Nghiên cứu các phương pháp giảm độ chậm tác dụng của dẫn động phanh sơmi rơmoóc tải trọng lớn

Khác với chất lỏng, không khí có khả năng chịu nén, dưới tác dụng của áp suất thể tích không khí bị thay đổi vì vậy lan truyền áp suất trong dẫn động khí nén bị chậm, không tức thời như

Hà thanh sơn

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan

Hà nội 2008

Mở đầu

Nền công nghiệp nước ta đang phát triển mạnh mẽ, ôtô đã trở thành phương tiện vận chuyển hành khách và hàng hoá chủ lực cho các ngành kinh tế quốc dân Do vậy, số lượng ôtô khách, ôtô tải cỡ trung và cỡ lớn của các hãng như: KAMAZ, ISUZU HYUNDAI, DAWOO, HINO, SAMSUNG…xuất hiện ngày càng nhiều Việc gia tăng phương tiện vận tải này cũng làm gia tăng tai nạn giao thông, làm thiệt hại về người và của cho xã hội Một trong những nguyên nhân gây ra tai nạn là do hệ thống phanh không đảm bảo, cho nên hệ thống phanh ngày càng phải được nghiên cứu, cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, giúp ôtô an toàn chuyển động

Thực tế cho thấy, hệ thống phanh trên các xe ôtô vận tải có tải trọng trung bình và lớn, các xe du lịch chở khách từ 24 chỗ ngồi trở lên thường sử dụng dẫn

động phanh kiểu khí nén hoặc thuỷ- khí, điện- thuỷ- khí vì dẫn động phanh thuỷ lực thông thường, đơn giản không đáp ứng được yêu cầu về lực phanh trên các xe tải trọng lớn

Nhưng dẫn động phanh kiểu khí nén có nhược điểm là thời gian chậm tác dụng của hệ thống (thời gian phản ứng) tương đối lớn, nhất là đối với xe kéo moóc

Xuất phát từ thực tế trên, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu các phương pháp giảm độ chậm tác dụng của dẫn động phanh sơmi rơmoóc tải trọng lớn“

Mục đích nghiên cứu:

Xác định thời gian chậm tác dụng và đề xuất các phương án giảm thời gian chậm tác dụng

Đối tượng nghiên cứu:

Tính toán động học hệ thống dẫn động phanh khí nén trên các xe sơmi rơmoócc tải trọng lớn

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Mô phỏng và tính toán thời gian chậm tác dụng của hệ thống dẫn động phanh sơ mi rơ moóc

Tôi xin chân thành cám ơn thầy PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan cùng tập thể các thầy, cô giáo trong Viện Cơ khí động lực đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp

đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau

đại học, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Hà nội, ngày 18 tháng 11 năm 2008

Tác giả

Ký hiệu ý nghĩa Đơn vị đo

k Chỉ số đoạn nhiệt, đối với không khí k = 1,4 -

.

.

mE Lưu lượng khí vào một dung tích m3/s

pi áp suất dòng khí tại tiết diện thứ i N/m2

1.6 Sơ đồ dẫn động phanh sơmi rơmoóc ba cầu, sử dụng van gia tốc điều khiển, hai van gia tốc đặt song song 15 1.7 Sơ đồ dẫn động phanh sơmi rơmoóc ba cầu, kiểu con trượt 16 1.8 Sơ đồ dẫn động phanh sơmi rơmoóc ba cầu, kiểu con trượt,

1.9 Sơ đồ nguyên lý và ký hiệu van phanh 18

1.12 Sơ đồ nguyên lý và ký hiệu van gia tốc 19

2.2 Lưu lượng đi vào dung tích thay đổi 27

2.6 Sơ đồ mô phỏng dòng khí vào bầu phanh 34 3.1 Mô hình hệ thống dẫn động phanh sơmi rơmoóc 35 3.2 Sơ đồ mô phỏng dòng khí từ van phanh đến đầu nối của

đường ống giữa đầu kéo và sơmi rơmoóc 36 3.3 Sơ đồ mô phỏng dòng khí từ chỗ rẽ nhánh đến van gia tốc của

3.4 Sơ đồ mô phỏng dòng khí từ đầu nối của đường ống giữa đầu

kéo và sơmi rơmoóc đến van gia tốc điều khiển 44 3.5 Sơ đồ mô phỏng dòng khí từ van gia tốc điều khiển đến van

3.6 Sơ đồ mô phỏng dòng khí từ van gia tốc điều khiển đến van

3.8 Modul mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất của khí nén

3.11 Sơ đồ mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất của khí nén

3.12 Modul mô phỏng lưu lượng và biến đổi áp suất của khí nén

3.13 Modul mô phỏng hệ thống dẫn động phanh sơmi rơmoóc 59 3.14 Quá trình nạp khí vào bầu phanh 64 4.1 Kết quả mô phỏng khi giảm đường kính ống d5 từ 10 mm

4.10 Qu¸ tr×nh n¹p khÝ vµo bÇu phanh khi bá bít van gia tèc sè 2 80

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1 Đặc điểm chung của dẫn động phanh khí nén

Môi chất công tác trong dẫn động phanh khí là không khí nén Chất khí và chất lỏng có một số tính chất giống nhau nhưng cũng có rất nhiều điểm khác nhau nên phải có các công thức riêng để tính toán thông số trạng thái của chất khí Khác với chất lỏng, không khí có khả năng chịu nén, dưới tác dụng của áp suất thể tích không khí bị thay đổi vì vậy lan truyền áp suất trong dẫn động khí nén bị chậm, không tức thời như trong dẫn động phanh kiểu thuỷ lực do đó trong các tính toán quá trình động học của dòng khí nén cần có các thông số đặc trưng cho tính chịu nén của không khí Khối lượng riêng của không khí nén thay đổi rất lớn khi áp suất hay nhiệt độ khối khí bị thay đổi

Trong hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén, lực của người điều khiển chỉ làm nhiệm vụ đóng mở van phanh chính cung cấp dòng khí nén tới các bầu phanh công tác ở các bánh xe Vì vậy, lực phanh sinh ra ở các bánh xe không còn

bị giới hạn bởi lực tác động lên bàn đạp phanh mà chỉ phụ thuộc vào áp suất của môi chất công tác là khí nén và các kích thước kết cấu của bộ phận sinh lực là các bầu phanh

1.2 Những nghiên cứu đối với hệ thống phanh

Hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén là sự nối ghép của nhiều phần tử khí động và có các chế độ làm việc đặc trưng Việc tính toán động học đối với hệ dẫn động phanh khí nén nhằm khảo sát qui luật biến đổi của áp suất khí nén theo thời gian tại các điểm bất kỳ trong hệ dẫn động, các nhân tố gây ra tổn thất lưu lượng, làm chậm quá trình xác lập trị số áp suất khí nén ở đầu ra của hệ thống (tại các van điều khiển, các bầu phanh )

Trong các giáo trình đại học hướng dẫn tính toán dẫn động phanh khí nén thường chỉ giới hạn ở việc tính toán các thông số cơ bản như tính chọn máy nén khí, diện tích làm việc của các van, các bầu phanh nhằm đảm bảo khả năng tạo lực phanh phù hợp với tải trọng tĩnh đặt trên các bánh xe của ôtô Các công thức tính toán ở đây cho phép xác định được các quan hệ lực với các dịch chuyển của các van, hành trình của pít tông trong bầu phanh khi thực hiện quá trình phanh Nhược điểm của các tính toán này là ở chỗ không khảo sát được qui luật biến đổi theo thời gian của áp suất, lưu lượng dòng khí qua các vị trí, phần tử trong hệ dẫn

động, do đó cũng khó khăn khi phân tích ảnh hưởng của các thông số kết cấu, chế độ dòng chảy đến sự làm việc của hệ thống

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Các tác giả N.F Metliuc, V.P, Av-tu-sen-kô và nhiều tác giả khác đã tiến hành nghiên cứu quá trình động học trong dẫn động khí nén và thủy lực Sử dụng phương pháp mô phỏng tập trung các tác giả N.F Metliuc, V.P, Av-tu-sen-kô đã xây dựng các phương trình mô tả 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 nối ghép nhiều phần tử khí động phức tạp

Trên các ôtô hiện đại, dẫn động hệ thống phanh không sử dụng loại một dòng

mà sử dụng hệ dẫn động nhiều dòng (đối với hệ thống phanh chính thông dụng là dẫn động hai dòng) có khả năng làm việc độc lập, làm tăng tính an toàn chuyển

động của ôtô Việc nghiên cứu, tính toán các phần tử trong hệ thống phanh khí nén dẫn động nhiều dòng sẽ có nhiều điểm khác với tính toán ở dẫn động phanh một dòng

Các hãng sản xuất ôtô, các trung tâm nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành các nghiên cứu cơ bản cũng như tính toán cụ thể đối với dẫn động phanh khí nén

trên các ôtô hiện đại, tuy nhiên các số liệu, công thức tính toán này thường không

được công bố rộng rãi

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Đối với lĩnh vực nghiên cứu chế tạo ôtô trong nước, cho đến nay chưa có nhiều công trình tính toán, nghiên cứu các biện pháp giảm độ chậm tác dụng của dẫn động phanh khí nén, đặc biệt là trên những xe kéo moóc

Tác giả Lê Văn Anh (ĐH BKHN, 2000) đã mô phỏng và tính toán tối ưu hoá hệ thống dẫn động phanh khí nén cho xe sơmi rơmoóc Tuy nhiên, đề tài chỉ mô phỏng và tính toán hệ thống dẫn động phanh cho phần sơmi rơmoóc mà không có phần đầu kéo, hơn nữa chỉ có một van gia tốc nên mức độ phức tạp là không nhiều

Tác giả Trương Mạnh Hùng (ĐH GTVT, 2006) đã sử dụng phương pháp mô phỏng trên máy tính để tính toán động học dẫn động phanh khí nén ôtô Đề tài đã tập trung nghiên cứu, tính toán tĩnh và động hệ thống dẫn động phanh khí nén trên các ôtô tải cỡ trung và cỡ lớn

Tác giả Vương Xuân Sinh (HV KTQS, 2007) đã nghiên cứu mô phỏng động lực học dẫn động điều khiển hệ thống phanh khí nén trên ôtô Quân sự Đề tài chỉ mô phỏng và tính toán hệ thống dẫn động phanh loại một dòng nên mức độ phức tạp không lớn

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ôtô đã có những bước phát triển đáng kể Nhiều nhà máy liên doanh với nước ngoài chế tạo, lắp ráp các mẫu ôtô hiện đại Theo quyết định số 177/2004/QĐ- TTg ngày 5/10/2004 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt về “Qui hoạch phát triển ngành công nhiệp ôtô Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn tới 2020” Trong quyết định

đã chỉ rõ mục tiêu, định hướng qui hoạch đến năm 2010, định hướng đầu tư và yêu cầu đối với các dự án đầu tư, định hướng nguồn vốn đầu tư, những chính

sách và giải pháp hỗ trợ nhằm ưu tiên phát triển ngành công nghiệp ôtô Việt Nam

Với chính sách hỗ trợ và định hướng của Nhà nước như vậy, các nghiên cứu trong nước luôn hướng tới mục tiêu nâng cao hơn nữa tỷ lệ nội địa hóa trong công nghiệp chế tạo ôtô, tập trung nghiên cứu lý thuyết tính toán các thông số thiết kế, chế tạo các chi tiết, các cụm và tổng thành trên xe nói chung và đối với

hệ thống phanh nói riêng

1.3 Tổng quan về hệ thống dẫn động phanh sơmi rơmoóc

1.3.1 Sơ đồ chung và hoạt động của hệ thống dẫn động phanh sơmi rơmoóc

1.3.1.1 Sơ đồ chung hệ thống dẫn động phanh sơmi rơmoóc

Hình 1.1 Sơ đồ chung hệ thống dẫn động phanh đoàn xe có sơmi rơmoóc

1- Máy nén khí; 2- Bộ điều chỉnh; 3- Máy sấy; 4- Van an toàn; 5- Bình ngưng tụ; 6- Van xả nước; 7- Van một chiều; 8- Bình chứa khí; 9- Đồng hồ chỉ áp suất thấp; 10- Bình chứa khí; 11- Bầu phanh sau của đầu kéo; 12- Bầu tích năng; 13,17- Van gia tốc; Bầu phanh của rơmoóc; 15- Bầu tích năng; 16- Bình chứa khí của rơmoóc; 18- Van phanh dừng của rơmoóc; 19- ống nối phụ;

20- Đầu nối; 21- Đường ống cung cấp; 22- Đường ống điều khiển; 23- Tổ hợp van phanh dừng; 24- Van bảo vệ của đầu kéo; 25- Đèn báo dừng; 26- Van hai ngả; 27- Van điều khiển phanh dừng; 28- Van cung cấp của sơmi rơmoóc;

29- Đồng hồ báo áp suất khí; 30- Phanh tay của sơmi rơmoóc; 31- Van phanh chân; 32- Bầu phanh; 33- Van xả nhanh; 34- Van tự động hạn chế áp suất

Các phần tử chức năng của hệ thống dẫn động phanh khí nén gồm:

Máy nén khí (1) được dẫn động bằng truyền động đai từ trục khuỷu động cơ, áp suất do máy nén tạo ra đến 0.8 MPa Trong máy nén khí có bố trí cơ cấu giảm tải, hoạt động khi áp suất trong hệ thống dẫn động đạt đến giá trị áp suất định mức 0.8 MPa Cơ cấu giảm tải của máy nén khí được nối thông với bộ điều chỉnh

áp suất Thời gian làm việc có tải của máy nén khí thường chiếm 10% thời gian làm việc của ôtô

- Các bình khí (8,10,16) là dung tích chứa khí nén cho hệ thống Bình chứa khí nén chế tạo bằng cách hàn thép lá, bên ngoài và bên trong có sơn để chống rỉ Các bình chứa được đặt ở vị trí thấp nhất của hệ thống phanh để cho nước có thể ngưng tụ lại, nhờ có van đặt ở dưới đáy bình mà nước có thể ngưng thoát ra ngoài Dự trữ khí nén trong các bình đảm bảo phanh được nhiều lần sau khi máy nén khí ngừng làm việc

- Bộ điều chỉnh áp suất (2) (kiểu van bi) làm chức năng của van an toàn, nó có nhiệm vụ giữ cho áp suất của hệ thống không vượt quá áp suất quy định đồng

thời đưa máy nén khí về trạng thái làm việc không tải để tăng tuổi thọ cho máy nén khí Bộ điều chỉnh áp suất được đặt trên khối xi lanh của máy nén khí và nối thông với khoang nạp của cơ cấu giảm tải

- Đồng hồ áp suất (29) dùng để kiểm tra áp suất khí của hệ thống và áp suất khí khi phanh

- Van an toàn (4) được bố trí tại bình chứa khí nén Van an toàn hoạt động khi bộ

điều chỉnh áp suất bị hỏng Khi áp suất khí nén của hệ thống đạt giá trị 8.5 MPa thì van an toàn làm việc và xả khí ra khỏi bình chứa khí nén

- Van phanh (31): dùng để đóng mở hệ thống phanh (cung cấp khí nén hoặc ngừng cung cấp) theo yêu cầu của người lái Van phanh là một bộ phận rất quan trọng của dẫn động phanh bằng khí nén, nó đảm bảo độ nhạy của dẫn động và quá trình phanh

được tốt

- Van gia tốc (13, 17) có hai chức năng:

+ Là van phân phối, van điều khiển

+ Giảm thời gian tác động: để nạp nhanh và xả nhanh

1.3.1.2 Hoạt động

Nguồn cung cấp khí nén trong hệ thống dẫn động là máy nén khí 1, bộ

điều chỉnh áp suất 2, máy sấy 3, bình ngưng tụ 5 và hai bình chứa khí 8,10 Từ

đây, không khí đã được lọc sạch, được cung cấp dưới áp suất qui định và với lưu lượng cần thiết vào những phần còn lại của hệ thống dẫn động phanh khí nén và tới các nguồn tiêu thụ khí nén là hai bình chứa khí 16, các bầu tích năng (12, 15)

Hệ thống phanh sơmi rơmoóc được cung cấp bởi hỗn hợp không khí từ bình khí chính 5 và bình chứa khí 10 đi qua van kiểm tra hai chiều 26 Hệ thống

được thực hiện nhờ mở van cung cấp rơ sơmi moóc 28, cho phép không khí từ

đầu kéo đi qua van bảo vệ đầu kéo 24 và van phanh dừng sơmi rơmoóc 18 tới hai bình chứa khí 16 và các bầu tích năng 15 của phanh dừng sơmi rơmoóc Phanh

dừng của sơmi rơmoóc sẽ không nhả cho đến khi hai bình chứa được đầy đủ khí

Khi thực hiện phanh, hỗn hợp không khí từ hai bình chứa điều khiển mở van gia tốc 17, không khí từ hai bình chứa 16 đi vào điền đầy các bầu phanh 14

ở hệ thống phanh đôi, nếu một trong hai bình khí bị rò rỉ thì bình kia sẽ bù vào lượng khí mất mát nhờ van kiểm tra hai chiều 26

Nếu cắt sơmi rơmoóc với đầu kéo, đường điều khiển và đường cung cấp sẽ

được tách rời Khi mất không khí trong đường cung cấp do van cung cấp của sơmi rơmoóc 27 đóng, van bảo vệ đầu kéo 24 cũng đóng, không cho không khí thoát ra ngoài Nguồn cung cấp khí trong đầu kéo được bịt kín và được dùng để

điều khiển phanh đầu kéo Cùng lúc, mất không khí trong đường cung cấp do xả khí trong bầu phanh tích năng 25 qua van phanh dự phòng rơmoóc 18, thực hiện phanh sơmi rơmoóc Phanh sơmi rơmoóc sẽ không nhả dưới mọi điều kiện trừ khi đường cung cấp được nối lại và bình chứa của sơmi rơmoóc được điền đầy

1

2 3

4

Hình 1.2 Sơ đồ dẫn động phanh sơmi rơmoóc hai cầu

1.3.2 Các phương án bố trí van gia tốc trên hệ thống phanh sơmi rơmoóc

1.3.2.1 Xe sơmi rơmoóc hai cầu

Khi thực hiện phanh, đường điều khiển cấp không khí mở van gia tốc (1) cho không khí từ bình chứa đi vào và điều khiển mở van gia tốc (2), cấp khí cho các bầu phanh Khi thôi phanh, khí nén được xả ngay tại van gia tốc (2)

* Ưu điểm: Thời gian phản ứng ngắn

1- Van gia tốc điều khiển 2- Van gia tốc

3- Van điều khiển phanh dừng 4- Bình chứa khí

1 2

3

4 1’

Hình 1.3 Sơ đồ dẫn động phanh sơmi rơmoóc ba cầu

* Nhược điểm: Kết cấu cồng kềnh, phức tạp cho hệ thống

1.3.2.2 Xe sơmi rơmoóc ba cầu

Khi thực hiện phanh, đường điều khiển cấp khí mở van gia tốc (1) cho khí

nén từ bình chứa (3) đi vào các bầu phanh của hai cầu trước của sơmi rơmoóc,

đồng thời đưa dòng khí mở van gia tốc (1’) cho khí nén từ bình chứa (4) đi vào

hai bầu phanh còn lại của sơmi rơmoóc

* Ưu điểm: Thời gian phản ứng ngắn

* Nhược điểm: Kết cấu cồng kềnh, phức tạp cho hệ thống

1, 1’- Van gia tốc điều khiển 2- Van điều khiển phanh dừng 3- Bình chứa khí 50 lít

4- Bình chứa khí 25 lít

1

2

3

1’

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống phanh sơmi rơmoóc ba cầu, các van đặt xa bình khí

1.3.2.3 Xe sơmi rơmoóc ba cầu, sử dụng một bình chứa khí, các van đặt xa

Khi thực hiện phanh, đường điều khiển cấp khí mở van gia tốc (1) cho khí

nén từ bình chứa (3) đi vào các bầu phanh của hai cầu trước của sơmi rơmoóc,

đồng thời đưa dòng khí mở van gia tốc (1’) cho khí nén từ bình chứa (4) đi vào

hai bầu phanh còn lại của sơmi rơmoóc

* Ưu điểm: - Thời gian phản ứng ngắn

* Nhược điểm: - Kết cấu cồng kềnh, phức tạp cho hệ thống

- Đường ống từ bình chứa đến các van gia tốc đòi hỏi độ bền, độ kín khít cao

1.3.2.4 Xe sơmi rơmoóc ba cầu, sử dụng hai bình chứa khí, các van đặt xa

1, 1’- Van gia tốc 2- Van điều khiển phanh dừng 3- Bình chứa khí

4- B×nh chøa khÝ 25 lÝt

Hình 1.6 Sơ đồ dẫn động phanh sơmi rơmoóc ba cầu, sử dụng van gia tốc

điều khiển, hai van gia tốc đặt song song

1.3.2.5 Xe sơmi rơmoóc ba cầu, sử dụng van gia tốc điều khiển, hai van gia tốc

đặt song song

Van gia tốc điều khiển (1) thực hiện việc điều khiển đóng, mở van gia tốc (2,2’)

* Ưu điểm: - Thời gian phản ứng ngắn

1- Van gia tốc điều khiển

2, 2’- Van gia tốc 3- Van điều khiển phanh dừng 4- Bình chứa khí

Hình 1.7 Sơ đồ dẫn động phanh sơmi rơmoóc ba cầu, kiểu con trượt

- Khi một trong hai van gia tốc hỏng thì hệ thống phanh vẫn hoạt động được

* Nhược điểm:

- Kết cấu cồng kềnh, phức tạp cho hệ thống

- Đòi hỏi độ chính xác cao, giá thành đắt

1.3.2.6 Xe sơmi rơmoóc ba cầu, kiểu con trượt

1- Van gia tốc điều khiển 2- Van xả nhanh

3, 3’- Van gia tốc 4- Van điều khiển phanh dừng

5, 6- Các bình chứa khí

5 1’ 3’

1.3.2.7 Xe sơmi rơmoóc ba cầu, kiểu con trượt, sử dụng hai van gia tốc điều khiển

1, 1’- Van gia tốc điều khiển 2- Van xả nhanh

3, 3’- Van gia tốc 4- Van điều khiển phanh dừng

5, 6- Các bình chứa khí

1.3.3 Một số van của hệ thống dẫn động phanh sơmi rơmoóc

1.3.3.1 Van phanh

1.3.3.2 Van hai ngả

dhi- Các lực đàn hồi A,C- Các đường khí vào Fmsi- Các lực ma sát B,D- Các đường khí ra Q- Lực tác dụng lên bàn đạp

Hinh 1.9 Sơ đồ nguyên lý và ký hiệu van phanh

Khí từ bình

chứa 1

Khí từ bình

chứa 2

Tới sơmi rơmoóc

Hinh 1.10 Sơ đồ van hai ngả

Hinh 1.12 Sơ đồ nguyên lý và ký hiệu van gia tốc

I- Đường khí điều khiển III- Đường khí xả

II- Đường khí từ bình chứa IV- Đường khí tới các bầu phanh

Hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén cho sơmi rơmoóc cơ bản rất phức tạp do hệ thống ống dẫn khí cồng kềnh, chiều dài lớn, nhiều nhánh, nhiều các loại van Hệ thống dẫn động phanh không sử dụng loại một dòng mà sử dụng hệ dẫn động nhiều dòng (đối với hệ thống phanh chính thông dụng là dẫn động hai dòng) có khả năng làm việc độc lập, làm tăng tính an toàn chuyển động của ôtô

đặc biệt khi xảy ra sự cố, hư hỏng cục bộ ở trên đường ống dẫn, trong các van điều khiển hoặc hư hỏng riêng rẽ ở các xi lanh phanh bánh xe Đối với hệ thống phanh khí nén dẫn động nhiều dòng, mỗi dòng có nguồn năng lượng (bình chứa khí riêng), có tín hiệu điều khiển riêng và có tính độc lập tương đối với các tín hiệu

điều khiển ở các dòng khác Với đặc điểm này, việc nghiên cứu, tính toán, mô phỏng các phần tử trong hệ thống phanh khí nén dẫn động nhiều dòng sẽ phức tạp hơn rất nhiều so với tính toán, mô phỏng ở dẫn động phanh một dòng

Việc tính toán, mô phỏng toàn bộ hệ thống dẫn động phanh sơmi rơmoóc tải trọng lớn (bao gồm cả đầu kéo) lại càng phức tạp do số lượng các phương trình vi phân liên hệ các thông số khí động giữa các phần tử được nối ghép lớn, nhất là của các van gia tốc

Trước đây, khi chưa có phương tiện máy tính điện tử, các tính toán phải thực hiện bằng tay nên không những mất nhiều thời gian mà còn phải chấp nhận những giả thiết đơn giản nhằm đảm bảo cho khả năng thực hiện các tính toán Những điều đó làm hạn chế độ chính xác, tin cậy giữa kết quả tính theo mô hình

lý thuyết và thực tế Do đó, chỉ xác định một cách tương đối thời gian chậm tác dụng của hệ thống dẫn động

Ngày nay, phương tiện máy tính điện tử trở thành công cụ trợ giúp đắc lực

để tính toán kỹ thuật đặc biệt đối với việc tính toán các quá trình động học các hệ thống năng lượng Tác giả sử dụng phần mềm tính toán MATLAB cùng công cụ Simulink của nó để mô phỏng quá trình động học trong hệ thống dẫn động phanh

sơmi rơmoóc bằng khí nén (bao gồm cả đầu kéo) Từ đó tìm ra các giải pháp tối

ưu nhằm giảm thời gian chậm tác dụng của hệ thống

1.4 Nội dung và các vấn đề cần nghiên cứu của đề tài

1.4.1 Các vấn đề cần nghiên cứu của đề tài

- Xây dựng mô hình toán học hệ thống dẫn động phanh sơmi rơmoóc bằng khí nén

- Sử dụng phần mềm tính toán MATLAB cùng công cụ Simulink của nó để mô

phỏng hệ thống dẫn động phanh sơmi rơmoóc bằng khí nén

- Tìm các giải pháp tối ưu hoá nhằm giảm thời gian tác động của hệ thống

1.4.2 Nội dung của luận văn

Với các vấn đề cần nghiên cứu nêu trên, nội dung của luận văn bao gồm các chương:

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Phương pháp mô phỏng hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén

Chương 3: Mô phỏng hệ thống dẫn động phanh sơmi rơmoóc bằng khí nén

Chương 4: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ chậm tác dụng của hệ thống

dẫn động phanh sơmi rơmoóc

Chương 2 Phương pháp mô phỏng hệ thống dẫn động phanh

bằng khí nén 2.1 Phương pháp mô phỏng tập trung

Đặc trưng cho trạng thái của môi chất khí là các thông số áp suất p, nhiệt

độ T, thể tích V, khối lượng m Khi tính toán dẫn động khí nén, để khảo sát sự

biến đổi áp suất khí tại các điểm khác nhau trong dẫn động cần phải xây dựng

được các biểu thức tính toán liên hệ giữa các thông số trạng thái p, V, T, m với

các thông số kết cấu của dẫn động cụ thể như chiều dài, đường kính các đường ống dẫn, thể tích các bình chứa khí, các van cũng như cách bố trí, nối ghép giữa chúng

Trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản về nhiệt động học, các định luật thực nghiệm về chất khí cho phép khảo sát và tính toán các thông số trạng thái khí

(p, V, T) của quá trình đẳng nhiệt (định luật Boyle-Mariotte), quá trình đẳng

áp (định luật Gay Lussac), quá trình đẳng tích (định luật Charles)

Đối với khối lượng m khí theo định luật hợp nhất của chất khí ta luôn có

RT b V V

nhất là phương pháp mô phỏng có tên gọi là “Mô phỏng tập trung” Bản chất

của phương pháp này là mỗi phần tử của hệ thống dẫn động phanh khí nén (các bình chứa khí, đường ống dẫn khí, van phân chia, van hạn chế áp suất, van phanh chính, van gia tốc và các bầu phanh ở các bánh xe) được mô tả bằng hai thông số: cản (tiết lưu) và thể tích (dung tích)

Phương pháp mô phỏng tập trung quy bài toán mô phỏng hệ thống về việc xây dựng 3 loại phương trình:

+ Phương trình lưu lượng khí đi qua tiết lưu

+ Phương trình lưu lượng đi vào thể tích (thể tích không đổi và thể tích thay đổi)

+ Phương trình lưu lượng đi qua điểm nút

2.1.1 Phương trình lưu lượng khí đi qua tiết lưu

Quan hệ áp suất trước và sau tiết lưu:

.

σ ϕ µ

RT

p v f dt

0

1 2

1

2 )

(

σ σ σ

ϕ

+ Với σ < 0,528, 0 , 579

1

2 2588 , 0 )

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

+ Với σ > 0,528, ϕ ( σ ) = 2σ ( 1 − σ )

k

+ Với σ < 0,528, 0 , 598

2

1 )

k

σ ϕ

Các nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện thực đã chỉ ra rằng chế độ giới hạn hoặc không đạt được, hoặc đạt được với σ nhỏ hơn nhiều so với giá trị 0,528:

+ Đối với các van công nghiệp: σ* = 0,2 – 0,4

)

( = − −−σ 

σ σ σ

ϕ

Tong đó, trị số σ* được xác định bằng thực nghiệm

Khi σ* = 0,5 thì ϕ ( σ ) = 2 σ ( 1 − σ )- ta lại có công thức Saint-Venant

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

Ngoài ra, còn nhiều công thức tính hàm lưu lượng của các tác giả khác nhưng trong đề tài chỉ sử dụng các công thức của N.P Metliuc bởi sử dụng công thức này trong các bài toán thì có thể đơn giản hoá bài toán đi rất nhiều (không còn chế độ 2 dòng chảy nữa) và đặc biệt là khi ứng dụng cụ thể cho thấy công thức này cho kết quả rất gần với thực nghiệm

σ

σ σ

1 654 , 0 ) (

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:

1 0

1 0

*

.

p Bp

p p A RT

p v f dt

dm

D D

Từ phương trình trạng thái:

dt

dp kRT

V dt

dV RT

V

.

2.1.2.2 Dung tích thay đổi

Hình 2.2 Lưu lượng vào dung tích thay đổi

Quá trình quá độ của dòng khí vào dung tích thay đổi (ví dụ là bầu phanh) gồm 3 giai đoạn:

I- Nạp khí vào thể tích ban đầu V0 từ áp suất p10 tới áp suất p1 = pI, áp suất pI tương ứng với thời điểm thể tích bắt đầu thay đổi (Màng bầu phanh bắt

đầu chuyển động), thời gian thực hiện là tI

II- Màng bầu phanh di chuyển và nạp khí vào bầu phanh (tương ứng với dịch chuyển của màng bầu phanh) với áp suất p1 tăng từ pI đến pII áp suất pII

tương ứng với vị trí dừng lại của màng bầu phanh, thời gian thực hiện là tII III- Tiếp tục nạp khí vào bầu phanh từ áp suất pII đến áp suất pmax (bằng

áp suất đầu vào po), thời gian thực hiện là tIII

Thời gian tIII khi nạp đầy và tI khi xả khí ít có ý nghĩa trong thực tế, khi

đó thời gian tổng cộng nạp đầy (xả khí) đối với dung tích thay đổi chỉ gồm có

tI + tII (ứng với quá trình nạp) hay tII + tIII (ứng với xả khí)

Sự biến đổi áp suất ở phần II (ứng với quá trình nạp) xảy ra đồng thời với dịch chuyển của màng bầu phanh Khi diện tích màng bầu phanh không đổi, dung tích thay đổi theo công thức: V = V0 + F.y

V0

y

F

p p B

p p A p v f dt

dy p F dt

dp k

Fy V

o

o o o

−

−

= +

số ma sát, Fk là diện tích tiếp xúc với bề mặt bầu phanh, m2

Pz là hàm của dịch chuyển của màng bầu phanh, nhiều trường hợp Pz = c.y

c là hệ số cứng qui đổi của hệ thống (ví dụ độ cứng của lò xo hồi vị)

Thay các giá trị ở trên vào phương trình tính dịch chuyển của màng bầu phanh:

dt

dy b dt

y d

m mang I ms k (2.6) Trường hợp khối lượng chuyển động (khối lượng quán tính nhỏ), bỏ qua lực cản nhớt, lực cản ma sát của các vòng làm kín, thu được công thức đơn giản:

F dt

= (2.8) Phương trình tính cho trường hợp nạp khí (po > p1):

1

1

* 1

0 1 2

p p B

p p A p v f dt

dp k

V p c

F

o

o o

2.1.2.3 Lưu lượng đi qua điểm nút

áp dụng quy tắc tính dòng điện đi qua điểm nút (mối ghép giữa các phần

tử) để tính lưu lượng khí đi qua điểm nút của sơ đồ mô phỏng Tổng lưu lượng

khí đi vào và ra khỏi điểm nút (có xét đến dấu) tại thời điểm xét bằng 0

Hình 2.3 Lưu lượng đi qua điểm nút

tiến hành tính toán lần lượt từng nút theo trình tự kể từ đầu vào tới các nút kế

tiếp sau Lấy kết quả tính áp suất cuối của nút trước làm áp suất đầu vào cho

Phương pháp “Mô phỏng tập trung” có ưu điểm là tương đối đơn giản, dễ thực hiện Mặc dù khối lượng tính toán lớn nhưng nó cho phép nghiên cứu hệ thống phức tạp có những giả thiết gần giống với thực tế với độ chính xác cao

2.2 Các chế độ làm việc đặc trưng trong dẫn động phanh khí nén

Hệ thống dẫn động phanh khí nén trên là sự nối ghép của nhiều phần tử khí động, mỗi phần tử có chức năng và nhiệm vụ riêng Tuỳ thuộc vào chế độ làm việc của hệ thống (đạp phanh, xả phanh) các van điều khiển sẽ có trạng thái đóng, mở, phối hợp khác nhau Nghiên cứu quá trình động học thường phân chia các trạng thái làm việc của dẫn động khí nén của hệ thống phanh ra hai chế độ làm việc đặc trưng là: chế độ đạp phanh và chế độ nhả phanh

Chế độ đạp phanh là quá trình từ khi đạp lên bàn đạp phanh, khí nén từ

bình khí nén của dẫn động phanh qua hai khoang của van phanh chính, tới các bầu phanh Đặc điểm của quá trình này là sự tăng áp suất khí nén vào các bầu phanh, nhờ đó lực phanh tác dụng lên bánh xe sẽ tăng lên

Chế độ nhả phanh (xả khí) là quá trình khi nhả phanh (không đạp lên

bàn đạp phanh), khí nén từ bầu phanh thoát ra khí quyển, các chi tiết của bầu phanh trở về vị trí ban đầu

Việc chia hai chế độ làm việc này nhằm khoanh vùng, phân nhỏ để dễ khảo sát các biến đổi về lưu lượng và áp suất khí nén qua từng phần tử của hệ thống Qua đó xác định rõ và dễ phân tích các yếu tố ảnh hưởng Mặt khác, mỗi chế độ có đặc điểm khác nhau, yêu cầu khác nhau nên việc tính toán cũng khác nhau Việc phân chia các chế độ làm việc về cơ bản không ảnh hưởng tới các thông số cần nghiên cứu, khảo sát và có thể cho kết quả đáng tin cậy Trong đề tài này, tác giả chỉ nghiên cứu quá trình đạp phanh

2.3 Hệ phương trình vi phân mô tả động học dòng khí qua mỗi phần tử của hệ thống dẫn động phanh

2.3.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình

Để cho việc xây dựng mô hình mô tả toán học sự làm việc của hệ thống dẫn động phanh khí nén không quá phức tạp và việc tính toán đơn giản hơn mà vẫn đảm bảo được tính chính xác cần thiết, tác giả sử dụng một số giả thiết sau:

- Nhiệt độ trong toàn hệ thống dẫn động phanh khí nén và trong suốt quá trình khảo sát đều bằng nhau và không đổi

- Khi tính toán các phần tử có thể tích thay đổi (bầu phanh), có thể bỏ qua: hệ số ma sát giữa màng bầu phanh với thành bầu phanh; ma sát nhớt; khối lượng của màng bầu phanh

- Việc đóng mở van điều khiển được coi là tức thời

2.3.2 Phương trình vi phân mô tả động học dòng khí qua mỗi phần tử của

hệ thống dẫn động phanh

Trong hệ thống dẫn động phanh khí có nhiều phần tử như: các bình khí nén, các đường ống, các loại van và các bầu phanh Mỗi phần tử đều có những kết cấu, chế độ làm việc đặc trưng riêng Để khảo sát động học chung của dẫn

động phanh khí nén cần phải xây dựng các phương trình mô tả hoạt động của từng phần tử trong hệ thống

2.3.2.1 Lưu lượng và biến đổi áp suất khí nén qua đường ống

Đường ống có chiều dài l, đường kính ống d sẽ được mô phỏng bằng một nút tính toán Y gồm áp suất trước khi vào đường ống p0; lưu lượng khí m1, dung tích V1, áp suất p1 trong đường ống và áp suất p2, lưu lượng m2 của phần

tử sau đường ống được thể hiện trên hình 2.2

- Sơ đồ mô phỏng đường ống:

m1 −m2 −mE1 = 0 (2.12)

- Phương trình hàm khí động:

0 1 1 2 1

2 1 1

* 2 2 1 0

1 0 0

* 1

V p p B

p p A p v f p

p B

p p A p v

2 1 1

* 2 2 1 0

1 0 0

* 1 1 1

1

p p B

p p A p v f p

p B

p p A p v f V

k dt

Trong đó:

A, B, k là các hệ số xác định bằng thực nghiệm (xem bảng các ký hiệu dùng chung trong đề tài)

f1- diện tích tiết diện ngang của đường ống, m2;

f2- tiết diện ngang của phần tử sau đường ống, m2;

à1- Hệ số lưu lượng của đường ống;

à2- Hệ số lưu lượng của phần tử sau đường ống

2.3.2.2 Lưu lượng và biến đổi áp suất khí nén qua van điều khiển

Trong hệ thống phanh khí có nhiều loại van như: van hạn chế áp suất (van an toàn), van chia (van bảo vệ nhiều ngả), van gia tốc, van nhả phanh nhanh Van được đặc trưng bởi hệ số cản và thể tích Thông thường, thể tích của van nhỏ và được coi là không đổi Tuỳ từng loại van mà tiết diện van thay

đổi hoặc không thay đổi Đặc trưng quá trình động học của dòng khí qua van

là hệ số cản của van phụ thuộc chủ yếu vào kiểu van và các kích thước đặc trưng cho tiết diện thông qua của van

Mỗi loại van có những đặc điểm khác nhau và có các thông số về thể tích, tiết diện thông qua, hệ số cản khác nhau Ví dụ: Van hạn chế áp suất