Khảo sát và tính toán động lực học hệ thống dẫn động phanh ô tô bằng thủy lực

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. 4
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... 8
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................................... 10
1.1. Công dụng, phân loại và yêu cầu chung của hệ thống phanh ................................... 10
1.1.1. Công dụng .......................................................................................................... 10
1.1.2. Phân loại hệ thống phanh .................................................................................. 10
1.1.3. Yêu cầu chung của hệ thống phanh ................................................................... 11
1.2. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc chung của hệ thống ....................................... 12
1.2.1. Sơ đồ cấu tạo .................................................................................................... 12
1.2.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống phanh thủy lực .............................................. 13
1.3. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống phanh thủy lực một số xe .............................................. 14
1.3.1. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực được áp dụng trên xe MAZDA 6 ...................... 14
1.3.2. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực trên xe NISSAN – TERRANO có ABS .............. 15
1.3.3. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực trên xe TOYOTA – VIOS .................................. 15
1.4. Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống phanh thủy lực ........................................................... 16
1.4.1. Ưu điểm .............................................................................................................. 16
1.4.2. Nhược điểm ........................................................................................................ 16
1.5. Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu hệ thống phanh ................................................... 16
1.5.1. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh ..................................... 16
1.5.2. Bản chất của việc nghiên cứu quá trình phanh ................................................. 19
1.5.3. Những nghiên cứu đối với hệ thống phanh ........................................................ 21

1


CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG PHANH THỦY
LỰC ..................................................................................................................................... 24
2.1. Các tính chất cơ bản của chất lỏng công tác ............................................................. 24

2.1.1. Khối lượng riêng và trọng lượng riêng ............................................................. 24
2.1.2. Tính nhớt ........................................................................................................... 24
2.1.3. Tính dãn nở theo nhiệt độ .................................................................................. 25
2.1.4. Tính chịu nén ..................................................................................................... 25
2.1.5. Tính đàn hồi của hệ thống thủy lực ................................................................... 27
2.2. Các mô hình mô phỏng ............................................................................................. 27
2.2.1. Mô hình truyền sóng .......................................................................................... 28
2.2.2. Mô hình đàn hồi ................................................................................................. 29
2.2.3. Mô hình không đàn hồi ...................................................................................... 29
2.3. Mô hình đàn hồi hệ thống phanh dẫn động bằng thủy lực........................................ 29
2.3.1. Phương trình chuyển động................................................................................. 30
2.3.2. Phương trình dòng chảy chất lỏng .................................................................... 32
2.2.3. Phương trình lưu lượng ..................................................................................... 36
CHƢƠNG III: KHẢO SÁT HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG PHANH THỦY LỰC TRÊN Ô TÔ
DU LỊCH ............................................................................................................................. 38
3.1. Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh bằng thủy lực ......................................................... 38
3.2. Sơ đồ mô phỏng ........................................................................................................ 39
3.3. Phƣơng trình toán học mô tả quá trình hoạt động của hệ thống ............................... 40
3.3.1. Phương trình mô tả hệ thống phanh cầu sau ..................................................... 41
3.3.2. Phương trình mô tả hệ thống phanh cầu trước ................................................. 46
3.4. Thiết lập hệ phƣơng trình của mô hình rút gọn ........................................................ 52
3.4.1. Phương trình mô hình rút gọn hệ thống phanh cầu sau .................................... 53
3.4.2. Phương trình mô hình rút gọn hệ thống phanh cầu trước ................................. 54

2


3.5. Phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình vi phân ............................................................... 56
3.5.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab – Simulink....................................................... 56
3.5.2. Sơ đồ mô phỏng bằng phần mềm Simulink ........................................................ 58

3.6. Kết quả giải hệ phƣơng trình vi phân mô tả hệ thống............................................... 60
3.6.1. Kết quả tại hệ thống dẫn động phanh cầu sau .................................................. 61
3.6.2. Kết quả tại hệ thống dẫn động phanh cầu trước ............................................... 64
3.6.3. So sánh sự biến thiên áp suất và dịch chuyển giữa bánh xe cầu trước và cầu sau
..................................................................................................................................... 66
3.7. Kết luận ..................................................................................................................... 68
CHƢƠNG IV: KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG
LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG PHANH ............................................................................. 70
4.1. Các yếu tố ảnh hƣởng chất lƣợng làm việc của hệ thống phanh .............................. 70
4.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của độ nhớt chất lỏng ....................................................... 70
4.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng quy đổi ......................................................... 73
4.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của đường kính ống dẫn dầu phanh (d) ........................... 75
4.2. Kết luận ..................................................................................................................... 77
KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 78
1. Kết luận ........................................................................................................................ 78
2. Hƣớng phát triển của đề tài .......................................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 80

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
- Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và
chƣa hề đƣợc sử dụng để bảo vệ trong một học vị nào.
- Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các
thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả
Đặng Văn Tú

4


MỞ ĐẦU
Hiện nay ngành công nghiệp ô tô trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói
riêng đã và đang có những bƣớc phát triển mạnh mẽ. Ô tô đƣợc sử dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân nhƣ giao thông vận tải, nông nghiệp,
công nghiệp, xây dựng, quốc phòng,… Để đáp ứng đƣợc xu thế đó, ngành công
nghiệp ô tô Việt Nam đã ra đời. Hàng loạt các cơ sở, công ty liên doanh sản xuất,
lắp ráp đƣợc thành lập nhằm cung cấp cho thị trƣờng những loại ô tô có kết cấu, tải
trọng và giá thành hợp với yêu cầu của thị trƣờng trong nƣớc.
Khi thiết kế, chế tạo một chiếc ô tô mới, ngoài việc lựa chọn kết cấu, mẫu mã,
chủng loại, giá cả,…của ô tô và thị hiếu của thị trƣờng thì một trong những quan
tâm hàng đầu là tính năng an toàn khi chuyển động của ô tô. Tính năng an toàn
đƣợc thể hiện rõ rệt nhất ở sự làm việc của hệ thống phanh.
Hệ thống phanh là hệ thống an toàn chủ động của ô tô, dùng để giảm tốc độ
hay dừng và đỗ ô tô trong những trƣờng hợp cần thiết. Nền công nghiệp ô tô đang
ngày càng phát triển mạnh, số lƣợng ô tô tăng nhanh, mật độ lƣu thông trên đƣờng
ngày càng lớn. Các xe ngày càng đƣợc thiết kế với công suất cao hơn, tốc độ
chuyển động nhanh hơn thì yêu cầu đặt ra với hệ thống phanh cũng càng cao và
nghiêm ngặt hơn. Một ô tô có hệ thống phanh tốt, có độ tin cậy cao thì mới có khả
năng phát huy hết công suất, xe mới có khả năng chạy ở tốc độ cao, tăng tính kinh
tế nhiên liệu, tính an toàn và hiệu quả vận chuyển của ô tô.
Theo thống kê của các nƣớc thì tai nạn giao thông đƣờng bộ có đến 60-70%
sự cố do con ngƣời gây ra, 10-15% do hƣ hỏng máy móc, trục trặc về kỹ thuật và
20-30% do đƣờng xá xấu. Trong nguyên nhân hƣ hỏng do máy móc và trục trặc về
kỹ thuật thì tỷ lệ tai nạn do các cụm của ô tô gây nên đƣợc thống kê nhƣ sau: phanh
chân 52,2-74,4%, phanh tay 4,9-16,1%, lái 4,9-19,2%, chiếu sáng 2,3-8,7%, bánh
xe 2,5-10%, các hƣ hỏng khác 2-18,2%. Ở Việt Nam tai nạn giao thông ngày một

gia tăng cả về số vụ và tính chất nguy hiểm.

5


Năm

2005

2006

2007

2008

Số vụ tai nạn

15000 15500 16060 16700

Số ngƣời chết( ngƣời )

11200 12300 14600 15740

Số ngƣời bị thƣơng( ngƣời ) 11840 12140 12410 12780
Với các số liệu nêu trên thấy rằng có nhiều nguyên nhân khách quan nhƣng
rõ ràng là công nghệ an toàn chƣa đạt hiệu quả mong muốn, tai nạn do hệ thống
phanh chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các tai nạn do kỹ thuật gây nên.
Xuất phát từ những lý do nêu trên luận văn đề ra nhiệm vụ: “Khảo sát và
tính toán động lực học hệ thống dẫn động phanh ô tô bằng thủy lực”.
Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài là sử dụng phƣơng pháp mô phỏng để

đánh giá chất lƣợng và hiệu quả của hệ thống dẫn động phanh ô tô trong quá trình
thiết kế, từ đó chúng ta có thể điều chỉnh các thông số kết cấu hoặc tìm ra các giải
pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống phanh trƣớc khi đƣa vào sản xuất
hàng loạt. Với cách làm nhƣ vậy, chúng ta có thể tiết kiệm đƣợc thời gian, công sức,
tiền của cho công tác thử nghiệm và rút ngắn đƣợc thời gian thiết kế.
Về phƣơng pháp nghiên cứu, luận văn này sử dụng phƣơng pháp mô phỏng
để từ đó thiết lập hệ phƣơng trình vi phân chuyển động của các chi tiết chuyển động,
phƣơng trình dòng chảy chất lỏng và phƣơng trình lƣu lƣợng của hệ thống. Việc
giải hệ phƣơng trình vi phân này, luận văn sử dụng phần mềm Matlab-Simulink.
Luận văn bao gồm 4 chƣơng:
Mở đầu.
Chƣơng I: Tổng quan vấn đề nghiên cứu.
Chƣơng II: Phƣơng pháp mô phỏng hệ thống dẫn động phanh bằng thủy lực.
Chƣơng III: Mô phỏng hệ thống dẫn động phanh bằng thủy lực trên ô tô du
lịch.
Chƣơng IV: Khảo sát các thông số ảnh hƣởng đến chất lƣợng làm việc của
hệ thống phanh.
Kết luận.

6


Dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS Nguyễn Trọng Hoan, các thầy trong Bộ
môn Ô tô và xe chuyên dụng và các bạn đồng nghiệp khác, đề tài đã đƣợc hoàn
thành. Đề tài thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện Cơ khí Động
Lực – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hƣớng
dẫn tận tụy của PGS. TS Nguyễn Trọng Hoan, các thầy trong bộ môn và các bạn
đồng nghiệp để bản luận văn đƣợc hoàn thành.
Do thời gian hạn chế và với mức độ nghiên cứu của một luận văn thạc sĩ,
trình độ bản thân có hạn nên tác giả chƣa thể nghiên cứu thấu đáo, hoàn chỉnh các

vấn đề đã đề cập đến. Bản luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận đƣợc ý
kiến đóng góp của các thầy và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 23 tháng 09 năm 2013
Tác giả
Đặng Văn Tú

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
TT

Tên hình vẽ

Trang

1

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực hai dòng

13

2

Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực đƣợc áp dụng trên xe MAZDA 6

14

3

Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực xe NISSAN – TERRANO

15

4

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực đƣợc áp dụng trên xe TOYOTA

15

VIOS
5

Hình 1.5. Ảnh hƣởng của vận tốc ban đầu và hệ số bám đến quãng đƣờng

17

phanh
6

Hình 1.6. Sơ đồ quá trình phanh ô tô

20

7

Hình 1.7. Đồ thị quá trình quá độ

21

8

Hình 2.1. Sự phân lớp dòng chảy

24

9

Hình 2.2. Sơ đồ dẫn động phanh bằng thủy lực đơn giản trên ô tô

29

10

Hình 2.3. Sơ đồ mô phỏng một đoạn của hệ thống dẫn động thủy lực có

32

đàn hồi và các thông số tập trung
11

Hình 2.4. Sơ đồ mô phỏng một điểm nút của hệ dẫn động thủy lực có đàn

36

hồi và các thống số tập trung
12

Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực hai dòng

39

13

Hình 3.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống phanh sau

40

14

Hình 3.3. Sơ đồ mô phỏng hệ thống phanh trƣớc

40

15

Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng hệ thống rút gọn phanh thủy lực cầu sau

53

16

Hình 3.5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống rút gọn phanh thủy lực cầu trƣớc

54

17

Hình 3.6. Sơ đồ mô phỏng bằng phần mềm Simulink cho cầu sau

58

18

Hình 3.7. Sơ đồ mô phỏng bằng phần mềm Simulink cho cầu trƣớc

58

19

Hình 3.8. Sơ đồ khảo sát ảnh hƣởng của các thông số cho cầu sau

59

20

Hình 3.9. Đồ thị áp suất tại xi lanh bánh xe cầu sau

61

21

Hình 3.10. Đồ thị dịch chuyển của piston sơ cấp xi lanh chính

62

22

Hình 3.11. Đồ thị dịch chuyển của piston xi lanh bánh xe cầu sau

63

23

Hình 3.12. Đồ thị áp suất tại xi lanh bánh xe cầu trƣớc

64

8


24

Hình 3.13. Đồ thị dịch chuyển của piston thứ cấp xi lanh chính

65

25

Hình 3.14. Đồ thị dịch chuyển của piston xi lanh bánh xe cầu trƣớc

66

26

Hình 3.15. Đồ thị biến thiên áp suất giữa bánh xe trƣớc và bánh xe sau

67

27

Hình 3.16. Đồ thị dịch chuyển piston bánh xe cầu trƣớc và bánh xe cầu sau

67

28

Hình 4.1. Đồ thị áp suất tại xi lanh bánh xe cầu sau khi độ nhớt thay đổi

71

29

Hình 4.2. Đồ thị dich chuyển của các pistton xi lanh bánh xe cầu sau khi độ

71

nhớt thay đổi
30

Hình 4.3. Đồ thị dich chuyển của pistton sơ cấp xi lanh chính khi độ nhớt

72

thay đổi
31

Hình 4.4. Đồ thị áp suất tại xi lanh bánh xe cầu sau khi độ cứng C thay đổi

73

32

Hình 4.5. Đồ thị dịch chuyển piston tại xi lanh bánh xe cầu sau khi độ cứng

74

C thay đổi
33

Hình 4.6. Đồ thị dịch chuyển piston thứ cấp xi lanh chính khi độ cứng C

74

thay đổi
34

Hình 4.7. Đồ thị áp suất tại xi lanh bánh xe cầu sau khi đƣờng kính ống

75

dẫn dầu (d) thay đổi
35

Hình 4.8. Đồ thị dịch chuyển piston xi lanh bánh xe cầu sau khi đƣờng

76

kính ống dẫn dầu (d) thay đổi

36

Hình 4.9. Đồ thị dịch chuyển piston sơ cấp xi lanh chính khi đƣờng kính
ống dẫn dầu (d) thay đổi

9

76


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Công dụng, phân loại và yêu cầu chung của hệ thống phanh
1.1.1. Công dụng
Hệ thống phanh của ô tô dùng để giảm nhanh tốc độ của xe hoặc dừng xe
khẩn cấp. Hệ thống phanh còn giữ cho xe đỗ an toàn, không bị trôi trên đƣờng, kể
cả trên dốc. Nhƣ vậy nhờ có hệ thống phanh mà ngƣời lái có thể chạy xe an toàn ở
tốc độ cao, do đó tăng năng suất vận chuyển và hiệu quả xe.
Phanh là một trong những cụm hệ thống quan trọng nhất, nó đảm bảo cho ô
tô chạy an toàn ở mọi tốc độ đặc biệt là ở tốc độ cao, do đó sẽ nâng cao đƣợc năng
suất vận chuyển và nâng cao đƣợc vận tốc trung bình của ô tô.
Trên hệ thống ô tô quá trình phanh xe đƣợc tiến hành bằng cách tạo ma sát
giữa phần quay và phần đứng yên của các cụm liên kết với bánh xe, giữa tang trống
với má phanh hoặc giữa đĩa phanh với má phanh. Trong quá trình phanh, ma sát
giữa các cơ cấu phanh dẫn tới sự mài mòn và nung nóng các chi tiết ma sát, không
xác định kịp thời và tiến hành hiệu chỉnh thì sẽ dẫn tới giảm hiệu quả phanh.
Trên xe thƣờng bố trí hai hệ thống phanh hoạt động độc lập là phanh chân
(điều khiển bàn đạp phanh bằng chân) và phanh tay (điều khiển cần kéo phanh bằng
tay). Phanh tay thƣờng có cơ cấu hãm cần kéo phanh cho phép duy trì sự hãm xe mà
không cần phải giữ cần phanh khi kéo, phanh chân chỉ hoạt động khi đạp chân lên

bàn đạp phanh, nhả chân khỏi bàn đạp là nhả phanh. Phanh chân thƣờng dùng cơ
cấu hãm bánh xe, phanh tay thƣờng dùng cơ cấu hãm trục truyền động.
1.1.2. Phân loại hệ thống phanh
Hệ thống phanh có nhiều cách phân loại khác nhau.
a. Theo cấu tạo bộ phận phanh
- Phanh dải.
- Phanh trống.
- Phanh đĩa.
b. Theo công dụng

10


- Hệ thống phanh chính (phanh chân).
- Hệ thống phanh dừng (phanh tay).
- Hệ thống phanh dự phòng.
- Hệ thống phanh chậm dần (phanh bằng động cơ, thủy lực hoặc điện từ).
c. Theo nguyên tắc dẫn động cơ cấu phanh
- Hệ thống phanh dẫn động bằng cơ khí.
- Hệ thống phanh dẫn động bằng thủy lực.
- Hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén.
- Hệ thống phanh dẫn động bằng điện từ.
1.1.3. Yêu cầu chung của hệ thống phanh
Hệ thống phanh là một hệ thống đảm bảo an toàn chuyển động cho xe, cho
nên hệ thống phanh cần đảm bảo những yêu cầu sau:
- Có hiệu quả phanh cao nhất ở tất cả các bánh xe nghĩa là đảm bảo quãng
đƣờng khi phanh đột ngột trong trƣờng hợp gặp nguy hiểm.
- Phanh êm dịu trong mọi trƣờng hợp để đảm bảo sự ổn định của ô tô máy
kéo khi phanh.
- Điều khiển nhẹ nhàng nghĩa là lực tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển

không lớn.
- Dẫn động phanh có độ nhạy cảm lớn.
- Đảm bảo việc phân bố mô men phanh trên các bánh xe phải theo quan hệ
thế nào để sử dụng hoàn toàn trọng lƣợng bám khi phanh với bất kỳ cƣờng độ hóa
nào.
- Không có hiện tƣợng tự xiết phanh.
- Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt, không truyền nhiệt ra các khu vực làm ảnh
hƣởng tới cơ cấu làm việc của các cơ cấu xung quanh (lốp xe, moay ơ,…) phải dễ
dàng điều chỉnh thay thế các chi tiết hƣ hỏng.
- Có hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh cao và ổn định trong điều
kiện sử dụng.

11


- Giữ tỷ lệ thuận giữa lực trên bàn đạp hoặc đòn điều khiển với lực phanh
trên bánh xe.
- Có khả năng phanh ô tô máy kéo khi sử dụng trong thời gian dài.
- Phải đảm bảo chóng dừng xe trong bất kỳ tình huống nào. Khi phanh đột
ngột xe phải dừng sau quãng đƣờng ngắn nhất tức có gia tốc cực đại. Theo tiêu
chuẩn Châu Âu xe còn phải đạt hiệu quả cao nhất trong tất cả các trƣờng hợp thử
xe.
- Đối với phanh chân, tốc độ khi bắt đầu phanh là 80 km/h quãng đƣờng
phanh phải nhỏ hơn 50,7 m, gia tốc phanh phải lớn hơn 5,8 m/s, lực phanh chân lớn
nhất đặt lên bàn đạp phanh là 50kG.
- Hệ thống phanh cần có độ nhạy cảm cao, hiệu quả phanh không thay đổi
nhiều lần giữa các lần phanh.
- Đảm bảo tránh trƣợt lết trên đƣờng.
- Phanh chân và phanh tay làm việc độc lập không ảnh hƣởng đến nhau.
Phanh tay có thể thay thế phanh chân khi phanh chân gặp sự cố, đảm bảo chức năng

dự phòng.
- Phanh tay dùng để giữ nguyên vị trí xe, phải giữ nguyên trên dốc tối thiểu
18% (tức là 16-20 độ).
Ngoài ra còn phải đảm bảo các yêu cầu nhƣ chiếm ít không gian, trọng lƣợng
nhỏ, độ bền cao và các yêu cầu chung của cấu trúc cơ khí.
1.2. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc chung của hệ thống
1.2.1. Sơ đồ cấu tạo

12


1. Bàn đạp phanh

5. Cơ cấu phanh trƣớc

2. Bộ trợ lực phanh

6. Bộ điều chỉnh

3. Xi lanh chính

7. Cơ cấu phanh sau

4. Bình chứa dầu
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực hai dòng
Cấu tạo của hệ thống phanh thủy lực đƣợc thể hiện trên hình 1.1 bao gồm hai
bộ phận chính là cơ cấu phanh và dẫn động phanh. Cơ cấu phanh đƣợc đặt ở các
bánh xe trƣớc và sau. Nó thực hiện chức năng của các cơ cấu ma sát nhằm tạo ra mô
men hãm trên các bánh xe của ô tô khi phanh. Dẫn động phanh đƣợc bố trí trên
khung vỏ, bao gồm các bộ phận liên kết từ cơ cấu điều khiển (bàn đạp phanh, cần

kéo phanh) tới các chi tiết điều khiển sự hoạt động của cơ cấu phanh. Dẫn động
phanh dùng để truyền và khuếch đại lực điều khiển từ cơ cấu điều khiển phanh đến
các chi tiết điều khiển hoạt động của cơ cấu phanh.
1.2.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống phanh thủy lực
Với hệ thống phanh thủy lực, lực tác dụng từ bàn đạp phanh đƣợc truyền đến
cơ cấu hãm phanh thông qua chất lỏng (dầu phanh) ở các đƣờng ống.
Khi ngƣời lái tác dụng vào bàn đạp phanh, piston trong xi lanh chính dịch
chuyển nên dầu bị ép và sinh ra áp suất cao sẽ tác dụng lên hai bề mặt của các

13


piston ở các xi lanh bánh xe thông qua đƣờng ống dẫn dầu phanh. Các piston dịch
chuyển đẩy má phanh áp sát vào tang trống. Quá trình phanh bắt đầu.
Khi nhả bàn đạp phanh, piston trong xi lanh chính không còn lực tác dụng
nữa nên áp suất dầu trong đƣờng ống giảm xuống. Lò xo trong cơ cấu hãm kéo hai
má phanh tách khỏi tang trống để kết thúc quá trình phanh.
Hai đầu trên của guốc phanh ép các piston trong xi lanh bánh xe lại dịch
chuyển vào trong, đẩy dầu từ trong xi lanh bánh xe và đƣờng ống để trở lại xi lanh
chính.
1.3. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống phanh thủy lực một số xe
1.3.1. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực được áp dụng trên xe MAZDA 6

1. Hệ thống lái đặt bên trái

6. Cơ cấu phanh trƣớc

2. Hệ thống lái đặt bên phải

7. Cơ cấu phanh sau

3. Bàn đạp phanh

8. Không có ABS

4. Xi lanh chính

9. Van phân phối dạng tỉ lệ

5. Bộ trợ lực phanh
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực được áp dụng trên xe MAZDA 6

14


1.3.2. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực trên xe NISSAN – TERRANO có
ABS

1. Bộ trợ lực phanh

4.Cơ cấu phanh trƣớc

2. Xi lanh chính

5.Cơ cấu phanh sau

3. ABS với hệ thống phanh phối lực phanh điện tử
Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực xe NISSAN – TERRANO
1.3.3. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực trên xe TOYOTA – VIOS

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực được áp dụng trên xe TOYOTA VIOS

15


1.4. Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống phanh thủy lực
1.4.1. Ưu điểm
- Hệ thống phanh thủy lực có kết cấu đơn giản, độ nhạy tốt (thời gian chậm
tác dụng là rất nhỏ) và hiệu suất cao;
- Phanh đồng thời các bánh xe với sự phân bố lực phanh giữa các bánh xe
hoặc giữa các má phanh theo yêu cầu;
- Có khả năng sử dụng trên nhiều loại xe ô tô khác nhau mà chỉ cần thay đổi
cơ cấu phanh.
1.4.2. Nhược điểm
- Lực tác dụng lên bàn đạp phanh lớn;
- Hiệu suất truyền động giảm ở nhiệt độ thấp;
- Khi có vị trí nào đó hƣ hỏng, rò rỉ dầu thì cả hệ thống phanh đều không làm
việc.
Hệ thống phanh thủy lực sử dụng trên ô tô ngày nay rất hoàn thiện, đã khắc
phục đƣợc nhƣợc điểm cơ bản của hệ thống phanh thủy lực. Bộ trợ lực phanh làm
giảm lực điều khiển của ngƣời lái. Bộ phận chống bó cứng bánh xe ABS để điều
chỉnh lực phanh. Tất cả hệ thống phanh dầu trên ô tô du lịch đều là loại dẫn động
phanh hai dòng với xi lanh kép trên hệ thống phanh, nâng cao độ tin cậy và an toàn
chuyển động.
1.5. Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu hệ thống phanh
1.5.1. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh
Trên thực tế, chỉ tiêu đánh giá tổng hợp quá trình phanh trên ô tô là hiệu quả
phanh và ổn định hƣớng chuyển động khi phanh.
a. Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh
Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh là: Gia tốc chậm dần lớn nhất Jmax,

quãng đƣờng phanh nhỏ nhất Smin, thời gian phanh nhỏ nhất tmin, lực phanh và lực
phanh riêng.
Các chỉ tiêu trên đƣợc xác định trong điều kiện phanh ô tô không kéo
rơmooc và ngắt ly hợp để tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực.

16


- Quãng đƣờng phanh nhỏ nhất (Smin):
Quãng đƣờng phanh là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lƣợng phanh
của ô tô. Vì vậy trong tính năng kỹ thuật của ô tô các nhà chế tạo thƣờng cho biết
quãng đƣờng phanh của ô tô ứng với vận tốc bắt đầu phanh đã định.
So với các chỉ tiêu khác thì quãng đƣờng phanh là chỉ tiêu mà ngƣời lái có
thể nhận thức đƣợc một cách trực quan và dễ dàng tạo điều kiện cho ngƣời lái xử lý
tốt trong khi phanh ô tô trên đƣờng.
(v12 – v22)

Smin =

(1.1)

Với δ là hệ số tính đến ảnh hƣởng các trọng khối quay của ô tô; g là gia tốc
trọng trƣờng (g=9,81 m/s2); φ là hệ số bám giữa lốp và mặt đƣờng; v1, v2 là các vận
tốc trƣớc và sau khi phanh.
Ta thấy để giảm quãng đƣờng phanh nhỏ nhất, cần giảm hệ số δ, cho nên nếu
ngƣời lái cắt ly hợp trƣớc khi phanh thì quãng đƣờng phanh sẽ ngắn hơn.
Trên hình 1.5 biểu diễn sự phụ thuộc giữa quãng đƣờng phanh S với vận tốc
ban đầu v1 và hệ số bám φ.

Hình 1.5. Ảnh hưởng của vận tốc ban đầu và hệ số bám đến quãng đường phanh

Khi phanh đến lúc ô tô dừng hẳn v2 = 0 tức là Smin =
Từ biểu thức trên cho thấy quãng đƣờng phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào bình
phƣơng vận tốc chuyển động của ô tô từ lúc bắt đầu phanh (v1), phụ thuộc vào hệ số
bám (φ) và ảnh hƣởng của các khối lƣợng quay(δ).

17


- Gia tốc chậm dần khi phanh Jmax:
Jmax =

(1.2)

Từ biểu thức trên thấy rằng để gia tăng gia tốc chầm dần cực đại khi phanh
cần phải giảm hệ số δ và hệ số bám φ giữa lốp và mặt đƣờng. Vì vậy khi phanh đột
ngột ngƣời lái xe cần cắt ly hợp để tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực nhằm
giảm δ. Hệ số bám φ phụ thuộc vào kết cấu lốp, tình trạng mặt đƣờng. Trên đƣờng
nhựa tốt φ=0.75 ~0.8.
- Thời gian phanh tmin:
tmin =

(1.3)

Từ biểu thức trên có thể thấy thời gian phanh nhỏ nhất tmin phụ thuộc vào vận
tốc bắt đầu phanh của ô tô, hệ số δ và hệ số bám φ giữa lốp và mặt đƣờng. Để giảm
thời gian phanh cần giảm hệ số δ bằng cách cắt ly hợp khi phanh để tách động cơ ra
khỏi hệ thống truyền lực.
- Lực phanh hoặc lực phanh riêng:
Lực phanh và lực phanh riêng là chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng phanh và
thƣờng đƣợc sử dụng khi thử phanh trên bệ thử.

Lực phanh sinh ra ở các bánh xe đƣợc xác định theo công thức:
Pp =

(1.4)

Lực phanh riêng P0 là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lƣợng toàn bộ G
của xe, nghĩa là:
P0 =

(1.5)

Lực phanh riêng cực đại sẽ ứng với lực phanh cực đại:
P0max =

=

=φ

Với G là trọng lƣợng của ô tô; Pmax là lực phanh cực đại.
Từ biểu thức trên thấy rằng lực phanh riêng cực đại bằng hệ số bám φ.

18


Trong các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh thì chỉ tiêu quãng đƣờng phanh là
đặc trƣng nhất và có ý nghĩa quan trọng nhất vì khi biết đƣợc quãng đƣờng phanh
cho phép ngƣời lái hình dung đƣợc vị trí xe sẽ dừng trƣớc một chƣớng ngại vật mà
họ phải xử lý để khỏi xẩy ra tai nạn khi ngƣời lái xe phanh ở tốc độ ban đầu nào đấy.
Do đó chỉ tiêu này thƣờng đƣợc sử dụng để đánh giá hiệu quả tác động của phanh.
Lực phanh và lực phanh riêng thuận lợi khi đánh giá chất lƣợng phanh trên bệ thử.

Tuy nhiên, khi phanh ô tô không thể dừng ngay mà sẽ dừng cách vị trí lúc
bắt đầu phanh một khoảng nào đó. Vì vậy để đánh giá quá trình phanh thì ngoài
việc nghiên cứu các chỉ tiêu nêu trên cần phải nghiên cứu tính ổn định hƣớng của ô
tô trong quá trình phanh.
b. Các chỉ tiêu đánh giá tính ổn định hướng của ô tô khi phanh
Để đánh giá tính ổn định hƣớng của ô tô khi phanh ngƣời ta dùng một trong
các chỉ tiêu sau đây:
- Góc lệch của ô tô khi phanh β;
- Độ lệch của ô tô khi phanh;
- Hành lang cho phép mà ô tô không đƣợc vƣợt ra ngoài ở cuối quá trình
phanh;
- Hệ số không đồng đều lực phanh.
1.5.2. Bản chất của việc nghiên cứu quá trình phanh
Để nghiên cứu tìm hiểu đƣợc đầy đủ các vấn đề của hệ thống phanh nói
chung hay hệ thống phanh thủy lực nói riêng, ngƣời ta tiến hành tính toán hệ thống
phanh ở trạng thái tĩnh và trạng thái động.
Tính toán hệ thống phanh ở trạng thái tĩnh là quá trình xác lập mối quan hệ
giữa các đại lƣợng cần nghiên cứu ở trạng thái tĩnh, chủ yếu dựa vào các phƣơng
trình lập đƣợc từ các mô hình cơ học. Kết quả cuối cùng của quá trình tính này cho
chúng ta thu đƣợc các đƣờng đặc tính tĩnh của hệ thống dẫn động. Các đƣờng đặc
tính tĩnh của hệ thống dẫn động là sự phụ thuộc của áp lực trong các cơ cấu chấp
hành của dẫn động vào lực hoặc áp lực điều khiển của các lực, áp lực tăng chậm và
tăng đều. Cách tính này thƣờng đơn giản và chƣa phản ánh đƣợc tính sát thực quá

19


trình phanh của hệ thống hay nói cách khác chƣa cho biết đƣợc quy luật tăng áp suất
trong hệ thống.
Để nghiên cứu đƣợc sáng tỏ hơn chúng ta tiến hành tính toán hệ thống phanh

ở trạng thái động, thực chất là nghiên cứu quá trình phanh ô tô xẩy ra các trạng thái
nhƣ thế nào? Các thông số liên quan với nó thay đổi ra sao?...
a. Quá trình phanh ô tô

Hình 1.6. Sơ đồ quá trình phanh ô tô
Quá trình phanh ô tô đƣợc chia làm ba giai đoạn (hình 1.6):
Giai đoạn 1 (t1): Thời gian phản ứng của ngƣời lái tính từ khi ngƣời lái phát
hiện nguy hiểm, gặp chƣớng ngại vật và đặt chân lên bàn đạp phanh.
Giai đoạn 2 (t2): Thời gian bắt đầu đạp phanh đến khi phanh bắt đầu hoạt
động (hành trình tự do của bàn đạp, khe hở các van).
Giai đoạn 3 (t3): Thời gian chậm tác dụng của hệ thống (là thời gian từ khi
ngƣời lái đạp bàn đạp phanh đến khi áp suất trong hệ thống đạt tới 0,9pmax).
b. Thời gian chậm tác dụng
Thời gian chậm tác dụng của hệ thống (thời gian phản ứng) của hệ thống dẫn
động phanh là thời gian kể từ khi ngƣời lái tác động vào bàn đạp phanh cho đến khi
áp suất trong xi lanh phanh xa nhất đạt mức quy định (ứng với thời điểm má phanh
ép sát vào tang trống).
c. Quá trình quá độ
Quá trình quá độ trong hệ thống phanh đƣợc hiểu là quá trình biến thiên áp
suất trong hệ thống trƣớc khi đạt đƣợc giá trị ổn định. Quá trình này đƣợc mô tả

20


thông qua mối quan hệ giữa áp suất trong hệ thống dẫn động phanh với thời gian
khi ngƣời lái tác động đột ngột lên bàn đạp (lực bàn đạp biến thiên theo quy luật bậc
thang).

Hình 1.7. Đồ thị quá trình quá độ
Chất lƣợng của quá trình quá độ đƣợc đánh giá thông qua độ quá điều chỉnh

(h), thời gian phản ứng của hệ thống ( ) và số lần dao động n.
Hệ thống đƣợc đánh giá là tốt nếu là nhỏ, h là nhỏ hoặc không tồn tại và n
là nhỏ.
Nhƣ vậy việc mô phỏng và khảo sát động lực học hệ thống phanh thủy lực
trên ô tô thực chất là khảo sát quá trình quá độ xẩy ra trong hệ thống phanh thủy lực
và đánh giá chất lƣợng của hệ thống phanh thủy lực thông qua ba thông số trên.
1.5.3. Những nghiên cứu đối với hệ thống phanh
Các nghiên cứu về động học và động lực học của hệ thống dẫn động phanh ô
tô là quá trình khảo sát, nghiên cứu và tính toán các thông số liên quan đến hệ thống
phanh nhƣ chỉ tiêu hiệu quả của hệ thống phanh, tính ổn định hƣớng của ô tô khi
phanh và đặc biệt là nghiên cứu quá trình thay đổi áp suất của dầu trong hệ thống
dẫn động phanh.
Ở trong nƣớc cho đến nay thì công trình nghiên cứu trong lĩnh vực phanh ô
tô chƣa nhiều lắm, đặc biệt là các công trình nghiên cứu liên quan đên việc mô
phỏng hệ thống phanh thủy lực.
Dƣới đây là một vài đề tài đã nghiên cứu về hệ thống phanh.

21


Tác giả Trƣơng Mạnh Hùng (Đại Học Giao Thông Vận Tải) tiến hành tính
toán tĩnh và tính toán động hệ thống dẫn động phanh khí nén trên ô tô tải cỡ trung
bình và cỡ lớn. Trong nội dung bản luận văn này tác giả đã lần lƣợt tiến hành
nghiên cứu hệ thống dẫn động phanh, tính toán tĩnh hệ thống dẫn động và tính toán
động bằng phƣơng pháp mô phỏng hệ thống dẫn động phanh khí nén từ đó xác định
các thông số hợp lý cho hệ thống dẫn động phanh. Kết quả đạt đƣợc là các giá trị
thông số hệ thống phanh tại trạng thái tĩnh (trạng thái xác lập) và các đồ thị quan hệ
giữa áp suất, dịch chuyển với thời gian của phần tử trong hệ thống. Ngoài ra việc
khảo sát các thông số ảnh hƣởng để tìm ra các thông số hợp lý cho hệ thống.
Tác giả Tô Văn Thiểm tiến hành xây dựng phƣơng pháp tính toán thời gian

chậm tác dụng của hệ thống phanh dẫn động thủy khí trên ô tô tải cỡ lớn. Tác giả đã
sử dụng công cụ Simulink – trong phần mềm Matlab để tiến hành giải hệ phƣơng
trình vi phân mô tả quá trình hoạt động của hệ thống dẫn động phanh thủy khí trên ô
tô. Kết quả đạt đƣợc của đề tài là các quan hệ thời gian tăng áp suất giữa hai cầu xe,
cũng thông qua đồ thị quan hệ giữa độ dịch chuyển của các piston xilanh bánh xe.
Ngoài ra tác giả cũng đã tiến hành khảo sát các thông số ảnh hƣởng đến hệ thống
dẫn động phanh để từ đó chọn ra đƣợc các thông số kết cấu thích hợp và tối ƣu nhất.
Tác giả Nguyễn Văn Hà (Đại Học Bách Khoa Hà Nội) đã mô phỏng và khảo
sát động lực học hệ thống dẫn động phanh bằng thủy lực trên ô tô. Trong bản luận
văn này tác giả đã sử dụng phƣơng pháp số, đó là phƣơng pháp “Runge Kutta
Fehlberg (RKF45)” đã đƣợc tích hợp trong phần mềm MAPLE 10. Kết quả đạt
đƣợc của đề tài là quá trình biến đổi áp suất, dịch chuyển các piston xi lanh trong hệ
thống dẫn động thông qua các đồ thị quan hệ giữa chúng với thời gian. Và luận văn
cũng so sánh đƣợc độ dịch chuyển của piston xi lanh chính, xi lanh bánh xe giữa
các cầu của xe. Các mối quan hệ này cung cấp cho chúng ta các thông số cần thiết
của hệ thống cho quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm. Ngoài ra tác giả cũng đã
tiến hành khảo sát các thông số ảnh hƣởng đến hệ thống dẫn động phanh để từ đó
chọn ra đƣợc các thông số kết cấu thích hợp và tối ƣu nhất.

22


Ở trên tác giả Nguyễn Văn Hà đã sử dụng phƣơng pháp số trong phần mềm
Maple 10. Với phƣơng pháp này thì việc giải hệ phƣơng trình vi phân bằng cách
nhập câu lệnh, không có tính trực quan. Nó không đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh
vực mô phỏng, tính toán và thiết kế ô tô. Bởi vậy bản luận văn này sẽ tiếp cận theo
hƣớng giải hệ phƣơng trình vi phân bằng phần mềm Simulink trong Matlab. Đây là
phần mềm rất mạnh, có tính trực quan cao và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực
tính toán, thiết kế ô tô. Đặc biệt là trong tính toán, thiết kế hệ thống dẫn động phanh
ô tô

23


CHƢƠNG II
PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG
PHANH THỦY LỰC
2.1. Các tính chất cơ bản của chất lỏng công tác
Chúng ta đã biết rằng chất lỏng công tác trong hệ thống dẫn động phanh thủy
lực có đặc trƣng cơ bản sau đây:
2.1.1. Khối lượng riêng và trọng lượng riêng
Khối lƣợng riêng ρ của chất lỏng là tỉ số giữa khối lƣợng M của chất lỏng và
thể tích mà nó chiếm chỗ:

ρ=

(kg/m3)

(2.1)

Trọng lƣợng riêng γ của chất lỏng là tỉ số giữa trọng lƣợng G của chất lỏng
và thể tích mà nó chiếm chỗ:
γ=

(N/m3)

(2.2)

Nhƣ vậy mối quan hệ giữa khối lƣợng và trọng lƣợng riêng là γ= ρ.G
2.1.2. Tính nhớt

Chất lỏng không chuyển động nhƣ một thể thống nhất mà tạo thành các lớp
chuyển động tƣơng đối với nhau, do vậy giữa chúng xuất hiện hiệu lực ma sát nhớt,
lực này đƣợc tính theo công thức Newtơn:
T=µ.

S

(2.3)

Với:
u- Thành phần vận tốc theo phƣơng x;
S- Diện tích tiếp xúc;
- Gradient vận tốc;
Hình 2.1. Sự phân lớp dòng chảy
µ- Hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào chất lỏng, nó đặc trƣng cho tính nhớt và đƣợc
gọi là hệ số nhớt động lực học.
24


Để đặc trƣng cho độ nhớt của chất lỏng ngƣời ta sử dụng hệ số độ nhớt động
lực µ, có đơn vị là (N.s/m2) hoặc Poiseuille (P); 1P=10-1N.s/m2.
Trong thực tế ngƣời ta thƣờng sử dụng khái niệm độ nhớt động học:
(m2/s)
Đơn vị thƣờng dùng của

(2.4)

là Stốc (St): 1St=10-4 m2/s.

Đối với một chất lỏng các hệ số , µ không có giá trị cố định mà thay đổi

phụ thuộc và nhiều yếu tố nhƣ nhiệt độ, áp suất,…, trong đó ảnh hƣởng nhiều nhất
tới độ nhớt là nhiệt độ. Nói chung độ nhớt của chất lỏng tăng theo áp suất nhƣng lại
giảm khi nhiệt độ tăng.
2.1.3. Tính dãn nở theo nhiệt độ
Sự giãn nở của chất lỏng khi bị nóng lên đƣợc đặc trƣng bởi hệ số giãn nở
nhiệt βt:
βt =

.

(2.5)

Trong đó:
V0 – là thể tích ban đầu của chất lỏng;
dV – lƣợng biến đổi thể tích khi nhiệt độ thay đổi một lƣợng bằng dT.
2.1.4. Tính chịu nén
Tính chịu nén của chất lỏng thể hiện khả năng thay đổi thể tích ban đầu của
nó khi áp suất thay đổi. Tính chịu nén ảnh hƣởng xấu đến khả năng làm việc của hệ
thống: độ chậm tác dụng tăng, hiệu suất giảm, có khả năng gây mất ổn định. Khả
năng chịu nén của chất lỏng đƣợc đặc trƣng bởi mô đun đàn hồi thể tích. Tùy thuộc
và tốc độ biến dạng của chất lỏng mà ngƣời ta phân biệt mô đun đàn hồi đẳng nhiệt
và mô đun đàn hồi đoạn nhiệt.
Mô đun đàn hồi đẳng nhiệt kí hiệu là Eu đƣợc sử dụng trong quá trình thay
đổi áp suất xẩy ra với tốc độ chậm và nhiệt độ không thay đổi:
Eu=V0 .
Trong đó:

25

(2.6)