Nghiên cứu chẩn đoán tình trạng kỹ thuật hệ thống phanh thủy lực ô tô bằng phương pháp mô phỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

TRẦN NHẬT TUYÊN

NGHIÊN CỨU CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG
KỸ THUẬT HỆ THỐNG PHANH THỦY LỰC Ô TÔ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

TRẦN NHẬT TUYÊN

NGHIÊN CỨU CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT HỆ
THỐNG PHANH THỦY LỰC Ô TÔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP
MÔ PHỎNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành:

Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số:

60520116

Quyết định giao đề tài:

48/QĐ-ĐHNT ngày 19/01/2017

Quyết định thành lập HĐ:

622/QĐ-ĐHNT ngày 5/9/2017

Ngày bảo vệ:

28/9/2017

Người hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN THANH TUẤN
Chủ tịch Hội đồng:
PGS.TS. TRẦN GIA THÁI
Khoa sau đại học:

KHÁNH HÒA - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu chẩn đoán
tình trạng kỹ thuật hệ thống phanh thủy lực ô tô bằng phương pháp mô phỏng”.
Là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chưa từng được công bố trong bất
cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.

Nha Trang, tháng 5 năm 2017
Tác giả luận văn

Trần Nhật Tuyên

iii


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận văn “Nghiên cứu chẩn đoán tình trạng kỹ thuật hệ thống
phanh thủy lực ô tô bằng phương pháp mô phỏng”.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Thanh Tuấn đã tận tình hướng dẫn,
trao dồi kiến thức và động viên để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu của mình.
Xin cảm ơn quý Thầy Bộ môn ô tô, Trung tâm đăng kiểm XCG Khánh Hòa đã
hỗ trợ trang thiết bị, tài liệu nghiên cứu và có những ý kiến đóng góp quý báu cho luận văn.
Tôi xin cảm ơn quý thầy trong khoa Kỹ thuật giao thông trường Đại học Nha
Trang, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài để
công trình nghiên cứu được hoàn thành có chất lượng.
Trong điều kiện thiếu thốn về các phương tiện, trang thiết bị, tài liệu và bản
thân còn nhiều hạn chế. Tuy đề tài đã hoàn thành nhưng không tránh khỏi những thiếu
sót. Rất mong Quý Thầy và các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Nha Trang, tháng 5 năm 2017
Tác giả luận văn

Trần Nhật Tuyên

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................iv

MỤC LỤC .......................................................................................................................v
DANH MỤC KÝ HIỆU ............................................................................................... vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................ix
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................x
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN ...........................................................................................xiv
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .........................................................................................2
1.1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu ...................................................................................2
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước .....................................................3
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ..........................................................................3
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước..........................................................................3
1.3. Mục tiêu nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu ...................................................4
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu ..............................................................................................4
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................4
1.3.3. Phạm vi nghiên cứu ...............................................................................................5
1.3.4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................5
1.3.5. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................................6
2.1. Động lực học phanh ô tô chuyển động thẳng ...........................................................6
2.1.1. Lực phanh sinh ra ở các bánh xe ô tô ....................................................................6
2.1.2. Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu.......................................................................7
v


2.1.3. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh ........................................10
2.1.4. Lực phanh và lực phanh riêng .............................................................................14
2.2. CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT HỆ THỐNG PHANH...............................................15
2.2.1. Sự thay đổi tình trạng kỹ thuật hệ thống phanh ..................................................15
2.2.2. Các phương pháp và thiết bị chẩn đoán ..............................................................17

2.3. Phần mềm mô phỏng ứng dụng matlab ..................................................................26
2.3.1. Simulink...............................................................................................................26
2.3.2. Logic mờ (fuzzy logic) ........................................................................................36
CHƯƠNG 3: CHẨN ĐOÁN HỆ THỐNG PHANH THỦY LỰC BẰNG PHẦN
MỀM MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG MATLAB............................................................46
3.1. Thông số kỹ thuật của xe mô phỏng.......................................................................46
3.2. Chẩn đoán hệ thống phanh thủy lực bằng matlab simulink ...................................48
3.2.1. Mô hình hệ thống phanh thủy lực........................................................................48
3.2.2. Mô hình động lực phanh xe trên đường ..............................................................58
3.2.3. Kết quả mô phỏng ...............................................................................................63
3.2.4. Nhận xét và phân tích ..........................................................................................65
3.3. Chẩn đoán hệ thống phanh thủy lực bằng matlab fuzzy logic ...............................66
3.3.1. Mô hình chẩn đoán hệ thống phanh ....................................................................66
3.3.2. Thiết lập mô hình mô phỏng ...............................................................................66
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ......................................................75
4.1. Kết luận...................................................................................................................75
4.2. Khuyến nghị ...........................................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................78

vi


DANH MỤC KÝ HIỆU
Mp

Mô men phanh tác dụng lên bánh xe

N.m

Pp

Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường

Mjp

Mômen quán tính của bánh xe

N.m

Mf

Mômen cản lăn

N.m

Pf

Lực cản lăn

N

Zp

Phản lực của bánh xe

N

Rp

Bán kính làm việc trung bình của bánh xe

m

Sm

Quãng đường phanh nhỏ nhất

m

Pmcp

Áp suất bên trong buồng thứ nhất xylanh chính

%

Pmcs

Áp suất bên trong buồng thứ hai xylanh chính

Kg/cm2

Pwrf

Áp suất bên trong xylanh bánh trước phải

Kg/cm2

Pwlf

Áp suất bên trong xylanh bánh trước trái

Kg/cm2

Pwrr

Áp suất bên trong xylanh bánh sau phải

Kg/cm2

Pwlr

Áp suất bên trong xylanh bánh sau trái

Kg/cm2

Amc

Diện tích bề mặt làm việc của piston xylanh chính

N

m2

Fspring0 Lực lò xo hồi vị trong khoang thứ nhất của xylanh chính

N

Kspring Lực lò xo hồi vị trong khoang thứ nhất của xylanh chính

N/m

N

Fseal

Lực hồi vị của cuppen

Cq

Hệ số dòng chảy của dầu phanh

γ

Hệ số ma sát giữa má phanh và đĩa phanh

Awc

Diện tích di chuyển của piston trong xy

m2

reff

Bề mặt làm việc hiểu quả của má phanh

m

Fp

Lực đạp bàn đạp phanh

N

T

Độ dày của má phanh

Pc

Áp suất dầu phanh tại xilanh chính

Fc

Lực phanh chính

Kg

Ts

Trạng thái kỹ thuật của hệ thống phanh thủy lực của xe

%

Sp

Quãng đường phanh

m

mm

vii

Kg/cm2


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AL

Áp suất lớn

AN

Áp suất nhỏ

ATB

Áp suất trung bình

CĐ

Chẩn đoán

DI

Dày ít

DN

Dày nhiều

DTB

Dày trung bình

FL

Lực đạp lớn

FMRLC

Fuzzy Model Reference Learning Control

FN

Lực đạp nhỏ

FTB

Lực đạp trung bình

HAB

Hydraulic Actuated Brakes

HN

Hỏng nhẹ

HO

Hỏng nặng

LL

Lực lớn

LN

Lực nhỏ

LV

Lực vừa

PID

Proportional-Integral-Derivative

QD

Quãng đường phanh dài

QN

Quảng đường phanh ngắn

QTB

Quãng đường phanh trung bình

SMC

Sliding Mode Control

T

Tốt

TB

Trung bình

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TK

Trung bình khá

TTKT

Trình trạng kỹ thuật
viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh của một số nước................................................. 23
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn Châu Âu về hiệu quả phanh (ECE – R13) ........................................... 24
Bảng 2.3. Tiêu chuẩn ngành 22 – TCN 224 – 2000 (Bộ GTVT quy định, 2000)................. 24

Bảng 2.4. Tiêu chuẩn về hiệu quả phanh của hệ thống phanh công tác theo OCT 37.
001.016 – 70.................................................................................................................................. 25
Bảng 2.5. Tiêu chuẩn về hiệu quả phanh hệ thống phanh dự trữ theo OCT 37. 001.016 – 70....26
Bảng 2.6. Phép toán logic truyền thống ..................................................................................... 39
Bảng 2.7. Phép toán fuzzy logic ................................................................................................. 40
Bảng 2.8. Ví dụ về phép toán fuzzy logic.................................................................................. 40
Bảng 3.1. Bảng kích thước thông số kỹ thuật............................................................................ 46
Bảng 3.2. Bảng thông số kỹ thuật hệ thống phanh thủy lực .................................................... 47
Bảng 3.3. Bảng thông số làm việc tiêu chuẩn của hệ thống phanh ......................................... 47
Bảng 3.4. Các thông số của hệ thống phanh xe Hyunđai Accent............................................ 55
Bảng 3.5. Các thông số của phanh đĩa ....................................................................................... 58
Bảng 3.6. Các thông số được sử dụng để tính cho mô hình..................................................... 62
Bảng 3.7. Bảng mã code của hệ thống ....................................................................................... 63
Bảng 3.8. Bảng các thông số kỹ thuật đầu vào và ra ................................................................ 67
Bảng 3.9. Bảng các thông số kỹ thuật đầu vào mô phỏng ....................................................... 69

ix


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Sơ đồ lực và mô ment tác động lên bánh xe khi phanh...................................6
Hình 2.2. Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh ..............................................................8
Hình 2.3. Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh nhỏ nhất theo tốc độ bắt đầu
phanh v1 và hệ số bám ...................................................................................................13
Hình 2.4. Bệ thử phanh ôtô kiểu thủy lực .....................................................................18
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý bệ thử phanh ôtô .................................................................19
Hình 2.6. Đo hành trình bàn đạp phanh.........................................................................21
Hình 2.7. Xác định độ lệch hướng chuyển động của ôtô khi phanh .............................22
Hình 2.8. Màn hình khởi động nhanh Simulink ............................................................27
Hình 2.9. Cửa sổ Simulink Library ...............................................................................27

Hình 2.10. Cửa sổ mô hình sau khi mở Simulink .........................................................28
Hình 2.11. Đường liên kết các khối trong Simulink .....................................................29
Hình 2.12. Mô hình xây dựng hệ thống cơ bản.............................................................30
Hình 2.13. Cửa sổ lựa chọn các khối trong Simulink Libray........................................30
Hình 2.14. Thư viện khối của Source............................................................................31
Hình 2.15. Chọn 1 khối trong thư viện khối của Source...............................................31
Hình 2.16. Chọn các khối cần thiết trong thư viện khối của Source.............................32
Hình 2.17. Chọn tất cả khối cần thiết trong thư viện khối của Source..........................32
Hình 2.18. Thay đổi giá trị khối Transfer Function ......................................................33
Hình 2.19. Thay đổi giá trị khối PID Controller ...........................................................33
Hình 2.20. Mô hình hoàn chỉnh sau khi chỉnh sửa nội dung của các khối....................33
Hình 2.21. Liên kết khối Step vào dương của khối Sum ..............................................34
Hình 2.22. Mô tả liên kết chưa đúng .............................................................................34
Hình 2.23. Liên kết các khối cơ bản hoàn chỉnh ...........................................................35
x


Hình 2.24. Tạo liên kết phản hồi của mô hình ..............................................................35
Hình 2.25. Mô hình hoàn chỉnh.....................................................................................36
Hình 2.26. Kết quả mô phỏng .......................................................................................36
Hình 2.27. Quả cóc và hạt cóc.......................................................................................37
Hình 2.28. Định nghĩa tập truyền thống ........................................................................38
Hình 2.29. Định nghĩa tập fuzzy ...................................................................................38
Hình 2.30. Hàm tính thành viên ....................................................................................39
Hình 2.31. Hàm thành viên tập fuzzy A, B ...................................................................41
Hình 2.32. Đầu ra của fuzzy logic .................................................................................41
Hình 2.33. Điều khiển mực nước trong thùng...............................................................42
Hình 2.34. Giao diện fuzzy logic...................................................................................42
Hình 2.35. Giao diện khối Level ...................................................................................43
Hình 2.36. Giao diện khối Valve...................................................................................44

Hình 2.37. Giao diện khối luật ......................................................................................44
Hình 2.38. Kết quả tập fuzzy đầu ra ..............................................................................45
Hình 3.1. Kích thước tổng thể của xe............................................................................46
Hình 3.2. Xe Hyundai Accent 1.6l ................................................................................48
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống phanh thủy lực trên xe Huyndai Accent...............................49
Hình 3.4. Mô hình dẫn động phanh thủy lực kiểu II .....................................................49
Hình 3.5. Xylanh chính của hệ thống phanh thủy lực ...................................................50
Hình 3.6. Cấu tạo Xylanh chính ....................................................................................50
Hình 3.7. Mô hình hoạt động của xy lanh chính của hệ thống phanh thủy lực.............51
Hình 3.8. Mô hình tạo áp suất của hệ thống phanh thủy lực trên xe.............................52
Hình 3.9. Đồ thị quan hệ giữa độ dịch chuyển piston và áp suất dầu phanh ................53
Hình 3.10. Mô hình Simulink thực hiện phanh .............................................................55
xi


Hình 3.11. Mô hình Simulink Master Cylinder.............................................................55
Hình 3.12. Mô hình Simulink Wheel Cylinder .............................................................56
Hình 3.13. Cấu tạo phanh đĩa ........................................................................................56
Hình 3.14. Mô hình phanh đĩa.......................................................................................57
Hình 3.15. Simulink thực hiện các mối quan hệ áp lực-môment phanh .......................58
Hình 3.16. Mô hình simulink thể hiện mối quan hệ áp lực và mô ment phanh ............58
Hình 3.17. Mô hình động lực học bánh xe quay ...........................................................59
Hình 3.18. Mô hình Simulink thực hiện tính toán động lực tại bánh xe.......................61
Hình 3.19. Mô hình Simulink phanh thủy lực xe từ xylanh chính đến bánh xe ...........61
Hình 3.20. Mô hình Simulink brake Actuator...............................................................61
Hình 3.21. Mô hình Simulink Controller brake ............................................................62
Hình 3.22. Mô hình Simulink động lực của phanh thủy lực .........................................62
Hình 3.23. Đồ thị vận tốc xe..........................................................................................63
Hình 3.24. Đồ thị vận tốc bánh xe.................................................................................64
Hình 3.25. Đồ thị quãng đường phanh ..........................................................................64

Hình 3.26. Đồ thị độ trượt tương đối.............................................................................64
Hình 3.27. Đồ thị áp suất phanh ....................................................................................65
Hình 3.28. Mô hình chẩn đoán trình trạng kỹ thuật hệ thống phanh trên Matlab .........66
Hình 3.29. Thực hành đo độ dày má phanh ..................................................................67
Hình 3.30. Thực hành đo độ dày đĩa phanh ..................................................................67
Hình 3.31. Thực hành đo mức dầu phanh .....................................................................68
Hình 3.32. Thực hành đo hành trình tự do bàn đạp phanh ............................................68
Hình 3.33. Thực hành đo áp suất dầu phanh tại xy lanh chính .....................................68
Hình 3.34. Thực hành đo áp suất dầu phanh tại xy lanh bánh xe..................................69
Hình 3.35. Màn hình soạn thảo Fuzzylogic...................................................................70
xii


Hình 3.36. Biến vào lực đạp phanh ...............................................................................71
Hình 3.37. Biến vào độ dày của má phanh....................................................................71
Hình 3.38. Biến vào áp suất dầu phanh tại xilanh chính ...............................................71
Hình 3.39. Biến vào lực phanh chính ............................................................................72
Hình 3.40. Biến ra “Trạng thái kỹ thuật của hệ thống phanh” ......................................72
Hình 3.41. Biến ra “Quãng đường phanh” ....................................................................72
Hình 3.42. Các luật điều khiển ......................................................................................72
Hình 3.43. Kết quả chạy chẩn đoán...............................................................................73
Hình 3.44. Kết quả chẩn đoán .......................................................................................74
Hình 3.45. Biểu đồ trình trạng kỹ thuật của hệ thống phanh phụ thuộc vào lực đạp
phanh (Fp) ......................................................................................................................74
Hình 4.1. Kết quả mô phỏng quãng đường phanh và tiêu chuẩn kiểm định .................75
Hình 4.2. Kết quả mô phỏng lực phanh và hiệu quả phanh ..........................................76
Hình 4.3. Kết quả thực nghiệm thử phanh trên thiết bị kiểm tra phanh thực tế............76

xiii

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Trong ngành giao thông vận tải đường bộ ngày nay, tình trạng tai nạn giao
thông đường bộ tăng lên rất nhiều và hết sức phức tạp, nguyên nhân phần lớn là do
liên quan đến trình trạng kỹ thuật của xe không đảm bảo đảm, đặc biệt có rất nhiều vụ
liên quan đến hệ thống phanh của xe. Chính vì thế vấn đề chẩn đoán, xác định độ tin
cậy và cảnh báo về hiệu quả làm việc của hệ thống phanh rất quan trọng. Vì vậy, tác
giả đã nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống phanh dựa trên một hệ
thống phanh thực tế trên xe ô tô thực tế. Dựa vào mô phỏng ta có thể xác định được
tình trạng làm việc, hiệu quả làm việc của hệ thống phanh để từ đó đưa ra hướng sửa
chữa bảo dưỡng. Có rất nhiều cách để xác định tình trạng kỹ thuật của một hệ thống
phanh, tuy nhiên tất cả đều phải sử dụng thiết bị chuyên dùng hiện đại, hoặc phải tháo
rời, điều này rất tốn kém và mất rất nhiều thời gian sửa chữa vì vậy việc chuẩn đoán
tình trạng làm việc của một hệ thống bằng phần mềm mô phỏng là đơn giản và hiệu
quả nhất, vì ta không cần phải tháo rời chi tiết, và có khả năng thực hiên việc kiểm tra
tình trạng được thường xuyên của hệ thống để có phương án sửa chữa kịp thời trước
khi đưa xe đến các trung tâm kiểm định và trung tâm sửa chữa.
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu về cấu tạo và hoạt động của một hệ thống phanh thực tế và từ đó ta
xây dựng mô hình vật lý và mô hình toán thủy lực của hệ thống, sau đó ta xây dựng
một mô hình mô phỏng trên phần mềm matlab, chạy chương trình mô phỏng và phân
tích được tình trạng làm việc của phanh dựa vào các đồ thị về: Thời gian phanh, quãng
đường phanh, lực phanh, phần trăm làm việc của hệ thống.
Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng:
Nghiên cứu về cấu tạo hệ thống phanh thủy lực trên xe du lịch, cụ thể là xe
Hyundai Aceent 1.6l. Nghiên cứu về phần mềm mô phỏng ứng dụng Matlab, cụ thể là
mô đun mô phỏng Simulink và Fuzzy logic. Và thực hiện đo kiểm lấy các thông số kỹ
thuật thực tế trên xe để đưa vào mô hình mô phỏng.
Các kết quả chính:

xiv


Nghiên cứu được quá trình động lực học xảy ra của một hệ thống phanh khi
phanh trên đường, quá trình phanh xe trên đường được thực hiện bởi hai yếu tố đó là:
Ma sát giữa má phanh và đĩa phanh, ma sát giữa lốp xe và mặt đường.
Nghiên cứu được các quá trình động lực học thủy lực tạo áp lực phanh trong hệ
thống phanh dầu.
Xây dựng được mô hình mô phỏng của hệ thống phanh thủy lực trên phầm
mềm mô phòng Simulink và fuzzy logic.
Kết quả mô phỏng đã cho ta xác định được các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của
quá trình phanh như: Thời gian phanh, quãng đường phanh, lực phanh…được xuất ra
dưới dạng biểu đồ. Từ các kết quả này ta có thể đánh giá được hiệu quả phanh, tình
trạng phanh. Đồng thời, với việc sử dụng hệ chuyên gia chẩn đóan mờ, cụ thể là phần
mô đun fuzzy logic trong phần mềm matlab, ta có đưa ra được tình trạng làm việc của
đối tượng là còn bao nhiêu phần trăm, có tiếp tục sử dụng phương tiện hay sửa chữa.
Từ kết quả nghiên cứu đạt được, nên phát triển hướng nghiên cứu để mô phỏng
quá trình làm việc hoặc chẩn đoán một số hệ thống khác trên xe ô tô như: Chẩn đoán
động cơ, chẩn đoán hệ thống lái, hệ thống truyền lực, hệ thống đàn hồi trên xe...
Từ khóa: Trình trạng kỹ thuật, chẩn đoán, áp suất, chỉ tiêu phanh, hiệu quả
phanh, Simulink, fuzzy logic, hệ chuyên gia mờ, hệ nơron.

xv


MỞ ĐẦU
Hiện nay ở Việt Nam vận tải hành khách bằng đường bộ chiếm tỉ trọng rất lớn
trong mạng lưới giao thông quốc gia và không ngừng tăng lên mỗi năm do nhu cầu đi
lại của con người ngày càng nhiều, bên cạnh đó giao thông đường bộ đáp ứng nhu cầu
tốt hơn so với các phương tiện vận chuyển khác như tính cơ động cao, giá cả hợp lý...

Tuy nhiên song song với đó là tình trạng tai nạn giao thông cũng tăng lên và hết sức
phức tạp, nguyên nhân phần lớn là do liên quan đến trình trạng của hệ thống phanh
trên ô tô. Cơ cấu phanh là cơ cấu an toàn chủ động của ô tô, dùng để giảm tốc độ hay
dừng và đỗ ôtô trong những trường hợp cần thiết. Nền công nghiệp ô tô đang ngày
càng phát triển mạnh, số lượng ô tô tăng nhanh, mật độ lưu thông trên đường ngày
càng lớn. Các xe ngày càng được thiết kế với công suất cao hơn, tốc độ chuyển động
nhanh hơn thì yêu cầu đặt ra với cơ cấu phanh cũng càng cao và nghiêm ngặt hơn. Một
ô tô có cơ cấu phanh tốt, có độ tin cậy cao thì mới có khả năng phát huy hết công suất
xe, 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. Tuy nhiên trong quá trình sử dụng ôtô, trạng thái kỹ thuật của các
chi tiết dần thay đổi theo hướng xấu đi, dẫn tới hay hỏng hóc và giảm độ tin cậy. Quá
trình thay đổi ấy có thể kéo dài theo thời gian và phụ thuộc vào nhiều nguyên nhân:
Chất lượng vật liệu, công nghệ chế tạo, lắp ghép, sự không đồng nhất trong chế tạo,
môi trường sử dụng, trình độ người sử dụng, điều kiện bảo quản, trang thiết bị và môi
trường sửa chữa, nhiên liệu dầu mỡ bôi trơn....Chính vì thế vấn đề chẩn đoán, xác định
độ tin cậy và cảnh báo về hiệu quả làm việc của hệ thống phanh rất quan trọng đối với
người lái xe. Do đó tác giả đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chẩn đoán tình
trạng kỹ thuật hệ thống phanh thủy lực ô tô bằng phương pháp mô phỏng”.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Trong thực thế có rất nhiều phương pháp để xác định, chẩn đoán hư hỏng và
hiệu quả làm việc của hệ thống phanh trên ô tô. Để xác định tình trạng kỹ thuật có thể
tiến hành bằng nhiều cách khác nhau như: Dùng công cụ chẩn đoán gồm: Các công cụ
chẩn đoán đơn giản, tự chẩn đoán, chẩn đoán trên thiết bị chuyên dùng, chẩn đoán
bằng hệ chuyên gia chẩn đoán máy. Đối với phương thức này đòi hỏi phải chi phí
nhân lực tháo rời, kiểm tra, đo đạc, đánh giá và có thể gây nên phá huỷ trạng thái tiếp

xúc của các bề mặt lắp ghép. Phương thức này gọi là xác định tình trạng kỹ thuật trực
tiếp. Phương pháp thứ hai là sử dụng các biện pháp thăm dò: Xác suất thống kê, thực
nghiệm, theo kinh nghiệm (tri thức chuyên gia), trực tiếp thông qua các cảm quan của
con người, phương pháp tìm dấu vết, nhận dạng: Thăm dò dấu vết trong dầu bôi trơn,
xác định dấu vết bằng âm học, xác định dao động cơ học bằng quang hoc, điện từ, mô
hình hoá, phương pháp toán học, thuật suy luận logic (tôpo logic, logic mờ, mạng nơ
ron). Đối với phương thức này thì không tháo rời, dựa vào các biểu hiện đặc trưng để
xác định tình trạng kỹ thuật của đối tượng.
Giữa hai phương thức trên phương thức thứ hai có nhiều lợi thế trong khai thác
ôtô, về mặt quan niệm trong khai thác ôtô, chẩn đoán kỹ thuật có thể được coi là: Một
phần của công nghệ bảo dưỡng và sửa chữa, như vậy vai trò của nó là nhằm chủ động
xác định nội dung, khối lượng công việc, mang tính chất chủ động phòng ngừa hữu
hiệu. Tính tích cực của chẩn đoán kỹ thuật được thể hiện ở chỗ nó dự báo một cách tốt
nhất và chính xác những hư hỏng có thể xảy ra mà không cần phải tháo rời ôtô, tổng
thành máy. Vì vậy chẩn đoán kỹ thuật được áp dụng rộng rãi trong ôtô, ngày nay được
quan tâm thích đáng và nó đã đóng vai trò quan trọng không thể thiếu được, đồng thời
khoa học chẩn đoán đang có nhiều tiến bộ vượt bậc, nhất là trên các thiết bị có kết cấu
phức hợp, đa dạng. Từ sự nhận ra những ưu việt của chẩn đoán kỹ thuật trong xác định
tình trạng kỹ thuật của ô tô bằng phương pháp số, cũng như những kiến thức có được
về chuyên môn, tôi đã tiến hành nghiên cứu chẩn đoán tình trạng kỹ thuật hệ thống
phanh thủy lực ô tô bằng phương pháp mô phỏng.
2


1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong những năm gần đây các ngành công nghiệp (ô tô, máy xây dựng, tàu
biển...) đã có những nghiên cứu chủ yếu về lĩnh vực chẩn đoán tình trạng kỹ thuật. Tác
giả Phạm Thị Thu Hương, Lê Hùng Lân “Hệ trợ giúp chẩn đoán kỹ thuật động cơ ô tô
trên sơ sở logic mờ”, đã nghiên cứu ứng dụng cơ sở lô gíc mờ, mạng nơ ron để xây

dựng hệ thống chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của các phương tiện giao thông vận tải,
nghiên cứu thành lập tập luật của cơ sở tri thức suy diễn và chương trình chẩn đoán
cho đối tượng nghiên cứu là động cơ ô tô. Tác giả Nguyễn Đức Tuấn trên cơ sở quá
trình thay đổi tình trạng kỹ thuật của ô tô kết hợp với chi phí cho việc bảo dưỡng sửa
chữa và khấu hao, đã nghiên cứu xác định chu kỳ tác động kỹ thuật cho ô tô. Tác giả
PGS.TS Nguyễn Văn Dũng- học viện kỹ thuật quân sự với nhiều bài viết “Ứng dụng
lý thuyết tập mờ chẩn đoán tình trạng kỹ thuật các cụm, hệ thống trong khai thác-Tạp
chí Cơ khí Việt Nam, số 04 (04/2012)”, “Ứng dụng lý thuyết tập mờ xác định tình
trạng kỹ thuật hệ thống lái có trợ lực thuỷ lực trên các phương tiện cơ giới Quân sự.
Tạp chí Khoa học và kỹ thuật, Số 142, 7/2011, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn”, đã lựa
chọn các tập thông số chẩn đoán hợp lý, ứng dụng lý thuyết mờ để xác định tổng quát
trình trạng kỹ thuật và khoang vùng xác định hư hỏng của các hệ thống trên xe ô tô
quân sự. Tác giả TS Nguyễn Sĩ Đỉnh - học viện kỹ thuật quân sự với nhiều bài viết
“Sử dụng mô hình đàn hồi để nghiên cứu động lực học dẫn động phanh thuỷ lực trên
ô tô”, Chuyên san Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học các nhà nghiên cứu trẻ,
Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn, Số 135(7-2010), “Mô
phỏng động lực học dẫn động phanh thuỷ lực khi có và không có hệ thống chống hãm
cứng bánh xe”, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học các nhà nghiên cứu trẻ lần
thứ IV, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn - 2009.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Từ những năm đầu của thập kỷ 90 một nghành kỹ thuật mới được phát triển rất
mạnh mẽ và đem lại những thành tựu bất ngờ, đó là lý thuyết điều khiển mờ. Năm
1965 L.A. Zadeh (trường Đại học Califocnia) đã xây dựng cơ sở tính toán cho lý
3


thuyết mờ, nhưng mãi đến những năm đầu của thập kỷ 90 lý thuyết mờ mới được sử
dụng cho ôtô bao gồm việc điều khiển tự động các hệ thống trên ôtô và chuẩn đoán kỹ
thuật trong khai thác sử dụng.
Để thuận tiện cho việc chẩn đoán có thể sử dụng phần mềm MATLAB với

môđun Simulink và Fuzzy logic trong việc giải bài toán cần thiết trong chẩn đoán
trạng thái của ôtô.
Trong những năm gần đây, số lượng các ứng dụng của hệ trợ giúp chẩn đoán
tăng lên đáng kể tại các nước phát triển. Đặc biệt là mô hình trợ giúp chẩn đoán có
ứng dụng Matlab trong lĩnh vực chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô và điều khiển tự
động. Như: “Fuzzy Logic of Speed and Steering Control System for Three Dimensional
Line Following of an Autonomous Vehicle”, Dr. Shailja shukla. Mr. Mukesh Tiwari, đã
sử dụng lý thuyết mờ để điều khiển tốc độc và hệ thống điều khiển lái ba chế độ của
một ô tô. “Fuzzy logic control of vehicle suspensions with dry friction nonlinearity”, Le
Sakman đã sử dụng logic mờ để điều khiển hệ thống treo xe với ma sát khô phi tuyến.
Hiện nay, có rất nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng các phương thức chẩn đoán
trình trạng kỹ thuật của các hệ thống trên ô tô bằng phương pháp mô phỏng. Trong đề
tài này tác giả thực nghiên cứu chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của hệ thống phanh trên
ô tô bẳng phần mềm chẩn đoán như Matlab sinmulink, Matlab Fuzzy Logic để góp
phần chẩn đoán giới hạn cần cảnh báo, bảo dưỡng hoặc sửa chữa đối với hệ thống
phanh thủy lực trên ô tô du lịch.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
-

Nghiên cứu xây dựng mô hình toán trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật hệ

thống phanh thủy lực ô tô.
-

Mô phỏng và diễn tả tình trạng làm việc của hệ thống phanh bằng Simulink và

Fuzzy Logic, từ đó phân tích yếu tố như: Lực đạp phanh, áp suất dầu phanh, chiều dày
má phanh ảnh hưởng đến trình trạng phanh ôtô.
-

Đánh giá kết quả mô phỏng và phân tích các tình trạng hư hỏng trong quá trình phanh.

1.3.2. Đối tượng nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu:
+ Trình trạng kỹ thuật hệ thống phanh thủy lực ô tô.
4


+ Xây dựng mô hình toán để chẩn đoán kỹ thuật hệ thống phanh thủy lực.
+ Công cụ Simulink và Fuzzy logic tool trong phần mềm mô phỏng Matlab.
-

Khách thể nghiên cứu: Hệ thống phanh thủy lực trên xe ô tô Hyundai Accent 1.6L.

-

Đối tượng khảo sát: Xe ô tô du lịch sử dụng hệ thống phanh thủy lực xe ô tô

Hyundai Accent 1.6L.
1.3.3. Phạm vi nghiên cứu
Trong nội dung đề tài không đặt vấn đề nghiên cứu sâu về phần mềm matlab
mà chỉ sử dụng, xây dựng mô hình và sử dụng công cụ simulink và Fuzzy logic
Toobox có trong phần mềm MATLAB để thực hiện chẩn đoán trình trạng kỹ thuật
trong hệ thống phanh thủy lực ô tô.
1.3.4. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng bằng
phần mềm.

1.3.5. Nội dung nghiên cứu
Đề tài bao gồm các nội dung cơ bản như sau:
-

Nghiên cứu lý thuyết về động lực học hệ thống phanh thủy lực trên ô tô.

-

Nghiên cứu lý thuyết về Simulink và Fuzzy logic dùng trong chẩn đoán trình

trạng kỹ thuật hệ thống phanh thủy lực trên ô tô.
-

Xây dựng mô hình toán chẩn đoán trình trạng kỹ thuật hệ thống phanh thủy lực

trên ô tô.
-

Chẩn đoán trình trạng kỹ thuật hệ thống phanh trên ô tô bằng phần mềm matlab

Simulink, Fuzzy logic.
-

Thực hành đo kiểm các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống phanh thủy lực

trên ô tô.

5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Động lực học phanh ô tô chuyển động thẳng
2.1.1. Lực phanh sinh ra ở các bánh xe ô tô
Khi người lái tác dụng vào bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra mô men
ma sát còn gọi là mô men phanh MP nhằm hãm bánh xe lại. Lúc đó ở bánh xe xuất
hiện phản lực tiếp tuyến Pp [2].
-

Chiều Pp ngược chiều chuyển động

-

Phương song song với mặt phẳng nằm ngang

-

Điểm đặt tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp và đường
Xét tại một bánh xe như hình vẽ:

Hình 2.1. Sơ đồ lực và mô ment tác động lên bánh xe khi phanh [2]
Mp: mô men phanh tác dụng lên bánh xe
Pp: lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường
Mjp: Mômen quán tính của bánh xe
Mf: Mômen cản lăn
Pf: Lực cản lăn
Zp: Phản lực của bánh xe
Rp: bán kính làm việc trung bình của bánh xe
-

Khi đó lực phanh Pp được xác định theo công thức:

Pp 

Mp

(2.1)

rb

6


-

Do đó lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với

mặt đường
(2.2)

Pp max  P  Z b .

Trong đó:
Ppmax: Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với
mặt đường
P  : Lực bám giữa bánh xe với mặt đường;
Zb: Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe;
 : Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường;

Khi phanh thì bánh xe chuyển động với gia tốc chậm dần, do đó trên bánh xe sẽ
có mô men quán tính Mjb tác dụng, mô men này cùng với chiều chuyển động của bánh
xe; ngoài ra còn có mômen cản lăn Mf tác dụng, mômen này ngược với chiều chuyển

động và có tác dụng hãm bánh xe lại. Như vậy trong khi phanh bánh xe thì lực hãm
tổng cộng là:
Pp 0 

M p  M f  M jp
rb

(2.3)

Trong quá trình phanh ôtô, mômen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lên, đến
một lúc nào đấy sẽ dẫn đến sự trượt lê bánh xe. Khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thì
hệ số bám  có giá trị thấp nhất thì lực phanh sinh ra giữa bánh xe và mặt đường là
nhỏ nhất, dẫn tới hiệu quả phanh thấp nhất. Không những thế, nếu các bánh xe trước bị
trượt sẽ làm mất tính dẫn hướng khi phanh, còn nếu bánh sau bị trượt khi phanh làm
mất tính ổn định khi phanh.
Vì vậy để tránh hiện tượng trượt lê hoàn toàn bánh xe (tức là không để bánh xe
bị bó cứng khi phanh) trên ôtô hiện đại có đặt bộ chống bó cứng bánh xe khi phanh.
2.1.2. Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu
Giả sử ôtô chuyển động với vận tốc v1, khi phanh thì v1 giảm dần và gia tốc j<0.
Lúc này các lực tác dụng lên ôtô (hình 2.2)
7


Hình 2.2. Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh [2]
Trong đó:
G: Trọng lượng ôtô đặt tại trọng tâm của xe
Z1, Z2: Các phản lực thẳng góc của bánh xe trước và sau
Pf1, Pf2: Lực cản lăn của bánh trước và sau
Pp1, Pp2: Lực phanh sinh ra ở bánh trước và sau
Pj: Lực quán tính

Pw: Lực cản không khí
L: Chiều dài cơ sở của xe
Lực quán tính Pj sinh ra do khi phanh sẽ có gia tốc chậm dần, Pj đặt tại trọng
tâm và cùng chiều với chiều chuyển động, và Pj được xác định theo biểu thức sau:
Pj 

G
. j p . i
g

(2.4)

Trong đó:
g: Gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2)
jp: Gia tốc chậm dần khi phanh.
 i : Hệ số tính đến ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay.

Khi phanh thì lực cản không khí Pω và lực cản lăn Pf1 và Pf2 không đáng kể, có
thể bỏ qua. Sự bỏ qua này chỉ gây sai số khoảng 1,5 ÷ 2%.
Bằng cách lập các phương trình cân bằng mômen của các lực tác dụng lên ô tô
khi phanh đối với các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường A và B, ta có thể xác
định các phản lực thẳng góc Z1 và Z2 như sau:
8


Ta có phương trình mômen tại điểm A:



 Z1.L  G.a  Pj .hg  Pw .hw  0

mA

Hay
Z1 

Gb  Pj .hg

(2.5)

L

Tương tự lập phương trình mômen tại điểm B ta được:
Z2 

Ga  Pj .hg

(2.6)

L

Nhận xét: Các phản lực tiếp tuyến tại bánh xe là hàm bậc nhất đối với lực phanh
và phụ thuộc vào trọng lượng ôtô khi phanh và toạ độ trọng tâm.
Thay giá trị Pj từ công thức (2.4) vào (2.5), (2.6) ta được:
Z1 

j p .hg 
G
b 


L
g 

(2.7)

Z2 

j p .hg 
G
a 

L
g 

(2.8)

Lực phanh Pp1 và Pp2 đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường và
ngược chiều với chiều chuyển động của ôtô.
Theo điều kiện bám Pp max  P nhưng khi tính toán người ta lấy Pp max  P nên ta có:
(2.9)

Pp max  G.

Nhận xét: Sự phanh có hiệu quả nhất là khi lực phanh sinh ra ở các bánh xe tỷ
lệ thuận với tải trọng tác dụng lên chúng, mà tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong
quá trình phanh lại thay đổi do có lực quán tính Pj tác dụng
Vậy để phanh có hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh xe trước
và lực phanh ở các bánh xe sau sẽ là:
Pp1
Pp 2



 .Z1 Z1

 .Z 2 Z 2

(2.10)

Hay:
Pp1
Pp 2



G.b  Pj .hg

(2.11)

G .a  Pj .hg

Do bỏ qua Pw và Pf nên khi phanh thì:
Pj = Pp và Pjmax = Ppmax =G. 
9


Thay giá trị vào (2.11) ta được:
Pp1
Pp 2



b   .hg

(2.12)

a   .hg

Nhận xét: Tỷ số lực phanh bánh xe trước – sau phụ thuộc toạ độ trọng tâm của
xe và gia tốc chậm dần khi phanh. Để tỷ số này không thay đổi trong suốt quá trình
phanh là điều kiện không thể vì: Trên xe tải trọng lớn kết hợp với hệ thống treo làm
thay đổi chiều cao trọng tâm khi xe chuyển động.
Mặt khác do sức cản mặt đường thì gia tốc chậm dần khi phanh không phải là
chậm dần đều, do cách chất tải vì thế hệ số bám  thay đổi nên toạ độ trọng tâm cũng
thay đổi làm tỷ số

Pp1
Pp 2

cũng luôn thay đổi.

2.1.3. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình phanh
Để đánh giá chất lượng của quá trình phanh ta phải xét đến các yếu tố sau [2]:
1- Gia tốc chậm dần khi phanh
2- Thời gian phanh
3- Quãng đường phanh
4- Lực phanh và lực phanh riêng
2.1.3.1. Gia tốc chậm dần khi phanh
Gia tốc chậm dần đều khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh
giá chất lượng phanh. Khi phân tích các lực tác dụng lên ôtô, có thể viết phương trình

cân bằng lực kéo khi phanh ôtô như sau [2]:
Pj  Pp  Pf  Pw  P  Pi

Trong đó:
Pj: Lực quán tính sinh ra khi phanh ôtô
Pp: Lực phanh sinh ra ở các bánh xe
Pf: Lực cản lăn
Pω: Lực cản không khí
10

(2.13)