Mô phỏng và tính toán quãng đường phanh cho ô tô tải loại n3 có trang bị hệ thống dẫn động phanh khí bằng nén

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 hay còn gọi là thời gian phản

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội

-

Luận văn thạc sĩ khoa học

Mô phỏng và tính toán qu∙ng đường phanh cho

ôtô tải loại n3 có trang bị Hệ thống dẫn động

Mở ĐầU

Chương I: đặc điểm của hệ thống phanh bằng khí nén

trên ôtô tải

Trang

1.1 Tổng quan về tình hình sản xuất và lưu hành xe ở

tại Việt Nam, trên thế giới……… 4

1.2 Tổng quan về hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén… 5

1.2.1 Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống phanh xe tải……… 5

1.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống phanh khí……… 6

1.3 Đặc điểm của hệ thống dẫn động phanh khí nén

trên xe tải……… 11

1.3.1 Thời gian chậm tác dụng……… 11

1.3.2 Các biện pháp làm giảm độ chậm tac dụng của hệ thống……… 12

1.4 Quãng đường phanh của ôtô có trang bị phanh khí nén…… 13

1.5 Kết luận……… 14

Chương II: phương pháp mô phỏng dẫn động phanh khí và tính qu∙ng đường phanh 2.1 Phương pháp mô phỏng……… 16

2.2 Phương pháp mô phỏng tập trung……… 16

2.2.1 Phương trình lưu lượng đi qua tiết lưu……… 17

2.2.2 Phương trình lưu lượng đi vào dung tích……… 19

2.2.3 Phương trình lưu lượng tại điểm nút……… 22

2.4 Phương pháp tính quãng đường phanh……… 27

2.4.1 Hiệu quả phanh……… 27

2.4 Kết luận ……… 31

Chương III: mô phỏng và tính qu∙ng đường phanh 3.1 Mô phỏng và tính toán áp suất cấp vào các bầu phanh……… 34

3.1.1 Giới thiệu chung và xác định sơ đồ hệ thống dẫn động phanh……… 34

3.1.2 Xây dựng mô hình hệ thống phanh khí nén……… 35

3.1.3 Mô hình toán học và phương pháp giải……… 35

3.1.4 Các giả thiết tính toán……… 38

3.1.5 Giải hệ phương trình vi phân và kết quả……… 38

3.2 Tính quãng đường phanh……… 54

Chương IV: Khảo sát những nhân tố ảnh hưởng đến qu∙ng đường phanh 4.1 Đặt vấn đề……… 59

4.2 ảnh hưởng của các tông số đến kết cấu……… 61

4.2.1 Đường kính ống từ tổng tới ngã ba……… 61

4.2.2 Đường kinh ống từ ngã ba tới các bầu phanh……… 64

4.2.3 Thể tích các bầu phanh……… 67

4.2.4 Van gia tốc……… 69

4.4 KÕt qu¶ tÝnh to¸n vµ th¶o luËn……… 77 KÕt luËn……… 78

Phô lôc

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ôtô Việt Nam đã có những tiến bộ rõ rệt, tuy nhiên chất lợng xe sản xuất trong nớc cha cao Trong

đó, chất lợng và hiệu quả của hệ thống phanh luôn là vấn đề đợc quan tâm hàng đầu vì nó liên quan trực tiếp đến an toàn giao thông và các tiêu chuẩn mang tính pháp lý Đối với các loại xe tải có trang bị hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén thờng có đặc điểm là thời gian chậm tác dụng tơng đối lớn, dẫn

đến thời gian và quãng đờng phanh cũng lớn Do đó, việc nghiên cứu để đánh giá hiệu quả phanh ôtô ngay trong quá trình thiết kế và hiệu chỉnh kết cấu hoặc tìm ra các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả phanh trớc khi đa

ra sản xuất thử nghiệm là rất cần thiết

Xuất phát từ những mục đích trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Mô phỏng

và tính toán quãng đờng phanh cho ôtô tải loại N3 có trang bị hệ thống dẫn

động phanh bằng khí nén”

Những nội dung chính và một số kết quả đạt đợc của luận án:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phơng pháp mô phỏng dẫn động khí nén

và tính quãng đờng phanh Từ đó xây dựng mô hình toán học cho hệ thống dẫn động phanh khí nhằm phục vụ cho việc tính toán quãng đờng phanh

- Sử dụng Matlab Simulink mô phỏng và tính quãng đờng phanh Phơng pháp này cho phép đơn giản và tăng độ chính xác kết quả tính toán

- Khảo sát ảnh hởng của một số thông số kết cấu và sử dụng đến quãng

đờng phanh ôtô Từ đó đa ra một số kiến nghị về giải pháp kỹ thuật đối với các nhà thiết kế (lựa chọn các thông số kết cấu tối u cho hệ thống phanh), cũng nh một số khuyến cáo đối với ngời sử dụng nhằm nâng cao tính an toàn chuyển động góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông

Mở đầu

A/ Đặt vấn đề:

Ngày nay, ôtô đã trở thành phương tiện giao thông vận tải không thể thiếu đối với xã hội Bởi vậy, những chiếc ôtô luôn luôn được cải tiến và hoàn thiện theo xu hướng hiện đại hơn, thân thiện hơn với con người và môi trường nhằm đáp ứng được những tiêu chuẩn kỹ thuật, an toàn và môi trường ngày càng cao Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ôtô Việt Nam đã có những tiến bộ rõ rệt, bước đầu đáp ứng được những nhu cầu của nền kinh tế quốc dân đối với một số chủng loại xe Tuy nhiên, ngành công nghiệp này vẫn

đang trong giai đoạn sơ khai nên còn rất nhiều việc phải làm để có thể sản xuất ra các loại ôtô 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 ôtô phục vụ cho quá trình thiết kế chế tạo, các cụm, các hệ thống trên xe và tiến tới chế tạo những chiếc ôtô hoàn chỉnh mang thương hiệu Việt Nam đáp ứng được các tiêu chuẩn quốc tế là rất quan trọng

và cần thiết

Đối với ôtô 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 các 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 (hay còn gọi là 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 thường 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 pháp này cho phép đánh giá sơ bộ hiệu quả phanh ôtô 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 kỹ thuật 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 chi phí

Với sự học hỏi và tìm hiểu của bản thân, dưới sự hướng dẫn trực tiếp, tận tình của thầy PGS TS Nguyễn Trọng Hoan và sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Ôtô 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 tính toán qu∙ng đường phanh cho ôtô tải loại N3 có trang

C/ đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Đề tài là hệ thống phanh dẫn động dẫn động khí nén trên ôtô 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

Chương III: Mô phỏng và tính quãng đường phanh

Chương IV: Khảo sát những nhân tố ảnh hưởng đến quãng đường phanh

Phần kết luận

Chương I : Đặc điểm của hệ thống dẫn động phanh

bằng khí nén trên ôtô 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 ôtô trở thành phương tiện vận chuyển chủ chốt đối với bất

kỳ quốc gia nào trên thế giới, số lượng ôtô 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 cường quốc về công nghiệp ôtô là Mỹ và Nhật hàng năm sản xuất khoảng 24- 25 triệu chiếc (năm 1992 Nhật sản xuất 12,5 triệu chiếc) Trong đó ôtô du lịch chiếm tỷ lệ 70- 80%, ôtô tải chiếm 18- 20%, các loại ôtô khác chiếm 1- 3%

Với số lượng ôtô ngày càng tăng như vậy, ôtô 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 đã trở thành một mối quan tâm lớn bởi vì ôtô đã trở thành phương tiện giao thông gây chết người nhiều nhất so với các loại phương tiện giao thông thông dụng

ở Việt Nam, tính đến hết tháng 09- 2007 có khoảng 105.343 ôtô và 2.291.438 mô tô được đăng ký lưu hành trên đường Tai nạn giao thông đường

bộ vẫn đang có xu hướng tăng mặc dù Chính phủ đã đưa ra nhiều giải pháp về

an toàn giao thông Theo số liệu của Uỷ Ban an toàn giao thông Quốc gia, riêng 9 tháng năm 2007, cả nước có khoảng 11.034 vụ tai nạn giao thông, không những gây thiệt hại lớn về người mà còn gây thiệt hại về tài sản của nhà nước và của công dân

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 tặc về 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 ôtô gây nên được thống kê như sau:

ổn định khi phanh, tăng tính an toàn chuyển động

Vì những 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 sự 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

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

1.2.1/ Sơ đồ ngyuên lý chung của hệ thống dẫn động phanh xe tải

Trên hình 1.1 thể hiện sơ đồ điển hình của hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén trên ôtô 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 hào 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

Khi nhả phanh, tầng dưới của van 15 thông với khí quyển (tham khảo hình 1.2), các bát phanh 17,18 thoát ra ngoài khí quyển qua van 16 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 hoà lực phanh 12) Nhờ vậy quá trình nhả phanh bánh xe trước và sau được nhanh hơn Từ tầng trên và tầng dưới tổng van 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 nhả phanh, người lái điều khiển van phanh tay 19, khí nén từ mạch

điều khiển thoát ra ngoài qua van gia tốc 9 Do vậy, xi lanh 7,8,10,11 và bát phanh sau được nối thông với khí quyển qua van 9 và nhả guốc phanh các bánh xe cầu sau

Khi phanh, xoay tay gạt van 19, mạch điều khiển van tăng tốc 9 nối bình khí nén 6 Khí nén đi vào các bát phanh 7,8,10,11 bánh xe cầu sau của bình tích trữ năng lượng để thực hiện quá trình phanh

Để nghiên cứu và hiểu rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống dẫn động phanh trên, trước hết cần phải nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một số van sau: van phân phối, van gia tốc

Van phân phối

Hình 1.2 - Sơ đồ cấu tạo van phân phối

1 Piston; 2 Piston tuỳ động khoang trên; 3 Phần tử đàn hồi; 4 Đòn dẫn

động; 5 Khớp xoay; 6 Cần đẩy; 7 Bu lông chặn; 8 Lò xo bậc; 9 Van khoang trên; 10 Piston tuỳ động khoang dưới; 11 Van khoang dưới; 12 Lò

xo bậc phía dưới; 13 Cần đẩy Piston

I,II : Cửa nối thông với bầu phanh; III, IV : Cửa nối thông với bình chứa của hai mạch độc lập

Nguyên lý làm việc:

ở vị trí ban đầu ( khi chưa đạp phanh) các van 9 và 11 dưới tác dụng của lò xo được đóng lại Cửa I phân cách với cửa IV và cửa II phân cách với cửa III Cửa I và cửa II thông với khí quyển qua cửa van 14

Khi đạp lên bàn đạp phanh, lực tác dụng sẽ truyền đến van và đến cần

đẩy 6, phần tử đàn hồi 3 và đến piston 2 Piston 2 dịch chuyển xuống dưới, ép

lò xo 8 và đóng cửa xả khi nó tiếp xúc với van 9 để ngăn cách với cửa II và tiếp tục đến các bầu phanh bánh xe chừng nào lực ép của cần đẩy 5 chưa cân bằng với áp suất khí nén và lò xo 8 tác dụng lên piston 2 (tác động tuỳ động

được thực hiện ở tầng trên của van phanh)

Đồng thời với sự tăng áp suất ở cửa II, khí nén qua rãnh (b) khoang II trên thân van đi vào khoang C trên piston gia tốc 1 tầng thứ 2 của van phanh

Do có diện tích lớn piston 1 dịch chuyển xuống dưới và áp suất trên đỉnh piston không lớn sẽ làm tác dụng lên piston bậc 10 của tầng 2 van phanh Khi dịch chuyển xuống phía dưới piston 10 ép lò xo 11 làm đóng cửa xả khi nó tiếp xúc với van 11 để ngăn cách cửa I với khí quyển và sau đó mở van 12 Khí nén được đưa đến qua cửa IV qua van 12 mở đi đến cửa I và tiếp tục đi

đến các bầu phanh của các bánh xe cầu trước Do tăng áp suất ở cửa I, áp suất

ở khoang dưới của piston 1 và 10 tăng lên và cân bằng với lực tác dụng lên piston 10 từ phía trên Do đó, cửa I cũng được xác lập áp suất tương ứng lực tác dụng lên cần cửa van phanh, nghĩa là đảm bảo tác động tuỳ ở cả tầng dưới của van phanh

Khi hư hỏng ở tầng trên của van ( không có áơp suất ở cửa II), tầng dưới được điều khiển bằng cơ khí qua bu lông chặn 7 và cần đẩy 13 Khi đó tác động tuỳ động thực hiện nhờ cân bằng của các lực đặt trên cần 4 từ phía trên, bằng áp lực của khí và lò xo 11 tác động lên piston nhỏ 10 từ phía dưới Nừu tầng dưới bị hỏng ( không có áp suất ở cửa I), sự làm việccủa tầng trên

cũng không bị ảnh hưởng Khi thôi tác dụng lên bàn đạp phanh, cần 4 dưới tác dụng của phần tử đàn hồi 3 được trở về vị trí ban đầu Piston bậc 2 dịch chuyển lên trên do lực ép của lò xo 8, van 9 đóng lại, đường khí nén dẫn vào bình chứa đến cửa II bị ngừng lại Khi piston 6 tiếp tục dịch chuyển lên phía trên, cửa xả được mở ra, cửa xả nối thông với cửa II với khí quyển qua cửa 14,

áp suất ở cửa II, trong khoang A của không gian trên piston gia tốc 1 giảm đi Dưới tác dụng của lò xo 12 piston 1 và 10 dịch chuyển lên trên, van 12 đóng lại, đường khí nén từ bình chứa tới cửa I bị ngừng lại Khi piston 1 và 10 tiếp tục dịch chuyển lên trên, cửa xả được mở ra, nối thông cửa I với khí quyển qua cửa 14

Với trường hợp trên ta bỏ qua bộ điều hoà lực phanh

Van gia tốc

Sơ đồ cấu tạo van gia tốc được thể hiện trên hình 1.3

Hình 1.3 - Van gia tốc

1- ống dẫn hướng; 4- Khoang điếu khiển phía trên van gia tốc; 7- Khoang

van; 9- lò xo dưới van xả

Van gia tốc dùng để giảm thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh nhờ giảm độ dài của đường dẫn khí tới các bầu phanh cầu sau và xả không khí

ở đây ra Van được lắp ở phía trong dầm dọc của khung ô tô và giá sau ôtô Cấu tạo của van gia tốc được trình bày trên hình 1.3

Trong đó:

Cửa A được nối với khoang trên của tông van, áp khí trên đoạn ống này

có tác dụng điều khiển đóng mở van, khí nén từ bình chứa được dẫn đến cửa

C và qua cửa B đến các bát phanh bánh xe cầu sau

Khi chưa phanh, không có áp suất ở cửa A, piston 5 ở vị trí trên cùng, van nạp 2 được đóng lại dưới tác dụng của lò xo 9, còn van xả 3 được mở thông với khí trời

Khi phanh, khí nén được truyền từ khoang trên tổng van vào cửa A van gia tốc xuống phía dưới khoang điều khiển 4 Dưới tác động của khí nén, piston 5 dịch chuyển xuống phía dưới, lúc đầu nó đóng van xả 3 và sau đó mở van nạp 2 các xi lanh của bát phanh sau liên kết với cửa B được tiếp đầy khí nén từ bình qua cửa C và van nạp 2 để phanh các bánh xe sau

Khi áp suất cửa B đạt tới áp suất tương ứng cửa A, piston 5 dịch chuyển lên trên và dưới tác dụng của lò xo 9, van nạp 2 đóng lại và van xả 3 mở ra

đồng thời khí nén thoát ra ngoài qua cửa D Kết thúc quá trình phanh

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 xi lanh 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 còn 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 của phanh khí nén Điều này càng thể hiện rõ và nghiêm trọng hơn đối với xe có đường ống dài như xe tải cỡ lớn hoặc xe kéo moóc Bởi vì tổng cộng các dường ống dẫn tới cơ cấu phanh chấp hành xa nhất có thể đạt hàng chục mét Trong những trường hợp như vậy rất khó có thể đạt được 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 chậm tác dụng tuỳ theo điều kiện cụ thể, người ta áp dụng các biện pháp khác nhau để đạt yêu cầu mong muốn

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

Để giảm tác động của hệ thống 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 mặt lý thuyết và thực nghiệm Vì nếu tăng đường kính lên quá mức sẽ làm tăng giá kết cấu đồng thời làm tăng tổn hao khí nén dẫn đến 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 những 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 các

đặc tính tĩnh, bởi vì xuất hiện những vùng không nhậy 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 thật sự cần thiết

- Sử dụng các loại van hiệu chỉnh

Đây là biện pháp hiệu qủa nhằm tăng phản ứng của hệ thống dẫn động tuỳ động, bằng cách sử dụng các thiết bị hiệu chỉnh Các thiết bị này thường rất phức tạp nên chỉ áp dụng khi mọi khả năng của các phương pháp trên không còn nữa

Ưu đểm 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 tuỳ

động Trong hệ thống dẫn động phanh ta có thể trang bị các van này để giảm thời gian chậm 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

1.4/ Quãng đường phanh của ôtô có trang bị hệ thống dẫn động phanh khí nén

Theo tài liệu [2] quãng đường phanh có thể xác định bằng biểu thức (xem chương 2, phần 4):

+

=

s s

r p

ae ae

i

G G

f P

V C gC

G S

θ θ

δ

sin cos

1 ln 2

Có thể thấy rằng quãng đương phanh phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong

đó có các yếu tố sử dụng như vận tốc, tải trọng, độ dốc của đường, tình trạng mặt đường, Yếu tố kết cấu duy nhất thể hiện trong công thức trên chính là lực phanh Pp

Theo lý thuyết, lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi lực bám nên trong khi thiết kế người ta thường tính toán sao cho lực phanh cực đại có giá trị bằng lực bám, khi đó quãng đường phanh nhỏ nhất có thể xác định như sau:

+

=

s s

r

ae

V C gC

G S

θ θ

1 ln 2

2 1 min

với ϕ là hệ số bám

Tuy nhiên, trong thực tế khi phanh lực phanh tại các bánh xe không thể

đạt được ngay giá trị cực đại mà tăng dần theo thời gian Quá trình tăng lực phanh phụ thuộc chủ yếu vào quá trình tăng áp suất trong các bầu phanh Vì vậy, nếu tính quãng đường phanh theo công thức (*) thì lực phanh Pp không phải là một hằng số mà nó biến thiên theo thời gian, phụ thuộc vào quy luật tăng áp suất trong các bầu phanh

Nghĩa là, nếu gọi áp suất trong các bầu phanh là pi thì:

) ( i

P =

trong đó pi là hàm của thời gian

Vì lý do trên, để xác định được quãng đường phanh thực tế có kể đến độ chậm tác dụng của hệ thống dẫn động thì cần tiến hành mô phỏng hệ thống dẫn động để tìm quy luật tăng áp suất tại các bầu phanh

Kết luận:

Quãng đường phanh ôtô là một chỉ tiêu quan trọng đánh giá hiệu quả phanh của xe, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có yếu tố quan trọng là quá trình tăng áp suất trong các bầu phanh Vì vậy, để tính toán quãng đường phanh một cách chính xác cần tiến hành mô phỏng hệ thống dẫn động khí nén

để xác định quy luật tăng áp suất Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp mô phỏng tính toán dẫn động khí nén và tính quãng đường phanh với sự trợ giúp của công cụ Simulink trong phần mềm mô phỏng Matlab

Chươnng II : Phương pháp Mô phỏng dẫn động khí néN và

tính toán qu∙ng đường phanh 2.1/ phương pháp mô phỏng;

Để nghiên cứu động lực học của một 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 tựơng 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 các 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 các hệ thống khí nén và nói chung chúng đều có ưu nhược

điểm riêng Trong luận văn sẽ 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

ôtô, đó là phương pháp mô phỏng tập trung của GS Metliuc [1]

Để giải bài toán mô phỏng hệ thống phanh dẫn động khí nén có thể sử dụng nhiều 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 loại này là sử dụng các phần mềm chuyên dụng Luận văn sẽ sử dụng một trong những phần mềm hiện đại và đang được ứng dụng phổ biến hiện nay là Matlab 7.0

2.2/ phương pháp mô phỏng tập trung

Như đã trình bày trên đây, trong đề tài này tác giả sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng tập trung để mô phỏng hệ thống dẫn động khí nén trên ôtô 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 hoá bài

toán mô phỏng và quy về việc xác định:

+ Quan hệ giữa các thông số 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

2.2.1/ Phương trình lưu lượng đi qua tiết lưu:

1/ Lưu lương tức thời đi qua tiết lưu:

Hình 2.1: Tiết lưu và kí hiệu trên sơ đồ

Phương trình lưu lượng tức thời đi qua tiết lưu

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

Do mức độ phức tạp của 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 Do vậy, hiện nay người ta phải sử dụng nhiều công thức khác nhau để biểu thị ϕ( )σ

(Saint- venant, Sau vill, ) Nhưng ở đây ta sẽ sử dụng hàm lưu lượng do giáo sư N.P Metliuc đề xuất:

( )

σ

σ σ

ϕ

ư Β

ư Α

ϕ

ư

ư

= 13 , 1 1

Khi đó ta có công thức tính lưu lượng túc thời đi qua tiết lưu

.

p o 1

(1)

2.2.2/- Phương trình lưu lượng đi vào dung tích:

1- Lưu lượng tức thời vào dung tích không đổi:

Từ phương trình trạng thái chất khí:

m. E =

dt

dV RT

p dt

V B

A RT

D

σ

σ à

p fv k dt

1

(4) 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

dp

ư

ư

= à

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 2.3) quá trình nạp xả ra trong 3 giai đoạn: I, II, III

Y1

E D

P1

V - Thể tích làm việc ở giai đoạn II

V0- Thể tích làm việc lúc đầu ở giai đoạn II

F - 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 đ−ợc thể hiện trên hình sau

Kết hợp phương trình (1) và (4) và (a) ta có:

0 1 Fp1

dt

dp k

1 0

p Bp

p p

ư

ư

(5) Đối với trường hợp xả khí ta có:

0 1 Fp1

dt

dp k

1 0

p Bp

p p

ư

ư Phương trình dịch chuyển piston:

p (p p I)F P P ms

dt

y d

m 22 = 1ư ư ư Trong đó:

Fms: lực ma sát

Pms= b (p p I)

dt

dy+ 1ư ƒmsFk, với

y

d22 + +(F k f ms ưF)(p1ư p I)= 0 Trong một số trường hợp đặc biệt : mP nhỏ, có thể bỏ qua được : Cy= F(p1ư p I)

dt

dp C

F dt

dy = 1

⇒ Kết hợp với phương trình (4) ta được:

1 0

p Bp

p p

ư

ư (6)

Trong khi tính toán, nếu thể tích thay đổi không đáng kể thì có thể coi V= const để đơn giản mô hình toán học của hệ thống

2.2.3/ Phương trình lưu lượng tại điểm nút:

Trên sơ đồ mô phỏng của hệ thống phanh khí thưòng có điểm nút, tại

mỗi điển nút sẽ có các nhánh đi vào và đi ra (hình 2.5) Để tính lưu lượng đi

qua điểm nút người ta áp dụng quy tắc tính dòng điện

2 1

.

0

= +

a/ Phương pháp giải bài toán côsi:

Nhiều bài toán khoa học kỹ thuật dẫn đến việc giải phương trình vi phân

thường Bài toán đơn giản nhất của hệ phương trình vi phân côsi như sau:

2

5

3

2 =

Tìm các nghiệm y1=ϕ1( )x , y2=ϕ2( )x ,…., yn=ϕn( )x , của hệ phương trình vi phân thoả mãn điều kiện côsi hay các điều kiện ban đầu:

y1(x0)=α1, y2(x0)=α2, …., yn(x0)=αn; x0≤x≤ X ;

x,α là những số cho trước

f1(x,y1,y2,…,yn), f2(x,y1,y2,…,yn),….,fn(x,y1,y2,…,yn),

là những hàm số đã biết của n+1 đối số x,y1,y2,…,yn

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 cấp 1, … còn đối với bài toán

mà 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 ơle là tính toán đơn giản Bài toán này có dạng như sau:

y=f(x,y)

y(x0)=α x0≤ x ≤ X

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

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

cầu chính xác nghiệm bài toán, ta có thể dùng cấp chính xác cụ thể của phương pháp giải

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

Khai triên chuỗi taylo, nghiệm y(x) của bài toán tại xi

( ) ( ) ( ) ( ) ( i) ( )i

i

x y x

! 2

2

ư +

ư +

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

y( ) ( )x i y x i hf(x i y( )x i ) h y''( )c i

2 ,

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 luỹ 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 triển khai Taylo, nghiệm y(x) của bài toán tại xi với

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

xi= x0+ i.h, i= 0,1,2,…,n- 1

xn= X;

n

x X

h= ư 0

Giải giá trị gần đúng yi của nghiệm y(xi), cần tính giá trị đúng yi+1 của nghiệm

đúng y(xi+1) Chẳng hạn giải bài toán cấp chính xác cấp 2, cấp 3 hoặc cấp 4 Tuỳ theo yêu cầu chính xác nghiệm bài toán, ta có thể dùng cấp chính xác cụ thể của phương pháp giải

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

yi+1 = yi+1/6 (k1(i)+2k2(i)+2k3(i)+k4(i))

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 dạng các phần mềm trọn gói đã trở nên

rất phổ biến nên Luận văn sẽ sử dụng phần mềm Matlab để giải bài toán mô phỏng hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén và tính toán quãng đường phanh

ôtô

2.3.2/ Giới thiệu chung về phần mềm Matlap

Matlab 7.0, là phần mềm tính toán hiện đại khá thông dụng hiện nay trong các tính toán kỹ thuật, thưòng 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 mềm có dao 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 dụng vào việc giải các bài toán mô phỏng hoạt động của các hệ thống trong ôtô Các câu lệnh đơn giản, dễ hiểu được viết sát với mô tả

kỹ thuật, khiến 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 giữ 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 biểu 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 rêng, giải các bài toán bền bằng phương pháp hữu hạn

Cú pháp odesol ver dùng để định nghĩa và giải các phương trình vi phân với 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 chọn công cụ này để giải bài toán mô phỏng hệ thống dẫn

động phanh bằng khí nén và tính quãng đường phanh ôtô

2.4/ Phương pháp tính toán quãng đường phanh:

2.4.1/ - Hiệu quả phanh:

Hiệu quả phanh của ụ tụ là một trong những nhõn tố quan trọng ảnh hưởng tới tớnh an toàn chuyển động Với mật độ giao thụng ngày càng tăng trong những năm gần đõy, cỏc nhà thiết kế ụ tụ đó ngày càng quan tõm nhiều hơn tới việc nõng cao hiệu quả phanh Một trong những thụng số quan trọng đỏnh giỏ hiệu quả phanh chớnh là quóng đường phanh Dưới đõy là phương phỏp tớnh toỏn quóng đường phanh ụ tụ [2]

a - Cỏc lực tỏc dụng lờn ụ tụ 2 cầu khi phanh

Cỏc lực tỏc dụng lờn ụ tụ khi phanh được mụ tả trờn hỡnh 2.4

Lực phanh Pp chớnh là lực do hệ thống phanh sinh ra và được đặt tại điểm tiếp xỳc giữa bỏnh xe và mặt đường Khi lực phanh chưa đạt tới giới hạn bỏm, thỡ lực phanh được tớnh theo cụng thức sau:

r

I M

Hinh 2.4 - Sơ đồ lực tác dụng nên ôtô khi phanh.

Ngoài lực phanh cũn cú cỏc lực cản lăn, cản khụng khớ và cản lờn dốc, cản trong hệ thống truyền lực cũng cú tỏc dụng làm chậm chuyển động của

xe Vì vậy, tổng lực cản được biểu thị bằng biểu thức sau:

P P P G

G f P

P c = p+ r cos θs + sin θs + t = p + Σ (2)

ở đõy, fr là hệ số cản lăn, G là trọng lượng của xe, θs là gúc dốc so với mặt phẳng ngang, Pω là lực cản khụng khớ và Pt là lực cản trong hệ thống truyền lực Dấu cộng cho số hạng Gsinθs được lấy khi cho trường hợp lờn dốc, cũn dấu trừ được sử dụng khi xe đang xuống dốc Thụng thường, lực cản trong hệ thống truyền lực là khụng lớn nờn cú thể bỏ qua khi tớnh toỏn hiệu quả phanh

b - Hiệu quả phanh và Quóng đường phanh

Để đỏnh giỏ khả năng phanh của ụ tụ, người ta sử dụng khỏi niệm hiệu quả phanh Hiệu quả phanh được đỏnh giỏ bằng tỷ số giữa gia tốc khụng thứ nguyờn (j/g) cực đại với hệ số bỏm và được biểu diễn qua cụng thức:

Quãng đường phanh là một thông số thường dùng để đánh giá hiệu quả phanh ô tô Để tính quãng đường phanh, người ta sử dụng những nguyên lý

cơ bản của động lực học Ta có công thức sau:

dS VdV

g G

P P jdS

Phương trình (4) có thể được lấy tích phân để tính được quãng đường đi được của ô tô khi phanh từ vận tốc V1 đến vận tốc V2:

=∫1 +Σ

2

V V

p

i

P P

VdV g

= ∫1 + ± +

V V

s s

r p

b

P G

G f P

VdV g

W S

ω

θ θ

+

± +

2

2 1

sin cos

sin cos

ln

V C G

G f P gC

G S

ae s s

r p

ae s s

r p ae

i

θ θ

θ θ

+

=

s s

r p

ae ae

i

G G

f P

V C gC

G S

θ θ

δ

sin cos

1 ln 2

2

1 (9)

Đối với một ô tô cụ thể, nếu sự phân bố lực phanh giữa các cầu và điều kiện đường xá đảm bảo cho lực phanh tại các cầu đồng thời đạt được giá trị cực đại thì thì hiệu quả phanh là lớn nhất, ηb = 100%, khi đó quãng đường phanh là nhỏ nhất Hay, nói cách khác, lúc này lực phanh đạt được giá trị tối

đa của nó:

P p = ϕG

Trong trường hợp này mô men phanh tại bánh xe lớn hơn nhiều so với

mô men của lực quán tính nên có thể coi δi = 1 Như vậy, quãng đường phanh nhỏ nhất được tính như sau:

+

=

s s

r

ae

V C gC

G S

θ θ

1 ln 2

2 1

Nếu điều kiện phanh khụng cho phộp phỏt huy hiệu quả phanh tối đa (ηb < 100%) thỡ quóng đường phanh sẽ lớn hơn Smin tớnh theo cụng thức (11) Trong trường hợp này, quóng đường phanh được tớnh như sau:

+

=

s s

r b

ae

V C gC

G S

θ θ

ϕ

1 ln 2

2 1

Cần lưu ý rằng, trong thực tế, tồn tại một khoảng thời gian từ khi người lỏi đạp phanh cho tới khi đạt được lực phanh cực đại Thời gian này phụ thuộc vào thời gian chậm tỏc dụng của hệ thống phanh (cũn gọi thời gian phản ứng)

Vỡ vậy, quóng đường phanh thực tế sẽ lớn hơn quóng đường tớnh theo cỏc cụng thức trờn đõy Túm lại, để cú thể xỏc định được quóng đường phanh đỳng với thực tế, cần phải tớnh đến ảnh hưởng của độ chậm tỏc dụng của hệ thống phanh

Tuy nhiên, do đặc thù của bài toán mô phỏng là sử dụng công cụ simulink trong Matlab, việc xác định quãng đường phanh theo công thức (10)

sẽ gặp khó khăn

Vì vậy, ở đây ta sẽ tính quãng đường phanh bằng phương pháp sau

Nếu xét điều kiện chuyển động trên đường bằng phẳng, bỏ qua tổn thất trong

hệ thống truyền lực thì phương trình cân bằng lực trong quá trình phanh có dạng:

- lực phanh phụ thuộc vào các thông số kết cấu của cơ cấu phanh và áp suất cấp vào bầu phanh:

Pp = Kppi

Kp- hệ số phụ thuộc vào các thông số kết cấu của cơ cấu phanh

pi- áp suất cấp vào cơ cấu phanh

+

=

2 2

2

2 dt

ds A C fG p K G

g dt

s d

f D i

p i

ρ δ

Trong đó pi là áp suất bình khí nén tại các bầu phanh, pi được tính bằng cách mô phỏng hệ thống dẫn động bằng khí nén

Phương pháp tính này cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình tăng áp suất trong bầu phanh (độ chậm tác dụng của hệ thống) tới quãng

đường phanh

2.4.2/ Kết luận:

Bằng phương pháp mô phỏng hệ thống dẫn động khí nén và tính quãng

đường phanh bằng công cụ Simulink trong Matlab ta có thể xác định được quãng đường phanh ôtô có kể đến độ chậm tác dụng của hệ thống do quá trình tăng áp suất trong bầu phanh Phương pháp này cho kết quả chính xác và sát với thực tế hơn