(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô hình hoá dẫn động phanh khí nén và nghiên cứu động lực học dẫn động phanh khí nén trên Rơ Moóc nhiều cầu

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2012
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Đặng Quốc Cường

ii


LỜI CẢM ƠN

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến mọi người đã tận tình giúp đỡ tơi trong suốt thời
gian công tác, học tập và thực hiện luận văn cao học này:
-

Ban giám hiệu Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, phòng sau đại
học và ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí Động Lực đã tạo điều kiện thuận lợi để
tơi hồn thành khóa học và luận văn này tốt nhất.

-

Quý thầy, cô đã tham gia giảng dạy lớp cao học ngành khai thác và bảo trì ơ
tơ máy kéo, khóa 2010 – 2012.

-

TS. Nguyễn Nước đã dành nhiều thời gian để hướng dẫn tận tình và đóng
góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn.

-

Ths. Huỳnh Phước Sơn, Ths. Trần Đình Q, q thầy cơ trong bộ mơn
khung gầm và khoa cơ khí động lực đã giúp đỡ nhiều về chun mơn và q
trình cơng tác, học tập của tơi trong thời gian qua.

-

Gia đình và các bạn học viên đã động viên, giúp đỡ tôi trong công việc và
cuộc sống.

Tp HCM, ngày tháng năm 2012
Học viên thực hiện

Đặng Quốc Cường

iii


TĨM TẮT
Hệ thống phanh khí nén là một thống rất quan trọng trên các ơtơ vận tải, nó
đảm bảo tính an tồn khi xe chuyển động trên đường, vì vậy khi thiết kế mới hoặc
cải tạo hệ thống phanh cần phải tính tốn động lực học dẫn động (truyền động khí
nén) trong hệ thống để nâng cao khả năng phản ứng nhanh và tính đồng bộ khi
phanh của hệ thống.
Quá trình lưu thơng của dịng khí trong hệ thống phanh khí nén rất phức tạp,
lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên cho đến nay, vẫn chưa có một biểu thức tốn học
nào biểu diễn chính xác q trình lưu thơng của dịng khí trong hệ thống. Vì vậy
vấn đề được đặt ra là cần phải có phương pháp tính tốn động lực học dẫn động

phanh khí nén có độ chính xác cao và có khả năng ứng dụng vào thực tế.Đề tài luận
văn đã giải quyết được vấn đề này và đạt được một số kết quả như sau:
-

Nghiên cứu phương pháp tính tốn động lực học dẫn động phanh khí nén
dựa trên phương pháp mơ hình hóa và áp suất tập trung tại điểm nút.

-

Ứng dụng phương pháp tính tốn trên để xác định đặc tính lưu thơng của
dịng khí nén trong dẫn động phanh rơ-mc nhiều cầu.
Cấu trúc luận văn gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3:Tính tốn động lực học dẫn động phanh khí nén bằng phương pháp mơ
hình hóa.
Chương 4: Tính tốn động lực học dẫn động phanh khí nén trên rơ-moóc nhiều
cầu.
Chương 5: Kết luận.

iv


ABSTRACT

Air brake system is the most important system on the vehicle transport, it
ensures safety of vehicles moving on the road, so when designing or renovating
brakes need to calculate the dynamics driven (pneumatic actuator) system to
improve the ability to respond quickly and synchronized braking system.

The process flow of the gas in the pneumatic brake system is complex,
depends on many factors, so far, there is no mathematical expression represented
accurately process flow of the gas stream in systems. So the problem arises is the
need to have dynamic calculation methods pneumatic brake actuator with high
accuracy and the applicability of the results. Thesis has solved this problem and
achieve some results as follows:
-

Research calculation methods pneumatic brake actuator dynamics by
modeling method and pressure concentrated in nodes.

-

Applications calculation methods to determine the flow characteristics of the
pneumatic in brake actuation trailers.
Structure thesis consists of five chapters:

Chapter 1: Overview.
Chapter 2: Theoretical basis.
Chapter 3: Calculate the pneumatic brake actuator dynamics by modeling method.
Chapter 4: Calculation of the dynamics of pneumatic brake actuator on the trailer.
Chapter 5: Conclusion.

v


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i
Lời cam đoan ..............................................................................................................ii
Lời cảm ơn .................................................................................................................ii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Mục lục ...................................................................................................................... vi
Danh sách các hình..................................................................................................... ix
Danh sách các bảng .................................................................................................... xi
Chƣơng 1: Tổng quan ............................................................................................... 1
1.1Lý do thực hiện và tầm quan trọng của đề tài ............................................... 1
1.2 Mục tiêu của đề tài ....................................................................................... 1
1.3 Kế t quả nghiên cứu trong và ngoài nước .................................................... 1
1.4 Hướng nghiên cứu ..................................................................................... 2
1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu ......................................................................... 8
1.4.2 Đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 8
1.4.3 Hướng nghiên cứu ............................................................................. 8
1.5 Giới hạn đề tài .............................................................................................. 9
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết...................................................................................... 10
2.1 Cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh khí nén ............................................... 10
2.1.1 Vài nét về vấn đề an tồn giao thơng và sự cần thiết của hệ thống
phanh trên ô tô ........................................................................................................... 10
2.1.2 Yêu cầu của hệ thống phanh khí nén ............................................... 11
2.1.3 Dẫn động phanh khí nén .................................................................. 13
2.1.4 Các cụm chính của dẫn động phanh khí nén ................................... 33
2.2 Cơ sở lý thuyết về mơ hình hóa .................................................................. 37
2.2.1 Sự tương đương giữa đại lượng điện và khí nén ............................. 37
2.2.2 Phương trình lưu lượng tại điểm nút................................................ 39

vi

2.2.3 Phương trình lưu lượng của dịng khí qua lỗ tiết lưu ....................... 40
2.2.4 Phương trình lưu lượng đi vào dung tích ......................................... 43
2.2.5 Khái niệm chung về mạch và dịng .................................................. 49
2.3 Các phương pháp tính tốn ........................................................................ 50
2.3.1 Bài toán Cauchy ............................................................................... 51
2.3.2 Phương pháp Euler .............................................................................. 53
2.3.3 Phương pháp Runge – Kutta ............................................................... 54
2.3.4 Sử dụng phần mềm MATLAB ........................................................ 58
Chƣơng 3: Tính tốn động lực học dẫn động phanh khí nén bằng phƣơng pháp
mơ hình hóa ............................................................................................................. 60
3.1 Phương pháp mơ hình hóa ......................................................................... 60
3.1.1 Các giả thiết cơ bản khi sử dụng phương pháp mô hình hóa .......... 60
3.1.2 Phương pháp mơ hình hóa ............................................................... 60
3.2 Xác định đặc tính lưu thơng khâu D-E có thể tích thay đổi ...................... 72
3.2.1 Mục đích việc xác định đặc tính khâu D-E có thể tích thay đổi ....... 72
3.2.2 Đặc tính lưu thơng khí nén ở bầu phanh có thể tích thay đổi ........... 72
Chƣơng 4: Tính tốn động lực học dẫn động phanh khí nén trên rơ-moóc
nhiều cầu .................................................................................................................. 78
4.1 Giới thiệu chung về hệ thống phanh khí nén trên rơ-mc ....................... 78
4.2 Sơ đồ mạch dẫn động phanh khí nén trên rơ-móoc nhiều cầu điển hình .. 79
4.3 Mơ hình hóa và xây dựng hệ phương trình vi phân cho mạch dẫn động
phanh khí nén trên rơ-moóc nhiều cầu ..................................................................... 80
4.4 Dùng Matlab để giải hệ phương trình vi phân .......................................... 83
Chƣơng 5: Kết luận ................................................................................................. 87
5.1 Kết quả nghiên cứu ..................................................................................... 87
5.2 Hướng phát triển ........................................................................................ 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 89

vii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Giải thích ký hiệu

1

D-E

Khâu động lực học gồm một tiết lưu D và một dung tích E.

2

𝑣𝑘𝑝

Vận tốc tới hạn của dịng khí nén, đơn vị (m/s).

3

R

Hằng số khí, R = 287,14.

4

k

Hệ số mũ đoạn nhiệt, k = 1,4.

5

T

Nhiệt độ tuyệt đối của khí nén, đơn vị oK.

6

µ

Hệ số lưu lượng.

7

𝑚

Lưu lượng tức thời của dịng khí nén, 𝑚 =

8

p

Áp suất khí nén, đơn vị (Pa).

9

V

Thể tích bình chứa, đơn vị (m3).

10

f

Diện tích tiết diện lưu thơng đường ống, đơn vị (m2).

11

y

Hành trình piston, đơn vị (m).

12

C

Độ cứng lò xo, đơn vị (N/m).

13

t

Thời gian, đơn vị (s).

14

F

Diện tích bề mặt piston, đơn vị (m2).

viii

𝑑𝑚
𝑑𝑡

, đơn vị (m3/s)


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1:Sơ đồ khối phương pháp mơ hình hóa.
Hình 1.2: Mơ hình hóa hệ thống phanh khí nén.
Hình 1.3: Mơ hình hóa hệ thống phanh khí nén trên xe KrAZ-6510.
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phanh điện – khí nén.
Hình 1.5:Sơ đồ mơ hình hóa dẫn động khí nén.
Hình 1.6:Sơ đồ hệ thống phanh khí nén.
Hình 2.1: Cơ cấu địn xoay.
Hình 2.2:Sơ đồ dẫn động phanh xe Kamaz-5320.
Hình 2.3: Giản đồ phanh.
Hình 2.4: Dẫn động phanh rơ-mc một dịng.
Hình 2.5: Q trình nạp và xả khí nén ở bình chứa.
Hình 2.6: Dẫn động phanh rơ-mc hai dịng.
Hình 2.7: Bố trí van tăng tốc trên xe.
Hình 2.8:Sơ đồ bố trí van hạn chế áp suất cầu trước.
Hình 2.9:Sơ đồ bố trí bộ điều hịa lực phanh.
Hình 2.10:Vị trí lắp đặt bộ điều hồ lực phanh trên xe Kamaz.
Hình 2.11: Van hiệu chỉnh mắc nối tiếp.

Hình 2.12: Van hiệu chỉnh.
Hình 2.13: Van hiệu chỉnh mắc song song.
Hình 2.14: Các phương án bố trí bộ điều hịa lực phanh và van tăng tốc.
Hình 2.15: Van tổng phanh.
Hình 2.16: Bầu phanh.
Hình 2.17: Liên kết giữa bầu phanh và cơ cấu phanh.
Hình 2.18: Van tăng tốc trên xe đầu kéo rơ mooc terberg.
Hình 2.19:sơ đồ bố trí van bảo vệ.
Hình 2.20.Tiết lưu và kí hiệu.

ix


Hình 2.21: Mơ hình hóa bầu phanh.
Hình 2.22: Mơ hình tính tốn bầu phanh.
Hình 2.23: Đặc tính lưu thơng khâu D-E.
Hình 3.1: Mạch dẫn động phanh chính.
Hình 3.2: Mơ hình hóa hệ thống dẫn động phanh khí nén.
Hình 3.3: Mơ hình hóa một đoạn ống dẫn.
Hình 3.4: Đồ thị hệ số lưu lượng μ ứng với đường kính trong của đường ống.
Hình 3.5: Mơ hình hóa van tổng phanh.
Hình 3.6: Van tăng tốc.
Hình 3.7: Sơ đồ hai khâu D-E mắc nối tiếp.
Hình 3.8: Sơ đồ hai khâu D-E mắc song song.
Hình 3.9: Sơ đồ hai khâu D-E mắc hỗn hợp.
Hình 3.10: Sơ đồ mơ hình hóa bầu phanh.
Hình 3.11: Mơ hình hóa bầu phanh.
Hình 3.12: Thuật tốn giải phương trình vi phân.
Hình 3.13: Đặc tính áp suất ở bầu phanh trường hợp thể tích khơng đổi và thay đổi.
Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống phanh đầu kéo – rơ-mc.

Hình 4.2: Hệ thống phanh rơ-mc nhiều cầu.
Hình 4.3:Sơ đồ mơ hình hóa mạch dẫn động phanh khí nén ba cầu.
Hình 4.4: Thuật tốn giải hệ phương trình vi phân.
Hình 4.5: Đặc tính động lực học hệ thống phanh rơ-mc ba cầu.
Hình 4.6: Đặc tính động lực học khi phanh rơ-mc.

x


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Sự tương đương giữa điện và khí nén.
Bảng 3.1: Các sơ đồ mạch dẫn động khí nén và các biểu thức tốn học.

xi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1 Lý do thực hiện và tầm quan trọng của đề tài:
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền kinh tế xã hội, ngành công
nghiệp ô tô cũng không phải là ngoại lệ.Kể từ khi ra đời đến nay chiếc ơ tơ đóng vai
trò quan trọng và cần thiết trong đời sống xã hội.Nó tạo nên một mạng lưới rộng lớn
về vận chuyển người và hàng hóa trên tồn thế giới. Đặc biệt ở Việt Nam hiện nay,
do nhu cầu vận chuyển hàng hóa ngày càng nhiều bằng các loại xe tải cỡ lớn và xe
đầu kéo rơ-mc vì vậy việc trang bị, bổ sung những tài liệu kỹ thuật về các loại xe
trên là rất cần thiết, góp phần sử dụng và khai thác phương tiện đạt hiệu quả tốt
nhất.

Hiện nay đa số các tài liệu dùng cho các ngành cơ khí ơ tơ cịn ít, nếu có
thường là những tài liệu hướng dẫn sử dụng hay lý thuyết chung, rất ít các tài liệu
về kết cấu xe cụ thể. Đặc biệt là các tài liệu riêng về hệ thống phanh trên xe kéo rơmoóc hầu như là chưa có, việc này sẽ gây khó khăn trong việc cải tạo hoặc thiết kế
mới hệ thống phanh trên xe rơ-móoc. Việc bổ sung những tài liệu chuyên ngành về
ô tô cũng rất cần thiết, giúp hoàn chỉnh hệ thống lý thuyết cho người nghiên cứu.
Vì hai nhu cầu trên tơi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu mơ hình hóa dẫn
động phanh khí nén và nghiên cứu động lực học dẫn động phanh khí nén trên rơmóoc nhiều cầu”. Với đề tài này tơi hy vọng có thể đáp ứng được phần nào những
nhu cầu nói trên.
1.2 Mục tiêu của đề tài:
Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đề tài
như sau:

HVTH: Đặng Quốc Cường

-1-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

 Nắm được cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh khí nén, hiểu được cấu tạo,
nguyên lý hoạt động các chi tiết, bộ phận trong hệ thống phanh khí nén.
 Mơ hình hóa các chi tiết, bộ phận trong hệ thống phanh khí nén để phục vụ
cho việc tính tốn động lực học hệ thống phanh khí nén.
 Đưa ra phương pháp tính tốn động lực học dẫn động phanh khí nén trên
quan điểm mơ hình hóa.
 Tính tốn động lực học dẫn động phanh khí nén trên rơ-mooc nhiều cầu.
 Từ đó xác định được vị trí bố trí các chi tiết, bộ phận trong hệ thống phanh
rơ-móoc để đạt được hiệu quả phanh tốt nhất.

1.3 Kế t quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc:
Hệ thống phanh khí nén là một hệ thống rất phức tạp, do bản chất các hiện
tượng vật lý xảy ra trong hệ thống phức tạp lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
nhau như kích thước đường ống, chất lượng lưu thơng của dịng khí, mật độ và áp
suất của dịng khí…và cho tới nay vẫn chưa có được những biểu thức tốn học để
biểu diễn chính xác q trình lưu thơng của dịng khơng khí trong hệ thống.
Do đó việc tính tốn động lực học hệ thống phanh khí nén phải dựa trên kết
quả của các nghiên cứu cơ bản về hệ thống khí nén nói chung. Có rất nhiều nhà
khoa học đã thực hiện quá trình nghiên cứu cơ bản về hệ thống khí nén và đã có
những

thành

tựu

đáng

lưu

ý

như: Metlyuk

N.F,

Gertz E.V, Idelchyk I.E,PogorelovV.I, VytkovG.A, GlickmanB.F, RyzhykhL.O,
ShypilinA.VHohrichianyG.V,BartoszP.R,BelenkyyY.B,TurenkoA.M,V.ABogomol
ov,KazarinovV.M,A.VDolberhV.IKurbatov,ZhestkovV.V,ZhestkovV.A,LitkeP.E, Z
elkin GG, Altshul A.D,Holzunov A.G… Trong đó hai nhà khoa học Metlyuk N.F
và Gertz E.V đã đưa ra phương pháp tính tốn động lực học hệ thống khí nén bằng

cách mơ hình hóa các chi tiết bộ phận trong hệ thống khí nén, cụ thể như sau:
-

Sử dụng phương pháp mơ hình hóa để chuyển các cụm van, các đường ống
thành một dạng sơ đồ khối tương đương bao gồm một thể tích và một cản trở
tập trung hay còn gọi là tiết lưu hoặc lỗ tiết lưu(hình 1.1).

HVTH: Đặng Quốc Cường

-2-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

r1
2

V1

3

Y1

Hình 1.1:Sơ đồ khối phương pháp mơ hình hóa.

-

Sử dụng lý thuyết mạch điện để nghiên cứu, tính tốn cho các mạch dẫn động

khí nén, phương pháp này dựa trên cơ sở “Hai hệ thống vật lý được coi là
tương đương nhau khi chúng là hai khái niệm vật lý được biểu diễn bằng
cùng một hệ phương trình vi phân”
Ta có thể nhận ra rằng các đại lượng vật lý trong hệ thống điện và hệ thống khí
nén có sự tương đương với nhau, cụ thể:
 Khối lượng khí nén 𝑚 tương đương với điện tích 𝑞;
 Áp suất khí nén 𝑝 tương đương với điện áp 𝑢;
 Lưu lượng khối lượng khí nén tại một thời điểm tức thời
đương với cường độ dòng điện𝑖 =

𝑑𝑞
𝑑𝑡

𝑑𝑚
𝑑𝑡

tương

;

 Thể tích 𝑉 bình chứa tương đương với điện dung tụ điện 𝐶;
 Cản trở lưu thơng của dịng khí tương đương với điện trở 𝑅 của mạch
điện.
Vậy hệ thống điện và hệ thống khí nén là hai hệ thống vật lý tương đương,
do đó có thể sử dụng các định luật trong mạch điện để xây dựng phương trình vi
phân cho mạch khí nén. Ở đây các nhà khoa học đã sử dụng định luật Kiếc sốp I
còn gọi là định luật điểm nút của mạch điện, trong mạch khí nén định luật này được
phát biểu như sau:
“Tổng đại số các lưu lượng tức thời của dịng khí tại điểm nút thì bằng khơng”
𝑛

𝑛

𝑚𝑖 =
𝑖=1

Với 𝑚 =

𝑖=1
𝑑𝑚
𝑑𝑡

𝑑𝑚
𝑑𝑡

=0

(1.1)

𝑖

: lưu lượng tức thời của dịng khí tại điểm nút.

HVTH: Đặng Quốc Cường

-3-

GVHD: TS. Nguyễn Nước

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Từ phương trình vi phân 1.1, các nhà khoa học có thể tính được thời gian
truyền năng lượng khí nén trong hệ thống đường ống.
Về sau, các nhà khoa học khác đã sử dụng các kết quả nghiên cứu cơ bản
trên để nghiên cứu, tính tốn động lực học các mạch dẫn động phanh rất đa dạng
trên ô tô.Sau đây là một vài kết quả nghiên cứu tiêu biểu.
1. Alexander Kramskoy, “Improvement of calculation and dynamics air brake
on vehicles”Kharkiv State road - Transport University, 2006.
Đề tài gồm bốn phần:
-

Phần thứ nhất tác giả trình bày các xu hướng chính của hệ thống phanh khí nén.

-

Phần thứ hai: trình bày các giả thiết cơ bản khi mơ hình hóa động lực học dẫn
động phanh khí nén.

-

Phần thứ ba: mơ hình hóa động lực học dẫn động phanh khí nén trên xe КrAZ6510 (hình 1.2).

-

Phần thứ tư: sử dụng phần mềm Matlab để tính tốn động lực học dẫn động
phanh khí nén, sau đó đưa ra kết luận.
Vк21

Vк31

Yк21

Yк31
rк21

3

rк31

Pк21

Vк11

Pк31

3
2

Yк11
rк11

Pк11

VT21

1

VT31

YT21 rT21

1

YT10

YВС ТК
rВС ТК V
ВС ТК

r10

Pm

rT11
Y10

VT10

2
4

YT11
Pm

YT31 rT31
2

VT11

2

rT10

4

V10

YНС ТК

YT30

VT30

r30 Y
30

V30

rT30

rНС ТК V
НС ТК

rT12

2

2

VT22

YT12

2

VT12

VT32

YT22 rT22

YT32 rT32
3

rк12

3

Yк12

Vк12

rк22
Yк22

Pк12

rк32
Vк22

Pк22

Yк32

Vк32
Pк32

Hình 1.2: Mơ hình hóa hệ thống phanh khí nén.

2. A.L. Bondarenko, “The mathematical models of pneumatic brake drive of
car of КrAZ-6510”Ukraina – 2008.

HVTH: Đặng Quốc Cường

-4-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ở đề tài này tác giả tính tốn động lực học dẫn động phanh khí nén trên xe
КrAZ-6510 có tính đến hệ thống chống hãm cứng khi phanh (ABS) (hình 1.3).
-

Tác giả đã nghiên cứu lý thuyết mơ hình hóa của Hertza E.V và Metlyuk N.F.

-

Mơ hình hóa động lực học dẫn động phanh khí nén trên xe КrAZ-6510.

-

Tính tốn động lực học dẫn động phanh khí nén trên xe КrAZ-6510 (có tính đến
ABS) theo phương pháp Hertza E.V và Metlyuk N.F.

-

Phân tích, nhận xét kết quả đạt được.

Hình 1.3: Mơ hình hóa hệ thống phanh khí nén trên xe КрАЗ-6510.

3. S.I. Poseur, GS.TS. L.O. Red, GS.TS. A.N. Krasyuk, Mathematical
modelof electronic circuit-pneumatic brakeactuators with
proportional modulators, Moscow, tháng 4 năm 2009.
Ở đề tài này các tác giả đưa ra mơ hình tính tốn động lực học dẫn động
phanh điện – khí nén, qua đó đánh giá được hiệu suất, chất lượng của modul tỷ lệ
(trong phần dẫn động điện).

HVTH: Đặng Quốc Cường

-5-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.4: Sơđồ hệ thống phanh điện – khí nén.
1. Bàn đạp phanh điện.

2. Mạch vi điều khiển.
3. Modul tỉ lệ (bộ điều biến).

4. Bình khí nén.
5. Bầu phanh.
6. Ống dẫn khí nén.

Để tính tốn động lực học khí nén trong mơ hình này các tác giả đã sử dụng
phương pháp mơ hình hóa của GS.Metlyuk, mơ hình như sau:

Hình 1.5:Sơ đồ mơ hình hóa dẫn động khí nén.
1: Modul tỉ lệ

2: Đường ống dẫn

3: Bầu phanh

p0: Áp suất bình khí nén.

p1: Áp suất bên trong modul tỉ lệ

p2: Áp suất đường ống.

p3: Áp suất tại bầu phanh.

V1: Thể tích modul tỉ lệ.

V2: Thể tích đường ống.

V3: Thể tích bầu phanh.

Từ mơ hình trên các tác giả đã xây dựng mơ hình tính tốn, xác định được
biểu đồ thay đổi áp suất theo thời gian, từ đó đánh giá được hiệu suất, chất lượng
của Modul tỉ lệ.

HVTH: Đặng Quốc Cường

-6-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

4. Zbigniew Kulesza, Franciszek Siemieniako, Modeling the air brake system
equipped with the brake

and relay valves,Bialystok University of

Technology, Faculty of Mechanical Engineering Department of Automatics
and Robotics, Balan, 2010.
Ở đề tài này các tác giả trình bày mơ hình tốn học của hệ thống phanh khí
nén với hai loại van thường gặp đó là: van phanh kép và van relay.

Hình 1.6:Sơđồ hệ thống phanh khí nén.
1, 15: Nguồn cung cấp khí nén.

2, 16: Van an tồn.

3: Bình khí nén mạch I.

4: Bình chứa mạch II.

5, 6, 8, 9, 10, 14, 18, 20, 21: Ống dẫn.

7: Van phanh kép.

11, 13, 22, 23: Bầu phanh.

17: Bình khí nén van relay.

19: Van relay.

Hình 1.5 là mơ hình đặc trưng của hầu hết các xe tải nặng, các tác giả đã sử
dụng phương pháp mơ hình hóa để tính tốn động lực học dẫn động phanh khí nén
trong mơ hình này.
Tác giả đã xây dựng phương trình, hệ phương trình vi phân của áp suất trong
hệ thống, dùng phần mềm Matlab để xây dựng thuật tốn kết hợp với các thơng số
của mơ hình để xác định thể tích của bầu phanh, đường kính bầu phanh, độ cứng lị
xo…Đề tài này được dùng trong việc thiết kế mới hệ thống phanh xe tải nặng, xe
đầu kéo…

HVTH: Đặng Quốc Cường

- 7-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.4 Hƣớng nghiên cƣ́u
1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu.
 Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh khí nén.
 Nghiên cứu phương pháp mơ hình hóa dẫn động phanh khí nén.
 Kết hợp kiến thức lý thuyết về hệ thống phanh khí nén và kiến thức về mơ
hình hóa để đưa ra phương pháp tính tốn động lực học dẫn động phanh khí
nén trên rơ-móoc nhiều cầu.
1.4.2 Đối tƣợng nghiên cứu.
 Lý thuyết về hệ thống phanh khí nén trên ơ tơ.
 Các định luật về khí nén.
 Động lực học dẫn động phanh khí nén.
 Lý thuyết về mơ hình hóa dẫn động phanh khí nén.
1.4.3 Hƣớng nghiên cứu.
1.4.3.1 Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống phanh khí nén.
 Nghiên cứu tổng quan về hệ thống phanh khí nén.
 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận.
 Nghiên cứu động lực học dẫn động phanh khí nén.
1.4.3.2

Nghiên cứu phƣơng pháp mơ hình hóa dẫn động phanh khí nén.

 Các giả thiết để áp dụng phương pháp mơ hình hóa.
 Mơ hình hóa dẫn động phanh khí nén.
 Mơ hình tính tốn trong hệ thống phanh khí nén.
1.4.3.3

Nghiên cứu phƣơng pháp tính tốn động lực học dẫn động phanh

khí nén trên rơ-móoc nhiều cầu.

 Nghiên cứu các mơ hình tính tốn dựa trên phương pháp mơ hình hóa.

HVTH: Đặng Quốc Cường

- 8-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

 Ứng dụng phương pháp mơ hình hóa để tính tốn động lực học một hệ thống
phanh khí nén trên rơ-mc nhằm mục đích nâng cao hiệu quả phanh và tính
đồng bộ khi phanh của hệ thống.
1.5 Giới hạn đề tài:
Đề tài tập trung vào việc đưa ra phương pháp tính tốn động lực học dẫn
động phanh khí nén.“Động lực học dẫn động phanh” ở đây là động lực học
truyền động khí nén bên trong hệ thống phanh, vì vậy trong phạn vi luận văn,
chỉ tính tốn những phần liên quan đến truyền động khí nén bên trong hệ thống,
khơng tính tốn động lực học khi phanh ô tô.
Đề tài mang tính chất lý thuyết, chỉ đề suất phương pháp tính tốn động
lực học dẫn động phanh khí nén đó là phương pháp mơ hình hóa và áp suất tập
trung tại điểm nút, do kinh phí cịn hạn hẹp nên chưa xây dựng được mơ hình
thực tế để kiểm nghiệm phương pháp tính tốn trên.
Ở phần tính tốn động lực học dẫn động phanh rơ-mc nhiều cầu chỉ
tính tốn cho trường hợp tăng áp st phanh khi người lái phanh gấp (phanh đột
ngột) vì đây là tình huống nguy hiểm nhất, đòi hỏi sự đồng bộ khi phanh giữa
các cầu xe.

HVTH: Đặng Quốc Cường

- 9-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh khí nén:
2.1.1 Vài nét về vấn đề an tồn giao thơng và sự cần thiết của hệ thống phanh
trên ô tô:
Cùng với sự phát triển của các ngành kinh tế, giao thông vận tải và đặc
biệt là giao thông đường bộ (chủ yếu là giao thơng ơ tơ) đóng một vai trị quan
trọng trong nền kinh tế. Ở nhiều nước trên thế giới, kể cả những nước công
nghiệp tiên tiến như Mỹ, Đức, Nga, Nhật… giao thông ô tô đã đảm nhận vận
chuyển đến 2/3 lượng hàng hóa và hành khách đi lại hàng năm.
Càng ngày, lượng xe hoạt động trên đường càng nhiều, để tăng lưu lượng
và tăng năng suất vận chuyển, vận tốc trung bình của xe ngày càng được nâng
cao. Khi sự tăng trưởng số lượng và tốc độ lưu thông của ơ tơ trên các loại
đường có cơng dụng chung nhảy vọt, thì vấn đề an tồn chuyển động càng được
quan tâm hơn lúc nào hết, nhằm giảm tối đa các vụ tai nạn giao thông xảy ra trên
đường.
Về mặt phương tiện (ơ tơ), chất lượng và tình trạng kỹ thuật các hệ thống
điều khiển như phanh, lái…đóng vai trị quan trọng cho xe hoạt động trên
đường, đặc biệt hệ thống phanh là hệ thống ảnh hưởng trực tiếp tới sinh mạng
con người và hàng hóa trên xe, vì vậy việc đảm bảo tình trạng kỹ thuật của hệ
thống phanh luôn ở trạng thái làm việc tốt nhất là rất quan trọng.

Các nước phát triển trên thế giới đều đã có những tiêu chuẩn nghiêm ngặt
về hệ thống phanh nhằm đảm bảo an tồn cho xe khi lưu thơng trên đường và nó
sẽ càng khắt khe hơn trong tương lai khi mà tốc độ chuyển động và mật độ ô tô

HVTH: Đặng Quốc Cường

- 10-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

trên đường ngày càng cao. Trên cơ sở các tiêu chuẩn về an toàn chuyển động,
một hệ thống phanh ô tô ngày nay phải thỏa mãn những yêu cầu sau.
2.1.2 Yêu cầu của hệ thống phanh khí nén:
Xuất phát từ những tiêu chuẩn quốc gia về an tồn chuyển động của các
phương tiện giao thơng và phổ biến hơn cả là quy định No-13 EU 00N của hội đồng
kinh tế châu Âu, tiêu chuẩn F18-1969 của Thụy Điển, tiêu chuẩn FM VSS-121 của
Mỹ, người ta đã đưa ra những yêu cầu quan trọng nhất về chất lượng hệ thống
phanh đối với hệ thống phanh thuộc thế hệ các xe hiện đại mà qua đó một hệ thống
phanh ô tô phải đạt được:
-

Quãng đường phanh ngắn nhất khi phanh đột ngột.

-

Phanh êm dịu trong mọi trường hợp, bảo đảm sự ổn định khi phanh.

-

Điều khiển nhẹ nhàng.

-

Thời gian chậm tác dụng (còn gọi là thời gian phản ứng) nhỏ.

-

Cơ cấu phanh thốt nhiệt tốt.

-

Phân bố mơ men phanh ở các bánh xe phải tuân theo quan hệ sử dụng hoàn toàn
trọng lượng bám và hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường ở bất kì cường độ
phanh nào (sử dụng điều chỉnh tự động lực phanh theo tải, sử dụng thiết bị
chống hãm cứng bánh xe).

-

Có độ tin cậy cao (sử dụng dẫn động phanh nhiều mạch độc lập, nâng cao độ
bền các chi tiết trong hệ thống phanh).

-

Có hệ thống tự kiểm tra, chẩn đốn các hư hỏng một cách kịp thời.
Cũng từ những tiêu chuẩn trên, các phương tiện vận tải ô tô cần phải được

trang bị các hệ thống phanh bao gồm:

-

Hệ thống phanh cơng tác (hoặc phanh chính và thường gọi là phanh chân), có
tác dụng trên tất cả các bánh xe.

-

Hệ thống phanh dự phòng.

-

Hệ thống phanh dừng và hệ thống phanh phụ trợ (phanh chậm dần).

HVTH: Đặng Quốc Cường

- 11-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

-

Điểm đặc biệt về an toàn đối với hệ thống phanh khí nén là dẫn động phanh phải
có khơng dưới hai mạch độc lập, ví dụ một mạch dẫn động cho cầu trước, một
mạch dẫn động cho cầu sau và một mạch cho dẫn động phanh dừng…để khi có
hư hỏng một mạch nào đó, mạch cịn lại vẫn đảm bảo phanh ô tô với hiệu quả
phanh không thấp hơn 30% so với khi hệ thống phanh còn nguyên vẹn. Theo
tiêu chuẩn của Thụy Điển thì giá trị này là 50%.

-

Đối với hệ thống phanh khí nén, phanh cơng tác cần có dung tích bình chứa tới
mức đủ có thể phanh có hiệu quả 5 lần liên tiếp khi nguồn năng lượng (máy nén
khí) khơng làm việc. Mỗi mạch dẫn động cần có các bình chứa riêng biệt khi
nguồn năng lượng là chung của toàn hệ thống. Trong trường hợp một mạch dẫn
động nào đó bị hỏng, nguồn năng lượngchung vẫn tiếp tục cung cấp năng lượng
cho các mạch khác còn tốt.

-

Hệ thống phanh dự phòng cần phải đảm bảo dừng được ô tô trong trường hợp hệ
thống phanh chính bị hư hỏng. Có thể bố trí hệ thống phanh dự phịng riêng biệt,
nếu khơng thì hệ thống phanh chính hoặc phanh dừng phải thực hiện chức năng
này và vẫn được coi là hệ thống phanh dự phòng.

-

Hệ thống phanh dừng phải dừng và đỗ được xe trên dốc. Dẫn động phanh dừng
có thể sử dụng bất kỳ dạng năng lượng nào, nhưng bộ phận tạo ra mô men phanh
để giữ xe đứng yên phải là một cơ cấu hoạt động thuần túy bằng phương pháp
cơ khí và khơng phụ thuộc vào hệ thống phanh chính.

-

Hệ thống phanh chậm dần (phanh phụ trợ) đảm bảo duy trì cho ô tô chuyển động
ở một tốc độ ổn định, điều chỉnh tốc độ ô tô một cách độc lập hoặc đồng thời
cùng với hệ thống phanh chính nhằm mục đích giảm tải cho phanh chính.

-

Khi làm việc với rơ-mc, ơ tơ kéo cần phải có thiết bị bảo vệ chống tụt áp suất
khí nén (hoặc thủy lực) để đề phịng trường hợp đường ống nối giữa ơ tơ kéo và
rơ-mc bị phá hủy.

-

Trường hợp xe đang chuyển động mà bị đứt mc kéo, u cầu hệ thống phanh
chính của rơ-mc phải tự động dừng được rơ-mc với hiệu quả khơng thấp
hơn quy định đối với xe đoàn tương ứng.

HVTH: Đặng Quốc Cường

- 12-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

-

Trên rơ-moóc cũng cần trang bị cơ cấu phanh dừng để hãm rơ-móc khi nó tách
ra khỏi đầu kéo.

-

Sự mài mòn của má phanh cần được bù lại bằng hệ thống điều chỉnh bằng tay
hoặc tự động. Theo tiêu chuẩn Thụy Điển, mài mòn má phanh cần được bù lại

bằng hệ thống điều chỉnh tự động hay phải có bộ phận tín hiệu để cảnh báo về
việc tăng khe hở giữa má phanh và tang phanh.

-

Trong mỗi mạch dẫn động phanh cần phải có các bộ phận giao tiếp với thiết bị
kiểm tra, để kiểm tra và thơng báo tình trạng kỹ thuật của dẫn động phanh trong
quá trình sử dụng.
Do đặc điểm và yêu cầu ngày càng khắc khe của hệ thống phanh nên việc

tính tốn động lực học dẫn động hệ thống phanh là điều cần thiết nhằm đảm bảo độ
an toàn, tin cậy cho người, phương tiện và hàng hóa khi lưu thơng trên đường.
2.1.3 Dẫn động phanh khí nén:
a. Đặc điểm dẫn động phanh khí nén trên xe vận tải:
Dẫn động phanh khí nén thường được sử dụng trên các xe vận tải, xe khách
và rơ-mc. Phanh khí sử dụng năng lượng của khí nén để tiến hành phanh, người
lái khơng cần mất nhiều lực để điều khiển phanh mà chỉ cần thắng lực lò xo ở van
phân phối để điều khiển việc cung cấp khí nén hoặc làm thốt khí ở các bộ phận làm
việc. Ở loại dẫn động phanh này có những ưu điểm sau:
Ƣu điểm:
-

Mômen phanh lớn, áp suất đặt tại bầu phanh lớn kết hợp với cơ cấu đòn bẩy tạo
ra mômen phanh lớn tại bánh xe.

HVTH: Đặng Quốc Cường

- 13-

GVHD: TS. Nguyễn Nước

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.1: Cơ cấu địn xoay.

Hình 2.1 thể hiện cơ cấu chấp hành của hệ thống phanh khí nén, bầu
phanh thường nằm trên trục gần bánh xe, áp suất khí nén (7-8 bar) được đưa
vào bầu phanh thơng qua lỗ nạp, khí nén tác dụng lên màng và truyền qua
thanh đẩy, thanh đẩy nối với đòn xoay nhờ đai ốc, quá trình này biến chuyển
động thẳng của thanh đẩy từ bầu phanh thành chuyển động quay của trục
phanh và cam – S. Nhờ kết cấu trên mà mômen phanh tác dụng lên bánh xe
được khuếch đại lên rất nhiều.
-

Điều khiển phanh nhẹ nhàng, người lái chỉ cần điều khiển bàn đạp đóng mở van
tổng phanh tạo tín hiệu điều khiển dịng cấp khí nén cho các bầu phanh bánh xe;

-

Làm việc tin cậy hơn dẫn động thủy lực (khi có rị rỉ nhỏ, hệ thống vẫn có thể
làm việc được, tuy hiệu quả phanh giảm);

-

Có thể trích nguồn khí nén của hệ thống phanh để sử dụngcho các hệ thống
khác như: Hệ thống treo khí nén ,trợ lực mở ly hợp ,đóng mở cửa xe…

Tuy nhiên hệ thống phanh khí nén vẫn cịn tồn tại một số nhược điểm sau:
Nhƣợc điểm:

-

Kết cấu phức tạp số lượng các cụm khá nhiều, kích thước và trọng lượng của
chúng khá lớn, giá thành cao.

HVTH: Đặng Quốc Cường

- 14-

GVHD: TS. Nguyễn Nước


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.2:Sơ đồ dẫn động phanh xe KaMAZ-5320.

Hình 2.2 là sơ đồ dẫn động hệ thống phanh xe KaMAZ-5320.Đây là
một hệ thống phanh hoàn chỉnh bao gồm rất nhiều cụm chi tiết, thêm vào đó,
kết cấu của các cụm chi tiết tương đối lớn, do đó chiếm rất nhiều diện tích
trên xe, gây khó khăn trong việc bố trí, lắp đặt.
-

Thời gian chậm tác dụng (thời gian tăng gia tốc phanh) lớn,làm tăng đáng kể
quãng đường phanh và thời gian phanh (do khơng khí bị nén khi chịu lực).
Nhược điểm này được lý giải một cách rõ ràng thông qua giản đồ phanh thực tế
(đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian phanh 𝑡𝑃 và gia tốc phanh 𝑗𝑃 ). Giản
đồ phanh thực tế được cho ở hình 2.3.

HVTH: Đặng Quốc Cường

- 15-

GVHD: TS. Nguyễn Nước