Mô phỏng và khảo sát hoạt động của hệ thống phanh khí nén ô tô tải cỡ lớn

Đối với ô tô tải cỡ lớn , 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 chu

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN LƯU HẢI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn

của Thầy giáo PGS.TS Nguy ễn Trọng Hoan Đề tài được thực hiện tại bộ môn Ô

tô và xe chuyên dụng - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2011 Tác giả

Nguyễn Lưu Hải

1

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn

của Thầy giáo PGS -TS Nguy ễn Trọng Hoan Đề tài được thực hiện tại bộ môn Ô

tô và xe chuyên dụng - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2011

TÁC GIẢ

Nguyễn Lưu Hải

Danh mục các hình vẽ và đồ thị2 52

CH ƯƠNG I- TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU2 92

1.1 Hệ thống phanh ôtô2 92

1.2 Một số tiêu chuẩn cơ bản đối với hệ thống phanh2 102

1.2.1 Các yêu cầu cơ bản của hệ thống phanh.2 102

1.2.2 Một số tiêu chuẩn cơ bản của hệ thống phanh.2 122

1.3 Đặc điểm của hệ thống phanh trên ô tô tải cỡ lớn.2 152

1.3.1 Các loại dẫn động phanh2 152

1.3 2 Dẫn động khí nén trên ô tô tải cỡ lớn2 172

1.3.3 Nhận xét2 182

1.4 Tình hình nghiên cứu2 192

1.5 Nội dung và phương pháp nghiên cứu2 202

1.5.1 Nội dung nghiên cứu2 202

1.5.2 Ph ương pháp nghiên cứu2 212

CHƯƠNG II- PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG PHANH KHÍ NÉN2 222

2.1 Ph ương pháp mô phỏng dẫn động khí nén2 222

2.1.1 Ph ương pháp mô phỏng2 222

2.1.2.Ph ương pháp mô phỏng tập trung2 222

2.2 Các ph ương pháp tính toán2 312

2.2.1.Ph ương pháp giải bài toán Côsi2 312

2.2.2.Ph ương pháp ơle hoặc ơle cải tiến2 312

2.2.3 Ph ương pháp Runge- Kutta2 332

2.2.4 Giới thiệu chung về phần mềm Matlab2 342

2.3 Kết luận2 402

CH ƯƠNG III- MÔ PHỎNG HỆ THÓNG DẪN ĐỘNG PHANH KHÍ NÉN2 422

3.1 Giới thiệu chung và xác định sơ đồ hệ thống dẫn động phanh khí nén.2 422

3.2 S ơ đồ hệ thống dẫn động phanh khí nén.2 422

3.3 S ơ đồ mô phỏng2 432

3.3.1 S ơ đồ mô phỏng phanh cầu trước2 432

3.3.2 S ơ đồ mô phỏng phanh cầu sau2 442

3.4.Ph ương trình toán học mô tả hệ thống2 452

3.4.1 Ph ương trình mô tả hệ thống phanh cầu trước2 452

3.4.2 Ph ương trình mô tả hệ thống phanh cầu sau2 462

3.5 Giải hệ phương trình vi phân và kết quả.2 472

3.5.1 Giải hệ phương trình vi phân hệ thống dẫn động phanh trước.2 472

3.5.2 Giải hệ phương trình vi phân hệ thống dẫn động phanh cầu sau2 502

3.5.3 So sánh biến thiên áp suất giữa bầu phanh bánh trước và bánh sau2 542

3.6 Kết luận2 542

CH ƯƠNG IV- KHẢO SÁT HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG PHANH KHÍ NÉN2 562

4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian chậm tác dụng của hệ thống2 562

4.2 ảnh hưởng của van gia tốc tới thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh.2 562

4.2.1 So sánh giữa trường hợp có van gia tốc như phần Chương III với trường hợp không có van gia tốc.2 56

3

2

4.2.2 ảnh hưởng của vị trí đặt van gia tốc tới thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh.2 572

4.3 Ảnh hưởng của đường kính ống dẫn khí đến thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh.2 592

4.3.1 Khảo sát đường kính ống DR3R và DR4R2 592

4.3.2 Khảo sát đường kính ống DR2R2 612

4.4 Ảnh hưởng của chiều dài ống dẫn khí đến thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh.2 642

4.4.1 Tr ường hợp không có van gia tốc2 642

4.4.2 Tr ường hợp có van gia tốc2 662

KẾT LUẬN CHUNG2 702

1 Ph ương pháp nghiên cứu2 702

3 Những tồn tại và hướng phát triển của đề tài2 70

4

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Hình 3.8 Đồ thị biến thiên áp suất giữa bầu phanh bánh xe trước và

Hình 4.2 Đồ thị áp suất tại bầu phanh bánh xe khi thay đổi vị trí đặt

6

thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh

Hình 4.6 Đồ thị áp suất tại bầu phanh bánh xe khi thay đổi đường

kính ốngDR 2

63

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của đường kính ống DR 2 Rđến thời

Hình 4.8 Đồ thị biến áp suất tại bầu phanh bánh xe theo thời gian

Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng chiều dài L đến thời gian chậm

Hình 4.10 Đồ thị biến áp suất tại bầu phanh bánh xe theo thời gian

Khi ta thay đổi LR A

69

7

MỞ ĐẦU

Sản xuất ô tô trên thế giới ngày nay có một tốc độ tăng trưởng vượt bậc, ô tô

là một phương tiện giao thông đường bộ trong mạng lưới giao thông của các quốc gia, đặc biệt trong các quốc gia phát triển Nhu cầu giao thông vận tải không ngừng gia tăng cùng với khả năng vận chuyển hàng hoá, con người một cách linh hoạt đa dạng kể cả ở thành phố và nông thôn là những thể hiện cấp thiết của phương tiện này và nó đòi hỏi mọi quốc gia phải quan tâm thích đáng

Hiện nay ở Việt Nam ngành công nghiệp sản xuất ô tô đang được phát triển mạnh Vấn đề tăng tỉ lệ nội địa hoá trong sản xuất là mục tiêu quan trọng và là hướng phát triển tất yếu của ngành ô tô Việt Nam trong sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước

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 ô tô chất lượng cao không những phục vụ cho nhu cầu sản xuất trong nước mà còn hướng đến việc xuất khẩu Trong bối cảnh như vậy việc nghiên cứu động lực học ô tô phục vụ cho quá trình thiết kế, chế tạo các cụm, các hệ thống trên xe và tiến tới chế tạo những chiếc ô tô hoàn chỉnh mang thương hiệu Việt Nam đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế là rất quan trọng và cần thiết

Đối với ô tô tải cỡ lớn , 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 xe ô tô tải cỡ lớn hiện nay thường được trang bị hệ thống phanh có dẫn động khí nén Để hiểu rõ các quá trình xảy ra bên trong hệ thống phanh và để can thiệp sâu hơn vào các quá trình đó nhằm đạt được kết quả tối ưu khi phanh cũng như để rút ngắn thời gian cũng như tiền bạc trong việc nghiên cứu chúng ta chỉ có thể sử dụng phép đo bằng thực nghiệm, tính toán và mô phỏng trên máy tính, phương pháp này đem lại kết quả nhanh chóng và khá chính xác

8

Xuất phát từ những yếu tố cấp thiết trên tôi chọn đề tài: "Mô phỏng và khảo sát ho ạt động của hệ thống phanh khí nén ô tô tải cỡ lớn”

Luận văn gồm 4 chương:

- Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- Chương II: Ph ương pháp mô phỏng hệ thống dẫn động phanh khí nén

- Chương III: Mô phỏng hệ thống dẫn động phanh khí nén

- Chương IV: Kh ảo sát hệ thống dẫn động phanh khí nén

- Kết luận chung

Trong quá trình thực hiện đề tài do trình độ của bản thân và thời gian thực hiện còn nhiều hạn chế, nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, vậy tôi rất mong sẽ nhận được sự đóng góp, giúp đỡ của các thầy giáo trong Hội đồng, các thầy cô giáo trong lĩnh vực ô tô và các bạn đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn

tình hướng dẫn tôi hoàn thành đề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày 11 tháng 11 năm 2011

HỌC VIÊN

Nguyễn Lưu Hải

và ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh

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, 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 của xã hội bởi vì ôtô đã trở thành phương tiện giao thông gây chết người nhiều nhất so với các loại phương tiện khác

ở Việt Nam, số lượng phương tiện giao thông cơ giới đường bộ tiếp tục tăng nhanh Trong 9 tháng đầu năm 2011, ô tô đăng ký mới là 143.000 chiếc, mô tô là 2,2 triệu chiếc Tổng số phương tiện cơ giới đăng ký lưu hành trên toàn quốc đến hết tháng 9/2011 là hơn 35,5 triệu chiếc, trong đó ô tô là hơn 1,8 triệu chiếc, mô tô là hơn 33,6 triệu chiếc

Tai nạn giao thông đường bộ 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 2011, cả nước có khoảng 16000 người chết vì 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 nhân dân

10

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:

Các số liệu trên cho thấy rằng, tai nạn giao thông do hệ thống phanh chiếm tỷ

lệ cao nhất Do vậy các yêu cầu đối với hệ thống phanh, được pháp lý hoá thông qua các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế, ngày càng trở nên khắt khe hơn

3

1.2 Một số tiêu chuẩn cơ bản đối với hệ thống phanh

3

1.2.1 Các yêu cầu cơ bản của hệ thống phanh

Hệ thống phanh là một hệ thống đảm bảo an toàn chuyển động cho ô tô Do vậy phải chấp hành những yêu cầu kiểm tra khắt khe, nhất là đối với ô tô thường xuyên hoạt động ở tốc độ cao Các yêu cầu sau:

- Phải đảm bảo nhanh chóng dừng xe khẩn cấp trong bất kỳ tình huống nào Khi phanh đột ngột, xe phải dừng sau sau quãng đường phanh ngắn nhất, tức là có gia tốc phanh cực đại

- Phải đảm bảo phanh giảm tốc độ ô tô trong mọi điều kiện sử dụng, lực phanh trên bàn đạp phải tỷ lệ với hành trình bàn đạp, có khả năng rà phanh khi cần thiết Hiệu quả phanh cao và phải kèm theo sự phanh êm dịu để đảm bảo phanh chuyển động với gia tốc chậm dần biến đổi đều đặn giữ ổn định chuyển động của xe

11

- Tối thiểu trên ô tô phải có hai hệ thống phanh là: phanh chính và phanh dự phòng (phanh chân và phanh tay) Hai hệ thống đều phải sẵn sàng làm việc khi cần thiết Dẫn động phanh tay và phanh chân làm việc độc lập không ảnh hưởng lẫn nhau Phanh tay có thể thay thế phanh chân khi phanh chân có sự cố Phanh tay dùng để giữ nguyên vị trí xe trên đường bằng cũng như trên dốc nghiêng theo thiết

- Khi phanh lực phanh phát sinh ra giữa các bánh xe cùng một cầu phải bằng nhau, Nếu có sai lệch thì phải nhỏ trong phạm vi cho phép Khi thử phanh trên đường phải đúng quỹ đạo mong muốn theo điều khiển

- Các hệ thống điều khiển có trợ lực phanh, khi bị hư hỏng trợ lực, hệ thống phanh vẫn được điều khiển và có tác dụng lên ô tô

- Đảm bảo độ tin cậy sử dụng của ô tô trong cả hệ thống và các chi tiết trong

hệ thống, nhất là các chi tiết bao kín bằng vật liệu cao su, nhựa tổng hợp

- Các cơ cấu phanh phải thoát nhiệt tốt, không truyền nhiệt ra các khu vực làm ảnh hưởng tới sự làm việc của các cơ cấu xung quanh (lốp xe, moay ơ…) phải

dễ dàng điều chỉnh, thay thế các chi tiết hư hỏng

12

3

1.2.2 Một số tiêu chuẩn cơ bản của hệ thống phanh

Các quốc gia khác nhau đều có tiêu chuẩn riêng cho phù hợp với mức độ phát triển kinh tế, chính vì vậy các tiêu chuẩn sử dụng đều không giống nhau

Để đánh giá hiệu quả phanh, người ta thường sử dụng các tiêu chí sau:

- Quãng đường phanh: là quãng đường ô tô đi được từ khi người lái tác

dụng lên bàn đạp tới khi xe dừng hẳn

- Thời gian phanh : là thời gian đo được từ khi người lái tác dụng lên bàn đạp tới khi xe dừng hẳn

- Gia tốc phanh: gia tốc đạt được trong quá trình phanh ô tô Người ta phân

biệt: gia tốc cực đại, gia tốc trung bình và gia tốc ổn định

- Lực phanh: là lực phanh lớn nhất đạt được tại các bánh xe, thường được xác định trên các bệ thử

Trong bảng 1.1 giới thiệu các yêu cầu cơ bản trong kiểm tra hiệu quả phanh đối với hệ thống phanh ô tô theo Tiêu chuẩn ECE Châu Âu

13

Bảng 1.1- Tiêu chuẩn phanh theo ECE

Tiêu chuẩn Châu Âu: ECE-R13

- TCVN 6919-2001 Việt Nam trong trường hợp lắp ráp, xuất xưởng ô tô

+ Khi phanh xe trên đường quỹ đạo chuyển động của ô tô không lệch quá 8P

0

P

so với phương chuyển động thẳng và không bị lệch ra khỏi đường thử rộng 3,50m

+ Tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng phanh chân dùng trong kiểm định lưu hành

của Việt Nam do bộ GTVT ban hành: Thông tư 10/2009/TT-BGTVT

Cũng trong thông tư này yêu cầu cho phanh tay: khi phanh tay (phanh dừng

xe) xe được dừng trên dốc (độ dốc 20%), hay lực phanh trên bánh xe kiểm tra trên

bệ thử không nhỏ hơn 16% trọng lượng ô tô

14

Để đáp ứng được những tiêu chuẩn này, các nhà sản xuất phải thường xuyên

cải tiến hệ thống phanh cho ôtô nhằm nâng cao hiệu quả và tính ổn định khi phanh,

tăng tính an toàn chuyển động

Đối với hệ thống phanh dẫn động khí nén, một trong những thông số quan

trọng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả phanh ô tô chính là thời gian chậm tác dụng hay còn gọi là thời gian phản ứng của hệ thống Theo tiêu chuẩn, thời gian chậm tác dụng được định nghĩa là thời gian tính từ khi người lái tác động lên bàn đạp phanh tới khi áp suất ở bầu phanh xa nhất đạt 0,9R pmax R

Trên hình 1.1 thể hiện cách xác định thời gian chậm tác dụng (ký hiệu là τ) theo định nghĩa trên Theo tiêu chuẩn ECE, đối với hệ thống dẫn động khí nén

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

0,9p max

p

pmax

15

1.3 Đặc điểm của hệ thống phanh trên ô tô tải cỡ lớn

Ô tô tải có trọng lượng lớn đòi hỏi phải có lực phanh lớn với thời gian chậm tác

dụng đáp ứng yêu cầu của các tiêu chuẩn Vì vậy, hiện nay hệ thống phanh thường dùng trên loại xe này sử dụng dẫn động phanh khí nén hoặc dẫn động phanh thủy khí

lực đạp qua các cơ cấu dẫn động

Ưu điểm của dẫn động phanh thủy lực: Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng

các chi tiết nhỏ do có áp suất dầu cao, thời gian phanh nhỏ đảm bảo phanh đồng thời các bánh xe lại cùng một lúc vì dầu lúc nào cũng có sẵn trong hệ thống, hơn nữa sự phân bố lực phanh giữa các cầu phụ thuộc vào kích thước piton ở xy lanh bánh xe

Nhược điểm của dẫn động phanh thủy lực: Năng lượng dùng để phanh xe

là do người lái tạo nên vì vậy không thể sử dụng trên các loại xe lớn

1.3.1.2 Dẫn động phanh khí nén

Dẫn động phanh khí nén được sử dụng rộng rãi trên ô tô tải trung bình, cỡ lớn và đặc biệt lớn, để sinh ra lực phanh tại các cơ cấu phanh người ta sử dụng năng lượng khí nén, lực của người lái chỉ để mở van tổng phanh do đó mà giảm được sức lao động của người điều khiển

16

Ưu điểm của hệ thống phanh khí:

- Điều khiển dễ dàng, nhẹ nhàng, tạo được lực phanh lớn

- Có khả năng cơ khí hóa quá trình điều khiển ô tô

- Có thể sử dụng không khí nén cho các bộ phận làm việc như hệ thống phanh treo loại khí

Nhược điểm của hệ thống phanh khí nén:

- Số lượng các cụm chi tiết khá nhiều, kích thước và trọng lượng của chúng khá lớn, giá thành cao

- Thời gian chậm tác dụng khá lớn

1.3.1.3 Dẫn động phanh thủy khí

Dẫn động phanh thủy khí là kết hợp giữa thủy lực và khí nén, trong đó phần thủy lực có kết cấu nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ, tạo được lực phanh lớn, đồng thời đảm bảo cho độ nhậy (thời gian chậm tác dụng) cao, phanh cùng một lúc được tất

cả các bánh xe Phần khí nén cho phép điều khiển dễ dàng, nhẹ nhàng và khả năng huy động, điều khiển phanh rơ moóc

Dẫn động phanh loại này thường được áp dụng ở các loại xe vận tải cỡ lớn, có trọng tải cao và áp dụng cho xe nhiều cầu

Ưu điểm của hệ thống dẫn động phanh thủy khí:

Kết hợp được những ưu điểm của hai loại hệ thống phanh thủy lực và khí nén và khắc phục được nhược điểm của từng loại khi làm việc

Phần khí nén có nhiệm vụ là dẫn động do vậy mà tạo cho người điều khiển không phải tác dụng lực lớn vào bàn đạp

Phần thủy lực có nhiệm vụ là cơ cấu chấp hành nên thời gian chậm tác dụng là nhỏ, phần thủy lực có kích thước nhỏ gọn, dễ bố trí

Nhược điểm của hệ thống phanh dẫn động thủy khí:

Có nhược điểm của hai loại phanh thủy lực và khí nén

Kích thước của hệ thống phanh liên hợp là rất cồng kềnh và phức tạp, khó khăn cho khi bảo dưỡng và chăm sóc hệ thống

17

Khi phần dẫn động khí nén bị hỏng thì dẫn đến cả hệ thống ngừng làm việc cho nên trong hệ thống phanh này ta cần chú ý đặc biệt tới cơ cấu dẫn động bằng khí nén

Khi sử dụng hệ thống phanh thủy khí thì giá thành cũng rất cao, có nhiều cụm chi tiết và cơ cấu đắt tiền

1.3.2 Dẫn động khí nén trên ô tô tải cỡ lớn

Đối với ô tô tải cở lớn thì kích thước của xe cũng rất lớn, dẫn đến đường ống dẫn động của hệ thống phanh dài và thời gian chậm tác dụng lớn Để khắc phục hiện tượng này, thông thường ô tô tải cỡ lớn thường sử dụng hai loại dẫn động phanh: dẫn động khí nén và dẫn động thuỷ khí do các đặc điểm đã phân tích trên đây

Dẫn động thuỷ khí tận dụng được các ưu điểm của cả hai loại dẫn động thuỷ lực và khí nén, tuy nhiên nó có kết cấu phức tạp, cồng kềnh, giá thành cao và đòi hỏi quá trình chăm sóc bảo dưỡng phức tạp hơn

Vì vậy, trong nhiều trường hợp người ta sử dụng dẫn động khí nén trên các

hệ thống phanh ô tô tải trọng lớn Để khác phục nhược điểm chính của loại dẫn động này là thời gian chậm tác dụng lớn, có thể sử dụng hai giải pháp chính sau:

• Lựa chọn đường kính các đường ống dẫn hợp lý;

• Sử dụng các loại van tăng tốc

Trên hình 1.2 thể hiện sơ đồ của một hệ thống dẫn động phanh điển hình trên

ô tô tải cỡ lớn Sơ đồ cho thấy, để đáp ứng các yêu cầu đối với hệ thống phanh

người ta tách dẫn động thành haii dòng độc lập nhằm đảm bảo tính an toàn Ngoài

ra trong hệ thống có bố trí các van với các chức năng khác nhau:

• Van gia tốc 14 có tác dụng giảm độ chậm tác dụng bằng cánh giảm chiều dài đường ống cấp khí cho các bầu phanh (vì vậy nó thường được bố trí

gần cầu xe cùng với một bình chứa khí riêng)

• Bộ điều hoà lực phanh 13 có tác dụng điều chỉnh áp suất trong dẫn động

cầu sau phù hợp với điều kiện tải trọng để tránh trượt lết các bánh xe cầu sau

• Van giảm áp 11 bố trí trên dẫn động cầu trước nhằm hạn chế áp suất phanh các bánh xe cầu trước ở các chế độ phanh với cường độ nhỏ

1- máy nén khí; 2- van an điều áp; 3- bộ lọc tách nước 3; 4- van an toàn kép; 5,6,18,19- các bình chứa khí; 7,8- đường ống dẫn khí; 9- bàn đạp phanh; 10- tổng van; 11- van giảm áp; 12- các bầu phanh cầu trước; 13- bộ điều hòa lực phanh; 15,16- các bầu phanh cầu sau; 17- van bảo vệ; 20- van điều khiển phanh tay; 14,21- van gia tốc; 22, 23- bộ tích năng phanh cầu sau

1.3.3 Nhận xét

Ngày nay, xe vận tải nặng thường sử dụng hệ thống phanh dẫn động khí nén

để khai thác triệt để những ưu nhược điểm chính của dẫn động khí nén là điều khiển phanh nhẹ nhàng và tạo được lực phanh (mô men phanh) lớn ở cơ cấu phanh bánh

xe

19

Nói chung, sơ đồ dẫn động phanh khí nén trên các xe tải ngày nay của các nước tiến tiến trên thế giới đều thoả mãn những yêu cầu rất khắt khe mà một hệ thống phanh hiện đại cần phải đạt được

Khi phân tích sơ đồ dẫn động phanh khí nén của ôtô các nước Nga, Đức, Hàn Quốc, Mỹ, Nhật ta thấy chúng đều có một kết cấu chung đó là: Hệ thống phanh chính được tách thành các mạch độc lập và có ít nhất từ hai mạch trở lên

Các sơ đồ phanh khí nén ngày nay trên ô tô tải đa số đều có lắp van gia tốc hay van tăng tốc để giảm thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh này

Hệ thống phanh là một hệ thống đảm bảo an toàn chuyển động cho xe; do vậy hệ thống phanh trên xe ô tô, nhất là đối với xe cao tốc, chủ yếu thời gian hoạt động ở tốc độ cao do đó phải đảm bảo được các yêu cầu sau:

- Phải đảm bảo nhanh chóng dừng xe trong bất kỳ tình huống nào; khi phanh đột ngột xe phải dững với quãng đường phanh là ngắn nhất tức là có gia tốc phanh cực đại; Hiệu quả phanh cao kèm theo sự phanh êm dịu để đảm bảo phanh chuyển động với gia tốc chậm dần biến đổi đều đặn giữ ổn định hướng chuyển động của xe; Lực điều khiển không quá lớn (điều khiển nhẹ nhành, dễ dàng kể cả điều khiển bằng chân hoặc bằng tay)

- Hệ thống phanh cần có độ nhạy cao, hiệu quả phanh không thay đổi nhiều giữa các lần phanh; Tránh được hiện tượng trượt lết của bánh xe trên đường,

vì khi trượt lết với mặt đường sẽ gây mài mòn lốp và làm mất khả năng dẫn hướng chuyển động của xe

- Phanh chân và phanh tay làm việc độc lập và không ảnh hưởng lẫn nhau;

Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt, không truyền ra các khu vực làm ảnh hưởng tới sự làm việc của các cơ cấu xung quanh, phải dễ dàng điều chỉnh, thay thế các chi tiết khi bị

hư hỏng

1.4 Tình hình nghiên cứu

Ở nước ta trước đây việc kiểm tra hệ thống phanh còn mang tính chất thủ công chủ yếu dựa vào việc quan sát bằng mắt, không dựa trên một tiêu chuẩn nào

20

và khụng cú thiết bị nào hỗ trợ cả Ngày nay tại cỏc trạm đăng kiểm đó cú cỏc thiết

bị hiện đại để kiểm tra hệ thống phanh; tuy nhiờn cỏc thiết bị kiểm tra phanh hiện cú

ở Việt nam cũn nhiều hạn chế cụ thể như: bệ thử cú tốc độ thấp, cỏc thiết bị kiểm tra phanh định kỳ trờn đường vẫn chưa cú và cỏc thiết bị để nghiờn cứu kiểm tra về phanh ụ tụ lại càng hiếm nữa

Qua tỡm hiểu đó cú một số đề tài luận văn thạc sĩ nghiờn cứu về hệ thống phanh: Luận văn Thạc sỹ " Nghiờn cứu, mụ phỏng và tớnh toỏn tối ưu hoỏ hệ thống dẫn động phanh khớ nộn trờn ụtụ tải " của tỏc giả Hoàng Văn Hương – thực hiện tại trường Đại học Bỏch khoa Hà Nội năm 2002; luận văn thạc sỹ “ Mụ phỏng hệ thống dẫn động của hệ thống phanh dầu cú sử dụng trợ lực chõn khụng” của tỏc giả Vũ Nhật Tõn – thực hiện tại trường Đại học Bỏch khoa Hà Nội năm 2005; Luận văn thạc sỹ “Mụ phỏng hệ thống dẫn động phanh thủy lực cú ABS” của tỏc giả Lại Năng Vũ thực hiện tại trường Đại học Bỏch khoa Hà Nội năm 2007; cỏc đề tài tập chung nghiờn cứu về hiệu quả phanh, thời gian chậm tỏc dụng của phanh và khả năng mất ổn định của ụ tụ khi phanh

Trước tỡnh hỡnh nghiờn cứu về hệ thống phanh trong nước như vậy luận văn

chọn đề tài: “Mô phỏng và khảo sát hoạt động của hệ thống phanh khí nén ô tô tải cỡ lớn ” Trờn cơ sở nghiờn cứu quỏ trỡnh quỏ độ của hệ thống dẫn động phanh khớ nộn cú trang bị van gia tốc, Đề tài khảo sỏt ảnh hưởng của cỏc thụng số kết cấu

tới thời gian chậm tỏc dụng của hệ thống, trong đú tập trung chủ yếu vào việc khảo sỏt hiệu quả của van gia tốc, từ đú cung cấp cơ sở để phỏt triển cỏc hệ thống dẫn động phanh cho ụ tụ tải cỡ lớn nhằm nõng cao tớnh năng an toàn chuyển động của ụ

tụ

1.5 Nội dung và phương phỏp nghiờn cứu

1.5 1 Nội dung nghiờn cứu

Nội dung của đề tài là xõy dựng mụ hỡnh mụ phỏng hệ thống phanh khớ nộn ụtụ tải cỡ lớn và khảo sỏt hoạt động của hệ thống, trong đú tập trung chủ yếu vào

việc nghiờn cứu hiệu quả của van gia tốc trong hệ thống dẫn động phanh bằng khớ nộn

21

Ngoài ra, Đề tài còn khảo sát sự hoạt động của hệ thống thông qua các thông

số khác như đường kính ống dẫn khí, chiều dài ống dẫn khí

1.5 2 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu về lý thuyết cơ bản mô phỏng dẫn động khí nén; sử dụng

phương pháp mô phỏng tập trung; ứng dụng phần mền Matlab – Simulink, tính toán xác định các thông số các trạng thái làm việc của các phần tử của hệ thống dẫn động phanh khí nén

22

CHƯƠNG II- PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG

PHANH KHÍ NÉN 2.1 Ph ương pháp mô phỏng dẫn động khí nén

2.1.1 Ph ương 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

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

đang được ứng dụng phổ biến hiện nay là Matlab 7.0

2.1.2.Phương pháp mô phỏng tập trung

Cho tới nay có khá nhiều phương pháp mô phỏng và chúng đều có ưu và

nhược điểm riêng Do đó trong đề tài này tác giả chỉ đi sâu vào một phương pháp

đã được sử dụng rất hiệu quả trong việc tính toán các hệ thống dẫn động khí nén trên ôtô khá ưu việt và tiện lợi gọi là phương pháp mô phỏng tập trung

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

23

- Thể tích khí của 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

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

- 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 đi qua điểm nút;

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

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

Dung tích không đổi : V=const

Dung tích thay đổi : V= f(t)

2.1.2.1 Ph ương trình lưu lượng đi qua tiết lưu

* L ưu lương tức thời đi qua tiết lưu:

Trên hình 2.1 thể hiện sơ đồ nguyên lý của một tiết lưu điển hình

24

µ- hệ số lưu lượng: µ=

f v

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

σσ

ϕ

− Β

− Α

1654.0

25

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

.

p o 1

P (2.2)

2.1.2.2.Ph ương trình lưu lượng đi vào dung tích:

* Lưu lượng tức thời vào dung tích không đổi:

P dt

dm E

dm E

v B

A RT

P fv k dt

p p A V

p fv k dt

dp

o

o o

p Bp

p p A V

p fv k dt

*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 3 giai đoạn: I, II, III

Trong giai đoạn I piston không di chuyển, áp suất tăng từ 0 tới pR 1 R thời gian

V - Thể tích làm việc ở giai đoạn II

VR 0 R- Thể tích làm việc lúc đầu ở giai đoạn II

F - Diện tích tiết diện của piston

y

pmax

Hình 2.3 - Sơ đồ xi lanh công tác

27

y- Khoảng dịch chuyển của piston

Sơ đồ mô phỏng của một nhánh D - E có dung tích thay đổi được thể hiện trên hình 2.4

Kết hợp phương trình (2.2) và (2.5) ta có:

Fp dt

dp k

1 0

p Bp

p p

dp k

1 0

p Bp

p p

fR ms R- Hệ số ma sát giữa đệm làm kín và thành xi lanh

FR k R- Diện tích tiếp xúc

b - Hệ số ma sát nhớt

P - Lực sinh công hữu ích, trong phần lớn các trường hợp

P = C.y, với C là độ cứng quy đổi

y d

F dt

p C

F k

Fy V

1 0

p Bp

p p

−

−

(2.10)

Trong các phép toán , nếu thể tích thay đổi không đáng kể thì nên coi V=const

để đơn giản mô hình toán học của hệ thống

2.1.2.3 Ph ương trình lưu lượng tại điểm nút

Trên sơ đồ đường dẫn khí của hệ thống phanh khí thưòng có điểm nút, tại mỗi

điển nút sẽ có nhiều 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

29

2.1.2.4 Ph ưong trình lưu lượng đi qua van gia tốc

Trên sơ đồ đưòng dẫn khí của hệ thống phanh khí nén thưòng có van gia tốc,

tại vị trí van gia tốc bao giờ cũng có hai dòng khí Hình 2.6

- Dòng điều khiển: từ tổng phanh đến để mở van gia tốc thông qua dich chuyển của piston

- Dòng công tác thường trực tại van gia tốc nhằm giảm quãng đường đi của khí nén đến bầu phanh bánh xe

Piton chịu tác dụng của các lực sau:

- mR p R: là khối lượng của piston

- SR A R: diện tích của pison khoang A

30

- SR B R: diện tích của piston khoang BR

- pR A R: áp suất khoang A

- pR B R: áp suất khoang B

- y: dịch chuyển của piston

Ở đây lực lò so nhỏ ta có thể bỏ qua để đơn giản cho quá trình mô phỏng

Từ phương trình (2.11) ta rút ra được dịch chuyển y của piston (độ mở của van) Và xây dựng được Sơ đồ mô phỏng cho van gia tốc như sau:

2.2.1.Ph ương 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:

fR 1 R(x,yR 1 R,yR 2 R,…,yR n R), fR 2 R(x,yR 1 R,yR 2 R,…,yR n R),….,fR n R(x,yR 1 R,yR 2 R,…,yR n R),

là những hàm số đã biết của n+1 đối số x,yR 1 R,yR 2 R,…,yR n R

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

2.2.2.Ph ương 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)

32

y(xR 0 R)=α xR 0 R≤ 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

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

phương pháp sau:

Khai triển chuỗi Taylo, nghiệm y(x) của bài toán tại xi

i i

i x x y x x x y c x

y x

!2

2

−+

−+

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

y ( ) ( ) xi y xi hf ( xi y ( ) xi ) h y '' ( ) ci

2 ,

Với phương pháp giải Ơle cải tiến, áp dụng công thức Niutơn- Lepnit

Tính gần đúng tích phân xác định ở vế phải bằng công thức hình thang ta nhận được:

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,

33

nhưng khi đó khối lượng tính toán tăng lên và sai số tích luỹ do thực hiện các phép tính sẽ tăng lên

2.2.3 Ph ương 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

=

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

Trong công thức Runge- Kutta nêu trên, người thường dùng giải bài toán với

cấp chính xác cấp 4 vì nó có độ chính xác cao và công thức tính toán cũng không quá phức tạp

34

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 và khảo sát hệ

thống dẫn động phanh khí nén

2.2.4 Gi ới thiệu chung về phần mềm Matlab

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 riêng, 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