Nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh thủy lực trên xe mô tô hai bánh

Nội dung đề tài như sau: Nghiên Cứu Mô Phỏng Hệ Thống Phanh Thủy Lực trên Xe Mô tô Hai Bánh Nhằm đảm bảo tính trung thực, khách quan trong quá trình nghiên cứu và thực hiện nghiêm túc

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VÕ VĂN CHAN

LU ẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : K Ỹ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS.H Ồ HỮU HẢI

HÀ N ỘI - 2014

L ời cam đoan

Theo Quyết định số 2731/QĐ-ĐHBK-SĐH ngày 18 tháng 9 năm 2012 của Hiệu trưởng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giao đề tài luận văn thạc sĩ cho em,

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hồ Hữu Hải Nội dung đề tài như sau:

Nghiên Cứu Mô Phỏng Hệ Thống Phanh Thủy Lực trên Xe Mô tô Hai Bánh

Nhằm đảm bảo tính trung thực, khách quan trong quá trình nghiên cứu và thực

hiện nghiêm túc về vấn đề sao chép tài liệu luận văn

Em nhận thấy rằng đây là đề tài duy nhất không có sự trùng khớp với các đề tài khác đã có và em hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của đề tài này

ngày 25 tháng 03 năm 2014

Học viên cam đoan

VÕ VĂN CHAN

L ời mở đầu

Trong những năm gần đây xe mô tô hai bánh ở Việt Nam phát triển rất

nhanh để đáp ứng người tiêu dùng trong nước và xuất khẩu; chính sách nội địa hóa

phụ tùng xe gắn máy của nước ta đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà nghiên cứu,

thiết kế, chế tạo các cụm chi tiết, chi tiết lắp ráp, thay thế cho xe gắn máy nói chung,

trong đó có hệ thống phanh thủy lực xe mô tô hai bánh Thực tế việc sử dụng phanh

thủy lực ở mức độ, hiệu quả phanh như thế nào? Chúng ta cần tìm hiểu, hiểu biết

nhiều hơn Vì vậy em được quý Thầy, Cô Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giao

đề tài :

Nghiên C ứu Mô Phỏng Hệ Thống Phanh Thủy Lực trên Xe Mô tô Hai

Bánh

Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài nhằm xây dựng cơ sở

lý thuyết hệ thống phanh thủy lực xe mô tô hai bánh và mô phỏng trên Matlab –

Simulink để nhận biết rõ hiệu quả phanh thủy lực

Đề tài cung cấp cơ sở lý thuyết về nghiên cứu và tính hiệu quả phanh thủy

lực trong quá trình điều khiển xe gắn máy thông qua phần mềm mô phỏng

Được sự giúp đỡ, hướng dẫn trực tiếp đề tài rất tận tình của Thầy Hồ Hữu

Hải, phó giáo sư, tiến sĩ cùng quý Thầy, Cô trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong

quá trình học tập và thực hiện đề tài Em xin chân thành cám ơn

ngày 25 tháng 03 năm 2014

Học viên thực hiện

VÕ VĂN CHAN

1

M ục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 2

Chương 1 : Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3

1.1 Xe mô tô: 3

1.2 H ệ thống phanh của xe mô tô : 4

1.3 C ấu trúc hệ thống phanh trên xe máy: 5

1.4 Các ch ỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh, các tiêu chuẩn qui định hệ thống phanh và tính ổn định của xe máy khi phanh: 12

1.5 Các đề tài nghiên cứu về phanh ô tô và xe máy có liên quan: 19

1.6 M ục tiêu, nội dung của đề tài: 19

Chương 2: Mô hình mô phỏng hệ thống phanh xe máy trong Matlab – Simulink 21

2.1 Sơ lược về Matlab – Simulink 21

2.2 Mô hình mô ph ỏng xy lanh chính : 23

2.3 Mô hình mô ph ỏng đường ống dẫn dầu hệ thống phanh thủy lực cho bánh xe trước và bánh xe sau xe mô tô: 25

2.4 Mô hình mô ph ỏng cơ cấu phanh bánh xe: 30

2.5 Mô hình mô ph ỏng chuyển động của xe 32

Chương 3: Kết quả mô phỏng hệ thống phanh thủy lực trên xe mô tô 2 bánh 40

3.1 Mô phỏng hệ thống phanh khi thay đổi lực tác dụng: 40

3.2 Mô ph ỏng hệ thống phanh khi thay đổi vận tốc xe ban đầu : 49

3.3 Mô ph ỏng hệ thống phanh khi thay đổi hệ số bám : 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

3

Chương 1 : Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

1.1 Xe mô tô:

1.1.1 L ịch sử : Lịch sử của xe gắn máy nói chung, xe mô tô nói riêng có thể coi

như là sự kết hợp giữa động cơ nổ và xe 2 bánh

Hình 1: Xe g ắn máy cổ

• Năm 1860 Etienne Lenoir kỹ sư người Pháp chế tạo thành công động

cơ đốt trong chạy bằng khí nhiên liệu có kích thước lớn và nặng nên không đặt lên 2 bánh xe được

Hình 2: Động cơ đốt trong của Etienne Lenoir

• Năm 1885 kỹ sư người Đức là Gotthieb- Daimler cùng với MâyBách

chế tạo thành công động cơ chạy xăng kích thước khoảng 1/10 động

cơ của Lenoir Đây là sự mở đầu cho việc đặt động cơ đốt trong vào

xe 2 bánh

• Năm 1870 Kỹ sư người Pháp là Perô chế tạo được xe 2 bánh gắn máy đầu tiên có động cơ hơi nước chạy bằng cồn

Xe gắn máy luôn được cải tiến và ngày càng hoàn thiện hơn, chế tạo gọn nhẹ ,

bền, đẹp, công suất lớn (xe mô tô), dùng phanh đĩa, phun xăng điện tử, hộp số tự động …

Hệ thống phanh là một trong những cụm chi tiết quan trọng nhất vì nó đảm

bảo cho xe chạy an toàn ở mọi tốc độ

1.2.2 Phân lo ại:

Theo k ết cấu cơ cấu phanh:

• Hệ thống phanh với cơ cấu phanh guốc

• Hệ thống phanh với cơ cấu phanh đĩa

5

Theo d ẫn động phanh:

• Hệ thống phanh dẫn động cơ khí

• Hệ thống phanh dẫn động cơ thủy lực

Theo kh ả năng chống bó cứng khi phanh: ta có hệ thống phanh với bộ

chống hãm cứng bánh xe ( hệ thống phanh ABS )

1.2.3 Yêu c ầu:

• Điều khiển phanh phải nhẹ, êm dịu, ổn định trong mọi trường hợp;

• Dẫn động phanh có độ nhạy cao, không tự xiết khi phanh;

• Cơ cấu phanh phải thoát nhiệt tốt;

• Có hệ số ma sát giữa phần quay và má phanh cao và ổn định ;

• Dễ bảo quản, sửa chữa

1.3 C ấu trúc hệ thống phanh trên xe máy:

1.3.1.2 Nguyên lý ho ạt động:

• Lo ại một má miết – một má đẩy: Chỉ có 1 cam phanh duy nhất dùng

để ép 2 má phanh tác động vào tang trống phanh Trong 2 má phanh có má miết và

má đẩy, má miết có hiệu quả phanh cao hơn má đẩy Loại này dùng làm phanh sau

xe mô tô thông thường

• Lo ại hai má miết: Có 2 cam phanh, mỗi cam phanh dùng để ép một

má phanh, bố trí cả 2 là má miết Vì thế loại này lực phanh lớn gấp 1,5 lần lực phanh loại 1má miết 1 má đẩy Nó thường dùng làm phanh trước cho xe thể thao, nhưng ngày nay được thay thế bằng phanh đĩa

8

a) b) Hình 9: a) Loại một má miết, một má đẩy; b) Loại hai má miết

1.3.1.4 Tang tr ống phanh:

Tang trống phanh vật liệu bằng gang được ép chặt với moayơ Khi phanh,

lực ma sát sinh nhiệt làm giảm hệ số ma sát của má phanh Để khắc phục hiện tượng này, bề mặt ngoài của moayơ có thiết kế các gân tản nhiệt bằng nhôm hợp kim có

khả năng tản nhiệt cao Miệng của moayơ thiết kế các rãnh chống lọt nước và bụi vào bên trong tang trống phanh, bên ngoài có nắp ốp má phanh

a)

b)

9

Hình 10: a) Tang tr ống phanh có gân tản nhiệt

b)Tang tr ống phanh và nắp ốp má phanh

1.3.2 Phanh đĩa:

1.3.2.1 C ấu tạo:

Phanh đĩa gồm một đĩa kim loại làm bằng thép lắp với moayơ bánh xe và quay cùng bánh xe Khi phanh, dầu thủy lực ép piston đẩy má phanh ép sát vào đĩa phanh

1.3.2.2 Nguyên lý ho ạt động:

Truyền lực và chuyển động trong hệ thống thủy lực dựa trên định luật Pascal

• Định luật Pascal: Áp suất truyền đi trong một chất lỏng đồng nhất và

đẳng hướng theo mọi phương là như nhau

Hình 11 :Sơ đồ nguyên lý hoạt động chung của phanh đĩa

Khi lực F1 tác dụng vào piston bơm (piston chính) có diện tích mặt cắt là S1, ở cụm xy lanh kẹp (xy lanh công tác) diện tích mặt cắt của piston là S2 ( piston công tác) ta có: 𝑆𝑆1

𝐹𝐹1 =

𝑆𝑆2 𝐹𝐹2 → F2 = F1 𝑆𝑆2𝑆𝑆1

Vậy khi tỷ số 𝑆𝑆2

𝑆𝑆1 lớn ta có F2 lớn khi tác dụng một lực F1 nhỏ

• Nguyên lý ho ạt động:

Khi phanh, xy lanh bơm (xy lanh chính) sẽ chuyển lực tác dụng sang dạng

áp suất dầu Cụm xy lanh bơm gồm: Bình chứa, xy lanh, piston Bình chứa thường

10

bằng nhựa, gang hoặc nhôm hợp kim liên kết với xy lanh bơm Piston bơm được lắp

phớt chắn dầu làm kín và cao su chắn bụi

Hình 12: Xy lanh chính và xy lanh công tác phanh đĩa

Khi bóp phanh tay, lực ép lên piston bơm thắng lực lò xo hồi vị làm piston dịch chuyển Phớt lắp trên thân piston đóng lỗ dầu hồi và khi piston tiếp tục

đi vào thì làm áp suất dầu tăng lên, dầu phanh theo đường ống dẫn xuống cụm xy lanh ép (xy lanh công tác) làm cho piston ép và má phanh được đẩy ra thực hiện quá trình phanh xe

11

Hình 13: Xy lanh chính và xy lanh công tác khi phanh

Khi nhả phanh tay, piston ép được đẩy trở lại nhờ lò xo hồi vị, dầu phanh trở lại bình chứa thông qua lỗ dầu hồi

Hình 14: Xy lanh chính và xy lanh công tác khi nh ả phanh

1.3.3 Ưu nhược điểm của hệ thống phanh dẫn động thủy lực:

12

• Công nghệ chế tạo không phức tạp làm giảm giá thành sản xuất;

• Khối lượng các chi tiết nhỏ, kết cấu gọn;

• Mô men phanh ổn định hơn so với cơ cấu kiểu tang trống khi hệ số

1.4.1 Các ch ỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh:

Nhằm đánh giá chất lượng của quá trình phanh có thể dùng các chỉ tiêu sau:

- Gia tốc chậm dần khi phanh

- Thời gian phanh

- Quãng đường phanh

- Lực phanh và lực phanh riêng

1.4.1.1 Gia t ốc chậm dần khi phanh:

Đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh xe máy Khi phân tích các lực tác dụng lên xe máy có thể viết phương trình cân bằng

lực kéo khi phanh xe máy như sau:

Pj = Pp + Pf + P𝜔𝜔 + Pη ± Pi (1 – 1) Trong đó:

Pj: lực quán tính sinh ra khi phanh xe máy;

Pp: Lực phanh sinh ra ở các bánh xe;

Pf: Lực cản lăn;

13

P𝜔𝜔: Lực cản không khí;

Pη: Lực để thắng tiêu hao cho ma sát cơ khí;

Pi: Lực cản lên dốc Khi phanh trên đường nằm ngang Pη= 0

Thực nghiệm chứng tỏ rằng Pf , P𝜔𝜔, Pη cản lại sự chuyển động của xe máy

có giá trị rất bé so với lực phanh Pp Vì thế có thể bỏ qua các lực cản Pf , P𝜔𝜔, Pη

và khi phanh trên đường nằm ngang có phương trình:

Pj = Pp (1 – 2) Lực phanh lớn nhất Ppmax sinh ra tại bánh xe xác định theo biểu thức:

PPmax = 𝜑𝜑𝐺𝐺

Từ đó phương trình (1-2) có thể viết:

𝛿𝛿𝑖𝑖 𝑔𝑔 𝐺𝐺 jPmax = 𝜑𝜑𝐺𝐺 (1 - 3) Trong đó:

𝛿𝛿𝑖𝑖: Hệ số tính đến ảnh hưởng các trọng khối quay xe máy

G : Trọng lượng toàn bộ xe máy

Từ biểu thức (1-3) có thể xác định gia tốc chậm dần cực đại khi phanh:

jPmax = 𝜑𝜑𝑔𝑔

𝛿𝛿𝑖𝑖 (I – 4) Nhận xét: Để tăng gia tốc chậm dần khi phanh cần phải giảm hệ số 𝛿𝛿𝑖𝑖 Vì thế khi phanh đột ngột cần cắt ly hợp, lúc đó jPmax sẽ tăng Gia tốc chậm dần cực đại phụ thuộc vào hệ số bám 𝜑𝜑 của lốp với mặt đường ( giá trị 𝜑𝜑𝑚𝑚𝑚𝑚𝑥𝑥 = 0,75 ÷ 0,8 trên đường nhựa tốt)

1.4.1.2 Thời gian phanh:

- Thời gian phanh cũng là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt

Để xác định thời gian phanh cần dùng công thức sau:

14

- Muốn xác định thời gian phanh nhỏ nhất cần tích phân dt trong giới hạn

từ thời điểm ứng với vận tốc phanh ban đầu 𝜈𝜈1 tới thời điểm ứng với vận tốc khi kết thúc phanh 𝜈𝜈2

Từ biểu thức (1-6) ta thấy rằng thời gian phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận

tốc ban đầu phanh xe máy, phụ thuộc vào hệ số 𝛿𝛿𝑖𝑖 và hệ số 𝜑𝜑 giữa bánh xe với

mặt đường Để cho thời gian phanh nhỏ cần phải giảm 𝛿𝛿𝑖𝑖, vì thế người lái nên

cắt ly hợp khi phanh

1.4.1.3 Quãng đường phanh:

Quãng đường phanh là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng phanh

từ thời điểm với vận tốc bắt đầu phanh 𝜈𝜈1 đến thời điểm ứng với vận tốc cuối quá trình phanh 𝜈𝜈2 Ta có:

15

Khi phanh đến lúc xe máy dừng hẳn 𝜈𝜈2 = 0:

Smin = 𝛿𝛿𝑖𝑖 𝜈𝜈12

2𝜑𝜑𝑔𝑔 (1- 9)

Từ biểu thức (1-9) ta thấy rằng quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào

vận tốc chuyển động của xe máy lúc bắt đầu phanh, phụ thuộc vào hệ số bám 𝜑𝜑 và

𝛿𝛿𝑖𝑖

Để giảm quãng đường phanh cần giảm hệ số 𝛿𝛿𝑖𝑖

Chú ý công thức (1-4 ), (1-6 ), (1-9 ) thì jPmax , tmin , Smin phụ thuộc hệ số

bám 𝜑𝜑, nhưng 𝜑𝜑 phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên bánh xe cho nên gia tốc chậm

dần, thời gian phanh và quãng đường phanh còn phụ thuộc vào trọng lượng toàn bộ

G của xe máy

Để hình dung rõ sự thay đổi của quãng đường phanh nhỏ nhất theo vận

tốc bắt đầu phanh 𝑣𝑣1 và theo

giá trị 𝜑𝜑 ta quan sát đồ thị dưới

1.4.1.4 L ực phanh và lực phanh riêng:

Pp: Lực phanh xe máy;

Mp: Mô men phanh của các cơ cấu phanh;

Rb: Bán kính làm việc trung bình của xe

Lực phanh riêng P là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lượng toàn bộ G

Từ biểu thức (1-12) ta thấy rằng lực phanh riêng cực đại bằng hệ số bám 𝜑𝜑

Về lý thuyết thì: Trên mặt đường nhựa khô nằm ngang, lực phanh riêng cực đại có

thể đạt giá trị 57 ÷ 85 % Trong thực tế giá trị chỉ đạt 45 ÷ 65%

1.4.2 Các tiêu chu ẩn qui định hệ thống phanh:

Các tiêu chuẩn này do Bộ GTVT Việt Nam quy định theo quyết định Số: 4134/2001/QĐ-GTVT ngày 05 tháng 12 năm 2001 có hiệu lực thi hành từ ngày 01 tháng 01 năm 2002 với Số đăng ký: 22 TCN - 224 - 01 như sau:

1.4.2.4 Đối với hệ thống phanh dẫn động khí nén (phanh hơi): áp suất của hệ thống phanh hơi phải đạt áp suất quy định theo tài liệu kỹ thuật Bình chứa khí nén đủ số lượng theo hồ sơ kỹ thuật, không rạn nứt Các van đầy đủ, hoạt động bình thường

1.4.2.5 Trợ lực phanh đúng theo hồ sơ kỹ thuật, kín khít, hoạt động tốt

1.4.2.6 Hiệu quả của phanh chính và phanh đỗ xe:

Hi ệu quả phanh chính khi thử trên đường:

- Thử trên mặt đường bê tông nhựa hoặc bê tông xi măng bằng phẳng và khô, hệ

số bám không nhỏ hơn 0,6

- Hiệu quả phanh được đánh giá bằng một trong hai chỉ tiêu quãng đường phanh

Sp (m) hoặc gia tốc chậm dần lớn nhất khi phanh Jpmax (m/s2 ) với chế độ thử

phương tiện không tải ở tốc độ 30km/h và được quy định như sau:

- Khi phanh, quĩ đạo chuyển động của phương tiện không lệch quá 80 so với phương chuyển động ban đầu và không lệch khỏi hành lang có chiều rộng 3,50m

- Chế độ thử: Phương tiện không tải

- Tổng lực phanh không nhỏ hơn 50% trọng lượng phương tiện không tải G0đối

với tất cả các loại xe

- Sai lệch lực phanh trên một trục (giữa bánh bên phải và bên trái) :

KSL = (PF lớn – PF nhỏ) 100%/ PF lớn

KSL không được lớn hơn 25%

18

Phanh đỗ xe (Điều khiển bằng tay hoặc chân) :

- Chế độ thử: phương tiện không tải

- Dừng lại ở độ dốc 20% đối với tất cả các loại xe khi thử trên dốc hoặc tổng lực phanh PF1 không nhỏ hơn 16% trọng tải phương tiện không tải G0 khi thử trên băng

thử Quãng đường phanh không lớn hơn 6 m khi thử trên đường với vận tốc xe chạy 15km/h

Sau đây là bảng tiêu chuẩn và hiệu quả phanh (của hệ thống phanh chính) cho phép ô tô- Mô tô lưu hành trên đường:

Không lớn hơn 7,2 Không nhỏ hơn 5,8

Nhóm 2: Ô tô tải có trọng lượng

toàn bộ không lớn hơn 8000 kg, ô

tô khách trên 09 chỗ ngồi (kể cả

người lái), có tổng chiều dài

không lớn hơn 7,5m

Không lớn hơn 9,5 Không nhỏ hơn 5,0

Nhóm 3: Ô tô hoặc đoàn ô tô có

trọng lượng toàn bộ lớn hơn 8000

kg, ô tô khách trên 09 chỗ ngồi (kể

cả người lái) có tổng chiều dài lớn

hơn 7,5m

Không lớn hơn 11 Không nhỏ hơn 4,2

Nhóm 4: Mô tô 3 bánh, xe lam và

xích lô máy

Không lớn hơn 8,2

19

1.4.3 Tính ổn định của xe máy khi phanh:

Trong quá trình phanh xe máy thì trục dọc của xe có thể bị nghiêng đi một

góc β nào đấy so với hướng của quỹ đạo đang chuyển động Sở dĩ như vậy là do

tổng các lực phanh sinh ra ở bánh xe phía trước và phía sau không thẳng hàng, tạo

thành mô men quay vòng Mq quanh trụcthẳng đứng Z đi qua trọng tâm A của xe

Đồng thời, sự cân bằng của xe máy là cân bằng động nên rất dễ xảy ra mất cân bằng

trong quá trình phanh, gây mất an toàn

1.5 Các đề tài nghiên cứu về phanh ô tô và xe máy có liên quan:

• Tính toán thiết kế hệ thống phanh ABS cho xe máy – Do PGS.TS Hồ Hữu

Hải Trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn – Sinh viên thực hiện

Trịnh Xuân Hùng

• Ứng dụng phần mềm Matlab - simulink mô phỏng hệ thống phanh ABS trên

xe du lịch – Do ths Đồng Minh Tuấn Trường Đại học SPKT Hưng Yên

hướng dẫn – Sinh viên thực hiện Nguyễn Trọng Khương

• Chun-Kuei Huang, Ming-Chang Shih (2010), A study on Anti-lock Brake

System of a Motorcycle, Department of Mechanical Engineering, National

Cheng- Kung University, Tainan, Taiwan, ROC

1.6 M ục tiêu, nội dung của đề tài:

• Mục tiêu của đề tài:

Nghiên cứu hệ thống phanh thủy lực trên xe mô tô hai bánh, xây dựng, mô

phỏng hệ thống phanh thủy lực này trên Matlab – Simulink để nhận biết rõ hiệu quả

phanh thủy lực, đồng thời có cơ sở, đánh giá chúng hoàn thiện hơn dựa trên mô

phỏng sự thay đổi về: lực tác dụng, vận tốc và hệ số bám

• Nội dung của đề tài:

Để đáp ứng những mục tiêu đã ra ta tiến hành các nội dung nghiên cứu như

sau:

Giới thiệu tổng quan về hệ thống phanh trên xe mô tô hai bánh

21

Chương 2: Mụ hỡnh mụ phỏng hệ thống phanh xe mỏy

trong Matlab – Simulink

2.1 Sơ lược về Matlab – Simulink

Matlab là một bộ chương trỡnh phần mềm lớn của lĩnh vực toỏn số và là cụng

cụ rất cần thiết giỳp cho cỏc nhà khoa học, cỏc chuyờn gia kỹ thuật trong việc tớnh toỏn, khảo sỏt, phõn tớch, thiết kế ở rất nhiều cỏc chuyờn ngành khỏc nhau từ cơ khớ, điện, điện tử, điều khiển tự động, rụ bốt cụng nghiệp cho đến cỏc ngành xử lý toỏn chuyờn dụng như thống kờ, kế toỏn… Matlab cú rất nhiều khả năng khỏc nhau, Matlab cú thư viện cỏc hàm toỏn học phong phỳ cho phộp giải quyết cỏc loại bài toỏn kỹ thuật kinh tế khỏc nhau, cỏc hệ phương trỡnh vi phõn, tớch phõn tuyến tớnh, phi tuyến phức tạp hay cỏc bài toỏn ma trận với kết quả nhanh và chớnh xỏc Cỏc hàm toỏn này ngày càng được mở rộng thụng qua cỏc hàm ứng dụng được tạo lập

bởi người sử dụng hoặc thụng qua thư viện trợ giỳp

Matlab cho phộp lập trỡnh trờn ngụn ngữ bậc cao dựa trờn cơ sở cỏc phộp toỏn với vộc tơ, mảng và ma trận để giải cỏc bài toỏn kỹ thuật

Bờn cạnh đú Matlab cũn cho phộp xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ họa một cỏch

mền dẻo, đơn giản và chớnh xỏc trong khụng gian hai chiều cũng như trong khụng gian ba chiều giỳp người sử dụng quan sỏt kết quả một cỏch trực quan và đưa ra giải phỏp tốt nhất

Một thế mạnh hơn nữa của Matlab là cú cấu trỳc mở, cú khả năng tương tỏc

đa mụi trường, dễ dàng liờn kết động với cỏc phần mềm chuyờn nghiệp khỏc như: cỏc phần mềm xử lý ảnh động, xử lý tớn hiệu

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

Để xây dựng mô hình ta khởi động Matlab và khởi tạo Simulink, mở thư viện của khối Simulink sau đó chọn các nhóm thích hợp

22

Thư viện của Simulink thường có 8 nhóm:

- Nhóm Continuous và Discrete: chứa các khối cơ bản để xử lý tín hiệu liên tục và rời rạc;

- Nhóm Function & table: chứa các khối thực hiện việc gọi hàm từ Matlab, khối nội suy và khối hàm truyền;

- Nhóm Math: chứa các khối thực thi các hàm toán học;

- Khối Monlinear: chứa các khối phi tuyến;

- Nhóm Sinks & Systems: chứa các khối công cụ xử lý tín hiệu;

- Nhóm Sinks: chứa các khối thực hiện chức năng xuất kết quả;

- Nhóm Source: chứa các khối phát tín hiệu

Để copy một khối từ thư viện vào cửa sổ của mô hình, chọn khối, rê chuột để kéo khối đã chọn thả vào cửa sổ mô hình Trong cửa sổ mô hình, nếu muốn copy một khối, ấn phím Ctrl và rê chuột sang vị trí đặt bản copy; nếu muốn xoá hãy chọn

nó và ấn phím Delete

Để thực hiện một quá trình mô phỏng ta tiến hành các bước:

- Xây dựng mô hình mô phỏng;

- Xác lập giá trị các thông số của mô hình;

- Xác lập điều kiện đầu;

- Lựa chọn cách thức xuất kết quả;

- Điều khiển việc thực thi quá trình mô phỏng

Khi mụ phỏng hệ thống phức tạp cú nhiều phần tử nối ghộp, ta cú thể tạo cỏc

mụ đun độc lập để mụ phỏng cỏc hệ thống con (hệ thống thành phần) trong sơ đồ chung rồi nối ghộp cỏc mụ đun đú lại Việc cấu trỳc thành cỏc mụ đun mụ phỏng độc lập (Sub-system) như vậy sẽ làm cho sơ đồ mụ phỏng cú tớnh cấu trỳc, dễ theo dừi, quan sỏt và sửa chữa chỳng

Trỡnh tự thực hiện một quỏ trỡnh mụ phỏng gồm cỏc bước cơ bản:

Bước 1: Xõy dựng mụ hỡnh toỏn học là việc xõy dựng hệ phương trỡnh mụ tả

sự hoạt động và thể hiện cỏc qui luật chung về vật lý của hệ thống

Bước 2: Xõy dựng sơ đồ mụ phỏng trờn mỏy tớnh bằng cụng cụ Simulink của

Matlab bao gồm cỏc bước cụng việc: Tiến hành lựa chọn cỏc khối chức năng thớch

hợp ở trong thư viện cỏc khối chớnh để mụ phỏng cỏc thành phần trong hệ phương

23

trình vi phân đã được xây dựng; nối ghép các khối chức năng trong sơ đồ mô phỏng

bằng cách sử dụng các đường truyền tín hiệu nối các khớp theo đúng trình tự và

chức năng trong cấu trúc của hệ thống cần khảo sát

Bước 3: Nhập giá trị các thông số vào các khối chức năng của mô hình

Bước 4: Thiết lập các điều khiển trong quá trình mô phỏng

Bước 5: Chạy chương trình và xuất kết quả mô phỏng

Bước 6: Đánh giá nhận xét kết quả sau khi mô phỏng

2.2 Mô hình mô ph ỏng xy lanh chính :

Hình 16 : Sơ đồ xy lanh chính xe mô tô Phương trình chuyển động của piston:

- Áp lực của khoang dầu: F𝑑𝑑𝑑𝑑= P A

Trong đó: P: Áp suất khoang dầu (N/m2)

24

Khi có lực F(N) tác dụng vào piston đủ lớn thắng lực nén của lò xo hồi vị thì piston dịch chuyển theo phương trình sau:

m 𝑥𝑥̈ = F − P A − Flxs (2.2)

Lưu lượng dòng dầu chảy ra từ xy lanh chính đến xy lanh công tác

- Lưu lượng vào: Q = A 𝑥𝑥̇ (2.3)

- Lưu lượng ra gồm:

+ Lưu lượng tiết lưu vào đường ống từ khoang dầu: Q (m3/s)

+ Lưu lượng tiết lưu về bình chứa từ khoan dầu:

𝑉𝑉̇ = a𝜇𝜇 �𝑃𝑃 − 𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐

2𝜌𝜌 Trong đó: Pck: Áp suất không khí (N/m2);

𝜌𝜌: Khối lượng riêng của chất lỏng (Kg/m3);

Với giả thuyết piston ở gần vị trí lỗ bù dầu nên có thể coi 𝑉𝑉̇ = 0 Khi lưu lượng dầu

chảy xuống xi lanh công tác sẽ tạo ra áp suất p trong hệ thống

25

Từ phương trình trên ta lập được sơ đồ mô phỏng xi lanh chính trong Matlap

simulink :

Hình 17 : Sơ đồ mô phỏng xi lanh chính xe mô tô

Đầu vào của khối gồm: Lực tác dụng lên piston xy lanh chính (N)và áp

suất khoang dầu (N/m2); Đầu ra của mô hình mô phỏng xi lanh chính là lưu lượng Q

2.3 Mô hình mô ph ỏng đường ống dẫn dầu hệ thống phanh thủy lực cho bánh

xe trước và bánh xe sau xe mô tô:

Lưu lượng Q chảy vào đường ống và chia thành Q1 và Q2 lần lượt đến xi

lanh công tác cơ cấu phanh trước và cơ cấu phanh sau tạo nên áp suất các xi

lanh đó lần lượt là Pxl1 và Pxl2 Áp suất ở trước nút phân nhánh là P

26

Hình 18: Sơ đồ đường ống dẫn dầu hệ thống phanh thủy lực cho bánh xe trước

và bánh xe sau xe mô tô

- Áp suất P trước nút phân nhánh được xác định như sau:

P = ∫𝑉𝑉1𝑘𝑘 (Q − Q1 − 𝑄𝑄2)dt + Po

Trong đó:

K: là mô đun đàn hồi của dầu phanh; k = 2.109 Pa;

Q: Lưu lượng dầu chảy từ khoang xy lanh chính đến;

Q1: Lưu lượng dầu chảy vào xy lanh bánh xe trước;

Q2: Lưu lượng dầu chảy vào xy lanh bánh xe sau

- Lưu lượng vào xy lanh cầu trước:

Q1 = �𝑄𝑄𝜈𝜈 ∗ �� 𝑃𝑃𝑑𝑑1 � ∗ |𝑃𝑃 − 𝑃𝑃𝑥𝑥𝑙𝑙1|� * Sign (P − 𝑃𝑃𝑥𝑥𝑙𝑙1) (2.5)

Trong đó:

27

Qd: Lưu lượng danh nghĩa;

Pd: Áp suất danh nghĩa;

Pxl1: Áp suất trong xy lanh bánh xe trước;

- Lưu lượng vào xi lanh cầu sau:

Q2 = �𝑄𝑄𝜈𝜈 ∗ �� 𝑃𝑃𝑑𝑑1 � ∗ |𝑃𝑃 − 𝑃𝑃𝑥𝑥𝑙𝑙2|� * Sign (P− 𝑃𝑃𝑥𝑥𝑙𝑙2) (2.6)

Trong đó:

Pxl2: Áp suất trong xy lanh bánh xe sau

- Áp suất xy lanh bánh xe trước (xy lanh 1):

1 ( Q1− 𝑥𝑥̇𝑥𝑥𝑙𝑙1 2Sxl1) (2.7)

- Phương trình chuyển động của piston:

m 𝑥𝑥̈xl1 = 𝑃𝑃𝑥𝑥𝑙𝑙1Sx𝑙𝑙1− 𝑥𝑥̇𝑥𝑥𝑙𝑙1 µ −( 𝑥𝑥̇𝑥𝑥𝑙𝑙1 µ − 𝑥𝑥0)kmf ( 2.8 ) Trong đó:

Pxl1: Áp suất trong xy lanh bánh xe trước;

Sxl1: Diện tích piston bánh xe trước;

µ: Hệ số cản nhớt giữa piston và xy lanh;

x0: Khe hở ban đầu giữa má phanh và đĩa phanh;

kmf: Độ cứng của má phanh;

→ 𝑥𝑥̈𝑥𝑥𝑙𝑙1 = 𝑚𝑚1 �𝑃𝑃𝑥𝑥𝑙𝑙1 𝑆𝑆𝑥𝑥𝑙𝑙1 − 𝑥𝑥̇𝑥𝑥𝑙𝑙1 µ − (𝑥𝑥𝑥𝑥𝑙𝑙1− 𝑥𝑥0)𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚�

→ 𝑥𝑥̇𝑥𝑥𝑙𝑙1 = ∫𝑚𝑚1 �𝑃𝑃𝑥𝑥𝑙𝑙1 𝑆𝑆𝑥𝑥𝑙𝑙1 − 𝑥𝑥̇𝑥𝑥𝑙𝑙1 µ − (𝑥𝑥𝑥𝑥𝑙𝑙1 − 𝑥𝑥0)𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚�dt

28

→ 𝑥𝑥𝑥𝑥𝑙𝑙1 = ∫ 𝑥𝑥̇𝑥𝑥𝑙𝑙1 dt ( 2.9) -Áp suất xy lanh bánh xe sau (xy lanh 2):

µ: Hệ số cản nhớt giữa piston và xy lanh;

x0: Khe hở ban đầu giữa má phanh và đĩa phanh;

29

Hình 19: mô ph ỏng đường ống dẫn dầu hệ thống phanh thủy lực cho

bánh xe trước và bánh xe sau mô tô

Theo sơ đồ mô phỏng trên ta xây dựng khối đường ống với bảng nhập thông số:

• L: Chiều dài đường ống (m);

• D: đường kính của đường ống (m);

• mu: Độ nhớt của dầu (kg/ms);

• ro: Khối lượng riêng của dầu (kg/m3);

Đầu vào của khối:

• Lưu lượng chảy qua đường ống (m3/s);

• Đạo hàm của lưu lượng;

• Áp suất của đường ống (N/m3)

Đầu ra của khối:

• Độ chênh áp 2 đầu đường ống (N/m2);

• Áp suất cuối đường ống (N/m2)

30

2.4 Mô hình mô ph ỏng cơ cấu phanh bánh xe:

Khối cơ cấu phanh bánh xe mô tô dẫn động bằng thủy lực có 2 loại cơ bản: Cơ

cấu phanh đĩa và cơ cấu phanh guốc

Cơ cấu phanh đĩa gồm xy lanh công tác, má phanh,đĩa phanh; cơ cấu phanh

guốc gồm xy lanh công tác, guốc phanh và tang trống phanh.Trên mô hình mô

phỏng dưới đây là cơ cấu phanh đĩa

2.4.1 Mô hình mô ph ỏng xy lanh công tác:

Hình 20: Mô hình mô ph ỏng cơ cấu phanh đĩa

Tại xy lanh công tác khi có lưu lượng Q1 chảy vào làm áp suất tăng lên và tạo

áp lực lên piston xy lanh công tác, làm chúng có xu hướng dịch chuyển Gọi x1 là

độ dịch chuyển của piston, xy lanh công tác để ép má phanh vào đĩa phanh Mỗi cơ

cấu phanh có 2 má phanh nên tổng dịch chuyển của piston là 2x1, áp suất trong xy

lanh công tác bánh xe trước Pxl1:

Pxl1= ∫𝑉𝑉𝐾𝐾

Trong đó:

• V xl1: Tổng thể tích của đường ống dẫn dầu đến xy lanh công tác và thể tích

của khoang xy lanh công tác bánh xe trước (m3);

• Mxl1: Khối lượng piston , xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh xe trước (kg);

• Ft: Lực cản chuyển động do má phanh tác dụng ngược trở lại piston (N);

• x01: Độ dịch chuyển ban đầu của piston, xy lanh công tác để khắc phục khe

hở giữa hai má phanh với đĩa phanh của cơ cấu phanh (m);

• k: Độ cứng của vật liệu làm má phanh(N/m2);

• Fms: Lực cản nhớt của dầu (N);

• µ: Hệ số cản nhớt của dầu (kgm/s);

Khi piston, xy lanh công tác cơ cấu phanh mới bắt đầu dịch chuyển (x1≤x0) thì

lực Ft≈ 0 là rất nhỏ (tương đương lực của lò xo hồi vị ) ta có thể bỏ qua, piston, xy

lanh công tác tiếp tục dịch chuyển khi x1 > x0 thì piston bắt đầu biến dạng do ép chặt

vào dĩa phanh

Vậy, để điều khiển sự tăng mô men phanh ở bánh xe, người ta điều khiển lưu

lượng dầu từ tổng phanh đến xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh xe

32

Hình 21: Sơ đồ mô phỏng cơ cấu phanh bánh xe trước

• Đầu vào khối:

+ Q1 Lưu lượng dầu chảy qua van điều khiển đến cơ cấu phanh bánh xe trước;

• Đầu ra khối:

+ Pxl1 Áp suất tại xy lanh công tác cơ cấu phanh bánh xe trước;

+ x1 Độ dịch chuyển của piston, xy lanh công tác

2.4.2 Mô hình mô ph ỏng má phanh và đĩa phanh:

Khi piston, xy lanh công tác của cơ cấu phanh dịch chuyển và chưa khắc

phục khe hở giữa má phanh và đĩa phanh (x1≤x0) thì có thể coi lực FN≈ 𝑜𝑜

Nếu piston, xy lanh cong tác cơ cấu phanh bánh xe tiếp tục dịch chuyển , khi

x1 > x0 thì má phanh biến dạng ép chặt vào đĩa phanh, lưu lượng dầu đến xy lanh công tác cơ cấu phanh nếu tiếp tục tăng lên, má phanh ép chặt hơn vào đĩa phanh làm cho mô men phanh bánh xe tăng lên

Mô men phanh tương ứng ở các bánh xe : Mp1 Mp2 được xác định:

Mp = 2fp FN Rtb (Nm) (2.16)

Trong đó:

• FN: lực ép, ép má phanh với đĩa phanh (N);

• fp: Hệ số ma sát giữa má phanh với đĩa phanh;

• Rtb: Bán kính trung bình tấm ma sát (m)

2.5 Mô hình mô ph ỏng chuyển động của xe

2.5.1 Mô hình mô ph ỏng bánh xe

33

Khi bánh xe chuyển động, dưới tác dụng của tải trọng xe thì bánh xe biến dạng

Lực dọc Fxcủa mặt đường tác dụng lên bánh xe phụ thuộc vào tải trọng và hệ số bám Hệ số bám giả thiết phụ thuộc vào độ trượt: 𝜑𝜑 = 𝑓𝑓(𝞴𝞴)

Phương trình mô tả quan hệ giữa các đại lượng vật lý trong quá trình bánh

xe hoạt động như sau:

Hình 22 : Sơ đồ các lực và mô men tác dụng bánh xe khi chuyển động

• Fp: Lực ép má phanh với đĩa phanh;

• fb: Hệ số ma sát giữa má phanh với đĩa phanh;

• Rtb: Bán kính trung bình tấm ma sát (m);

• 𝜔𝜔: Vận tốc góc bánh xe (Rad/s);

• v: Vận tốc xe tại thời điểm khảo sát;

• 𝜀𝜀: Gia tốc góc bánh xe (Rad/s2);

• 𝞴𝞴: Độ trượt bánh xe với mặt đường;

• Jbx: Mô men quán tính bánh xe (m/s2);

• r: Bán kính làm việc bánh xe (m)

35

Hình 23: Qui luật biến thiên của hệ số bám theo độ trượt

Công thức trên mô tả tổng quát cho cả trường hợp phanh xe và tăng tốc Quy ước: Khi tăng tốc gia tốc góc của bánh xe 𝜀𝜀 > 0, độ trượt 𝞴𝞴> 0; khi phanh (giảm tốc) thì ngược lại 𝜀𝜀 < 0, độ trượt 𝞴𝞴< 0

Qui luật biến thiên của hệ số bám theo độ trượt được chọn trước có dạng như hình 24 Từ qui luật này có thể xác định vùng độ trượt bánh xe cần duy trì từ 0,2 đến 0,25

Trong quá trình tiến hành mô phỏng, có thể chọn giá trị hệ số bám cực đại

Như vậy, ta có mô hình mô phỏng khối bánh xe gồm:

36

Hình 24 : Sơ đồ mô phỏng khối bánh xe

• Đầu vào của khối:

+ Fz: Tải trọng tác dụng lên bánh xe;

+ Mp: Mô men phanh bánh xe;

+ v: Vận tốc xe tại thời điểm khảo sát;

• Đầu ra của khối:

2.5.2 Mô hình mô ph ỏng chuyển động của xe

Khi mô phỏng khối chuyển động thẳng của xe mô tô trong quá trình phanh,

để đơn giản ta chỉ xét các lực tác dụng vào xe trong mặt phẳng dọc, trên đường nằm ngang và bỏ qua lực cản không khí