAM ĐOAN Học viên Đỗ Văn Trực xin có lời cam đoan về công trình khoa học này của mình Toàn bộ các thông tin, số liệu trình bày trong luận văn là do học viên sưu tầm, tập hợp sau đó phân tích, lựa chọn để trình bày theo mục tiêu của đề tài Các

mô hình bài toán khảo sát, các phương trình tính toán, các kết quả đạt được là do học viên thiết lập và giải quyết dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan Nếu có điều gì không đúng, học viên xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2013 Học viên

Đỗ văn Trực

2

MỞ ĐẦU

Nền kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh mẽ, cùng với đó là sự tăng nhanh về sản lượng sản xuất công nghiệp, nhu cầu tăng cao về vận tải hành khách, hàng hoá, dịch vụ mà trong đó ô tô đã trở thành phương tiện vận tải chủ lực với tỉ trọng hơn 90% tổng lượng hàng hoá và hành khách cho các ngành kinh tế quốc dân

Sự gia tăng nhanh nhu cầu về vận chuyển hành khách trong khi điều kiện kinh tế của đa số người dân chưa cao đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự gia tăng nhanh chóng về số lượng xe ô tô chở khách đặc biệt là hệ thống xe buýt trong các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh….Việc gia tăng phương tiện vận tải này cũng làm gia tăng tai nạn giao thông gây thiệt hại lớn về người và của cho xã hội Trong các nguyên nhân gây tai nạn do tình trạng kĩ thuật của xe không đảm bảo thì chiếm tới 52 – 75% nguyên nhân do hệ thống phanh, do đó yêu cầu đối với hệ thống phanh ngày càng được nâng cao nên cần phải được liên tục nghiên cứu, cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, giúp ô tô an toàn trong chuyển động

Hiện nay, các xe thế hệ mới đã sử dụng hệ thống phanh với những tính năng, chỉ tiêu kỹ thuật cao nhằm đáp ứng các qui định ngày càng khắt khe đảm bảo an toàn cho người, hàng hoá vận chuyển và phương tiện giao thông Trên các xe ô tô hiện đại thường dùng hệ thống phanh khí dẫn động nhiều dòng độc lập cũng như được trang bị thêm các thiết bị, bộ phận, hệ thống hỗ nhằm tăng mức độ an toàn hiệu quả cho xe Các hệ thống phanh có trang bị bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh được

sử dụng rộng rãi không chỉ đối với xe du lịch, xe khách, xe buýt mà còn trên các xe tải

Cho đến nay, ở nước ta các công trình nghiên cứu tính toán hệ thống phanh khí nén thường chỉ dừng ở giai đoạn tính toán tĩnh mà chưa có các nghiên cứu đầy đủ

về quá trình động học của dẫn động phanh cũng như khảo sát, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của dẫn động phanh khí nén Đối với dẫn động phanh khí nén, nhược điểm lớn nhất là thời gian chậm tác dụng của hệ thống (thời gian phản ứng) tương đối lớn

3

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: “Khảo sát và tính toán động lực học hệ thống dẫn động phanh khí nén” sẽ góp một phần nhỏ trong quá trình nghiên cứu, cải thiện dẫn động điều khiển hệ thống phanh khí nén

Mục đích nghiên cứu chính của đề tài là nghiên cứu quá trình động lực học dẫn động phanh khí nén ở trong các chế độ làm việc của hệ thống phanh khí nén để làm căn cứ cho việc xác định thời gian chậm tác dụng của hệ thống, từ đó khảo sát một

số trường hợp nhằm đánh giá mức độ chậm tác dụng của hệ thống

Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan

đã tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn Cảm ơn tập thể các thầy giáo trong Viện Cơ khí Động lực, Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội, các bạn cùng lớp đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt khoá học vừa qua./

4

DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ dẫn động phanh xe KaMAZ-5320

Hình 1.2: Giản đồ phanh

Hình 1.3:Bố trí van tăng tốc trên xe

Hình 1.4: Sơ đồ bố trí van hạn chế áp suất cầu trước

Hình 1.5:Sơ đồ bố trí bộ điều hòa lực phanh

Hình 1.6:Vị trí lắp đặt bộ điều hoà lực phanh trên xe

Hình 1.7: Van hiệu chỉnh mắc nối tiếp

Hình 1.8: Van hiệu chỉnh

Hình 1.9: Van hiệu chỉnh mắc song song

Hình 1.10:Các phương án bố trí bộ điều hòa lực phanh và van tăng tốc Hình 1.11: Van tổng phanh

Hình 2.2.Tiết lưu và kí hiệu của nó trên sơ đồ mô phỏng

Hình 2.3 Dung tích không đổi

Hình 2.4: Mô hình dung tích thay đổi

Hình 2.5: Mô hình tính toán dung tích thay đổi

Hình 2.6: Mô hình một đoạn ống dẫn

Hình 2.8 Sơ đồ mô phỏng dòng khí qua van

Hình 2.9: Sơ đồ hai khâu D-E mắc nối tiếp

Hình 2.10: Sơ đồ hai khâu D-E mắc song song

Hình 2.11: Sơ đồ mô hình hóa bầu phanh

Hình 2.12: Van tăng tốc

5

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống phanh khí nén trên xe buýt Deawoo-BS-090

Hình 3.2:Sơ đồ tính dẫn độnghệ thống phanh chính trên xe buýt Deawoo-BS-090 Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng dẫn động phanh cầu trước

Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng dẫn động phanh cầu sau

Hình 3.5: Sơ đồ tính toán dẫn động phanh cầu sau

Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng dẫn động phanh cầu trước

Hình 3.7: Đồ thị quá trình nạp khí vào bầu trước

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng dẫn động phanh cầu sau

Hình 3.9: Đồ thị quá trình nạp khí bầu phanh sau

Hinh 3.10: Đồ thị áp suất tại 2 bầu phanh

Hình 4.1: Đồ thị các qui luật tác động phanh

Hình 4.2: Đồ thị áp suất bầu trước khi áp suất vào thay đổi tuyến tính

Hình 4.2 :Đồ thị áp suất bầu trước khi áp suất vào thay đổi phi tuyến

Hình 4.3: Đồ thị áp suất bầu trước khi thay đổi áp suất nguồn

Hình 4.4: Đồ thị áp suất bầu sau khi thay đổi áp suất nguồn

Hình 4.5 Đồ thị áp suất bầu trước khi thay đổi áp suất nguồn và đường kính bầu phanh

Hình 4.6 :Đồ thị áp suất bầu sau khi thay đổi a/s nguồn và đường kính bầu phanh

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Sự tương đương giữa điện và khí nén

Bảng 2.2:Các sơ đồ mạch dẫn động khí nén và các biểu thức toán học:

do đó yêu cầu về an toàn vận chuyển cho ô tô ngày càng được chú trọng đặc biệt là yêu cầu về hệ thống phanh Các yêu cầu đối với hệ thống phanh hiện tại đã được pháp lí hoá thông qua các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế và ngày càng trở nên khắt khe hơn Các nhà sản xuất cũng như trung tâm nghiên cứu luôn phải cập nhật từ những yêu cầu thiết yếu đối với hệ thống phanh để đáp ứng những tiêu chuẩn được đưa ra Việc trang bị, bổ sung những tài liệu kỹ thuật về các loại xe trên là rất cần thiết, góp phần sử dụng và khai thác phương tiện đạt hiệu quả tốt nhất

Việc mô phỏng và tính toán hệ thống dẫn động phanh khí nén để xác định hiệu quả phanh và tìn các giải pháp nâng cao hiệu quả phanh đáp ứng các tiêu chuẩn hiện hành là rất cần thiết Phương pháp mô phỏng và tính toán với sự trợ giúp của máy tính sẽ giúp cho các nhà thiết kế tiết kiệm được thời gian và chi phí Trong diều kiện còn thiếu về trang thiết bị thí nghiệm như nước ta hiện nay thì phương pháp này thích hợp và có tính khả thi cao

Vì những lí do trên, tôi chọn đề tài : “Khảo sát và tính toán động lực học hệ thống dẫn động phanh ô tô bằng khí nén” Với đề tài này tôi hy vọng có thể đáp ứng được phần nào những nhu cầu nói trên

7

1.2 Mục tiêu của đề tài

Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đề tài như sau:

 Nắm được cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh khí nén, hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động các chi tiết, bộ phận trong hệ thống phanh khí nén

 Mô hình hóa các chi tiết, bộ phận trong hệ thống phanh khí nén để phục vụ cho việc tính toán động lực học hệ thống phanh khí nén

 Đưa ra phương pháp tính toán động lực học dẫn động phanh khí nén trên quan điểm mô hình hóa

 Tính toán động lực học dẫn động phanh khí nén trên cơ sở xe Buýt BS-090

DEAWOO- Khảo sát một số trường hợp thay đổi tác động đầu vào và xác định thời gian chậm tác dụng của hệ thống nhằm đạt được hiệu quả phanh tốt nhất

1.3 Những nghiên cứu đối với hệ thống phanh khí nén

Hệ thống phanh khí nén là một hệ thống rất phức tạp, là sự ghép nối của nhiều phần tử khí động và có các chế độ làm việc đặc trưng, bản chất các hiện tượng vật lý xảy ra trong hệ thống phức tạp lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như kích thước đường ống, chất lượng lưu thông của dòng khí, mật độ và áp suất của dòng khí…và cho tới nay vẫn chưa có được những biểu thức toán học để biểu diễn chính xác quá trình lưu thông của dòng không khí trong hệ thống Việc tính toán động lực học đối với hệ thống dẫn động phanh khí nén nhằm khảo sát qui luật biến đổi của áp suất khí nén theo thời gian tại các điểm bất kì trong hệ dẫn động, các nhân tố gây ra tổn thất lưu lượng, làm chậm quá trình xác lập trị số áp suất ở đầu ra của hệ thống (tại các van điều khiển, các bầu phanh, )

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Các tác giả N.F Metliuk, V.P Av-tu-sen-ko và nhiều tác giả khác đã tiến hành nghiên cứu quá trình động lọc trong dẫn động khí nén và thủy lực Bằng cách

8

sử dụng phương pháp mô phỏng tập trungđã xây dựng các phương trình mô tả sự biến đổi của lưu lượng, áp suất qua các phần tử khí động (tiết lưu, thể tích khí, ).các kết quả nghiên cứu này có thể dùng làm cơ sở để tính toán, khảo sát quá trình động học trong một hệ dẫn động khí nén có sự nối ghép của nhiều phần tử khí động phức tạp

Trên các ô tô sử dụng hệ thống phanh dẫn động khí nén hiện đại, thường sử dụng dẫn động nhiều dòng, với hệ thống phanh chính (phanh chân) thông thường sử dụng dẫn động 2 dòng độc lập, làm tăng tính an toàn chuyển động của ô tô, nhưng việc tình toán các phần tử trong hệ thống phanh cũng phức tạp hơn Các hãng sản xuất ô tô cũng như các trung tâm nghiên cứu cũng luôn có những nghiên cứu và tính toán cụ thể về hệ thống phanh khí nén của ô tô hiện đại tuy nhiên nhưng số liệu và các công thức tính toán thường ít được công bố rộng rãi Sau đây là một vài kết quả nghiên cứu tiêu biểu

1 Alexander Kramskoy, “Improvement of calculation and dynamics air brake

on vehicles”Kharkiv State road - Transport University, 2006

Đề tài gồm bốn phần:

- Phần thứ nhất tác giả trình bày các xu hướng chính của hệ thống phanh khí nén

- Phần thứ hai: trình bày các giả thiết cơ bản khi mô hình hóa động lực học dẫn động phanh khí nén

- Phần thứ ba: mô hình hóa động lực học dẫn động phanh khí nén trên xe

Technology, Faculty of Mechanical Engineering Department of Automatics

and Robotics, Balan, 2010

9

Ở đề tài này các tác giả trình bày mô hình toán học của hệ thống phanh khí nén với hai loại van thường gặp đó là: van phanh kép và van relay Các tác giả đã sử dụng phương pháp mô hình hóa để tính toán động lực học dẫn động phanh khí nén trong mô hình này

Tác giả đã xây dựng phương trình, hệ phương trình vi phân của áp suất trong

hệ thống, dùng phần mềm Matlab để xây dựng thuật toán kết hợp với các thông số của mô hình để xác định thể tích của bầu phanh, đường kính bầu phanh, độ cứng lò xo…Đề tài này được dùng trong việc thiết kế mới hệ thống phanh xe tải nặng, xe đầu kéo…

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Trong lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo ô tô trong nước, đã có một số công trình nghiên cứu tính toán các biện pháp cụ thể về dẫn động phanh khí nén, từ đó đưa ra được các phương pháp làm giảm độ chậm tác dụng cũng như cải thiện tính năng của hệ thống

1, Tác giả Đặng Quốc Cường (ĐH SPKT TP HCM, 2012) đã nghiên cứu, mô phỏng động lực học dẫn động điều khiển hệ thống phanh khí nén trên Rơ-mooc nhiều cầu Tác giả đã đưa ra được một số các phương pháp bố trí các chi tiết, cụm chi tiết để đảm bảo tính đồng bộ trong dẫn động phanh giữa các cầu Tuy nhiên khi tính toán, tác giả lại coi các bầu phanh là những thể tích không đổi, do đó đã có một sai số đáng kể trong kết quả tính toán

2, Tác giả Trương Mạnh Hùng (ĐH GTVT-2006) tiến hành tính toán tĩnh và tính toán động hệ thống dẫn động phanh khí nén trên ô tô tải cỡ trung bình và cỡ lớn Trong đó tác giả đã lần lượt tiến hành tính toán tĩnh hệ thống dẫn động và tính toán động bằng phương pháp mô phỏng hệ thống dẫn động phanh khí nén trên máy tính từ đó xác định các thông số của hệ thống phanh tại trạng thái tĩnh (trạng thái xác lập) và các đồ thị quan hệ giữa áp suất, dịch chuyển với thời gian của phần tử

10

trong hệ thống Ngoài ra việc khảo sát các thông số ảnh hưởng để tìm ra các thông

số hợp lý cho hệ thống phục vụ cho việc tính toán thiết kế hệ thống phanh khí nén

3, Tác giả Vương Xuân Sinh (HV KTQS – 2007) tiến hành nghiên cứu, tính toán

mô phỏng hệ thống dẫn động phanh khí nén xe Zil-130 và tính toán cải tiến hệ thống phanh khí nén từ 1 dòng thành 2 dòng độc lập Đây là hệ thống đơn giản, không có các van phụ trợ, cũng như trong quá trình tính toán đã bỏ qua sự thay đổi thể tích tức thời của các bầu phanh do đó có ảnh hưởng đến kết quả tính toán

1.4 Hướn n n cứu

1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh khí nén

 Nghiên cứu phương pháp mô hình hóa dẫn động phanh khí nén

 Kết hợp kiến thức lý thuyết về hệ thống phanh khí nén và kiến thức về mô hình hóa để đưa ra phương pháp tính toán động lực học dẫn động phanh khí nén trên xe được chọn

1.4.3.1 Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống phanh khí nén

 Nghiên cứu tổng quan về hệ thống phanh khí nén

 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận

 Nghiên cứu động lực học dẫn động phanh khí nén

1.4.3.2 Nghiên cứu p ươn p áp mô ìn óa dẫn động phanh khí nén

 Các giả thiết để áp dụng phương pháp mô hình hóa

 Mô hình hóa dẫn động phanh khí nén

 Mô hình tính toán trong hệ thống phanh khí nén

11

1.4.3.3 Nghiên cứu p ƣơn p áp tín toán động lực học dẫn động phanh khí nén

 Nghiên cứu các mô hình tính toán dựa trên phương pháp mô hình hóa

 Ứng dụng phương pháp mô hình hóa để tính toán động lực học một hệ thống phanh khí nén trên xe được chọn nhằm mục đích nâng cao hiệu quả phanh và tính đồng bộ khi phanh của hệ thống

1.5 Giới hạn đề tài:

Đề tài tập trung vào việc đưa ra phương pháp tính toán động lực học dẫn động

phanh khí nén.“Động lực học dẫn động phanh” ở đây là động lực học truyền động

khí nén bên trong hệ thống phanh, vì vậy trong phạn vi luận văn, chỉ tính toán những phần liên quan đến truyền động khí nén bên trong hệ thống, không tính toán động lực học khi phanh ô tô

Đề tài mang tính chất lý thuyết, chỉ đề suất phương pháp tính toán động lực học dẫn động phanh khí nén đó là phương pháp mô hình hóa và áp suất tập trung tại điểm nút, do kinh phí còn hạn hẹp nên chưa xây dựng được mô hình thực tế để kiểm nghiệm phương pháp tính toán trên

Ở phần tính toán động lực học dẫn động phanh chỉ tính toán cho trường hợp tăng áp suât phanh khi người lái phanh gấp (phanh đột ngột - giả thiết tổng van được mở hoàn toàn, ngay lập tức ) vì đây là tình huống nguy hiểm nhất, đòi hỏi sự đồng bộ khi phanh giữa các cầu xe

1.6 Cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh khí nén:

1.6.1 Vài nét về vấn đề an toàn giao thông và sự cần thiết của hệ thống phanh

trên ô tô:

Cùng với sự phát triển của các ngành kinh tế, giao thông vận tải và đặc biệt là giao thông đường bộ (chủ yếu là giao thông ô tô) đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế Ở nhiều nước trên thế giới, kể cả những nước công nghiệp tiên tiến như

Về mặt phương tiện (ô tô), chất lượng và tình trạng kỹ thuật các hệ thống điều khiển như phanh, lái…đóng vai trò quan trọng cho xe hoạt động trên đường, đặc biệt hệ thống phanh là hệ thống ảnh hưởng trực tiếp tới an toàn sinh mạng con người và hàng hóa trên xe, vì vậy việc đảm bảo tình trạng kỹ thuật của hệ thống phanh luôn ở trạng thái làm việc tốt nhất là rất quan trọng

Các nước phát triển trên thế giới đều đã có những tiêu chuẩn nghiêm ngặt về hệ thống phanh nhằm đảm bảo an toàn cho xe khi lưu thông trên đường và nó sẽ càng khắt khe hơn trong tương lai khi mà tốc độ chuyển động và mật độ ô tô trên đường ngày càng cao Trên cơ sở các tiêu chuẩn về an toàn chuyển động, một hệ thống phanh ô tô ngày nay phải thỏa mãn những yêu cầu sau

1.6.2 Yêu cầu của hệ thống phanh:

Xuất phát từ những tiêu chuẩn quốc gia về an toàn chuyển động của các phương tiện giao thông và phổ biến hơn cả là quy định No-13 EU 00N của hội đồng kinh tế châu Âu, tiêu chuẩn F18-1969 của Thụy Điển, tiêu chuẩn FM VSS-121 của

Mỹ, người ta đã đưa ra những yêu cầu quan trọng nhất về chất lượng hệ thống phanh đối với hệ thống phanh thuộc thế hệ các xe hiện đại mà qua đó một hệ thống phanh ô tô phải đạt được:

- Quãng đường phanh ngắn nhất khi phanh đột ngột

- Phanh êm dịu trong mọi trường hợp, bảo đảm sự ổn định khi phanh

13

- Điều khiển nhẹ nhàng

- Thời gian chậm tác dụng (còn gọi là thời gian phản ứng) nhỏ

- Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt

- Phân bố mô men phanh ở các bánh xe phải tuân theo quan hệ sử dụng hoàn toàn trọng lượng bám và hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường ở bất kì cường độ phanh nào (sử dụng điều chỉnh tự động lực phanh theo tải, sử dụng thiết bị chống hãm cứng bánh xe)

- Có độ tin cậy cao (sử dụng dẫn động phanh nhiều mạch độc lập, nâng cao độ bền các chi tiết trong hệ thống phanh)

- Có hệ thống tự kiểm tra, chẩn đoán các hư hỏng một cách kịp thời

Cũng từ những tiêu chuẩn trên, các phương tiện vận tải ô tô cần phải được trang bị các hệ thống phanh bao gồm:

- Hệ thống phanh công tác (hoặc phanh chính và thường gọi là phanh chân), có tác dụng trên tất cả các bánh xe

- Hệ thống phanh dự phòng

- Hệ thống phanh dừng và hệ thống phanh phụ trợ (phanh chậm dần)

- Điểm đặc biệt về an toàn đối với hệ thống phanh khí nén là dẫn động phanh phải

có không dưới hai mạch độc lập, ví dụ một mạch dẫn động cho cầu trước, một mạch dẫn động cho cầu sau và một mạch cho dẫn động phanh dừng…để khi có

hư hỏng một mạch nào đó, mạch còn lại vẫn đảm bảo phanh ô tô với hiệu quả phanh không thấp hơn 30% so với khi hệ thống phanh còn nguyên vẹn Theo tiêu chuẩn của Thụy Điển thì giá trị này là 50%

- Đối với hệ thống phanh khí nén, phanh công tác cần có dung tích bình chứa tới mức đủ có thể phanh có hiệu quả 8 lần liên tiếp khi nguồn năng lượng (máy nén khí) không làm việc Mỗi mạch dẫn động cần có các bình chứa riêng biệt khi nguồn năng lượng là chung của toàn hệ thống Trong trường hợp một mạch dẫn động nào đó bị hỏng, nguồn năng lượng chung vẫn tiếp tục cung cấp năng lượng cho các mạch khác còn tốt

14

- Hệ thống phanh dự phòng cần phải đảm bảo dừng được ô tô trong trường hợp hệ thống phanh chính bị hư hỏng Có thể bố trí hệ thống phanh dự phòng riêng biệt, nếu không thì hệ thống phanh chính hoặc phanh dừng phải thực hiện chức năng này và vẫn được coi là hệ thống phanh dự phòng

- Hệ thống phanh dừng phải dừng và đỗ được xe trên dốc Dẫn động phanh dừng

có thể sử dụng bất kỳ dạng năng lượng nào, nhưng bộ phận tạo ra mô men phanh

để giữ xe đứng yên phải là một cơ cấu hoạt động thuần túy bằng phương pháp

cơ khí và không phụ thuộc vào hệ thống phanh chính

- Hệ thống phanh chậm dần (phanh phụ trợ) đảm bảo duy trì cho ô tô chuyển động

ở một tốc độ ổn định, điều chỉnh tốc độ ô tô một cách độc lập hoặc đồng thời cùng với hệ thống phanh chính nhằm mục đích giảm tải cho phanh chính

- Khi làm việc với rơ-moóc, ô tô kéo cần phải có thiết bị bảo vệ chống tụt áp suất khí nén (hoặc thủy lực) để đề phòng trường hợp đường ống nối giữa ô tô kéo và rơ-moóc bị phá hủy

- Trường hợp xe đang chuyển động mà bị đứt moóc kéo, yêu cầu hệ thống phanh chính của rơ-moóc phải tự động dừng được rơ-moóc với hiệu quả không thấp hơn quy định đối với xe đoàn tương ứng

- Trên rơ-moóc cũng cần trang bị cơ cấu phanh dừng để hãm rơ-móc khi nó tách

ra khỏi đầu kéo

- Sự mài mòn của má phanh cần được bù lại bằng hệ thống điều chỉnh bằng tay hoặc tự động Theo tiêu chuẩn Thụy Điển, mài mòn má phanh cần được bù lại bằng hệ thống điều chỉnh tự động hay phải có bộ phận tín hiệu để cảnh báo về việc tăng khe hở giữa má phanh và tang phanh

- Trong mỗi mạch dẫn động phanh cần phải có các bộ phận giao tiếp với thiết bị kiểm tra, để kiểm tra và thông báo tình trạng kỹ thuật của dẫn động phanh trong quá trình sử dụng

- Do đặc điểm và yêu cầu ngày càng khắc khe của hệ thống phanh nên việc tính toán động lực học dẫn động hệ thống phanh là điều cần thiết nhằm đảm bảo độ

an toàn, tin cậy cho người, phương tiện và hàng hóa khi lưu thông trên đường

15

1.6.3 Dẫn động phanh khí nén:

1.6.3.1 Đặc đ ểm dẫn động phanh khí nén trên xe ô tô:

Dẫn động phanh khí nén thường được sử dụng trên các xe vận tải, xe khách

và rơ-moóc Phanh khí sử dụng năng lượng của khí nén để tiến hành phanh, người lái không cần mất nhiều lực để điều khiển phanh mà chỉ cần thắng lực lò xo ở van phân phối để điều khiển việc cung cấp khí nén hoặc làm thoát khí ở các bộ phận làm việc Ở loại dẫn động phanh này có những ưu nhược điểm sau:

Ƣu đ ểm:

- Mômen phanh lớn, áp suất đặt tại bầu phanh lớn kết hợp với cơ cấu đòn bẩy tạo

ra mômen phanh lớn tại bánh xe

tổng phanh tạo tín hiệu điều khiển dòng cấp khí nén cho các bầu phanh bánh xe;

làm việc được, tuy hiệu quả phanh giảm);

- Có thể trích nguồn khí nén của hệ thống phanh để sử dụngcho các hệ thống

khác như: Hệ thống treo khí nén, trợ lực mở ly hợp, đóng mở cửa xe…

Tuy nhiên hệ thống phanh khí nén vẫn còn tồn tại một số nhược điểm sau:

N ƣợc đ ểm:

chúng khá lớn, giá thành cao

16

Hình 1.1: Sơ đồ dẫn động phanh xe KaMAZ-5320

Hình 1.1 là sơ đồ dẫn động hệ thống phanh xe KaMAZ-5320.Đây là một hệ thống phanh hoàn chỉnh bao gồm rất nhiều cụm chi tiết, thêm vào đó, kết cấu của các cụm chi tiết tương đối lớn, do đó chiếm rất nhiều diện tích trên xe, gây khó khăn trong việc bố trí, lắp đặt

quãng đường phanh và thời gian phanh (do không khí bị nén khi chịu lực) Nhược điểm này được lý giải một cách rõ ràng thông qua giản đồ phanh thực tế (đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian phanh và gia tốc phanh ) Giản

đồ phanh thực tế được cho ở hình 1.2

17

Trên giản đồ, gốc tọa độ được coi là thời điểm người lái bắt đầu phát hiện ra chướng ngại vật Thời gian chuẩn bị phanh và thời gian phanh được phân thành các giai đoạn sau:

– Thời gian phản xạ của người lái, thông thường = (0,3-1,8)s – Thời gian dùng để khắc phục hành trình tự do trong hệ thống phanh = (0,2- 0,4)s

–Thời gian tăng gia tốc phanh thể hiện sự chậm tác dụng hệ thống phanh, thời gian của dẫn động phanh khí nén bằng (0,5- 0,75)s

– Thời gian phanh với gia tốc cực đại – Thời gian nhả phanh: = (0,1- 0,5)s

Như vậy thời gian phanh tổng cộng, kể từ lúc phát hiện ra chướng ngại vật đến khi xe dừng hẳn được tính theo biểu thức sau:

Từ đồ thị ta thấy, chính là thời gian chậm tác dụng (thời gian tăng gia tốc phanh), thời gian này phụ thuộc vào đặc điểm kết cấu của hệ thống dẫn động phanh, cách bố trí và các thông số hình học của hệ thống Do tính chất của khí nén, thời gian của dẫn động phanh khí nén thường lớn hơn nhiều so với dẫn động phanh bằng thủy lực Cụ thể, với cùng một thể tích bầu phanh, nếu sử dụng dẫn động phanh thủy lực thì ( ) , nếu sử dụng dẫn động phanh khí nén thì ( ) , với ô tô buýt M2, thì ( ) Ta thấy rằng thời gian chậm tác dụng của dẫn động phanh khí nén gần như gấp 5 lần so với dẫn động phanh thủy lực Thời gian này là nguyên nhân chính làm cho thời gian tổng cộng khi phanh tăng lên và quãng đường phanh dài hơn Khắc phục thời gian này là một trong những nhiệm vụ hàng đầu khi nghiên cứu tính toán hệ thống phanh khí nén

Thời gian chuyển từ trạng thái phanh sang trạng thái không phanh (thời gian nhả phanh) cũng là một đại lượng đáng lưu ý Thời gian này thể hiện khả năng trở lại trạng thái chuyển động sau khi phanh Nếu thời gian này quá dài thì thời gian

Vì vậy, cần phải có phương pháp tính toán để đưa ra phương án bố trí tối ưu làm giảm thời gian chậm tác dụng cũng như thời gian nhả phanh đến mức thấp nhất Tóm lại, nhược điểm lớn nhất của hệ thống phanh khí nén trên ô tô đó là thời gian chậm tác dụng khi phanh rất lớn ( )s Đặc biệt hệ thống phanh khí nén trên các xe có chiều dài cơ sở lớn, có đường ống dẫn rất dài làm cho thời gian truyền khí nén từ tổng phanh đến bầu phanh ở trên các cầu, đặc biệt trên cầu sau là rất lớn, dẫn đến sự không đồng bộ khi phanh giữa các cầu Vấn đề đặt ra là làm sao

để giảm thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh đến mức tối thiểu và tạo ra sự đồng bộ khi phanh giữa các bánh xe

1.6.3.2 Giải pháp nâng cao hiệu quả phanh khí nén

Như trên đã phân tích, hệ thống phanh khí nén còn tồn tại nhiều nhược điểm

Để tăng hiệu quả phanh và sự đồng bộ trong quá trình phanh cần phải khắc phục các nhược điểm này Sau đây là một số phương án giải quyết cơ bản

- Lựa chọn tiết diện lưu thông hợp lý:

Như ta đã biết, các thông số kết cấu của dẫn động phanh khí nén (như chiều dài, đường kính ống dẫn, các cụm van trong mạch) có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phản ứng nhanh của hệ thống Vì vậy khi lựa chọn các thông số hình học của

hệ thống phanh khí nén hiện đại, có kết cấu phức tạp và nhiều mạch, người ta thường khảo sát chúng đồng thời với các cụm van lắp trong mạch

Ở hệ thống phanh khí nén, nếu ta chọn đường ống dẫn có tiết diện càng nhỏ thì vận tốc lưu thông của dòng khí càng lớn dẫn đến thời gian truyền khí nén từ nguồn

19

đến bộ phận công tác sẽ nhanh hơn Tuy nhiên, nếu kích thước đường ống quá nhỏ

so với bộ phận công tác thì lượng khí nén thông qua đường ống trong một đơn vị thời gian (lưu lượng) sẽ nhỏ, dẫn đến thời gian để khí nén điền đầy thể tích ban đầu

ở bộ phận công tác sẽ lớn, dẫn đến thời gian chậm tác dụng dài hơn Vì vậy, việc lựa chọn tiết diện lưu thông sao cho phù hợp với các cụm van là một trong những phương pháp để làm giảm thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh khí nén

- Sử dụng các loại van hiệu chỉnh:

 Van tăng tốc

Để tăng khả năng phản ứng nhanh của dẫn động khi phanh cũng như khi nhả phanh (chuyển từ trạng thái phanh sang không phanh), ngoài việc lựa chọn tiết diện thông qua tối ưu của ống dẫn, vị trí lắp đặt các cụm trong dẫn động…,người ta còn

sử dụng van tăng tốc Nó thường được lắp trên các đường ống dẫn dài, trên xe đoàn hoặc trên moóc kéo

Hình 1.3:Bố trí van tăng tốc trên xe

a-Chưa lắp van tăng tốc; b-Có lắp van tăng tốc;

1-Van tổng phanh; 2-Đường ống dẫn; 3-Bầu phanh; 4-Van tăng tốc; 5-Bình chứa

Hình 2.7a là sơ đồ mạch dẫn động phanh cơ bản, không sử dụng van tăng tốc.Ở sơ đồ này, khi phanh, khí nén từ nguồn qua van tổng phanh 1, qua đường ống dẫn 2 vào bầu phanh 3 Khí nén muốn tới được bầu phanh phải qua một đoạn ống dẫn dài (2) cho nên thời gian để áp suất tại bầu phanh tăng từ (thời gian

b.

20

tăng gia tốc phanh ở giản đồ phanh) rất dài, vì vậy khả năng phản ứng nhanh của

hệ thống phanh thấp Ngoài ra, khí nén khi đi qua một đoạn ống dẫn dài sẽ bị tiêu hao một lượng áp suất đáng kể nên hiệu quả phanh thấp

Khi nhả phanh, khí nén có áp suất cao từ bầu phanh 3 qua đường ống dẫn 2 tới van tổng phanh 1 và thoát ra khí trời Để khí nén thoát ra ngoài thì phải mất một khoảng thời gian đáng kể (do đường ống dẫn 2 khá dài), do đó ôtô sẽ mất nhiều thời gian để trở lại trạng thái chuyển động sau khi phanh Vì vậy phương án bố trí sơ đồ mạch dẫn động phanh như hình 1.3a là không hiệu quả

Để khắc phục tình trạng này, ta có thể lắp thêm van tăng tốc (hình 1.3b) Khi lắp thêm van tăng tốc 4 thì đường ống dẫn 2 chỉ có tác dụng điều khiển Khi phanh, tín hiệu điều khiển được truyền từ van tổng phanh 1 qua đường ống dẫn 2 điều khiển mở van tăng tốc 4 Khí nén từ bình chứa 5 qua van tăng tốc 4 vào bầu phanh 3 thực hiện quá trình phanh Việc lắp thêm van tăng tốc 4 làm rút ngắn thời gian tăng gia tốc phanh Đồng thời, khi nhả phanh khí nén thay vì thoát ra khí trời ở van tổng phanh thì sẽ thoát ra ngoài ở van tăng tốc 4 làm giảm thời gian nhả phanh (thời gian trong giản đồ phanh) giúp ô tô trở lại trạng thái chuyển động sau khi phanh nhanh hơn

Van hạn chế áp suất và nhả phanh nhanh dùng trên mạch phanh cầu trước có nhiệm vụ làm cho không bó cứng bánh xe khi phanh,điều này có ý nghĩa lớn với xe hoạt động trên đường (về góc độ ổn định hướng,khi bắt đầu phanh xe ở tốc độ còn cao hay khi đang đi trên đường trơn)

Hình 1.4: Sơ đồ bố trí van hạn chế áp suất cầu trước

1-Van tổng phanh; 2-Van hạn chế áp suất; 3-Bầu phanh

1

2 3

21

Bản chất của van hạn chế áp suất là một tiết lưu có tiết diện có thể thay đổi được Hình 1.4 là sơ đồ bố trí van hạn chế áp suất trong mạch dẫn động phanh cầu trước

Khi phanh ở vùng áp suất thấp (thấp hơn Pa) thì chỉ tiêu ổn định hướng được đặt lên hàng đầu, khi đó van hạn chế áp suất 2 có tác dụng như một van tiết lưu, hạn chế áp suất ra các bánh xe cầu trước để giảm khả năng bó cứng bánh xe và giúp người lái điều khiển bánh xe dẫn hướng tốt hơn

Khi phanh gấp, hệ thống phanh làm việc ở vùng áp suất cao (lớn hơn Pa), do lực quán tính nên tải trọng tác dụng lên cầu trước tăng, do đó các bánh xe cầu trước cần phải có lực phanh lớn hơn để giảm quãng đường phanh Khi đó van hạn chế áp suất 2 mở rộng tiết diện lưu thông để tăng áp suất khí nén cho các bánh

ta sử dụng hệ thống phanh có ABS, khi đó, các cảm biến sẽ nhận các tín hiệu mô tả điều kiện làm việc thực tế và bộ xử lý trung tâm sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển áp suất phanh sao cho phù hợp với từng điều kiện làm việc của ô tô

 Bộ điều hòa lực phanh:

Bộ tự động điều hoà lực phanh thực chất giống như một van tiết lưu.Van tiết lưu sẽ thay đổi tiết diện làm việc của chúng để làm thay đổi áp suất dòng khí nén tới bầu phanh để thay đổi mô men phanh

22

Hình 1.5:Sơ đồ bố trí bộ điều hòa lực phanh

1-Van tổng phanh; 2-Bộ điều hòa lực phanh; 3-Van tăng tốc; 4-Bầu phanh

Khi phanh, do lực quán tính nên tải trọng tác dụng lên cầu trước tăng, khi đó, cần giảm lực phanh cầu sau để chống bó cứng bánh xe Bộ điều hòa lực phanh có nhiệm vụ hạn chế áp suất ra các bánh xe cầu sau để giảm lực phanh

Bộ tự động điều chỉnh lực phanh trên hình 1.6 của Kamaz đặt trên khung xe Phía dưới của nó được bố trí một đòn dẫn nhận tín hiệu từ chuyển động vị trí cầu sau và cầu giữa so với khung, tức là tiếp nhận sự thay đổi tải trọng trên cầu xe thông qua chuyển vị tương đối của khung với cầu xe

Hình 1.6:Vị trí lắp đặt bộ điều hoà lực phanh trên xe

1- Đường ống nối, 2-Bộ điều chỉnh, 3-Cần gạt, 4-Thanh kéo của phần tử đàn hồi,

5-Phần tử đàn hồi, 6-Thanh nối, 7-Bộ bù, 8-Cầu giữa, 9-Cầu sau

1

2

3

4

23

Với cách lắp đặt như hình 1.6, khi thay đổi tải trọng đặt lên thùng xe thì có sự chuyển vị tương đối giữa thùng xe với cầu giữa và cầu sau Chuyển vị này thông qua thanh kéo 4 và cần gạt 3 tạo ra tín hiệu điều chỉnh bộ điều hòa lực phanh Ở mỗi chế độ tải trọng khác nhau thì tạo ra một tín hiệu điều chỉnh khác nhau, vì vậy bộ điều hòa lực phanh này có thể điều chỉnh được đa điểm và đường đặc tính mô men phanh ở cầu sau khi có bộ điều hòa lực phanh tiệm cận với đường đặt tính lý tưởng Điều chỉnh được đa điểm là ưu điểm lớn nhất của bộ điều hòa lực phanh, vì vậy, ngày nay bộ điều hòa lực phanh vẫn còn được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, bộ điều hòa lực phanh vẫn còn tồn tại nhược điểm, đó là chỉ điều chỉnh được đồng thời tất cả các bánh xe cầu sau, không điều chỉnh được mô men phanh ở từng bánh xe riêng lẻ theo điều kiện của mặt đường Nhược điểm này được khắc phục bằng hệ thống phanh ABS

- Phương án bố trí các van hiệu chỉnh

Như đã nói ở trên, để giảm thời gian chậm tác dụng khi phanh (thời gian tăng gia tốc phanh) và thời gian nhả phanh, ta thường lắp các van hiệu chỉnh vào mạch dẫn động phanh Tùy vào mục đích hiệu chỉnh và kết cấu các van hiệu chỉnh mà ta

có các phương án bố trí khác nhau, có thể mắc nối tiếp hoặc mắc song song với mạch dẫn động chính

Hình 1.7: Van hiệu chỉnh mắc nối tiếp

24

a-Mạch dẫn động chính; b-Mạch dẫn động lắp thêm van hiệu chỉnh nối tiếp;

c-Đặc tính động lực học

1-Van tổng phanh; 2-Đường ống dẫn; 3-Bầu phanh; 4-Van hiệu chỉnh

Hình 1.7a là sơ đồ mạch dẫn động chính, bao gồm van tổng phanh 1, đường ống dẫn 2 và bầu phanh 3 Với sơ đồ dẫn động này thì quá trình tăng áp suất được thể hiện ở hình 1.7c Cụ thể: đường cong số 1 thể hiện quá trình tăng áp suất phía sau van tổng phanh, đường cong số 2 thể hiện quá trình tăng áp suất tại bầu phanh Hình 1.7b là sơ đồ mạch dẫn động có lắp thêm van hiệu chỉnh 4 Khi lắp thêm van hiệu chỉnh 4 thì quá trình tăng áp suất tại bầu phanh được thể hiện trên đường cong

số 3 (hình 1.7c)

Thiết bị hiệu chỉnh 4 là một thiết bị được dùng khá phổ biến trong các mạch dẫn động phanh khí nén Tùy theo phương án lắp đặt các đường ống đầu vào, dầu ra mà thiết bị này có những công dụng khác nhau

a b c d

Hình 1.8: Van hiệu chỉnh

1-Piston; 2-Tiết lưu; 3-Lò xo

Phương án 1 (hình 1.8b), tín hiệu điều khiển (áp suất khí nén) nạp vào khoang

A và piston 1 dịch chuyển rất nhanh xuống dưới, khi đó miệng của cần 5 tỳ vào van

4, đóng cữa xả ra khí trời E Sau đó khoang 4 được mở ra, khoang D nối với bình chứa sẽ nạp khí nén vào khoang C và áp suất khoang C tăng lên nhanh chóng Sau một khoảng thời gian, áp suất khoang trên piston A và áp suất khoang dưới B cân bằng (nhờ tiết lưu 2), dưới tác dụng của lực lò xo 3, piston 1 và van 4 dịch chuyển

A

B

C D

E

1 2

3

C D

E

25

lên trên xảy ra quá trình giảm áp suất ở khoang C Tiết diện lưu thông của tiết lưu 2 càng lớn và thể tích khoang B càng nhỏ thì thời gian khoang C chuyển từ trạng thái

áp suất tăng sang trạng thái áp suất giảm càng nhanh và ngược lại

Khoang E nối với khí trời, do đó khoang C khi piston 1 ở vị trí ban đầu cũng thông với khí trời, khoang D nối vào bình chứa và sơ đồ nguyên lý như hình 1.8.b Phương án 2, ta có thể nối khoang E với đường ống điều khiển của mạch (hình 1.8.c), ngoài ra ta có thể bố trí phương án 3 bằng cách bịt kín khoang E, khi đó khoang C hoặc là bịt kín lại khi piston 1 ở vị trí trên cùng (vị trí ban đầu) hoặc là thông với khoang D khi piston 1 dịch chuyển xuống dưới (hình 1.8.d)

Nguyên tắc hiệu chỉnh nối tiếp với mạch dẫn động là làm tăng khả năng phản ứng nhanh của hệ thống dẫn động phanh Ta có thể xét một mạch dẫn động phanh đơn giản như hình 1.8.a, trong đó có van điều khiển 1, đường ống 2 và cơ cấu chấp hành 3 Áp suất ở đầu ra van 1 là thay đổi theo đường cong 1 (hình 1.7.c), áp suất ở cơ cấu chấp hành 3 thay đổi theo đường cong 2, thời gian của quá trình thay đổi áp suất là Do yêu cầu phải tăng khả năng phản ứng nhanh của dẫn động, cần phải giảm thời gian xuống đến mức thấp nhất, việc tăng tiết diện đường ống 2 làm giảm thời gian không đáng kể Vì vậy, để làm được điều đó cần phải lắp thêm van hiệu chỉnh 4 như hình 1.7.b Khi lắp thêm van hiệu chỉnh 4 thì đặc tính động lực học được cải thiện rõ rệt, áp suất trong cơ cấu chấp hành tăng nhanh hơn so với áp suất , thời gian của quá trình tăng áp suất (hình 1.7c) sớm hơn so với mạch dẫn động không sử dụng van hiệu chỉnh một khoảng

Rõ ràng thời gian sớm hơn là khác nhau khi nhịp độ tác dụng lên bàn đạp phanh khác nhau Nếu dịch chuyển chậm thì giảm và đường cong 3 (hình 1.7c) của dẫn động phanh có van hiệu chỉnh sẽ gần với đường cong 2 Khi quá trình xảy

ra rất chậm, van hiệu chỉnh hầu như không làm việc do sự cân bằng áp suất giữa 2 khoang A và B (hình 1.8b) Như vậy van hiệu chỉnh 4 không ảnh hưởng đến tính tùy động của hệ thống khi quá trình điều khiển xảy ra chậm, chỉ có tác dụng hiệu chỉnh trong trường hợp phanh gấp

26

 Van hiệu chỉnh mắc song song:

Van hiệu chỉnh mắc song song là một mạch hiệu chỉnh phụ mắc vào mạch công tác chính theo kiểu song song Ở đầu vào của mạch công tác chính cũng như mạch hiệu chỉnh có tín hiệu của van điều khiển, tín hiệu đầu ra của hai mạch là tín hiệu điều khiển bộ phận công tác Khác với mạch hiệu chỉnh mắc nối tiếp, mạch hiệu chỉnh mắc song song không là cường hóa tín hiệu mạch chính mà tạo ra một tín hiệu phụ tương ứng với quy luật thay đổi tín hiệu đầu vào, vì vậy tăng khả năng tác động nhanh và tính đồng bộ của hệ thống

Hình 1.9: Van hiệu chỉnh mắc song song

a-Van hiệu chỉnh cơ khí; b-Van hiệu chỉnh kiểu điện từ; c-Bộ chấp hành 1 xylanh 1-Van tổng phanh; 2,3,7,9-Đường ống dẫn; 4-Cơ cấu chấp hành; 5,6-Piston cơ cấu chấp hành; 8-Van điện từ; 10-Mạch điện; 11-Piston van hiệu chỉnh; 12-Tiếp điểm

Mạch dẫn động phanh khí nén có lắp van hiệu chỉnh (hình 1.9a) gồm hai mạch riêng biệt: Mạch dẫn động chính gồm van điều khiển 1, đường ống dẫn chính 3 và

cơ cấu chấp hành 4 có piston 5; Mạch hiệu chỉnh gồm van hiệu chỉnh được mắc theo phương án 1 và xylanh phụ có piston 6 Khoang A của van hiệu chỉnh nối với đường ống 2 và nối với đường ống chính 3 (vị trí hợp lý của nó được xác định bằng phương pháp tính toán và thực nghiệm)

5 6 7 8

9 10 11 12

3 4

7 X

A B

27

Mạch hiệu chỉnh của dẫn động trực tiếp làm việc theo nguyên tắc sau: tùy theo

sự dịch chuyển của van điều khiển 1, áp suất trong đường ống 3 tăng lên truyền tới khoang X của cơ cấu chấp hành 4 Áp suất trong khoang X thay đổi chậm hơn một khoảng so với sự thay đổi áp suất đầu ra của van 1 Thời gian chậm tác dụng này tạo ra do sức cản của đường ống 3, do thể tích của khoang X và do nhịp điệu dịch chuyển của cơ cấu điều khiển Khi áp suất trên đường ống 3 tăng lên, khí nén được nạp vào khoang A của van hiệu chỉnh, đẩy piston dịch sang phải và mở van hiệu chỉnh, khí nén từ khoang D của van hiệu chỉnh qua khoang C vào xylanh phụ làm cho cơ cấu chấp hành 4 dịch chuyển sang phải nhanh hơn Sau một khoảng thời gian thì khoang A và B của van hiệu chỉnh cân bằng áp suất, dưới tác dụng của lực

lò xo đẩy van về vị trí ban đầu và đường ống 7 của van sẽ thông với khí trời Trong

sơ đồ trên, thời gian tăng áp suất trong xylanh phụ phụ thuộc vào sức cản của van tiết lưu nối thông giữa 2 khoang A và B, thể tích của khoang B và lực lò xo của van hiệu chỉnh

Trong mạch hiệu chỉnh điện khí nén (hình 1.9b) thì van hiệu chỉnh được chia làm hai phần riêng biệt: Bộ phận điều khiển gồm xylanh có 2 khoang A và B, nối giữa hai khoang có van tiết lưu, bên trong có piston điều khiển 11; Bộ phận chấp hành là van điện từ 8, tiếp điểm 12 có nhiệm vụ đóng ngắt mạch 10 để điều khiển van điện từ 8

Hoạt động của mạch hiệu chỉnh điện khí nén cũng tương tự như mạch hiệu chỉnh trên (hình 1.9a) Khi tăng áp suất trên đường ống 3, khí nén được nạp vào khoang A đẩy piston 11 dịch chuyển xuống dưới đóng tiếp điểm 12 do đó thông mạch 10 và van điện từ hoạt động mở van 8 ra, khí nén được nạp vào xylanh phụ và đẩy cơ cấu chấp hành 4 sang phải nhanh hơn, thời gian duy trì tác dụng phụ phụ thuộc vào thông số kết cấu của piston 11, van tiết lưu và lò xo

Nếu cơ cấu chấp hành không có xylanh phụ hoặc không muốn lắp thêm nó vào mạch thì mạch hiệu chỉnh song song có thể nối vào khoang chính X của cơ cấu chấp hành 4 (hình 1.9c) để khí nén không bị rò rỉ từ khoang X qua đường ống 7 thoát ra khí trời ở van 8 thì trên trên đường ống 7 người ta lắp thêm van 1 chiều

28

- Tối ưu hóa bố trí các cụm trong mạch:

Để nâng cao tính phản ứng nhanh của mạch dẫn động phanh khí nén trên ôtô và

xe đoàn người ta sử dụng các cụm van khí nén khác nhau (như van tăng tốc, van phân phối, bộ điều hòa lực phanh…) Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, khi lắp thêm các cụm van nhưng sơ đồ bố trí không hợp lý sẽ mang lại những kết quả ngược với sự mong muốn

Thí dụ, khi thêm van tăng tốc và bộ điều hòa lực phanh vào dẫn động phanh ra cầu sau thì có nhiều phương án bố trí khác nhau dẫn đến hiệu quả của từng phương

án bố trí cũng khác nhau, có thể đặt van tăng tốc trước bộ điều hòa lực phanh hoặc ngược lại như hình 1.10

Hình 1.10:Các phương án bố trí bộ điều hòa lực phanh và van tăng tốc

1-Bộ điều hòa lực phanh; 2-Van tăng tốc

Các kết quả tính toán cho thấy, vị trí bố trí tối ưu đó là bộ điều hòa lực phanh

đặt phía trước, van tăng tốc đặt tại điểm nút Y 2

1.7 Các cụm chính của dẫn động phanh khí nén:

Các cụm chính của dẫn động phanh khí nén gồm van tổng phanh (thường gọi là tổng phanh), cơ cấu chấp hành, các cụm van trung gian như van tăng tốc, bộ điều hòa lực phanh, van phân phối khí…

Các van này có thể điều khiển trực tiếp bằng tay, bằng bàn đạp chân hoặc từ xa

a Van tổng phanh:

Van tổng phanh khí nén là cơ cấu điều khiển nên cần có tính tùy động và có tín hiệu phản hồi Điều khiển van tổng phanh có thể trực tiếp bằng tay, bằng chân hoặc gián tiếp bằng dẫn động thủy lực, khí nén và điện

a-Bầu phanh đơn; b-Bầu phanh kép

Bầu phanh có thể có kết cấu màng hoặc kết cấu kiểu piston – xylanh và liên kết trực tiếp với cơ cấu phanh thông qua cần đẩy bầu phanh

P 1

P 2

B 2

R

30

Hình 1.13: Liên kết giữa bầu phanh và cơ cấu phanh

a-Kiểu màng; b-Kiểu piston-xylanh

Bầu phanh có nhiệm vụ tiếp nhận năng lượng khí nén từ nguồn cung cấp, qua các cụm van điều khiển, tạo áp lực để ép các má phanh vào tang trống, thực hiện quá trình phanh xe Như vậy bầu phanh là kết cấu để biến đổi nguồn năng lượng khí nén thành cơ năng

c Van tăn tốc:

Để tăng khả năng phản ứng nhanh của dẫn động, ngoài việc lựa chọn tiết diện thông qua tối ưu của ống dẫn, vị trí lắp đặt các cụm trong dẫn động…,người ta còn sử dụng van tăng tốc Van tăng tốc là một trong những loại van điều chỉnh, nó thường được lắp trên các đường ống dẫn dài, trên xe đoàn hoặc trên moóc kéo

Hình 1.14: Van tăng tốc

1 -Lỗ cấp khí nén; 2- Lỗ đến bầu phanh; 3- Lỗ xả khí; 4- Lỗ cấp khí điều khiển; 5- Piston trụ trượt; 6- Van hai trạng thái; 7- Lỗ thông khí nén tạo áp suất phanh dưới

van 6; 8- Lò xo

31

d Van bảo vệ:

Để đảm bảo tính tách mạch triệt để, trong hệ thống dẫn động phanh khí nén người ta còn sử dụng van bảo vệ hai ngả, ba ngả…lắp ở phần nguồn cung cấp Chúng tự động cắt mạch hư hỏng ra khỏi hệ thống phanh để bảo vệ các mạch phanh còn lại Trên hình 1.15 là sơ đồ bố trí của van bảo vệ1 ngả, 2 ngả trong hệ thống phanh khí nén

Hình 1.15:sơ đồ bố trí van bảo vệ

1-Máy nén khí; 2-Van 1 chiều; 4-Lọc nước; 5-Van bảo vệ một ngã; 6-Van bảo

vệ hai ngả; 7,8-Bình chứa

32

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG LỰC HỌC DẪN ĐỘNG PHANH KHÍ NÉN 2.1 Cơ sở lý thuyết về mô hình hóa:

Khi nghiên cứu động lực học của hệ thống dẫn động bằng khí nén, cần phải thiết lập được các phương trình toán học 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 lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như kích thước đường ống, tính chất lưu thông của dòng chảy, áp suất của dòng khí,…nên việc mô phỏng một cách hoàn toàn chính xác là không thể thực hiện được, đặc biệt là quá trình quá độ và cho tới nay chưa có được những biểu thức toán học biểu diễn một cách chính xác quá trình lưu thông của dòng khí trong hệ thống

Do vậy, người ta thường phải dùng các phương pháp tính toán mô phỏng gần đúng

để giải quyết bài toán này và sau đó bổ xung vào các công thức những hệ số thực nghiệm

Cho tới nay có khá nhiều phương pháp tính toán và mô phỏng dẫn động phanh khí nén Nói chung, chúng đều tồn tại các ưu nhược điểm nhất định Trong phạm vi của đề tài này chỉ trình bày một phương pháp gọi là phương pháp mô phỏng tập trung (phương pháp tính toán áp suất tập trung tại điểm nút cho mạch dẫn động khí nén) Phương pháp này đạt được độ chính xác cần thiết và có ưu điểm là tương đối đơn giản, dễ thực hiện và cho phép nghiên cứu những hệ thống từ đơn giản đến phức tạp với độ chính xác cao

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

 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

33

Cho tới nay có khá nhiều cách tính toán dẫn động phanh khí nén, và chúng đều tồn tại những ưu nhược điểm nhất định Trong phạm vi luận văn, tôi xin trình bày một phương pháp tính: Phương pháp tính toán áp suất tập trung tại điểm nút cho mạch dẫn động khí nén Phương pháp này đã đạt được một độ chính xác cần thiết và rất thuận tiện cho quá trình tính toán không chỉ với các mạch dẫn động đơn giản mà

cả với những mạch dẫn động có sơ đồ kết cấu phức tạp Phương pháp này 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;

 Quan hệ giữa các thông số dòng chạy đi qua tiết lưu;

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

2.1.1 Sự tươn đươn ữa đạ lượn đ ện và khí nén:

Như đã trình bày, việc tính toán động lực học dẫn động phanh khí nén gặp rất nhiều khó khăn, để giải quyết vấn đề, giáo sư Metlyuk người Nga và các đồng sự

đã sử dụng lý thuyết mạch điện để nghiên cứu tính toán cho các mạch dẫn động khí nén Phương pháp này dựa trên cơ sở “Hai hệ thống vật lý được coi là tương đương nhau khi chúng là hai khái niệm vật lý được biểu diễn bằng cùng một hệ thống phương trình vi phân”

Sự tương đương giữa các đại lượng mạch điện với mạch dẫn động khí nén được

cho trong bảng 2.1

Trong bảng này:

- Khối lượng khí nén tương đương với điện tích

- Áp suất khí nén tương đương với điện áp

- Lưu lượng khối lượng tại một thời điểm

tương đương với cường độ dòng điện .

- Thể tích bình chứa tương đương với điện dung tụ điện

- Cản trở lưu thông của dòng khí tương đương với điện trở của mạch điện

u (V)

p (N/m2)

l, d (m)

f (m2) (m/s)

( )

35

2.1.2 P ươn trìn lưu lượng tạ đ ểm nút:

Hệ thống điện và khí nén là hai hệ thống tương đương, do đó ta hoàn toàn có

thể sử dụng phương pháp nghiên cứu, tính toán mạch điện để áp dụng cho mạch dẫn

động khí nén, cụ thể như sau:

- Sử dụng cách thể hiện sơ đồ mạch điện (bao gồm nguồn điện, dây dẫn và các

tải tiêu thụ điện) để trình bày các mạch dẫn động khí nén (bao gồm nguồn khí

nén, đường ống dẫn và các tổn hao áp suất bên trong hệ thống)

- Sử dụng lý thuyết mạch điện để tính toán mạch khí nén Một trong những

định luật được sử dụng phổ biến trong tính toán mạch điện đó là định luật

Kiếc Sốp I Định luật Kiếc Sốp I còn gọi là định luật điểm nút của mạch điện

được phát biểu trong hệ thống tương đương khí nén như sau:

“Tổng đại số các lưu lượng tức thời của dòng khí tại một điểm nút thì bằng không”

Với ̇ : lưu lượng tức thời của dòng khí tại điểm nút, mang dấu (+) nếu

dòng khí nén đi từ ngoài vào điểm nút, mang dấu (-) nếu dòng khí nén đi ra từ điểm

nút

i – số nhánh của các mạch giao nhau tai một nút

Khi xác định các điểm nút, điều quan trọng cần nhớ rằng tất cả chúng đều được

tách biệt nhau bởi các phần tử (là các tiết lưu, các khối lượng quán tính) Khi lưu

thông, các phần tử này sẽ gây ra sự tụt áp khác nhau

A m5

m1

m2

m3

m4

36

Các điểm nút thường có hoặc không có dung tích Tại nút có dung tích khác với các nút có dung tích thì cần bổ sung thêm phần lưu lượng cho dung tích vào lưu lượng tổng cộng của các nhánh tại điểm nút

Trong mạch dẫn động khí nén thực tế, tất cả các nút đều có dung tích bởi vì tại chỗ nối của hai, ba hay nhiều mạch nhánh bản thân nó thường đã tồn tại một dung tích

Vì vậy phương pháp áp suất tập trung điểm nút đối với tất cả các nút của mạch khí nén có thể phát biểu như sau:

Tổng đại số hàm lưu lượng của tất cả các phần tử nối tới điểm nút bằng hàm khí

động học (của dung tích nút đó), biểu thị sự thay đổi trạng thái khí trong dung tích

2.1.3 P ươn trìn lưu lượng của dòng khí qua lỗ tiết lưu:

2.1.3.1 Lưu lượng tức thờ đ qua t ết lưu

Quá trình lưu thông của dòng khí qua các cơ cấu, các cụm van trong dẫn động khí nén là rất phức tạp Khi tính toán động lực học dẫn động các cơ cấu, các cụm van thực tế đó được thay thế bằng những phần tử lý tưởng hóa, thể hiện được một cách gần đúng quá trình lưu thông dòng khí trong các kết cấu thực tế

Thường cả khi những kết cấu phức tạp bao gồm nhiều van và các đường ống dẫn

có tiết diện lưu thông rất khác nhau cũng được thay thế bằng những cản trở tập trung tương đương trong sơ đồ tính toán Khái niệm cản trở tập trung ở đây thường được gọi là lỗ tiết lưu hoặc tiết lưu (hình 2.20)

Hình 2.2.Tiết lưu và kí hiệu của nó trên sơ đồ mô phỏng

Lưu lượng khối lượng tức thời (gọi tắt là lưu lượng) của khí nén qua lỗ tiết lưu được thể hiện bằng phương trình sau:

37

̇ ( ) (2.2) Trong đó:

- : Đại lượng không thứ nguyên

- : Áp suất khí nén tại đầu vào của tiết lưu (đơn vị Pa)

- : Áp suất khí nén tại đầu ra của tiết lưu (đơn vị Pa)

38

Tốc độ dòng khí sẽ đạt giá trị cực đại , hoặc bằng tốc độ tới hạn

ứng với một giá trị xác định Tùy theo mức độ tăng hoặc giảm , trị số

sẽ tăng lên và bị giảm đi Quy luật giảm được xác định bởi hàm ( )

Hàm ( ) biểu thị quy luật thay đổi lưu lượng dòng khí qua tiết lưu, phụ thuộc và

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 mô 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 dựa trên cơ sở một loạt các giả thiết nên thiếu chính xác Các sai số này được bù trừ trong hệ số , còn thì được xác định bằng thực nghiệm

Theo Saint-Venant tồn tại 2 chế độ dòng chảy của chất khí tùy thuộc vào ấp suất không thứ nguyên Nghĩa là tồn tại một giá trị giới hạn = 0,528:

( ) √ ( )

( ) √

39

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 trong các máy thủy khí 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 nhỏ hơn nhiều so với giá trị 0.528:

-đối với van công nghiệp:

Khi =0,5 thì ( ) √ ( ) - ta lại có công thức Saint-Venant

Có thể thấy trong công thức này sự tồn tại của 2 chế độ dòng chảy gây khó khăn cho việc tính toán, còn them vấn đề nữa là phải xác định bằng thực nghiệm giá trị cho từng trường hợp cụ thể

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

( )

Trong đó: A=

40

Bằng rất nhiều lần thí nghiệm (194 lần) trên các khâu D-E ứng với các thông số

khác nhau (thể tích của bình chứa từ 0,5.10-3 đến 5,65.10-3 (m3); đường kính trong

các ống dẫn từ 6 – 15 mm; chiều dài đường ống từ 0,1 – 20 m; các lỗ tiết lưu thành

mỏng có đường kính từ 2 – 10 mm) Giáo sư Metluyk đã xác định được đối với các

Hàm (2.5) là phương trình để xác định lưu lượng của dòng khí qua lỗ tiết

lưu

Có thể thấy ngay rằng nếu sử dụng công thức này trong các tính toán thì ta có thể

đơn giản hóa bài toàn đi rất 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:

̇ =(

) =

Tất cả các cụm van, đường ống đều có thể mô hình hóa thành các van tiết lưu

D và các dung tích E, để thuận tiện cho việc tính toán người ta thường hay gọp tiết

lưu D và dung tích E thành một khâu gọi là khâu D-E

2.1.4 P ươn trìn lưu lượn đ vào dun tíc :

Thiết bị truyền động khí nén trên ôtô thường có tác dụng rất nhanh Vì vậy,

việc trao đổi nhiệt giữa khí nén trong hệ thống và môi trường trong quá trình dẫn