Nghiên cứu mô phỏng hệ thống tự động phanh nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động trên ô tô sử dụng hệ thống phanh khí nén

Phát triển hệ thống TCS đã được nghiên cứu phát triển để ứng dụng trên các loại ô tô sử dụng dẫn động phanh thủy lực.. “Nghiên cứu mô phỏng hệ thống tự động phanh nhằm hạn chế trượt quay

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác

Hà Nội, tháng 10 năm 2015

Học viên

ii

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của bài luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành đến thầy giáo PGS.TS Hồ Hữu Hải, người đã hướng dẫn tôi tận tình chu đáo về chuyên môn để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này

Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng, Viện Cơ khí Động lực và Viện Đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Cuối cùng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành tới gia đình, bạn bè

và đồng nghiệp, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong thời gian tôi học tập và làm luận văn

Hà Nội, tháng 10 năm 2015

Học viên

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lực kéo TCS 3

1.2 Mối quan hệ giữa hệ thống TCS và ABS trên ô tô 4

1.3 Hệ thống TCS trên xe tải phanh khí nén 5

1.3.1 Mô hình hệ thống TCS 5

1.3.2 Các loại bộ phận chính của hệ thống phanh TCS 6

1.4 Tính ổn định chuyển động của ô tô có bố trí hệ thống TCS 12

1.4.1 Khái quát về tính ổn định 12

1.4.2 Sự trượt và hệ số bám giữa bánh xe chủ động với mặt đường 13

1.4.2.1 Khá niệm về sự trượt của bánh xe chủ động 13

1.4.2.2 Hệ số bám và các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số bám 14

1.4.2.3 Tính ổn định của bánh xe chủ động 16

CHƯƠNG II CƠ SỞ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHÒNG HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN 19

2.1 Phương pháp mô phỏng 19

2.1.1 Giới thiệu chung 19

2.1.2 Phương pháp mô phỏng 19

2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có trang bị TCS 21

2.2.1 Sơ đồ hệ thống dẫn động và mô phỏng hệ thống 21

2.2.2 Mô hình toán học và phương pháp giải 22

2.2.3 Các giả thiết tính toán 23

2.3 Cơ sở lý thuyết mô phỏng hệ thống phanh khí 23

2.3.1 Động lực học của dòng khí nén 23

2.3.2 Phương trình trạng thái 28

2.3.3 Lưu lượng đi vào dung tích 29

2.3.4 Phương trình lưu lượng tại điểm nút 30

iv

CHƯƠNG III

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHỐNG TRƯỢT QUAY TCS TRÊN Ô TÔ

TẢI SỬ DỤNG PHANH KHÍ NÉN 31

3.1 Công cụ mô phỏng Matlab – Simulink; Matlab - State flow 31

3.1.1 Matlab – Simulink 31

3.1.2 Matlab – State flow 35

3.2 Thông số hệ thống phanh khí nén 37

3.3 Sơ đồ mô phỏng 38

3.4 Mô hình mô phỏng các cụm của hệ thống 40

3.4.1 Mô phỏng van TCS 40

3.4.2 Mô hình mô phỏng van ABS 42

3.4.3 Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh 45

3.4.4 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển điện tử (ECU) 47

3.4.5 Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô 51

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG 57

4.1 Trường hợp 1: 58

4.2 Trường hợp 2 61

4.2.1 Khi không có TCS 61

4.2.2 Khi có TCS 66

4.3 Trường hợp 3 71

4.3.1 Khi không có TCS 72

4.3.2 Khi có TCS 75

KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

v

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ, CHỮ VIẾT TẮT

Ký tự/Chữ viết tắt Ý nghĩa/Viết đầy đủ Đơn vị/Giải thích

TCS Traction Control System Hệ thống điều kiển lực kéo ABS Anti-lock Brake System Hệ thống chống bó cứng bánh xe ESP Electronic Stability Progamme Chương trình cân bằng điện tử ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử

a,b Khoảng cách từ trọng tâm của xe tới cầu trước và sau m

vi

Q21, Q22 Lưu lượng khí nén phanh

3/s

P21, P22 Áp suất phản hồi từ van ABS

Pcha_RL, Pcha_RR Áp suất phản hồi từ bầu

phanh tới van ABS Pascal (Pa)tới van ABS

Pbình Áp suất bình chứa khí nén Pascal (Pa)

Slip_RL; Slip_RR Độ trượt tại các bánh xe chủ động

Hình 1.10: Sự phụ thuộc giữa hệ số bám với vận tốc và độ trượt 15

viii

Hình 3.8: Sơ đồ khối mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh bánh xe chủ động 46 Hình 3.9: Sơ đồ tính toán áp suất tại bầu phanh và momen phanh 46

Hình 3.12: Sơ đồ thuật toán mô tả quá trình cung cấp khí nén qua van TCS 49 Hình 3.13: Sơ đồ thuật toán mô tả sự thay đổi áp suất trong bầu phanh bánh xe 50

Hình 4.1: Mô men phanh tại các bánh xe chủ động(ϕ1,2 = 0.8) 57 Hình 4.2: Độ trượt tại các bánh xe chủ động (ϕ1,2 = 0.8) 58 Hình 4.3: Vận tốc tiếp tuyến tại điểm trên các bánh xe chủ động và vận tốc chuyển

Hình 4.5: Mô men phanh tại các bánh xe chủ động khi không có TCS (ϕ1,2 =

Hình 4.9: Quãng đường tăng tốc của xe khi không có TCS (ϕ1,2 = 0.25÷0,3) 65 Hình 4.10: Mô men phanh tại các bánh xe chủ động khi có TCS (ϕ1,2 = 0.25÷0,3) 66 Hình 4.11 : Áp suất trong bầu phanh của các bánh xe chủ động khi có TCS (ϕ1,2 = 67

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ô tô vận tải hàng hóa sử dụng ở các vùng nông thôn của nước ta đang ngày càng phổ biến Chất lượng đường sá ở nhiều vùng chưa tốt, ảnh hưởng xấu đến tính năng động lực học của xe Để nâng cao khả năng động lực học cho xe hoạt động trên những loại đường xấu, cần thiết trang bị hệ thống điều khiển lực kéo TCS (Traction Control System) Tuy nhiên, ô tô tải sản xuất lắp ráp tại nước ta chưa trang bị hệ thống này Việc nghiên cứu phỏng hệ thống tự động phanh nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động là một yêu cầu cần thiết nhằm làm cơ sở cho việc nghiên cứu phát triển các hệ thống TCS cho ô tô nội địa

Phát triển hệ thống TCS đã được nghiên cứu phát triển để ứng dụng trên các loại

ô tô sử dụng dẫn động phanh thủy lực Tuy nhiên đối với các loại xe tải sử dụng phanh khí nén việc đưa vào hệ thống phanh TCS còn nhiều hạn chế

“Nghiên cứu mô phỏng hệ thống tự động phanh nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động trên ô tô sử dụng hệ thống phanh khí nén” là đề tài mang tính

thực tế cao, rất cần thiết cho nhu cầu và phát triển phương tiện vận tải hiện nay, mặc dù vậy đề tài cũng gặp không ít khó khăn do việc ứng dụng TCS trên xe tải phanh khí nén còn khá mới

2 Các vấn đề cần giải quyết

Hướng nghiên cứu của đề tài dựa trên các mục tiêu sau :

- Tìm hiểu về hệ thống TCS sử dụng hệ thống phanh khí nén

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống

- Mô phỏng khảo sát hoạt động của hệ thống

2

3 Kết quả

Đề tài được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Hồ Hữu Hải – Bộ môn ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồng thời cũng nhận được rất nhiều sự hỗ trợ của các anh chị đồng nghiệp đã đạt được kết quả mà đề tài đặt ra :

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống TCS trên ô tô

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh chống trượt quay trên ô tô sử dụng phanh khí nén

- Mô phỏng và khảo sát hệ thống trong các trường hợp điển hình

Do thời gian và điều kiện thực tế còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi các thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và anh chị đồng nghiệp để

đề tài hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo

Hà Nội, tháng 10 năm 2015

Tác giả

3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lực kéo TCS

Trong quá trình ô tô làm việc, điều kiện chuyển động của xe thay đổi liên tục

Nó phụ thuộc vào loại mặt đường, vào góc dốc và vào hướng gió Sự thay đổi điều kiện chuyển động dẫn đến sự thay đổi của tốc độ ô tô thậm chí cả trong những điều kiện thuận lợi nhất (khi ô tô chuyển động trên đoạn đường hoàn toàn tốt) thì tốc độ và giá trị lực kéo vẫn còn thay đổi trong suốt quá trình ô tô chuyển động

Khi ô tô chuyển động trên những đoạn đường sấu yêu cầu lực kéo ở bánh xe chủ động phải lớn Như vậy tất cả các nguyên nhân làm giảm công suất của động cơ và tăng lực cản trong hệ thống truyền lực (các chi tiết bị mòn, đặt lực không đúng, điều chỉnh các chi tiết trong hệ thống truyền lực không đúng, yêu cầu kỹ thuật và thay đổi nhiên liệu cũng như dầu bôi trơn) đều ảnh ưởng đến tính năng cơ động của ô tô Đặc biệt điều kiện bám của bánh xe tới mặt đường xấu và lực cản lăn tăng có ảnh hướng đáng kể đến tính năng cơ động của ô tô Để khắc phục tình trạng này, đối với các xe thường làm việc trên loại đường xấu ta phải chọn đường kính và bề rộng của lốp tăng lên, giảm áp suất không khí trong lốp Giảm áp suất không khí trong lốp để đạt được lực cản lăn nhỏ nhất, điều đó làm cho sự biến dạng của lốp lại tăng lên, làm tăng mô men bám, dẫn đến mặt đường bị phá hỏng làm cho bánh xe chủ động bị trượt quay Ngược lại khi tăng áp suất không khí trong lốp lại làm tăng sự biến dạng của đường

Như vậy ở đường có hệ số ma sát thấp như đường tuyết, đường băng, đường ướt bánh xe chủ động sẽ bị quay tại chỗ nếu xe khởi hành hay tăng tốc nhanh, làm mất mát

mô men chủ động và có thể làm trượt xe Việc đảm bảo mô men phù hợp với hệ số ma sát trong các trường hợp này đôi khi không dễ dàng đối với người lái Ở phần lớn các

4

trường hợp khi khởi hành xe đột ngột người lái đạp chân ga quá mạnh và làm bánh xe

bị trượt quay mất mát lực kéo và mô men kéo

Chính vì vậy ở một số xe hiện nay đã bố trí hệ thống điều khiển lực kéo TCS Khi xảy ra hiện tượng trượt quay tại các bánh xe chủ động, hệ thống TCS điều khiển phanh các bánh xe chủ động mà không phụ thuộc vào ý định của người lái, giảm mô men truyền đến mặt đường tới một giá trị thích hợp Vì vậy có thể khởi hành hay tăng tốc một cách ổn định

1.2 Mối quan hệ giữa hệ thống TCS và ABS trên ô tô

Kiểm soát lực kéo là một phần của một loạt ba phát triển công nghệ phanh mà bắt đầu xuất hiện trong các phương tiện vào giữa thập niên tám mươi bao gồm: Hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe ABS (1978), Hệ thống điều khiển lực kéo TCS (1985), và chương trình cân bằng điện tử ESP (1995), cải thiện đáng kể tính ổn định quả xe khi phanh, tăng tốc, hoặc quay vòng…

Hệ thống điều khiển lực kéo TCS làm việc ở phía đối ngược với hệ thống ABS ABS hoạt động bằng cách nhận biết sự trượt lết ở các bánh xe và mặt đường trong khi phanh, hệ thống liên tục điều chỉnh áp suất phanh để đảm bảo tiếp xúc tối đa giữa lốp

xe và mặt đường và mô men phanh luôn nằm trong vùng tối ưu Trong khi đó TCS nhận biết sự trượt quay của bánh xe chủ động khi tăng tốc, tín hiệu về độ trượt được ECU tính toán để điều khiển giảm mô men xoắn động cơ tránh làm mất mát lực kéo và

mô men, và phanh bánh xe chủ động đảm bảo tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường, ngăn cản sự trượt quay duy trì mô men từ bánh xe tới mặt đường

Có thể hiểu TCS là một phần mở rộng cho hệ thống ABS bằng cách xây dựng thêm các module và cảm biến, nó hoạt động nhờ các module cơ bản của hệ thống ABS Thông qua bộ chấp hành ABS để điều khiển áp suất dầu phanh, phanh bánh xe khi phát

Hình 1.1 : Mô hình kết hợp hệ thống ABS và TCS trên xe tải sử dụng phanh khí nén

1: Máy nén khí 8: Bộ xử lý ECU ABS/TCS 14: Bộ chấp hành ABS 2: Bình làm khô 9, 10: Bầu phanh bánh xe 15: Bộ kết nối ABS

3: Van bảo vệ 11: Van kiểm tra 16: Bộ chấp hành TCS

4, 5, 6: Bình chứa khí nén 12: Van phanh tay 17: Van hai chiều

7: Tổng van 13: Van Rơle 18: Cảm biến tốc độ

6

1.3.2 Các loại bộ phận chính của hệ thống phanh TCS

1.3.2.1 Cảm biến tốc độ

Chức năng: Cảm biến tốc độ đặt tại bánh xe có chức năng phát hiện tốc độ bánh

xe và gửi tín hiệu này đến các ECU

Cấu tạo: Cảm biến tốc độ bánh xe loại cảm biến tự phát, cảm biến tạo ra từ trường quanh đầu của nó Mỗi khi răng của vành răng đi ngang qua từ trương trong cảm biến sẽ xuất hiện một tín hiệu điện áp

Bộ cảm biến gồm 2 bộ phận chính:

- Roto: Gồm một đĩa nam châm vĩnh cửa được nối với lõi thép cảm ứng nằm

trong cuộn dây Roto được gán vào may ơ của bánh xe Phía ngoài là đĩa cảm ứng có thiết diện thay đổi kiểu vành rănh

Hình 1.2 : Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh xe

- Đầu ghi tín hiệu: Bao gồm một cuộn dây và lõi từ làm bằng nam châm vĩnh cửu

được gắn bên ngoài vành cảm ứng của Roto Đầu ghi là bộ phát tín hiệu bào dòng cảm ứng sinh ra khi Roto quay tạo ra từ trường thay đổi

7

Nguyên lý làm việc: Khi bánh xe quay, Roto quay theo tạo ra từ trường biến đổi tác dụng vào đầu ghi tín hiệu Đầu ghi tín hiệu phát ra một dòng cảm ứng xoay chiều có tần số thay đổi tương ứng với vận tốc quay của Roto hay vận tốc góc của bánh xe Tín hiệu xoay chiều này được truyền về bộ xử lý ECU ABS/TSC làm tín hiệu đầu vào, từ

đó ECU sẽ xử lý và điều khiển

Hình 1.3 : Nguyên lý hoạt động của cảm biến

cuộn từ để làm đảo chi

Toàn bộ khí nén đi vào c

quả 2 xuống bầu phanh

ng lên Khí nén đi qua cửa

n các xy lanh phanh và vào

ên màng 5 Đồng thời khí

ng a làm tăng áp suất trong khoang e phía dưới màng 5

9

- Chế độ giảm áp

Cả 2 van điện từ I và II được tác động

Van điện từ I làm đóng van 8 và mở

van 9 Đồng thời khí nén từ cửa 1 đi

vào khoang g và khoang k làm đóng

màng số 4

Van điện từ II đóng van số 7 mở

van số 6 Áp suất trong khoang e được

giảm thông qua cửa xả số 3 Màng

ngăn 5 mở ra Áp suất trong bầu

phanh qua cửa 2 thoát vào khí quyển

thông qua khoang c, ống dẫn f và cửa

xả 3 Cho tới khi các van điện từ được

tác động ngược lại

Hình 1.6 : Quá trình giảm áp

- Chế độ giữ áp

Van điện từ II đóng (Van 6 đóng và van

7 mở) Khí nén từ cửa 1 vào khoang e,

đóng màng ngăn số 5 Áp suất trong

khoang b tăng, van điện từ I được tác dụng

để mở van 9 đóng van 8 Áp suất trong

khoang k tăng lên đóng màng ngăn 4 Áp

suất trong khoang b được giữ lại

Hình 1.7 : Quá trình giữ áp

Để có được hiệu qu

định khi nào cần phải lặ

van khác nhau (tăng áp, gi

TCS, thông qua van 2 chi

xe, ngăn bánh xe bị trượ

ECU sẽ điều khiển đóng van

khí nén vào bộ chấp hành ABS

1 Quá trình này lặp đi lặ

trượt quay, và luôn tiếp xúc v

1.3.2.5 Van hai chiều

Đặt trước bộ chấp h

nối với tổng van (7)

10

ệu quả phanh thích hợp, ECU điều chỉnh tốc độ

ải lặp lại áp lực phanh bằng cách trải qua rất nhanh các tr

ng áp, giữ áp, giảm áp) để kiểm soát độc lập tốc độ

ành phanh TCS

Hình 1.8 : Bộ chấp hành TCS

độ bánh xe đưa tín hiệu vào bộ xử lý ECU ABS/TCS T

à xử lý, nếu xuất hiện hiện tượng bánh xe tr

p tín hiệu điều kiển vào van điện từ của bộ chấp h

c Khí nén từ bình chứa khí đi qua cửa 3 vào cửa 2 TCS, thông qua van 2 chiều tới bộ chấp hành ABS thực hiện tăng áp

ợt quay Khi độ trượt của bánh xe nằm trong vđóng van điện từ TCS, lúc này của a mở, cửa c ành ABS, khí nén từ cửa 2 vào khoang A và xả ra ngo

đi lặp lại giúp bánh xe luôn nhận được lực kéo t

ếp xúc với mặt đường, giúp xe tăng tốc ổn định

ấp hành ABS, một cửa nối với bộ chấp hành TCS và m

ốc độ bánh xe và xác

ất nhanh các trạng thái

ốc độ từng bánh xe

lý ECU ABS/TCS Tại đây tín

ng bánh xe trượt quay ECU

ành TCS là đóng của bộ chấp hành ăng áp để phanh bánh

m trong vùng lý tưởng đóng, ngừng cấp

ả ra ngoài qua cửa

c kéo tối đa, không bị

ành TCS và một cửa

11

Hình 1.9 : Cấu tạo van hai chiều

1: Cửa cấp khí tới bộ chấp hành ABS

2: Gioăng

3: Cửa cấp khí từ bộ chấp hành TCS hoặc van phân phối

4: Con trượt

5: Dẫn hướng con trượt

Khi phanh thường, khí nén từ bình chứa khí thông qua tổng (7) vào van hai chiều đẩy con trượt 4 đóng cửa thông với bộ chấp hành TCS đồng thời mở cửa cấp khí 1, khí nén theo cửa 1 đến bộ chấp hành ABS và bầu phanh để thực hiện chức năng phanh thường

Khi bộ chấp hành TCS hoạt động, khí nén qua van TCS đến van hai chiều đẩy con trượt 4 đóng cửa thông với tổng van (7), mở cửa 1, khí nén theo cửa 1 vào bộ chấp hành ABS và bầu phanh thực hiện phanh hãm bánh xe chống trượt quay

1.3.2.6 Bộ xử lý ECU ABS/TCS

a, Nhiệm vụ :

Bộ xử lý ECU ABS/TCS sử dụng các tín hiệu từ các cảm biến tốc độ bánh xe và tính toán mức độ trượt giữa các bánh xe với mặt đường, rồi giảm mô men xoắn của động cơ và tốc độ góc bánh xe một cách tương ứng Vì vậy điều khiển được tốc độ bánh xe

Nếu đạp ga đột ngột trên đường trơn và các bánh chủ động bắt đầu trượt quay, tốc độ bánh chủ động sẽ vượt quá tốc độ tiêu chuẩn Vì vậy ECU sẽ gửi một tín hiệu tới bộ chấp hành TCS để cấp khí nén từ bình chứa khí tới bộ chấp hành ABS Van điện

từ 3 ví trí của bộ chấp hành ABS cũng được chuyển chế độ để thực hiện phanh bánh xe chủ động, tránh cho bánh xe chủ động bị trượt quay

1.4 Tính ổn định chuyển động của ô tô có bố trí hệ thống TCS

xe không bị nghiêng, cầu xe không quay lệch trong giới hạn cho phép để đảm bảo cho chúng chuyển động an toàn Mục đích của việc thiết kế tính toán các cụm chi tiết cũng

13

như việc sử dụng đều nhằm tăng khả năng an toàn chuyển động, để nâng cao vận tốc chuyển động của xe có nghĩa là tăng tính kinh tế và tính ổn định của ô tô trong mọi điều kiện làm việc

Ngày nay đối với một số xe thường phải làm việc trên đường có hệ số ma sát thấp bánh xe chủ động dễ bị trượt quay khi xe khởi hành hay tăng tốc, vì vậy làm mất tính ổn định của ô tô

1.4.2 Sự trượt và hệ số bám giữa bánh xe chủ động với mặt đường

1.4.2.1 Khá niệm về sự trượt của bánh xe chủ động

Khi bánh xe lăn, dưới tác dụng của mô men xoắn chủ động các bánh xe có mấu bám tác dụng lên đất, ép đất theo phương nằm ngang và có chiều ngược với chiều chuyển động của xe Đất bị nén về phía sau một đoạn làm cho trục bánh xe bị dịch chuyển về phía sau một đoạn so với trường hợp không biến dạng Đó là một trong những nguyên nhân làm cho xe mất vận tốc tịnh tiến và cũng là bản chất của hiện tượng trượt

Mặt khác sự biến dạng theo phương tiếp tuyến (biến dạng vòng) của các thớ lốp

do tác dụng của mô men xoắn (Mk) cũng làm giảm vận tốc tịnh tiến của xe gây ra sự trượt Điều đó được giải thích rằng, các phần tử của lốp khi đi vào khu vực tiếp xúc sẽ

bị nén lại làm cho bán kính thực tế của bánh xe nhỏ lại, quãng đường mà bánh xe đi được sau một vòng quay sẽ bị giảm đi Vì vậy mô men xoắn (Mk) cũng là nguyên nhân gây ra sự trượt Ngoài ra còn những nguyên nhân khác gây ảnh hưởng tới sự trượt của bánh xe chủ động như tải trọng tác dụng, cấu tạo vật liệu lốp, áp suất không khí trong lốp và điều kiện đường sá

Trong quá trình chuyển động của ô tô, sự trượt xuất hiện sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chỉ tiêu kinh tế và tính ổn định của nó, vì thế cần phải làm giảm bớt sự trượt bằng cách tăng cường chất lượng bám của bánh xe với mặt đường

14

1.4.2.2 Hệ số bám và các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số bám

Để ô tô có thể chuyển động được thì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có độ bám nhất định được đặc trưng bằng hệ số bám

Hệ số bám φ giữa bánh xe chủ động với mặt đường là tỷ số giữa lực kép tiếp tuyến cực đại (sinh ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường) trên tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe chủ động, tải trọng thẳng đứng này thường gọi

15

Hình 1.10: Sự phụ thuộc giữa hệ số bám với vận tốc và độ trượt

Khi tăng độ trượt (trượt lết hay trượt quay) của bánh xe chủ động thì hệ số bám lúc đầu tăng lên nhanh chóng (φx) và đạt giá trị cực đại trong khoảng độ trượt 15÷25% Nếu độ trượt tiếp tục tăng thì hệ số bám φx giảm Khi độ trượt λ=100% (nghĩa là lốp bị trượt lết hoàn toàn với bánh xe khi phanh hoặc trượt quay hoàn toàn với bánh xe chủ động khi tăng tốc) thì hệ số bám φx giảm 20÷30% so với hệ số bám cực đại Khi đường ướt có thể còn giảm nhiều hơn nữa Hệ số bám ở trên chúng là hệ số bám trong mặt phẳng dọc (măt phẳng chuyển động của ô tô) Ngoài ra còn có h ệ số bám trong mặt phẳng ngang φy (φy giảm nhanh khi tăng độ trượt)

Từ đồ thị ta thấy độ bám đạt cực đại khi λ=0.15÷0.25, ở giá trị độ trượt này không những φx đạt giá trị max mà cả φy cũng đạt giá trị khá cao do đó trong quá trình tăng tốc hay hởi hành mà độ trượt giữa bánh xe chủ động với mặt đường nằm trong khoảng 15÷25% thì sẽ đạt được giá trị độ bám tối ưu, nâng cao tính kinh tế và ổn định trong quá trình tăng tốc

17

- Pk : Lực kéo tiếp tuyển ở các bánh xe chủ động của ô tô được xác định theo công thức :

Với :

- Mk : Là mô men kéo ở bánh xe chủ động

- Me : Mô men xoắn của động cơ

- η : Hiệu suất của hệ thống truyền lực

- il : Tỉ số truyền hệ thống truyền lực

il = ih*io Với :

- ih: Tỉ số truyền của hộp số

- io: Tỉ số truyền của truyền lực chính

Sự trượt của bánh xe chủ động được đánh giá bằng hệ số trượt λ :

hệ thống điều khiển lực kéo TCS điều khiển để phanh bánh xe chủ động làm cho vận tốc thực tế của ô tô gần đạt đến vận tố lý thuyết, sự trượt của bánh xe với mặt đường giảm

19

CHƯƠNG II

CƠ SỞ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHÒNG HỆ THỐNG

PHANH KHÍ NÉN 2.1 Phương pháp mô phỏng

2.1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, các hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén thường được sử dụng trên các loại xe tải cỡ lớn Để đáp ứng yêu cầu về an toàn chuyển động ngày càng cao, tới nay

hệ thống các phanh loại này đã trở nên phức tạp Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ chậm tác dụng của hệ thống phanh chịu ảnh hưởng của hầu hết các cụm chi tiết, các van… lắp trong hệ thống phanh khí nén như van gia tốc, điều hòa lực phanh, van giảm áp…

Với những lí do nêu trên, để thiết kế hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén có thời gian chậm tác dụng đảm bảo các tiêu chuẩn theo quy định hiện hành, cần phải có những nghiên cứu tính toán kĩ lưỡng trong quá trình thiết kế Một trong những phương pháp được sử dụng là mô phỏng hệ thống và giải các bài toán trên máy tính bởi ngày nay tốc độ tính toán của máy tính hiện đại cho phép giải được các bài toán phức tạp với tốc độ nhanh và kết quả thu được khá chính xác, đồng thời tiết kiệm được thời gian, kinh tế cho các thí nghiệm trong thực tế Như vậy, độ chính xác của kết quả tính toán chỉ phụ thuộc vào phương pháp mô phỏng và vấn đề cơ bản ở đây là lựa chọn được phương pháp mô phỏng hợp lý để đạt được độ chính xác cao theo yêu cầu mà không quá phức tạp hóa bài toán

2.1.2 Phương pháp mô phỏng

Để nghiên cứu động lực học của một hệ thống bất kì 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 của hệ thống Tuy nhiên, do bản chất vật lí của các hiện tượng xảy ra trong hệ thống dẫn động khí nén rất phức tạp nên cho tới nay, việc mô phỏng một cách hoàn toàn

20

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 Hiện nay, có nhiều phương pháp mô phỏng các hệ thống khí nén và nói chung chúng đều có

ưu nhược điểm riêng

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 thông tin, phương pháp thông dụng nhất để giải các bài toán này là sử dụng các phần mềm chuyên dụng và để giải quyết vấn đề cho bài toán mô phỏng trong đề tài em đã sử dụng phần mềm Matlab 2012b

Luận văn lựa chọn phương pháp mô phỏng tập trung để mô phỏng hệ thống dẫn động phanh khí nén

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

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

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

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

- Quan hệ giữa các 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

Bộ chấp hành ABS dùng để điều khiển áp suất khí nén vào các bầu phanh

Bộ chấp hành TCS được mở khi có tín hiệu từ ECU, khí nén từ bình chứa đi vào bộ chấp hành ABS và đến các bầu phanh tại bánh xe chủ động

Nguyên lí hoạt động của hệ thống như sau: Khi người lái tác dụng lên bàn đạp ga đột ngột, hoặc xe tăng tốc trên đường xấu có hệ số bám nhỏ, bánh xe sẽ bị trượt quay Cảm biến tốc độ tại các bánh xe chủ động gửi tín hiệu về ECU, ECU xử lí và đưa tín hiệu điều khiển tới van điện từ của bộ chấp hành TCS Van điện từ mở, khí nén được cáp tới bộ chấp hành ABS thực hiện quá trình tăng áp và phanh hãm các bánh xe chủ động, tránh trượt quay Cảm biến tiếp tục ghi lại tín hiệu tốc độ bánh xe, khi có dấu

hiệu trượt lết, tín hiệu đư

chiều dài đường ống và ảnh h

Sơ đồ mô phỏng hệ thống phanh gồm có

dẫn động phanh cầu ch

22

được chuyển về ECU, ECU xử lý và điều khi

p hành ABS thực hiện quá trình giữ hoặc giảm áp.v Việc l

trình này, giúp bánh xe vừa không trượt quay vừa không trượt lết, giúp xe t

ọc và phương pháp giải

ề tài, chúng ta chỉ xét đến các phần tử của h

c TCS điều khiển) Từ sơ đồ hệ thống dẫn đ

mô hình hoá hệ thống bằng sơ đồ mô phỏng cho cầu ch

Sơ đồ mô phỏng hệ thống dẫn động phanh khí nén

thống được xây dựng dựa trên những nguyên t

t kì của hệ thống (van, đường ống, xilanh, piston,…) ttích làm việc của chúng tập trung tại dung tích đặt ở đi

ng khí nén từ bình chứa được chia làm 2 nhánh để đi đế

n hai bánh chủ động) qua bộ chấp hành ABS à đi đến 2 b

ng Trên dẫn động phanh có các đường ống nên có thảnh hưởng của tiết diện đường ống bằng các van ti

Sơ đồ mô phỏng hệ thống phanh gồm có 7 nút, các kí hiệu 1÷7

u chủ động, ứng với mỗi nút xác định bằng một dung tích

u khiển các van điện từ

c lặp đi lặp lại chu

23

Vi=pi*di2/4*li (m3) Riêng các đoạn ống chứa các nút 4,5 phải cộng thêm dung tích của các khoang tương ứng:

Vi =Vi; VBi là dung tích tại nút i (i =4,5) của bầu phanh sau

2.2.3 Các giả thiết tính toán

Để giải bài toán mô phỏng hệ thống phanh khí chính xác khó khăn Do đó ta đặt

ra các giả thiết tính toán, mô phỏng để sao cho hệ thống phanh được mô phỏng được gần sát với quá trình hoạt động trong thực tế nhất:

- Áp suất nguồn coi như không đổi trong quá trình tính toán là pmax

- Mô men xoắn động cơ chia đều sang hai bánh xe chủ động và không đổi trong quá trình tăng tốc

Với những giả thiết trên, sơ đồ dẫn động phanh khí nén sử dụng TCS có thể được chuyển thành sơ đồ mô phỏng hệ thống dẫn động phanh đơn giản như Hình 2.2

2.3 Cơ sở lý thuyết mô phỏng hệ thống phanh khí

( Tham khảo tài liệu: Dr.Ing T.Hong, Dr Richard K Tessmann (1996), “The

Dynamic Analysis of Pneumatic Systems Using Hypneu”) [5]

2.3.1 Động lực học của dòng khí nén

Cơ sở việc phân tích các đặc tính động lực học của hệ thống khí nén là các định luật cơ bản và các phương trình chủ yếu của lưu lượng chất lỏng Về mặt lý thuyết mà nói sự chuyển động của một phần tử chất lỏng trong trạng thái vật lý và hóa học cân bằng có thể được xác định rõ ràng nếu chúng ta biết được áp suất, nhiệt độ, vận tốc theo không gian và thời gian Hơn thế nữa, đặc tính về tỷ trọng và độ nhớt của chất lỏng là các biến số để xác định trạng thái của một phần tử chất lỏng Vì vậy, một cách tổng quát, chúng ta có 7 biến số cần thiết để xác định động lực học của chất lỏng Có 3 thành phần vận tốc (u;v;w) theo 3 phương (x; y; z); áp suất (P), nhiệt độ (T), khối

24

lượng riêng (ρ) và độ nhớt (µ) Vì vậy nên, có 7 công thức cần thiết để lập thành hệ phương trình 7 biến (u; v; w; P; ρ; µ; T) với thời gian Đây là nền tảng lý thuyết cho việc mô hình hóa động lực học các hệ thống chất lỏng bao gồm hệ thống với môi chất không nén được (thủy lực) và hệ thống với môi chất có khả năng nén đươc (khí nén)

Cơ sở để xây dựng các phương trình mô tả lưu lượng của chất lỏng mà không quan tâm tới lưu lượng cảu dòng chảy tự nhiên theo các mối liên hệ sau:

- Định luật Newton về sự chuyển động cho tất cả các phần tử chất lỏng ở trạng thái tức thời Đây là định luật mô tả sự bảo toàn động lượng của phần tử chất lỏng được xác định từ phương trình Naiver-Stokes (3 phương trình)

- Phương trình liên tục hay định luật mô tả sự bảo toàn khối lượng của phần tử chất lỏng (1 phương trình)

- Định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học, mô tả sự bảo toàn năng lượng của phần tử chất lỏng (1 phương trình)

- Phương trình trạng thái, mô tả mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ

- Các công thức thực nghiệm về áp suất theo hàm số áp suất và nhiệt độ

Rõ ràng, các mối liên hệ về trạng thái trên đây sẽ tuân theo 1 hệ phương trình có

7 biến (u; v; w; P; ρ; µ; T) Tuy nhiên, một điều bất lợi là các phương trình này lại phi ttuyến và kết quả là chúng hiếm khi được sử dụng để mô hình hóa một hệ thống thủy lực Và thực tế, một vài giả thuyết mô hình mô tả lưu lượng và điều kiện hoạt động được đơn giản hóa trong các phương trình động lực

Mục đích của đơn giản hóa không phải là làm mất đi tính chất chung nhất, trong tài liệu này, chúng ta thừa nhận rẳng, khí được sử dụng trong mô phỏng được giả thuyết như khí thực (ví dụ như khí tuân theo phương trình trạng thái ) Hơn nữa, ta

25

cũng thừa nhận, tác động ban đầu với khí là không đáng kể, độ nhớt là 1 hằng số và lưu lượng là 1 thứ nguyên Như vậy, có 4 biến (u; P; T; ρ) còn lại để xác định thứ nguyên cho lưu lượng của dòng khí Sự phù hợp của 4 phương trình đó là Naiver-Stockes mô

tả vân tốc (u) theo phương x; phương trình liên tục; định luật bảo toàn năng lượng và phương trình trạng thái Trong khí nén ứng dụng, lưu lượng tỷ lệ Q, được sử dụng để thay cho lưu lượng vận tốc u Hơn nữa, sự thực là khí có khả năng chịu nén cao và khối lượng không đổi, vì vậy lưu lượng trọng lượng hay khối lượng được sử dụng phổ biến hơn lưu lượng thể tích để mô tả lưu lượng đi và dung tích Lưu lượng khối được xác định như sau:

Qw = γ.u.A (2.1) Trong đó:

- γ: trọng lượng riêng của chất khí (γ = ρ.g)

- ρ: khối lượng riêng của chất khí

- g: gia tốc trọng trường

- A: tiết diện thông qua

Vì vậy, chúng ta có 4 phương trình mô tả mối liên hệ giữa áp suất chất khí và lưu lượng đi vào dung tích:

- P: áp suất bên trong dung tích

- Cn: dung lượng chất khí

- Qw,in: lưu lượng vào trong dung tích

- Qw,out: lưu lượng ra khỏi dung tích

g.V

C =R.T (đẳng nhiệt) (2.3)

- Nếu dòng chảy là hạ âm (Pdu > Pdu,tứcthờ):

P κ

Q =C A g.

T κ+1

R 2

- Qw lưu lượng khối

- Cd hệ số thoát của miệng lỗ

- A0 tiết diện miệng lỗ

- Pu áp suất giới hạn trên

- Tu nhiệt độ giới hạn trên

- Pd áp suất giới hạn dưới

- Pdu áp suất tỷ lệ giới hạn dưới lên trên

Có thể xem, phương trình (5), (6), (7) là không quá phức tạp và không quá rắc rối để sử dụng Tuy nhiên, thực tế, một thông số đơn giản gọi là Cv được sử dụng phổ biến để tính lưu lượng qua van khí nén Nói một cách rộng hơn hệ số lưu lượng Cvbằng 1 nếu van khí cho qua 1(g/phút) nước chảy qua ở áp suất 1 psi Có một vài cách

để xác định Cv, phổ biến nhất là cách được sử dụng theo NFPA (hiệp hội thủy lực quốc gia):

28

Trong đó:

- Qws lưu lượng chất khí trong SCFM (ở 14, 7psi, 680F hay dm3/s ở 1bar; 200c)

- Kg hệ số chuyển đổi, 22,48(US) hay 114, 5(SI)

- ∆P chênh áp (Pu – Pd), psi (bar)

- G trọng lực đặc trưng của lưu lượng trung bình (với chất khí G=1)

- Pa áp suất khí trời 14,7psi hay 1bar

0 0 0

Nếu p đo bằng atmotphe thì R = 0,0848 m3.at/kmol.K

2.3.3 Lưu lượng đi vào dung tích

30

2.3.4 Phương trình lưu lượng tại điểm nút

Tổng đại số các lưu lượng đi qua

một điểm nút bằng không:

n

i=1

dm ( )=0 dt

∑

Ví dụ như trên sơ đồ trên hình 2.3 ta có:

m -m -m -m -m =0 & & & & &

Hình 2.4: Lưu lượng tại điểm nút

Mô hình toán học của hệ thống được thiết lập dựa trên các phương trình lưu lượng

đi qua tiết lưu, vào dung tích và đi qua điểm nút

Để giải các bài toán trên với phương trình vi phân là một đa thức khá phức tạp và

có hệ số là hàm của các thông số Do vậy, giải các bài toán bằng tay hoặc bằng một phần mềm không chuyên dụng là không phù hợp nữa Chính vì vậy em đã sử dụng phần mềm Matlab 2012b có tính tiện lợi sử dụng và độ chính xác cao hơn Hơn thế nữa, đây là phần mềm được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết kế, mô phỏng cũng như tính toán các hệ thống trên ôtô

31

CHƯƠNG III

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHỐNG TRƯỢT QUAY

TCS TRÊN Ô TÔ TẢI SỬ DỤNG PHANH KHÍ NÉN

3.1 Công cụ mô phỏng Matlab – Simulink; Matlab - State flow

3.1.1 Matlab – Simulink

Simulink là một phần mềm đồ hoạ, định hướng sơ đồ khối dùng để mô phỏng các hệ động lực Đây là sản phẩm nằm bên trong Matlab và sử dụng nhiều hàm của Matlab và cũng có thể trao đổi qua lại với môi trường Matlab để tăng thêm khả năng mềm dẻo của nó Với Simulink chúng ta có thể xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống giống như khi ta vẽ sơ đồ khối Simulink có một khối thư viện với nhiều chức năng khác nhau

Simulink được tích hợp vào Matlab như một công cụ đẻ mô phỏng hệ thống, giúp người sử dụng phân tích và tổng hợp hệ thống một cách trực quan Trong Simulink, hệ thống hệ thống không mô tả dưới dạng dòng lệnh theo kiểu truyền thống mà là ở dạng

sơ đồ khối Với dạng sơ đồ này, ta có thể quan sát các đáp ứng thời gian của hệ thống với nhiều tín hiệu vào khác nhau như: tín hiệu bậc thang, tín hiệu sin, xung chữ nhật… bằng cách thực hiện mô phỏng Kết quả mô phỏng có thể được xem theo thời gian thực trên các Oscilloscope trong môi trường Simulink hay trong môi trường Matlab

Simulink hoàn toàn tương thích với Matlab, nhưng nó là một giao diện đồ họa Vì vậy tất cả các hàm trong Matlab đều có thể truy cập được từ Simulink, ngay cả các hàm

do người tạo ra

Cuối cùng, Simulink cho phếp người sử dụng khả năng tạo ra một thư viện khối riêng Ví dụ, nếu bạn muốn làm việc trong lĩnh vực điều khiển các máy điện, bạn có thể tạo ra một thư viện riêng chứa các mô hình máy điện… Như vậy, với công cụ