Mô phỏng và tính toán quãng đường phanh cho ô tô tải loại n3 có trang bị hệ thống dẫn động phanh khí bằng nén

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
--------------------------------------

Luận văn thạc sĩ khoa học

Mô phỏng và tính toán qung đờng phanh cho
ôtô tải loại n3 có trang bị Hệ thống dẫn động
phanh khí bằng nén

Chuyên nghành : cơ khí ôtô
M số:
Lê đức ân

Ngời hớng dẫn khoa học: PGS,TS: Nguyễn Trọng Hoan

Hà nội: 2007


Mục lục
Mở ĐầU
Chơng I:

đặc điểm của hệ thống phanh bằng khí nén
trên ôtô tải.
Trang

1.1

Tổng quan về tình hình sản xuất và lu hành xe ở
tại Việt Nam, trên thế giới

4

Tổng quan về hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén.

5

1.2.1 Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống phanh xe tải

5

1.2.2

6

1.2

1.3

Nguyên lý làm việc của hệ thống phanh khí.
Đặc điểm của hệ thống dẫn động phanh khí nén
trên xe tải..

1.3.1 Thời gian chậm tác dụng
1.3.2

11
11

Các biện pháp làm giảm độ chậm tac dụng của

hệ thống..

12

1.4

Quãng đờng phanh của ôtô có trang bị phanh khí nén

13

1.5

Kết luận.

14

Chơng II: phơng pháp mô phỏng dẫn động phanh khí
và tính qung đờng phanh
2.1

Phơng pháp mô phỏng

16

2.2

Phơng pháp mô phỏng tập trung.

16

2.2.1

Phơng trình lu lợng đi qua tiết lu..

17

2.2.2

Phơng trình lu lợng đi vào dung tích..

19

2.2.3

Phơng trình lu lợng tại điểm nút.

22


2.3

Các phơng pháp tính toán

22

2.3.1 Các phơng pháp tính toán

22

2.3.2 Giới thiệu chung về phần mềm Matlab.

26

2.4
2.4.1
2.4

Phơng pháp tính quãng đờng phanh..

27

Hiệu quả phanh..

27

Kết luận .

31

Chơng III: mô phỏng và tính qung đờng phanh

3.1

Mô phỏng và tính toán áp suất cấp vào các bầu phanh.

3.1.1

34

Giới thiệu chung và xác định sơ đồ hệ thống dẫn

động phanh...

34

3.1.2

Xây dựng mô hình hệ thống phanh khí nén

35

3.1.3

Mô hình toán học và phơng pháp giải..

35

3.1.4 Các giả thiết tính toán.........

38

3.1.5
3.2

Giải hệ phơng trình vi phân và kết quả.. 38
Tính quãng đờng phanh.

54

Chơng IV: Khảo sát những nhân tố ảnh hởng đến
qung đờng phanh

4.1

Đặt vấn đề

59

4.2

ảnh hởng của các tông số đến kết cấu

61

4.2.1

Đờng kính ống từ tổng tới ngã ba..

61

4.2.2

Đờng kinh ống từ ngã ba tới các bầu phanh..

64

4.2.3

Thể tích các bầu phanh

67

4.2.4

Van gia tốc.

69


4.3

4.4

ảnh hởng các thông số sử dụng.

73

4.3.1

Tải trọng..

73

4.3.2

Vận tốc

74

Kết quả tính toán và thảo luận

77

Kết luận.

78


Phô lôc


Tóm tắt luận văn

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ôtô Việt Nam đã có
những tiến bộ rõ rệt, tuy nhiên chất lợng xe sản xuất trong nớc cha cao. Trong
đó, chất lợng và hiệu quả của hệ thống phanh luôn là vấn đề đợc quan tâm
hàng đầu vì nó liên quan trực tiếp đến an toàn giao thông và các tiêu chuẩn
mang tính pháp lý. Đối với các loại xe tải có trang bị hệ thống dẫn động phanh
bằng khí nén thờng có đặc điểm là thời gian chậm tác dụng tơng đối lớn, dẫn
đến thời gian và quãng đờng phanh cũng lớn. Do đó, việc nghiên cứu để đánh
giá hiệu quả phanh ôtô ngay trong quá trình thiết kế và hiệu chỉnh kết cấu
hoặc tìm ra các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả phanh trớc khi đa
ra sản xuất thử nghiệm là rất cần thiết.
Xuất phát từ những mục đích trên, tác giả đã lựa chọn đề tài Mô phỏng
và tính toán quãng đờng phanh cho ôtô tải loại N3 có trang bị hệ thống dẫn
động phanh bằng khí nén.
Những nội dung chính và một số kết quả đạt đợc của luận án:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phơng pháp mô phỏng dẫn động khí nén
và tính quãng đờng phanh. Từ đó xây dựng mô hình toán học cho hệ thống
dẫn động phanh khí nhằm phục vụ cho việc tính toán quãng đờng phanh.
- Sử dụng Matlab Simulink mô phỏng và tính quãng đờng phanh. Phơng

pháp này cho phép đơn giản và tăng độ chính xác kết quả tính toán.
- Khảo sát ảnh hởng của một số thông số kết cấu và sử dụng đến quãng
đờng phanh ôtô. Từ đó đa ra một số kiến nghị về giải pháp kỹ thuật đối với
các nhà thiết kế (lựa chọn các thông số kết cấu tối u cho hệ thống phanh),
cũng nh một số khuyến cáo đối với ngời sử dụng nhằm nâng cao tính an toàn
chuyển động góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông.


Tõ kho¸: HÖ thèng phanh khÝ, Matlab Simulink, m« pháng tËp trung,
¸p suÊt t¹i bÇu phanh, qu∙ng ®êng phanh


1

Mở đầu
A/ Đặt vấn đề:
Ngày nay, ôtô đã trở thành phơng tiện giao thông vận tải không thể
thiếu đối với xã hội. Bởi vậy, những chiếc ôtô luôn luôn đợc cải tiến và hoàn
thiện theo xu hớng hiện đại hơn, thân thiện hơn với con ngời và môi trờng
nhằm đáp ứng đợc những tiêu chuẩn kỹ thuật, an toàn và môi trờng ngày
càng cao. Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ôtô Việt Nam đã có
những tiến bộ rõ rệt, bớc đầu đáp ứng đợc những nhu cầu của nền kinh tế
quốc dân đối với một số chủng loại xe. Tuy nhiên, ngành công nghiệp này vẫn
đang trong giai đoạn sơ khai nên còn rất nhiều việc phải làm để có thể sản
xuất ra các loại ôtô chất lợng cao, không những phục vụ cho nhu cầu sản
xuất trong nớc mà còn hớng đến xuất khẩu. Trong bối cảnh nh vậy, việc
nghiên cứu động lực học ôtô phục vụ cho quá trình thiết kế chế tạo, các cụm,
các hệ thống trên xe và tiến tới chế tạo những chiếc ôtô hoàn chỉnh mang
thơng hiệu Việt Nam đáp ứng đợc các tiêu chuẩn quốc tế là rất quan trọng
và cần thiết.

Đối với ôtô tải, một trong những vấn đề đợc quan tâm hàng đầu là chất
lợng và hiệu quả của hệ thống phanh, bởi vì nó liên quan trực tiếp đến an
toàn giao thông và các tiêu chuẩn mang tính pháp lý. Trên thực tế, các loại xe
tải trung bình và cỡ lớn thờng đợc trang bị hệ thống dẫn động phanh bằng
khí nén với đặc điểm nổi bật là thời gian chậm tác dụng (hay còn gọi là thời
gian phản ứng) tơng đối lớn, nó dẫn đến thời gian phanh và quãng đờng
phanh cũng lớn. Vấn đề càng trở nên nghiêm trọng hơn đối với các xe tải loại
N3 vì chúng có kích thớc lớn nên đờng ống dẫn khí thờng rất dài làm tăng
thêm thời gian chậm tác dụng của hệ thống. Trong những trờng hợp nh vậy
rất khó đảm bảo đợc thời gian phản ứng của hệ thống và quãng đờng phanh
trong phạm vi cho phép của các tiêu chuẩn quy định.


2

Do đó, trong quá trình thiết kế hệ thống phanh, việc nghiên cứu tính
toán để biết đợc một cách tơng đối chính xác quãng đờng phanh và mức
độ đáp ứng các tiêu chuẩn, quy định bằng phơng pháp mô phỏng là rất cần
thiết. Phơng pháp này cho phép đánh giá sơ bộ hiệu quả phanh ôtô ngay
trong quá trình thiết kế và giúp cho các nhà thiết kế có thể điều chỉnh kết cấu
hoặc tìm ra các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả phanh trớc khi
đa ra sản xuất thử nghiệm. Với cách làm nh vậy, ngời ta có thể tiết kiệm
đợc thời gian, công sức và tiền của, giảm bớt các thử nghiệm và nhờ đó rút
ngắn đợc thời gian thiết kế và tiết kiệm chi phí.
Với sự học hỏi và tìm hiểu của bản thân, dới sự hớng dẫn trực tiếp,
tận tình của thầy PGS. TS Nguyễn Trọng Hoan và sự giúp đỡ của các thầy cô
trong bộ môn Ôtô và Xe chuyên dụng, Viện Cơ khí Động lực Trờng Đại học
Bách Khoa Hà Nội, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:
Mô phỏng và tính toán qung đờng phanh cho ôtô tải loại N3 có trang
bị hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén.

B/ mục đích đề tài.
Mô phỏng và tính toán quãng đờng phanh của ôtô tải cỡ lớn trang bị hệ
thống dẫn động khí nén có kể đến thời gian chậm tác dụng do quá trình tăng
áp suất khí nén trong các bầu phanh. Trên cơ sở đó tìm ra các biện pháp thích
hợp để nâng cao hiệu quả phanh trong quá trình thiết kế hệ thống.
C/ đối tợng nghiên cứu .
Đối tợng nghiên cứu của Đề tài là hệ thống phanh dẫn động dẫn động
khí nén trên ôtô tải loại N3 (có trọng lợng toàn bộ trên 12 tấn) và các yếu tố
ảnh hởng đến hiệu quả phanh.


3

D/ nội dung luận văn.
Phần mở đầu:
A/ Đặt vấn đề.
B/ Mục đích đề tài.
C/ Đối tợng nghiên cứu.
D/ Phạm vi nghiên cứu.
Chơng I: Đặc điểm của hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén trên ô tô tải.
Chơng II: Phơng pháp mô phỏng dẫn đông khí nén và tính quãng đờng
phanh.
Chơng III: Mô phỏng và tính quãng đờng phanh.
Chơng IV: Khảo sát những nhân tố ảnh hởng đến quãng đờng phanh
Phần kết luận.


4

Chơng I : Đặc điểm của hệ thống dẫn động phanh

bằng khí nén trên ôtô tải.
1.1/ Tổng quan về tình hình sản xuất và lu hành xe tải ở Việt Nam và
trên thế giới.
Ngày nay, khi ôtô trở thành phơng tiện vận chuyển chủ chốt đối với bất
kỳ quốc gia nào trên thế giới, số lợng ôtô ngày càng tăng nhanh hơn nên ở
nhiều nơi, nhiều lúc chúng đã đặt ra những vấn đề không nhỏ đối với xã hội
loài ngời.
Chỉ riêng hai cờng quốc về công nghiệp ôtô là Mỹ và Nhật hàng năm
sản xuất khoảng 24- 25 triệu chiếc (năm 1992 Nhật sản xuất 12,5 triệu chiếc).
Trong đó ôtô du lịch chiếm tỷ lệ 70- 80%, ôtô tải chiếm 18- 20%, các loại ôtô
khác chiếm 1- 3%.
Với số lợng ôtô ngày càng tăng nh vậy, ôtô đã đặt ra nhiều vấn đề lớn
cho xã hội nh ô nhiễm môi trờng, tai nạn giao thông, ... Trong đó, tai nạn
giao thông đã trở thành một mối quan tâm lớn bởi vì ôtô đã trở thành phơng
tiện giao thông gây chết ngời nhiều nhất so với các loại phơng tiện giao
thông thông dụng.
ở Việt Nam, tính đến hết tháng 09- 2007 có khoảng 105.343 ôtô và
2.291.438 mô tô đợc đăng ký lu hành trên đờng. Tai nạn giao thông đờng
bộ vẫn đang có xu hớng tăng mặc dù Chính phủ đã đa ra nhiều giải pháp về
an toàn giao thông. Theo số liệu của Uỷ Ban an toàn giao thông Quốc gia,
riêng 9 tháng năm 2007, cả nớc có khoảng 11.034 vụ tai nạn giao thông,
không những gây thiệt hại lớn về ngời mà còn gây thiệt hại về tài sản của nhà
nớc và của công dân.
Theo thống kê của các nớc thì trong tai nạn giao thông đờng bộ
60- 70% do con ngời gây ra nh (lái xe say rợu, mệt mỏi, buồn ngủ, )


5

và 10- 15% do h hỏng máy móc, trục tặc về kỹ thuật, 20 - 30% do đờng xá

quá xấu.
Trong số các nguyên nhân h hỏng do máy móc, trục trặc kỹ thuật thì tỷ
lệ tai nạn do các cụm, hệ thống trên ôtô gây nên đợc thống kê nh sau:
Hệ thống phanh:

52,0 - 74,4%

Lái :

4,9 - 19,2%

ánh sáng :

2,3 - 8,7%

Bánh xe:

2,5 - 10%

H hỏng khác:

2 - 18,2%

Các số liệu trên cho thấy rằng, tai nạn giao thông do hệ thống phanh
chiếm tỷ lệ cao nhất. Do vậy các yêu cầu đối với hệ thống phanh, đợc pháp
lý hoá thông qua các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế, ngày càng trở nên khắt
khe hơn. Để đáp ứng đợc những tiêu chuẩn này, các nhà sản xuất phải
thờng xuyên cải tiến hệ thống phanh cho ôtô nhằm nâng cao hiệu quả và tính
ổn định khi phanh, tăng tính an toàn chuyển động.
Vì những lý do trên, việc mô phỏng hệ thống dẫn động phanh để xác

định hiệu quả phanh và tìm các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả phanh đáp
ứng các tiêu chuẩn hiện hành ngay trong quá trình thiết kế là rất cần thiết.
Không những thế, phơng pháp mô phỏng và tính toán với sự trợ giúp của
máy tính sẽ giúp cho các nhà thiết kế tiết kiệm đợc thời gian và kinh phí cho
quá trình thiết kế và hoàn thiện hệ thống phanh. Trong điều kiện thiếu thốn về
trang thiết bị thí nghiệm nh ở nớc ta hiện nay thì đây là phơng pháp nghiên
cứu rất thích hợp và hoàn toàn khả thi.
1.2/ Tổng quan về hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén.
1.2.1/ Sơ đồ ngyuên lý chung của hệ thống dẫn động phanh xe tải


6

Trên hình 1.1 thể hiện sơ đồ điển hình của hệ thống dẫn động phanh
bằng khí nén trên ôtô tải, nó bao gồm những bộ phận chính nh sau: 1- Máy
nén khí; 2- Bộ điều chỉnh áp suất; 3- Bộ chống đông đặc; 4- Van bảo vệ ba
ngả; 5,6- Bình khí nén; 7,8,10,11- Bầu phanh tích năng; 9- Van gia tốc hệ
thống phanh phụ; 12- Bộ điều hào lực phanh; 13- van gia tốc hệ thống phanh
chính; 14- Bình khí nén mạch; 15- Tổng phanh; 16- Van chia áp; 17,18- Bát
phanh trớc; 19- Van phanh tay.

Hình 1.1- Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh khí.
1.2.2/ Nguyên lý làm việc của hệ thống phanh khí
a/ Hệ thống phanh chính.
Khi phanh, ngời lái tác động lên bàn đạp phanh làm mở tổng van 15,
khí nén từ bình 5 đợc chuyển đến bộ điều chỉnh phanh (van gia tốc 13 hoặc
bộ điều hoà lực phanh 12) và khí nén đợc chuyển tới các bát phanh 7,8,10,11
qua cửa trên của tổng van 15. Đồng thời khí nén đợc lấy từ bình khí 14 qua
cửa dới của tổng van đến van chia áp 16 tới các bát phanh trớc 17,18 ép má
phanh vào tang trống phanh.

7

Khi nhả phanh, tầng dới của van 15 thông với khí quyển (tham khảo
hình 1.2), các bát phanh 17,18 thoát ra ngoài khí quyển qua van 16. Từ các bát
phanh 7,8,10,11 ở bánh xe sau thoát ra ngoài qua bộ điều chỉnh (van gia tốc
13 hoặc bộ điều hoà lực phanh 12). Nhờ vậy quá trình nhả phanh bánh xe
trớc và sau đợc nhanh hơn. Từ tầng trên và tầng dới tổng van 15 khí nén
cũng đợc thoát ra ngoài qua cửa xả, và ngừng cung cấp tới mạch điều khiển
hệ thống.
b/ Hệ thống phanh dừng.
Khi nhả phanh, ngời lái điều khiển van phanh tay 19, khí nén từ mạch
điều khiển thoát ra ngoài qua van gia tốc 9. Do vậy, xi lanh 7,8,10,11 và bát
phanh sau đợc nối thông với khí quyển qua van 9 và nhả guốc phanh các
bánh xe cầu sau.
Khi phanh, xoay tay gạt van 19, mạch điều khiển van tăng tốc 9 nối
bình khí nén 6. Khí nén đi vào các bát phanh 7,8,10,11 bánh xe cầu sau của
bình tích trữ năng lợng để thực hiện quá trình phanh.
Để nghiên cứu và hiểu rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống dẫn động
phanh trên, trớc hết cần phải nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của
một số van sau: van phân phối, van gia tốc.


8

Van phân phối

Hình 1.2 - Sơ đồ cấu tạo van phân phối
1. Piston; 2. Piston tuỳ động khoang trên; 3. Phần tử đàn hồi; 4. Đòn dẫn

động; 5. Khớp xoay; 6. Cần đẩy; 7. Bu lông chặn; 8. Lò xo bậc; 9. Van
khoang trên; 10. Piston tuỳ động khoang dới; 11. Van khoang dới; 12. Lò
xo bậc phía dới; 13. Cần đẩy Piston.
I,II : Cửa nối thông với bầu phanh; III, IV : Cửa nối thông với bình chứa của
hai mạch độc lập.


9

Nguyên lý làm việc:
ở vị trí ban đầu ( khi cha đạp phanh) các van 9 và 11 dới tác dụng
của lò xo đợc đóng lại. Cửa I phân cách với cửa IV và cửa II phân cách với
cửa III. Cửa I và cửa II thông với khí quyển qua cửa van 14.
Khi đạp lên bàn đạp phanh, lực tác dụng sẽ truyền đến van và đến cần
đẩy 6, phần tử đàn hồi 3 và đến piston 2. Piston 2 dịch chuyển xuống dới, ép
lò xo 8 và đóng cửa xả khi nó tiếp xúc với van 9 để ngăn cách với cửa II và
tiếp tục đến các bầu phanh bánh xe chừng nào lực ép của cần đẩy 5 cha cân
bằng với áp suất khí nén và lò xo 8 tác dụng lên piston 2 (tác động tuỳ động
đợc thực hiện ở tầng trên của van phanh).
Đồng thời với sự tăng áp suất ở cửa II, khí nén qua rãnh (b) khoang II
trên thân van đi vào khoang C trên piston gia tốc 1 tầng thứ 2 của van phanh.
Do có diện tích lớn piston 1 dịch chuyển xuống dới và áp suất trên đỉnh
piston không lớn sẽ làm tác dụng lên piston bậc 10 của tầng 2 van phanh. Khi
dịch chuyển xuống phía dới piston 10 ép lò xo 11 làm đóng cửa xả khi nó
tiếp xúc với van 11 để ngăn cách cửa I với khí quyển và sau đó mở van 12.
Khí nén đợc đa đến qua cửa IV qua van 12 mở đi đến cửa I và tiếp tục đi
đến các bầu phanh của các bánh xe cầu trớc. Do tăng áp suất ở cửa I, áp suất
ở khoang dới của piston 1 và 10 tăng lên và cân bằng với lực tác dụng lên
piston 10 từ phía trên. Do đó, cửa I cũng đợc xác lập áp suất tơng ứng lực
tác dụng lên cần cửa van phanh, nghĩa là đảm bảo tác động tuỳ ở cả tầng dới

của van phanh.
Khi h hỏng ở tầng trên của van ( không có áơp suất ở cửa II), tầng
dới đợc điều khiển bằng cơ khí qua bu lông chặn 7 và cần đẩy 13. Khi đó
tác động tuỳ động thực hiện nhờ cân bằng của các lực đặt trên cần 4 từ phía
trên, bằng áp lực của khí và lò xo 11 tác động lên piston nhỏ 10 từ phía dới.
Nừu tầng dới bị hỏng ( không có áp suất ở cửa I), sự làm việccủa tầng trên


10

cũng không bị ảnh hởng. Khi thôi tác dụng lên bàn đạp phanh, cần 4 dới tác
dụng của phần tử đàn hồi 3 đợc trở về vị trí ban đầu. Piston bậc 2 dịch
chuyển lên trên do lực ép của lò xo 8, van 9 đóng lại, đờng khí nén dẫn vào
bình chứa đến cửa II bị ngừng lại. Khi piston 6 tiếp tục dịch chuyển lên phía
trên, cửa xả đợc mở ra, cửa xả nối thông với cửa II với khí quyển qua cửa 14,
áp suất ở cửa II, trong khoang A của không gian trên piston gia tốc 1 giảm đi.
Dới tác dụng của lò xo 12 piston 1 và 10 dịch chuyển lên trên, van 12 đóng
lại, đờng khí nén từ bình chứa tới cửa I bị ngừng lại. Khi piston 1 và 10 tiếp
tục dịch chuyển lên trên, cửa xả đợc mở ra, nối thông cửa I với khí quyển qua
cửa 14.
Với trờng hợp trên ta bỏ qua bộ điều hoà lực phanh.
Van gia tốc.
Sơ đồ cấu tạo van gia tốc đợc thể hiện trên hình 1.3.

Hình 1.3 - Van gia tốc


11

1- ống dẫn hớng; 4- Khoang điếu khiển phía trên van gia tốc; 7- Khoang

điều khiển đầu ra; 2 - Van nạp; 5- Piston; 8- Vành tì; 3- Van xả; 6- Mặt đế
van; 9- lò xo dới van xả.
Van gia tốc dùng để giảm thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh
nhờ giảm độ dài của đờng dẫn khí tới các bầu phanh cầu sau và xả không khí
ở đây ra. Van đợc lắp ở phía trong dầm dọc của khung ô tô và giá sau ôtô.
Cấu tạo của van gia tốc đợc trình bày trên hình 1.3.
Trong đó:
Cửa A đợc nối với khoang trên của tông van, áp khí trên đoạn ống này
có tác dụng điều khiển đóng mở van, khí nén từ bình chứa đợc dẫn đến cửa
C và qua cửa B đến các bát phanh bánh xe cầu sau.
Khi cha phanh, không có áp suất ở cửa A, piston 5 ở vị trí trên cùng,
van nạp 2 đợc đóng lại dới tác dụng của lò xo 9, còn van xả 3 đợc mở
thông với khí trời.
Khi phanh, khí nén đợc truyền từ khoang trên tổng van vào cửa A van
gia tốc xuống phía dới khoang điều khiển 4. Dới tác động của khí nén,
piston 5 dịch chuyển xuống phía dới, lúc đầu nó đóng van xả 3 và sau đó mở
van nạp 2. các xi lanh của bát phanh sau liên kết với cửa B đợc tiếp đầy khí
nén từ bình qua cửa C và van nạp 2 để phanh các bánh xe sau.
Khi áp suất cửa B đạt tới áp suất tơng ứng cửa A, piston 5 dịch chuyển
lên trên và dới tác dụng của lò xo 9, van nạp 2 đóng lại và van xả 3 mở ra
đồng thời khí nén thoát ra ngoài qua cửa D. Kết thúc quá trình phanh.
1.3/ Đặc điểm của hệ thống dẫn động phanh khí nén trên xe tải:
1.3.1/ Thời gian chậm tác dụng:
Thời gian chậm tác dụng (hay còn gọi thời gian phản ứng) của hệ thống
dẫn động phanh là thời gian ngời lái tác động vào bàn đạp phanh cho đến khi
áp suất trong xi lanh phanh xa nhất đạt tới mức quy định (ứng với thời điểm


12

má phanh áp sát vào tang trống phanh). Thời gian này đối với phanh dầu là rất
nhỏ còn đối với phanh khí thời gian phản ứng nói chung là tơng đối lớn,
thờng lớn hơn phanh dầu hàng chục lần, đó là nhợc điểm lớn của phanh khí
nén. Điều này càng thể hiện rõ và nghiêm trọng hơn đối với xe có đờng ống
dài nh xe tải cỡ lớn hoặc xe kéo moóc. Bởi vì tổng cộng các dờng ống dẫn
tới cơ cấu phanh chấp hành xa nhất có thể đạt hàng chục mét. Trong những
trờng hợp nh vậy rất khó có thể đạt đợc thời gian phản ứng của hệ thống
nằm trong phạm vi cho phép của các tiêu chuẩn quy định, nếu nh không có
giải pháp thích hợp. Thông thờng trên các hệ thống dẫn động khí nén, để
giảm thời gian chậm tác dụng tuỳ theo điều kiện cụ thể, ngời ta áp dụng các
biện pháp khác nhau để đạt yêu cầu mong muốn.
1.3.2/ Các biện pháp làm giảm độ chậm tác dụng của hệ thống:
Để giảm tác động của hệ thống ta có thể áp dụng một số biện pháp sau:
- Chọn tiết diện thông qua của đờng dẫn và của thiết bị tối u nhất.
Vấn đề này là một tiêu chí rất quan trọng, nó có ảnh hởng đến thời gian
chậm tác dụng và ngày càng đợc chú ý. Tuy nhiên để giải quyết triệt để cần
phải thực hiện hàng loạt các khảo sát về mặt lý thuyết và thực nghiệm. Vì nếu
tăng đờng kính lên quá mức sẽ làm tăng giá kết cấu đồng thời làm tăng tổn
hao khí nén dẫn đến tăng thời gian chậm tác dụng. Trong cơ cấu dẫn động
nhiều nhánh sự lựa chọn mặt cắt thông qua các ống và thiết bị hợp lý là vấn đề
khó khăn và chỉ có thể giải quyết đợc bằng cách sử dụng lý thuyết hệ thống
tối u.
- Sử dụng van gia tốc trong hệ thống.
Việc trang bị van gia tốc thờng đợc thực hiện ở những đờng ống dài và
đờng ống làm việc chính, nó làm giảm thời gian chậm tác dụng một cách
đáng kể. Tuy nhiên, van gia tốc làm phức tạp thêm hệ thống và làm xấu đi các
đặc tính tĩnh, bởi vì xuất hiện những vùng không nhậy cảm. Nghĩa là việc lắp


13

van gia tốc dẫn tới tăng kích thớc và khối lợng không mong muốn, nên
ngời ta chỉ sử dụng nó khi thật sự cần thiết.
- Sử dụng các loại van hiệu chỉnh.
Đây là biện pháp hiệu qủa nhằm tăng phản ứng của hệ thống dẫn động
tuỳ động, bằng cách sử dụng các thiết bị hiệu chỉnh. Các thiết bị này thờng
rất phức tạp nên chỉ áp dụng khi mọi khả năng của các phơng pháp trên
không còn nữa.
Ưu đểm nổi bật của van hiệu chỉnh là tăng phản ứng nhanh của hệ thống
hiện thời mà không làm xấu đi đặc tính tĩnh cũng nh những tác động tuỳ
động. Trong hệ thống dẫn động phanh ta có thể trang bị các van này để giảm
thời gian chậm tác dụng của hệ thống.
Ngoài các biện pháp nêu trên, trong thiết kế chế tạo cũng cần quan tâm
đến tối u chiều dài các đờng ống dẫn trong hệ thống và việc bố trí các van
điều khiển ở các vị trí sao cho hợp lý, có nh vậy sự dẫn động các dòng khí sẽ
hợp lý và khả năng phản ứng của hệ thống cũng tăng nhanh, thời gian chậm
tác dụng của hệ thống cũng đợc giảm tối đa nhất.
1.4/ Quãng đờng phanh của ôtô có trang bị hệ thống dẫn động phanh
khí nén
Theo tài liệu [2] quãng đờng phanh có thể xác định bằng biểu thức (xem
chơng 2, phần 4):
S=


C aeV12
ln1 +
2 gC ae Pp + f r G cos s G sin s

iG

(*)

trong đó: G- trọng lợng của xe; i- hệ số kể đến ảnh hởng của các khối
lợng quay trong hệ thống truyền lực; Cae- hệ số cản không khí; Pp- lực phanh;
V1- vận tốc chuyển động của ôtô khi bắt đầu phanh; fr- hệ số cản lăn; s- góc
nghiêng dọc của đờng.


14

Có thể thấy rằng quãng đơng phanh phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong
đó có các yếu tố sử dụng nh vận tốc, tải trọng, độ dốc của đờng, tình trạng
mặt đờng, ... Yếu tố kết cấu duy nhất thể hiện trong công thức trên chính là
lực phanh Pp.
Theo lý thuyết, lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi lực bám nên trong khi
thiết kế ngời ta thờng tính toán sao cho lực phanh cực đại có giá trị bằng lực
bám, khi đó quãng đờng phanh nhỏ nhất có thể xác định nh sau:
S min =


C aeV12
G
ln1 +
2 gC ae G + f r G cos s G sin s

với là hệ số bám.
Tuy nhiên, trong thực tế khi phanh lực phanh tại các bánh xe không thể
đạt đợc ngay giá trị cực đại mà tăng dần theo thời gian. Quá trình tăng lực
phanh phụ thuộc chủ yếu vào quá trình tăng áp suất trong các bầu phanh. Vì
vậy, nếu tính quãng đờng phanh theo công thức (*) thì lực phanh Pp không
phải là một hằng số mà nó biến thiên theo thời gian, phụ thuộc vào quy luật
tăng áp suất trong các bầu phanh.
Nghĩa là, nếu gọi áp suất trong các bầu phanh là pi thì:
Pp = f ( pi )

trong đó pi là hàm của thời gian.
Vì lý do trên, để xác định đợc quãng đờng phanh thực tế có kể đến độ
chậm tác dụng của hệ thống dẫn động thì cần tiến hành mô phỏng hệ thống
dẫn động để tìm quy luật tăng áp suất tại các bầu phanh.
Kết luận:
Quãng đờng phanh ôtô là một chỉ tiêu quan trọng đánh giá hiệu quả
phanh của xe, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có yếu tố quan trọng là
quá trình tăng áp suất trong các bầu phanh. Vì vậy, để tính toán quãng đờng
phanh một cách chính xác cần tiến hành mô phỏng hệ thống dẫn động khí nén


15

để xác định quy luật tăng áp suất. Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu phơng
pháp mô phỏng tính toán dẫn động khí nén và tính quãng đờng phanh với sự

trợ giúp của công cụ Simulink trong phần mềm mô phỏng Matlab.


16

Chơnng II : Phơng pháp Mô phỏng dẫn động khí néN và
tính toán qung đờng phanh
2.1/ phơng pháp mô phỏng;
Để nghiên cứu động lực học của một hệ thống bất kỳ cần phải thiết lập
đợc các phơng trình mô tả quá trình làm việc của nó hay nói cách khác là
mô phỏng toán học hệ thống. Tuy nhiên, do bản chất vật lý của các hiện tựơng
xảy ra trong hệ thống dẫn động khí nén rất phức tạp nên cho tới nay, việc mô
phỏng một cách hoàn toàn chính xác là không thể thực hiện đợc, đặc biệt là
các quá trình quá độ. Do vậy, ngời ta thờng sử dụng các phơng pháp mô
phỏng gần đúng để giải quyết bài toán này. Hiện nay có khá nhiều phơng
pháp mô phỏng các hệ thống khí nén và nói chung chúng đều có u nhợc
điểm riêng. Trong luận văn sẽ sử dụng phơng pháp mô phỏng đã đợc áp
dụng và kiểm chứng bằng các kết quả nghiên cứu các hệ thống khí nén của
ôtô, đó là phơng pháp mô phỏng tập trung của GS. Metliuc [1].
Để giải bài toán mô phỏng hệ thống phanh dẫn động khí nén có thể sử
dụng nhiều công cụ khác nhau. Hiện nay, nhờ sự phát triển của công nghệ tin
học, phơng pháp thông dụng nhất để giải các bài toán loại này là sử dụng các
phần mềm chuyên dụng. Luận văn sẽ sử dụng một trong những phần mềm
hiện đại và đang đợc ứng dụng phổ biến hiện nay là Matlab 7.0.
2.2/ phơng pháp mô phỏng tập trung .
Nh đã trình bày trên đây, trong đề tài này tác giả sẽ sử dụng phơng
pháp mô phỏng tập trung để mô phỏng hệ thống dẫn động khí nén trên ôtô tải.
* Bản chất của phơng pháp mô phỏng tập trung dựa trên hai nguyên tắc:
- Thể tích khí tất cả các phần tử của hệ thống (van, đờng ống, cơ cấu chấp
hành, ) đợc coi là tập trung tại một dung tích và sức cản của các phần tử

này tập trung tại một tiết lu;


17

- Lu lợng đi qua các điểm nút trên sơ đồ mô phỏng đợc tính theo quy tắc
tính dòng điện đi qua điểm nút.
Việc áp dụng phơng pháp mô phỏng tập trung cho phép đơn giản hoá bài
toán mô phỏng và quy về việc xác định:
+ Quan hệ giữa các thông số dòng chảy tại điểm nút;
+ Quan hệ giữa các thông số dòng chảy khi đi qua tiết lu;
+ Quan hệ giữa các thông số dòng chảy đi vào dung tích.
2.2.1/ Phơng trình lu lợng đi qua tiết lu:
1/ Lu lơng tức thời đi qua tiết lu:
p0
p1

p0

p1

Hình 2.1: Tiết lu và kí hiệu trên sơ đồ.
Phơng trình lu lợng tức thời đi qua tiết lu.
p0
.
dm

( )
mD =
= à v RT

dt

D

Trong đó:
.

m D : lu lợng tức thời đi qua tiết lu

à - hệ số lu lợng:

à=

1 max f c
v f

c,: tiết diện của dòng khí và lỗ tiết lu
v- vận tốc giới hạn:
= kRT

( 330m/s vận tốc truyền sóng trong không khí)

k =1,4
T - nhiệt độ tuyệt đối
R = 287,14m2/S2K


18

( ) - hàm lu lợng, với là áp suất không thứ nguyên: =

p1
p0

p0, p1 - áp suất trớc và sau tiết lu.
2- Hàm lu lợng:
Hàm lu lợng ( ) thể hiện quy luật biến đổi lu lợng khi đi qua theo áp
suất không thứ nguyên :
( )

= u ( )
1

k

Trong đó u ( ) là hàm tốc độ dòng khí.
Do mức độ phức tạp của quá trình xảy ra trong hệ thống mà cho tới nay ngời
ta cha tìm đợc biểu thức toán học chính xác mô tả hàm lu lợng. Do vậy,
hiện nay ngời ta phải sử dụng nhiều công thức khác nhau để biểu thị ( )
(Saint- venant, Sau vill, ...). Nhng ở đây ta sẽ sử dụng hàm lu lợng do giáo
s N.P. Metliuc đề xuất:
( ) =

1


Trong đó:
A,B : xác định bằng thực nghiệm, đối với hệ thống khí nén trên ôtô ta có:
A= 0,654; B =1.13
Vậy hàm lu lơng là:

( ) =

1
1,13

Khi đó ta có công thức tính lu lợng túc thời đi qua tiết lu.
.
po 1
dm
*
A
mD =
= à v RT B
dt D
.

(1)